0 引 言

為了研究長(zhǎng)白落葉松光譜對(duì)土壤Cu脅迫的響應(yīng)特征和變化規(guī)律，在遼東樹基溝礦區(qū)的３條勘測(cè)線上布置采樣點(diǎn)，進(jìn)行表層土壤的多種重金屬元素含量和長(zhǎng)白落葉松針葉的反射光譜測(cè)定，并提取了７個(gè)特征波段，計(jì)算了多個(gè)波段區(qū)間的光譜角，將其與土壤主要重金屬銅的含量進(jìn)行相關(guān)分析。

光譜反演原理

植被的生長(zhǎng)狀況也是礦山周圍生態(tài)環(huán)境變化的重要指示因子。

植物的光譜特征（對(duì)光的吸收、透射和反射的變化）由生理特征決定，生理特征又反映生長(zhǎng)狀況。植被在生長(zhǎng)過程中受到周圍不利因素脅迫時(shí)，生長(zhǎng)狀況將發(fā)生變化，特別體現(xiàn)在葉內(nèi)的色素成分、含量、內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及含水量等方面，葉面反射光譜也隨之發(fā)生改變。

本文利用長(zhǎng)白落葉松針葉光譜的細(xì)微差別，反演礦區(qū)地表的土壤重金屬含量。

1 研究區(qū)概況研究區(qū)屬山地丘陵區(qū)，大地構(gòu)造位置為華北地臺(tái)北緣東段遼東臺(tái)背斜鐵嶺—靖宇古隆起中部，主要由混合花崗巖、花崗混合巖和太古宙變質(zhì)巖系組成。斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造非常發(fā)育，其中太古代中晚期花崗-綠巖地體多期變形作用形成的褶皺構(gòu)造被認(rèn)為與區(qū)內(nèi)銅、鋅多金屬礦化關(guān)系密切。

本文選取垂直于礦體走向且礦體埋深分別為：15m、127m、264m的4#、12#、20#三條勘測(cè)線，測(cè)定了３條勘測(cè)線上表層土壤的重金屬元素Cu、Zn、Cd、Pb、Hg含量，研究了在土壤中主要重金屬銅脅迫下長(zhǎng)白落葉松針葉反射光譜的變化規(guī)律。

圖１為樹基溝礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖（ａ）及３條勘測(cè)線上采樣點(diǎn)的位置（ｂ）。4#勘測(cè)線附近從低緯度到高緯度，采樣點(diǎn)編號(hào)分別為4-2、4-3、4-4、4-5、4-6、4-7、4-8、4-9和4-11；12#勘測(cè)線附近采樣點(diǎn)按緯度從高到低分別為12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6、12-7、12-8和12-9；20#勘測(cè)線附近按緯度從高到低，采樣點(diǎn)分別為20-3、20-4、20-5、20-6、20-7和20-8。

2 材料與方法2.1土壤樣品采集與處理

在垂直于深部礦體的地表4#、12#、20#勘測(cè)線上每間隔30ｍ進(jìn)行表層土壤樣品的采集，礦體附近采樣間隔加密到20m。３條勘測(cè)線上每個(gè)采樣點(diǎn)采用多點(diǎn)混合采樣，采樣深度為0~20cm。

土壤樣品在室溫下風(fēng)干，磨碎，采用四分法，逐級(jí)過篩，用瑪瑙研缽磨細(xì)過0.149mm篩，置于塑料瓶中保存待測(cè)。消解土壤樣品時(shí)每個(gè)樣品做３個(gè)平行樣。重金屬全量的測(cè)定采用硝酸-高氯酸-氫氟酸消化，原子吸收分光光度法測(cè)定。

2.2植被反射光譜測(cè)量

選擇各采樣點(diǎn)相同朝向、相同樹齡、生長(zhǎng)狀況近似的長(zhǎng)白落葉松作為取樣對(duì)象，采集其針葉樣品，在仍然新鮮時(shí)用地物光譜儀進(jìn)行室內(nèi)反射光譜的測(cè)量。

2.3特征波段/參數(shù)

在多條光譜曲線上存在顯著差異的波段處選取特征波段/參數(shù)，能有效鑒別相似光譜曲線之間細(xì)微的光譜差異，對(duì)相似地物具有較強(qiáng)的識(shí)別能力。特征波段的選擇和提取至關(guān)重要，本文將特征波段的位置取在反射光譜曲線的峰值點(diǎn)或谷點(diǎn)以及坡度的拐點(diǎn)處，表1給出了反射光譜的幾種特征波段。

利用相似度的度量工具—光譜角法對(duì)受重金屬銅脅迫的長(zhǎng)白落葉松針葉多個(gè)波段區(qū)間的光譜變化進(jìn)行分析，當(dāng)針葉光譜角小于對(duì)應(yīng)波段區(qū)間的閾值時(shí)認(rèn)為不存在光譜差別；當(dāng)光譜角大于閾值時(shí)，表明該針葉光譜變異顯著，長(zhǎng)白落葉松受到銅的脅迫。

光譜角越小，長(zhǎng)白落葉松針葉的光譜曲線與對(duì)照組植被葉片的光譜曲線越相似；反之，光譜角越大，光譜曲線相似度越差，長(zhǎng)白落葉松受到銅的脅迫越嚴(yán)重，從而達(dá)到診斷銅污染程度的目的。

3結(jié)果與討論

3.1各采樣點(diǎn)重金屬平均含量

圖2為３條測(cè)線上各采樣點(diǎn)表層土壤樣品的重金屬平均含量分布圖。同一采樣點(diǎn)處各重金屬總量的大小關(guān)系為Zn>Cu>Pb>Cd>Hg，由于土壤中Cd與Hg的含量差異小，圖2中Cd與Hg曲線幾乎重合。4#勘測(cè)線上的4-5、4-6采樣點(diǎn)為Cu、Zn含量最大富集處，含量異常突出，其余各樣點(diǎn)的重金屬含量波動(dòng)不大。Nemero綜合污染指數(shù)表明，土壤只有Cu為輕度污染，Zn、Cd、Hg、Pb無污染，３條測(cè)線的表層土壤污染主要由Cu引起。

測(cè)得4#、12#、20#三條勘測(cè)線上各采樣點(diǎn)長(zhǎng)白落葉松針葉的反射光譜如圖3所示。

可見光波段的反射低谷主要由柵欄組織中的光合色素強(qiáng)烈吸收引起；近紅外波段形成的“反射高原”（700~1300nm）主要是植物葉片內(nèi)部海綿組織細(xì)胞中的“水-氣界面”多次反射和散射的結(jié)果；波長(zhǎng)大于1300nm的中紅外波段存在３個(gè)明顯的吸收谷，這主要是由葉片中的液態(tài)水強(qiáng)烈吸收所致。銅脅迫長(zhǎng)白落葉松針葉的光譜反射率在高反射區(qū)（800~1300nm）遠(yuǎn)高于健康植被，而這些差別反映了它們光譜特性的不同，是用于識(shí)別和區(qū)分植被受脅迫程度的基礎(chǔ)。

審核編輯：符乾江