土壤重金屬污染對水稻高光譜的影響

趙思穎+張軍+倪才英

摘要：按照國家重金屬污染標(biāo)準(zhǔn)土壤中Cd含量，在貴溪市選取2個(gè)Cd梯度樣地（記為樣地1、樣地2），根據(jù)均勻布點(diǎn)原則，采集6個(gè)土壤和水稻樣品，通過研究土壤中有機(jī)質(zhì)（TOC）含量、pH值、其他重金屬含量與水稻葉片葉綠素含量、水稻鎘含量之間的關(guān)系，試圖揭示水稻鎘污染對其光譜特征的影響。結(jié)果表明，2塊樣地中水稻葉片的SPAD值與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，與TOC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明pH值和TOC含量對水稻葉片的SPAD值有重要的影響；土壤中Cd、Cu、Pb、Zn重金屬離子共存時(shí)，Cu、Cd之間具有協(xié)同作用；水稻體內(nèi)的重金屬含量與土壤中重金屬有效量相關(guān)性系數(shù)大于土壤中重金屬全量，因此水稻體內(nèi)的重金屬元素主要源于對土壤中重金屬元素有效量的吸收；水稻葉片SPAD與水稻和土壤的Cd元素有良好的負(fù)相關(guān)性，說明水稻葉綠素含量對水稻受重金屬脅迫有良好指示作用；隨著土壤中Cd含量的增加，水稻光譜特征參數(shù)有顯著的變化，即藍(lán)谷和紅谷深度變淺，紅邊斜率變小，NDVI705植被指數(shù)降低，紅外反射坪（R750～1250）反射率降低。

關(guān)鍵詞：鎘；重金屬；水稻；SPAD值；高光光譜；遙感監(jiān)測；地面光譜數(shù)據(jù)

中圖分類號： X87；X53；S127 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0423-04

水稻是世界上重要的糧食作物之一，在我國，水稻種植面積在全國糧食種植面積中占很大的比重，產(chǎn)量接近糧食產(chǎn)量的一半。土壤重金屬主要來源于大氣沉降、污水灌溉、污泥施用、肥料、農(nóng)藥等。據(jù)農(nóng)牧漁業(yè)部統(tǒng)計(jì)，我國受污灌造成土壤重金屬污染嚴(yán)重，約30%的農(nóng)田受不同程度的重金屬污染。Cd是生物遷移性很強(qiáng)的重金屬，極易被植物吸收和累積，水稻對Cd非常敏感，可以通過食物鏈（鎘米）直接進(jìn)入人體，因此農(nóng)作物重金屬污染直接影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和食品安全，危及人類健康[1-3]，是人類面臨的主要環(huán)境污染之一。因此，農(nóng)作物重金屬污染的檢測、治理已越來越受重視。

通常植物的生長狀況對土壤的健康狀況有著重要的指示作用，近年來隨著高光譜遙感技術(shù)的產(chǎn)生和快速發(fā)展，通過對植物葉片的高光譜遙感數(shù)據(jù)分析，研究其生長環(huán)境的重金屬污染狀況[4]。目前，高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)成為農(nóng)作物污染評估工作中實(shí)現(xiàn)快速、無損、實(shí)時(shí)監(jiān)測的重要手段[5]。

國內(nèi)外利用高光譜遙感進(jìn)行農(nóng)作物重金屬污染監(jiān)測已開展了大量的研究。如陳思寧等研究Zn在人為控制條件下對白菜光譜反射特征的影響，結(jié)果表明“紅邊”藍(lán)移程度及近紅外反射率的變化幅度與農(nóng)作物體內(nèi)的葉綠素含量存在較強(qiáng)的相關(guān)性[6]；甘甫平等根據(jù)植被在685 nm附近的最大吸收深度相對地劃分植被污染程度[7]；劉圣偉等在深入分析德興銅礦礦區(qū)植被光譜特征的基礎(chǔ)上，通過反演表征植物生理狀態(tài)的光譜特征參數(shù)變異，提取與污染相關(guān)的信息，發(fā)現(xiàn)與較遠(yuǎn)的蘆葦相比，廢水池邊的蘆葦可見光波段的吸收減弱，反射增強(qiáng)，藍(lán)光波段和紅光波段的反射率升高，紅谷明顯變?nèi)?，紅邊“藍(lán)移”[8]；Kooistra等利用高光譜植被指數(shù)及紅邊位置監(jiān)測河漫灘土壤的重金屬污染狀況指出，重金屬在某些波段的光譜特征參數(shù)可以作為監(jiān)測污染現(xiàn)狀的有效指標(biāo)[9]。

本研究以2個(gè)Cd梯度的樣地為研究對象，采集水稻、土壤樣品，測定土壤中有機(jī)質(zhì)、pH值、水稻葉片光譜和葉綠素?cái)?shù)據(jù)，以及土壤、水稻中重金屬含量，提取光譜特征參數(shù)（藍(lán)谷位置、藍(lán)谷深度、綠峰位置、綠峰峰值、紅谷位置、紅谷深度、紅邊位置、紅邊峰值、紅邊斜率、NDVI705），以研究土壤中有機(jī)質(zhì)、pH值、其他共存重金屬離子對水稻Cd吸收的影響及其與水稻葉片高光光譜特征值之間的關(guān)系，試圖揭示Cd污染下水稻光譜特征變化，以期為構(gòu)建Cd污染水稻田遙感監(jiān)測提供地面光譜數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

樣地位于江西省貴溪市東北方向長塘周家，選取高程為58 m的Cd污染樣地（28°20.977′N，117°14.723′E），高程為55 m的Cd無污染樣地（28°21.052′N，117°14.854′E），且樣地面積大小一致。水稻品種為江西省超級水稻研究發(fā)展中心、江西大眾種業(yè)有限公司、南昌華天種業(yè)有限公司研制的C兩優(yōu)168，水稻種植區(qū)土壤以紅壤為主。采樣區(qū)的光照、降水、氣候以及土質(zhì)和排水等條件基本一致，且統(tǒng)一采用相同的田間管理方法。

1.2 數(shù)據(jù)的采集

1.2.1 水稻葉片光譜采集 使用SVC HR-1024便攜式地物光譜儀（美國Spectra Vista公司）采集水稻光譜，其波長范圍為350～2 500 nm，光譜分辨率在350～1 000 nm范圍內(nèi)為3 nm，在1 000～2 500 nm范圍為9.5 nm。選擇無風(fēng)晴朗天氣，10：00—14：00進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，每次采集前用標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行校正，使用25°視場角，探頭垂直向下，距水稻冠層頂部10～15 cm，每個(gè)樣本采集10條光譜數(shù)據(jù)，取其平均值作為該樣本的最終結(jié)果。

1.2.2 葉綠素含量的采集 使用日本柯尼卡美能達(dá)公司的SPAD-502型葉綠素計(jì)對水稻葉綠素含量進(jìn)行測定，并與冠層光譜采集同步進(jìn)行。每個(gè)樣點(diǎn)選擇上、中、下3個(gè)垂直層次的不同葉片進(jìn)行測量，每個(gè)樣地采集10次，取其平均值作為此樣點(diǎn)的葉綠素含量。

1.2.3 土壤樣品采集及預(yù)處理 光譜數(shù)據(jù)和葉綠素?cái)?shù)據(jù)測定后，在各采樣點(diǎn)采集0～10 cm深表層土壤，裝入潔凈塑料保鮮袋，送至實(shí)驗(yàn)室。采集的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、去除雜質(zhì)和草根、混合均勻后，過2 mm的尼龍篩網(wǎng)以去除雜質(zhì)，再用烘箱設(shè)置溫度為60 ℃烘干，然后使用瑪瑙研缽研磨并過100目、200目尼龍篩網(wǎng)，依次編號，裝入自封袋內(nèi)密封保存。

1.2.4 重金屬含量、pH值、有機(jī)質(zhì)含量的測定 將“1.2.3”處理后的樣品過100目尼龍篩網(wǎng)，用電位法測pH值；采用重鉻酸鉀外加熱法測定TOC含量；采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定土壤樣品中的重金屬含量（Cu、Pb、Zn、Cd、A_ Cu、A_ Pb、A_ Zn、A_Cd）；水稻重金屬（Cu、Pb、Zn、Cd） 含量的測定采用鹽酸浸提法。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 用ENVI軟件和SVC軟件對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（輻射糾正、壞線修復(fù)、連續(xù)統(tǒng)去除等），再用Excel軟件處理，得到最后所需數(shù)據(jù)；用SPSS軟件做相關(guān)性分析；用Origin Pro8繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd梯度土壤的pH值和TOC含量對水稻葉綠素的影響

有研究表明，鎘脅迫下植物出現(xiàn)毒性癥狀是因?yàn)槿~綠素降解、葉綠體功能失調(diào)而不能進(jìn)行光合作用[10]。一般人認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)，葉綠素含量直接影響光合作用，從而影響植物的健康狀態(tài)[11-12]。土壤的pH值和TOC含量會(huì)影響土壤重金屬的生物有效性，從而影響水稻葉片的生長態(tài)勢，因此對不同Cd梯度土壤的pH值和TOC含量對水稻葉綠素的影響進(jìn)行了研究分析，結(jié)果見表1。

由表1可以看出，2個(gè)Cd梯度土壤中pH值、TOC含量差異顯著，且Cd污染嚴(yán)重的土壤中pH值較高，TOC含量較低，說明土壤中的有機(jī)質(zhì)會(huì)隨著pH值的升高而降低，這與戴萬宏等研究認(rèn)為隨著土壤中pH值的升高，土壤中的TOC含量有明顯降低的趨勢，二者呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[13]是一致的。

由表2可以看出，樣地1中水稻葉片的SPAD值與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤中的TOC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，結(jié)合圖1可以看出樣地1水稻葉片的SPAD值明顯高于樣地2。說明隨著樣地中pH值的升高，樣地中TOC含量降低，水稻葉片的葉綠素含量降低。

2.2 不同Cd梯度下其他重金屬離子對葉綠素的影響

葉綠素存在于綠色植物的葉細(xì)胞里，是影響光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且是植物生長所需能量的貯存器。鑒于葉綠素的重要作用，因此在本試驗(yàn)中對Cd污染和Cd未污染土壤中其他重金屬元素含量以及其對葉綠素的影響進(jìn)行了研究分析。

2.2.1 不同Cd梯度下土壤中共存重金屬離子含量分析 通常情況下，水稻的健康狀況與其所生長的土壤環(huán)境密切相關(guān)。由于不同金屬離子之間的協(xié)同或拮抗作用不同，不同鎘污染梯度土壤中其他共存金屬離子是非常必要的。

由表3可以看出，樣地1和樣地2中的Cu、Zn、有效銅（A_ Cu）、有效鋅（A_Zn）存在著顯著差異，Pb和有效Pb（A_Pb）差異性不顯著，且樣地2中的各重金屬元素明顯高于樣地1，說明在2個(gè)Cd梯度土壤中多種重金屬共存時(shí)，Cu、Cd、Zn具有協(xié)同作用，且2塊樣地土壤中各重金屬元素的全量與有效量呈正相關(guān)。

2.2.2 不同Cd梯度土壤中水稻的重金屬含量分析 土壤是植物生長所需能量的源泉，植物的生長狀況以及體內(nèi)重金屬含量與土壤的重金屬含量密切相關(guān)，因此研究土壤重金屬含量對水稻體內(nèi)重金屬含量的影響可以很好地了解植物的生長環(huán)境。 由表4、表5可以看出，2塊樣地水稻體內(nèi)的重金屬含量與土壤中的重金屬全量、有效量具有顯著或極顯著的相關(guān)性，且2塊樣地水稻體內(nèi)的重金屬含量與土壤中全量及有效量Cu、Pb、Cd、Zn元素含量呈正相關(guān)關(guān)系，與Cu、Cd、A_Cu、A_Cd呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與Pb含量相關(guān)性不顯著。說明土壤中Cd、Cu、Pb、Zn重金屬離子共存時(shí)，Cu、Cd之間具有協(xié)同作用，這與這與很多學(xué)者研究的結(jié)果[14-17]是一致的，即土壤中Cd、Cu、Pb、Zn重金屬離子共存時(shí)，Cu、Cd之間具有協(xié)同作用，Zn、Pb是有拮抗作用。但是Zn、Pb的之間的拮抗在本試驗(yàn)中表現(xiàn)不明顯。水稻體內(nèi)的重金屬含量與土壤中重金屬有效量相關(guān)性系數(shù)大于土壤中重金屬全量，可見水稻體內(nèi)的重金屬元素主要源于對土壤中重金屬元素有效量的吸收。

2.2.3 重金屬含量對水稻葉綠素的影響 有研究證明，土壤重金屬含量與葉綠素含量呈負(fù)相關(guān)，且土壤重金屬含量越高導(dǎo)致水稻葉綠素含量越低，水稻重金屬的富集會(huì)直接影響植物的生長狀況[13]。因此本試驗(yàn)分析了水稻葉綠素含量與水稻、土壤重金屬含量的相關(guān)性。從表6可以看出，水稻葉片SPAD值與土壤中和水稻體內(nèi)的的Cu、Pb重金屬元素呈負(fù)相關(guān)，與Cd元素呈極顯著負(fù)相關(guān)，二者的相關(guān)系數(shù)分別為 -0.990 和-0.979，且與水稻體內(nèi)的Zn呈極顯著正相關(guān)。一般認(rèn)為，重金屬的富集會(huì)抑制葉綠素酸酯酶的活性和阻礙葉綠素的合成[14-15]，而Zn元素是植物生長必不可缺的微量元素，有研究表明低濃度下的Zn2+對植物無害甚至是有促進(jìn)作用[16]，在本試驗(yàn)中2塊樣地水稻的葉綠素含量與重金屬Zn元素呈正相關(guān)，由此可得出本試驗(yàn)所采集土壤環(huán)境中被水稻吸收的Zn2+的濃度剛好在適宜的范圍內(nèi)對水稻葉片的葉綠素沒有負(fù)影響。水稻葉片SPAD值與二者的Cd元素有良好的負(fù)相關(guān)性，從而為利用光譜監(jiān)測土壤及水稻受Cd脅迫的可行性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此可以說水稻葉片葉綠素含量是水稻受重金屬脅迫的良好指示劑。

2.3 重金屬脅迫下水稻光譜的特征參數(shù)分析

影響植物光譜的因素有植物本身的結(jié)構(gòu)特征，也有外界的影響，但是外界的影響總是通過植物本身生長發(fā)育的特點(diǎn)在有機(jī)體的結(jié)構(gòu)特征中反映出來。健康植物的光譜曲線有明顯的特征，大多數(shù)綠色植被在可見光的0.55 μm附近有1個(gè)反射率為10%～20%的反射峰，在0.45 μm和0.65 μm的附近有2個(gè)明顯的吸收谷。在0.7～0.8 μm是1個(gè)陡坡，反射率急劇增高。國內(nèi)外一些研究結(jié)果表明，受重金屬污染脅迫的作物的葉綠素含量變化在高光譜上有明顯的響應(yīng)特征[18-20]。因此本試驗(yàn)研究了水稻的光譜特征參數(shù)（表7）。

由表7可以看出，2塊樣地的水稻的光譜曲線藍(lán)谷位于485 nm，紅谷都位于675 nm處，但是二者的谷深卻存在著差異，樣地1水稻葉片光譜的藍(lán)谷深度、紅谷深度較樣地2深。根據(jù)二者的綠峰位置和峰值，紅邊位置、紅邊峰值及紅邊斜率可以看出后者的可見光波段葉綠素強(qiáng)反射的波長值向長波移動(dòng)即“紅移”，反射率明顯降低，且后者比前者綠峰位置移動(dòng)了3 nm，紅邊位置在725 nm附近峰值增大，斜率較小，植被指數(shù)NDVI705降低，說明隨著土壤中Cd含量的增加，水稻光譜特征參數(shù)有明顯變化。

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)中2塊樣地中水稻葉片的SPAD值與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，與TOC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明pH值和TOC含量對水稻葉片的SPAD值有顯著的影響。

土壤中Cd、Cu、Pb、Zn重金屬離子共存時(shí)，Cu、Cd之間具有協(xié)同作用，這與這與很多學(xué)者研究的結(jié)果[14，21-23]是一致的，即土壤中Cd、Cu、Pb、Zn重金屬離子共存時(shí)，Cu、Cd之間具有協(xié)同作用，Zn、Pb是有拮抗作用，但是Zn、Pb的之間的拮抗在本試驗(yàn)中表現(xiàn)不明顯。水稻體內(nèi)的重金屬含量與土壤中重金屬有效量相關(guān)性系數(shù)大于土壤中重金屬全量，因此說水稻體內(nèi)的重金屬元素主要源于對土壤中重金屬元素有效量的吸收。

2塊樣地水稻的葉綠素含量與重金屬Zn元素呈正相關(guān)，可以認(rèn)為水稻吸收的Zn2+對水稻葉片的葉綠素的含量沒有負(fù)面影響。而水稻葉片SPAD值與水稻和土壤的Cd含量均有良好的負(fù)相關(guān)性，因此水稻葉綠素含量是水稻受重金屬脅迫的良好指示劑。這為光譜監(jiān)測土壤或水稻Cd脅迫的可行性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

樣地2水稻葉片由于受重金屬的脅迫，其光譜特征參數(shù)藍(lán)谷深度和紅谷深度比樣地1的淺，且樣地2比樣地1的綠峰位置向長波方向移動(dòng)了3 nm，紅邊位置在725 nm附近峰值增大，斜率變小，植被指數(shù)降低。有研究表明，綠色植被由于受重金屬的脅迫使其長勢及生長特征發(fā)生變化，破壞了水稻葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)，致使葉綠素含量降低，且植被受重金屬損害程度越大，光譜的吸收谷愈淺，光譜位置發(fā)生“紅移”或者“藍(lán)移”[7，9，12，24-25]，本研究發(fā)現(xiàn)樣地中Cd含量增加使水稻光譜曲線的藍(lán)谷和紅谷深度變淺，整體上向長波方向移動(dòng)，反射率降低，結(jié)果是吻合的。

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