1 贵州省生态气象和卫星遥感中心, 贵州 贵阳 550002
2 贵州楚云环保科技有限公司, 贵州 贵阳 550081
贵州省属于典型的喀斯特山区，受地势和气候影响，省内不同区域污染气体浓度具有明显的时空差异。因此，利用交互式数据语言 (IDL) + 遥感图像处理平台ENVI、地理信息系统软件ArcGIS等，基于臭氧层监测仪 (OMI) 的L3 V003柱浓度数据和地面环境监测站数据，从时间和空间两个方面在区域尺度上评估分析了贵州省3种主要污染气体的浓度变化差异和时空演变特征。结果表明：(1) 2019年，贵州省二氧化氮 (NO2)、二氧化硫 (SO2)、臭氧 (O3) 柱浓度较2005年呈下降趋势，且两种方法监测的NO2、SO2季节特征均表现为“秋冬高、春夏低”，受太阳辐射和天气过程影响，两种方法监测的O3均表现为“春夏高、秋冬低”的季节特征；(2) 对比分析表明，遥感方法反演的NO2柱浓度极大值和SO2柱浓度极小值较地面监测结果在时间上存在滞后性，但滞后时间较短，没有出现跨季节差异，总体上空间差异性大于时间差异性，且SO2夏季空间差异性大于冬季；(3) 自然界平流层中含有大量臭氧，且夏季贵州雷雨天气较多，在天气过程发生时，高层氧气极易被大量分解并生成O3，由于大气垂直输送较为活跃，使得平流层O3稳定性降低，对近地面浓度影响较大，因此遥感反演的O3浓度与地面监测结果在时间和空间上均有明显差异性。
臭氧层监测仪 地面监测 污染气体 时空差异 遥感 ozone monitoring instrument ground monitoring polluted gas spatio-temporal difference remote sensing
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院， 安徽 合肥 230026 中国科学院安徽光学与精密机械研究所， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
2 张之栋
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院， 安徽 合肥 230026 中国科学院安徽光学与精密机械研究所， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031中国科学院城市环境研究所中科院城市大气环境卓越中心， 福建 厦门 361021
4 中国科学院安徽光学与精密机械研究所， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230039
二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）作为大气中重要的一次排放物， 人为活动造成SO2， NOx的过度排放会对生态环境和人体健康产生巨大危害， 2018年环境保护部就规定了“2+26”城市需要执行大气污染物的特别排放限值， 如: 燃煤锅炉排放限值规定的二氧化硫、 氮氧化物均为200 μg·m-3， 因此了解这些城市中SO2和NOx的分布与排放对大气污染防控管制具有重要意义。 唐山市作为“2+26”城市中大气污染最为严重的重工业城市之一， 近年来实施了多项大气污染防治措施， 但空气质量问题仍然严峻。 2021年2月26至3月1日， 使用基于车载差分吸收光谱技术的移动污染气体监测系统对于唐山市区开展了走航观测实验， 获取了走航路径上NOx和SO2的空间立体分布以及走航区域的排放通量。 实验结果表明唐山市一环存在多处NO2高值区域， 均位于车辆较为集中的立交和路口处。 工业园的走航中部分企业存在高NO2、 SO2的排放， 且获取的NO2和SO2VCD均值较高， 分别是一环的1.75~1.99倍和2.21~3.44倍。 结合垂直柱浓度SO2/NO2的比值以及近地面浓度CO/NO2的比值， 并用Pearson相关系数确定SO2和NO2柱浓度以及NO2近地面浓度和柱浓度之间的相关性， 进一步分析不同区域的主要污染源， 结果表明， 一环走航获取的SO2/NO2最低为0.42， CO/NO2最高为10.88， NO2地表与柱浓度之间的相关性r达到0.56， 3月1日丰南工业园区走航中， 获取的SO2/NO2最高为0.81， CO/NO2最低为7.13， SO2与NO2VCD之间有良好的相关性r为0.787， 唐山市一环区域大气污染物以车辆交通尾气排放为主， 丰南工业园区大气污染物来源以工业生产过程中高架点源（烟囱）释放的大量NO2和SO2为主。
空间分布 排放通量 污染源 走航观测 差分吸收光谱 Distribution Emission flux Pollution source Cruise observation Differential optical absorption spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1651
1 广西碳酸钙资源综合利用重点实验室（贺州学院）， 材料与化学工程学院， 广西 贺州 542899
2 生物资源与生态环境教育部重点实验室（四川大学）， 四川大学生命科学学院， 四川 成都 610064
3 贺州学院食品与生物工程学院， 广西 贺州 542899
4 四川大学机械工程学院， 四川 成都 610064
植物修复是一种绿色有吸引力的重金属污染修复技术。 了解重金属在植物体内不同部位的分布， 有助于深入了解重金属植物修复的分子机制。 激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在元素原位快速分析时拥有突出的技术优势， 尤其是具备无需复杂样品前处理、 可对固体样品直接分析的突出特点， 目前元素扫描成像是LIBS技术的重要研究及应用方向。 设计并搭建了基于纳秒脉冲激光器的元素成像LIBS装置， 系统光斑分辨率50 μm， 样品移动步距为100 μm， 成像分析速度为6.25 mm2·min-1， 装置可实现自动化扫描， 满足实际分析需求， 系统采用多通道平面光栅光谱仪， 光谱范围180～800 nm， 目标元素光谱经基线扣除， 峰面积拟合及归一化处理后绘制分布热图， 并以伪彩呈现样品不同区域的元素分布。 以豌豆为水培植物模型， 利用所搭建的元素成像LIBS装置开展豌豆植株的在体原位元素成像分析， 分析了Ni、 Cu、 Cr及Pb重金属在植物体内的差异性分布， 并研究了上述四种重金属的吸收途径。 结果显示， 该元素成像装置可以对植物体内存在的C、 Mg、 Fe、 Ca、 Na、 K等主要基体元素进行有效分析， 经过重金属胁迫后， 豌豆植物体内存在明显的重金属累积且不同重金属在植株中呈现不同的分布趋势， 镍离子在胚轴、 胚芽部位大量存在， 与镍离子分布不同的是， 植株大量吸收铜离子并富集在根部初生结构中; 重金属铬在豌豆根的中部和胚芽、 胚轴大量积累， 而重金属铅则大量富集在胚轴、 胚芽中， 根尖的含量最少。 该研究表明， 元素成像LIBS技术可实现对植物体内多种重金属的在体同时分析， 这对辅助研究环境水体重金属污染植物修复的机理有意义， 同时可为植物生理学和生态毒理学等领域的相关研究提供装置和新方法。
重金属污染 生物积累 空间分布 元素成像 Heavy metal Laser-induced breakdown spectroscopy LIBS Bioaccumulation Spatial distribution Element imaging 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1485
1 南京信息工程大学江苏省大气海洋光电探测重点实验室, 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
果木炭是一种常见的燃料, 其燃烧过程中产生的气体和烟尘气溶胶会影响环境空气质量并损害人体健康, 因此对果木炭燃烧过程中空气成分进行检测与分析具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术对果木炭燃烧时的空气、烟尘气溶胶进行检测, 同时检测果木炭及其燃烧灰烬作为辅助分析。对四种样品的谱线进行标定, 发现果木炭燃烧时空气中碳浓度增大, 生成的气溶胶中含有Ca、Mg、K、Si等元素。果木炭和灰烬的元素组成较为相似, 均含有C、Fe、Mg、Ca、Sr、K、Na和Ba等元素, 果木炭光谱中C、H元素谱线强度均高于灰烬。此外, 结合机器学习算法对有无果木炭燃烧时的空气进行区分, 选取C、CN分子特征谱线所在的波段作为聚类分析的原始特征。主成分分析 (PCA) 结果表明在有无果木炭燃烧两种条件下的空气能被较好地区分, 证明LIBS结合PCA技术能有效地识别果木炭的燃烧并检测果木炭燃烧造成的空气污染。进一步利用 LIBS 结合机器学习算法对果木炭及其燃烧灰烬进行区分, 发现区分效果良好, 为果木炭燃烧后的回收利用提供了参考。
光谱学 激光诱导击穿光谱 果木炭 空气污染 碳排放 主成分分析 spectroscopy laser-induced breakdown spectroscopy fruit charcoal air pollution carbon emission principal component analysis 强激光与粒子束
2023, 35(6): 061004
大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024
大气激光雷达已广泛应用于大气污染源水平扫描测量，而水平扫描测量激光雷达信号的消光系数边界值求解及廓线反演是其定量化应用的关键。针对这一问题，提出了一种基于改进的道格拉斯-普克（DP）算法确定消光系数边界值的新方法，并结合经典Klett方法实现水平扫描测量时的大气消光系数稳健反演。系统性地研究了经典DP算法在消光系数边界值求解时的性能及潜在的问题。在此基础上，提出将对数激光雷达信号与对应直线线段的偏离方差作为阈值控制手段，以替代经典DP算法中的最远距离阈值，从而更加准确地获取对数激光雷达曲线的线性区间，进而利用斜率法求解消光系数边界值。通过消光系数反演结果的对比分析，验证了改进DP算法的有效性。利用该方法反演的消光系数与周围空气污染监测站的PM10颗粒物浓度具有较高的相关性（>0.88）。研究结果表明，提出的改进DP算法可为水平扫描激光雷达信号的消光系数边界值求解和廓线反演提供有效的方法。
大气光学 沙氏激光雷达 道格拉斯-普克算法 边界值 消光系数 大气污染 中国激光
2023, 50(14): 1410002
1 中国航天科工集团第三研究院航天海鹰卫星运营事业部, 北京 100070
2 中国资源卫星应用中心, 北京 100094
3 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
4 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室, 安徽 淮南 232001
植被重金属污染监测是当今高光谱遥感监测研究的重要内容。 为了将高光谱遥感技术定性的用于植被重金属污染监测研究, 从盆栽实验采集的反射率光谱数据方面进行研究。 在实验室室内设置不同胁迫浓度的重金属铜铅玉米盆栽实验, 测定了不同浓度Cu2+和Pb2+胁迫下玉米叶片的反射率光谱和Cu2+和Pb2+含量等有关铜铅污染玉米的基础数据, 形成了关于重金属铜铅污染玉米植株的一套完整的数据集。 研究提出了一种铜铅探测指数(CLDI), 实现了不同培育期的两种玉米品种的重金属铜铅胁迫监测, 从而为当前植被重金属污染探测提供了新的思路。 研究设计了不同浓度的铜铅污染实验, 将测量获得的玉米叶片450～850 nm的光谱反射率进行一阶微分(D)和包络线去除(CR)处理后得到微分包络线去除(DCR)光谱曲线, 利用皮尔逊相关系数(r)分析DCR数据和生化数据, 选择对重金属Cu敏感的特征波段。 计算的皮尔逊相关系数表明DCR值在490～520和680～700 nm与土壤和叶片中的Cu2+含量呈现接近于1的线性正相关, 在630～650和710～750 nm呈现接近于-1的线性负相关。 选择波长505, 640, 690和730 nm的DCR值建立CLDI, 通过计算土壤和叶片中的Cu2+含量与CLDI和常规的植被指数(VIs)的皮尔逊相关系数, 将两者进行对比, 从而验证了CLDI的有效性。 选用2017年实验获取的不同品种玉米叶片光谱数据, 将CLDI同样和常规的植被指数(VIs)进行对比, 从而验证了CLDI对不同品种的玉米具有鲁棒性。 将CLDI应用到铅胁迫下玉米叶片的污染程度监测, 验证了其对于不同重金属的普适性。 结果表明, CLDI与Cu2+和Pb2+胁迫浓度相关性显著, 与其他植被指数相比, 相关性更高。 提出的CLDI探测铜铅胁迫下不同品种不同时期的玉米污染程度, 具有计算方便, 鲁棒性, 高效性、 普适性的优点。 该研究基于实验室叶片尺度, 可为冠层尺度的重金属胁迫监测提供理论基础。
高光谱遥感 玉米叶片 重金属污染 铜铅探测指数 特征波段 Hyperspectral remote sensing Maize leaves Heavy metal pollution Copper lead detection index Characteristic bands 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1268
1 淮北师范大学物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000
2 污染物敏感材料与环境修复安徽省重点实验室, 安徽 淮北 235000
我国城市气体污染物主要包括氮氧化物、 臭氧、 二氧化硫和颗粒物等, 其中NO2和SO2是气体污染物中常见的污染痕量气体, 对地气辐射、 全球气候、 空气质量和人体健康都有着直接或间接的影响。 淮北地区是我国基础能源和重要原料煤炭的生产基地, 长期的煤炭生产使得当地大气环境污染相对更为复杂, 开展快速获取大气污染物浓度是目前研究热点之一。 差分吸收光谱(DOAS)仪是一种光学遥感式光谱设备, 具有稳定、 时间分辨率高、 灵敏度高和不受搭建平台制约等优势特点, 可同时获取多种污染气体的浓度信息。 针对淮北地区复杂的环境污染, 构建了基于移动平台的车载小型差分吸收光谱系统(DOAS), 该系统包括光谱采集系统、 温控系统和GPS定位系统。 利用车载GPS定位系统记录移动过程中的经纬度和车速, 光谱仪放置在恒温系统中, 保障系统测量的精准性。 在实验期间, 首先测试了系统的性能, 规划了走航观测路线, 并将车载DOAS测量结果与地基MAX-DOAS进行对比以验证系统的准确性, 实现了对淮北地区的大气典型污染物的快速、 便捷、 精准监测。 航测期间, 利用QDOAS软件对原始测量光谱进行反演处理, 选取相对干净的光谱作为参考谱, 获取了淮北地区NO2和SO2柱浓度空间分布, 其中NO2的浓度范围为5.09×1015～15.4×1016 molecule·cm-2, SO2的浓度范围为3.53×1015～9.07×1016 molecule·cm-2。 将车载DOAS测量的结果分别与站点地基MAX-DOAS测量结果和卫星(TROPOMI)数据对比, 均具有较好一致性(相关系数R2>0.75)。 外场实验表明构建的车载小型DOAS系统可以准确的获取城市污染气体柱浓度分布, 为确认城市污染气体的源区和校验卫星遥感数据提供一种有效的技术手段。
车载 小型差分吸收系统 淮北地区 柱浓度 大气污染 Vehicle-mounted Minioptical differential absorption spectroscopic Huaibei region Column concentration Atmospheric pollution
1 天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室, 天津 300387
2 天津师范大学地理与环境科学学院, 天津 300387
燃放烟花爆竹造成大气中PM2.5浓度急剧上升, 从而引起空气严重污染。 全球大多数国家在重要时刻均有燃放烟花爆竹的习惯。 但是, 迄今为止烟花爆竹产生的PM2.5中重金属的污染特征及生态健康风险研究仍不多见。 利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）结合地累积指数、 潜在生态危害指数和健康风险模型等方法评价了北京烟花爆竹PM2.5中重金属的污染程度、 潜在生态危害和健康风险。 样品首先使用纯化硝酸溶液在120 ℃下消解2 h; 然后用超纯水稀释定容; 最后使用ICP-MS进行测试。 ICP-MS测试的元素包括As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, V和Zn。 测试时样品中加入Rh作为内标元素, 控制仪器信号漂移和信号衰减。 研究结果表明: 烟花燃放期烟花爆竹产生的PM2.5浓度为(93±117) μg·m-3, 超过国家标准二级浓度限值; 燃放烟花爆竹对Cu, Cr, Ba, Pb, Zn和As等6种重金属的浓度影响更为显著, 它们的浓度分别是研究背景值的17.8, 16.6, 8.1, 5.8, 1.8和1.3倍。 烟花爆竹PM2.5中重金属的地累积指数大小顺序为: Cu>Pb>Cd>Zn>As>Ba>Cr, Mn, Ni, Co, V, Fe; 烟花燃放期重金属的污染主要来自于Cu, Pb和Cd, 同时As, Zn和Ba也会造成中等强度的污染。 除夕20: 00至春节8: 00烟花爆竹造成的污染较为严重, 该时间段内污染程度在中等级别以上; 除夕22: 00-春节5: 00污染严重, 污染程度甚至可达强-极强级别。 烟花爆竹PM2.5中重金属的生态危害系数大小顺序为: Cd>Cu>Pb>As>Zn, Cr, Co, Ni, Mn, V, 烟花燃放期重金属的潜在生态危害主要来自于Cd, Cu和Pb。 除夕20: 00-春节8: 00燃放烟花爆竹产生的潜在生态危害程度在中等以上; 春节00: 00-4: 00潜在生态风险严重, 潜在生态危害程度可达极强。 烟花爆竹PM2.5中重金属对人体产生的HI值和ILCR值分别小于1和1×10-6, 这表明现行的禁限放政策下燃放烟花爆竹不会对人体产生健康风险。
重金属 烟花爆竹 污染特征 生态危害 健康风险评价 PM2.5 PM2.5 Heavy metals Fireworks Pollution characteristics Ecological risk Health risk assessment
