李建龍教授團(tuán)隊(duì)利用高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬污染定量監(jiān)測(cè)研究中取得重要成果
李建龍教授團(tuán)隊(duì)從1998年起，經(jīng)多年努力攻關(guān)利用自主研發(fā)建立的天-地-空-高-多光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（生態(tài)眼）及5S（RS-GIS-GPS-ES-IDSS）高新智能遙感技術(shù)在張家港市、興化市和宜興市等地廣泛應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)了主要農(nóng)作物長勢(shì)與生產(chǎn)力智能化定量監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上；進(jìn)而又利用高-多光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬污染定量監(jiān)測(cè)與預(yù)警研究中取得了重要的階段性成果，為我國今后實(shí)現(xiàn)大面積土壤重金屬污染遙感定量空間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了重要手段和方法。他們經(jīng)多年研發(fā)，深入探索農(nóng)田重金屬遷移與轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律，利用高光譜資料和土壤光譜法、農(nóng)作物反演法和污染源擴(kuò)散示蹤技術(shù)，研發(fā)從土壤到作物、從盆栽到農(nóng)田動(dòng)態(tài)多時(shí)空監(jiān)測(cè)重金屬污染面積、程度和擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，找出最佳直接或間接估測(cè)重金屬污染高光譜指數(shù)、波段和組合等模式，系統(tǒng)探索高光譜遙感監(jiān)測(cè)的新機(jī)理、方法和模型，取得了重要進(jìn)展。
為了提高農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)質(zhì)量和有效定量監(jiān)控農(nóng)田重金屬污染現(xiàn)狀，他們團(tuán)隊(duì)在自主研發(fā)5S集成技術(shù)平臺(tái)和不同濃度重金屬污染試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境下，利用改進(jìn)的CA預(yù)警模型、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析和多元診斷方法等，初步構(gòu)建農(nóng)田重金屬污染監(jiān)測(cè)方法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)警模型及遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，制作重金屬擴(kuò)散分布圖，構(gòu)建張家港市農(nóng)田小麥重金屬污染監(jiān)測(cè)預(yù)警決策系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)大面積農(nóng)田重金屬重度污染定量精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，為我國將來科學(xué)防控農(nóng)田重金屬污染和開展全國土壤重金屬污染普查，提供科學(xué)理論、新方法和新技術(shù)支撐。
由于農(nóng)田土壤重金屬污染和食品安全已成為世界各國廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一，嚴(yán)重影響著人類的生存和社會(huì)的發(fā)展，如何有效的定量監(jiān)測(cè)和預(yù)警土壤重金屬污染，已成為各國政府和學(xué)者亟待解決的世界難題之一。李建龍教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)多年攻關(guān)，通過分析不同時(shí)空小麥與水稻葉片高光譜數(shù)據(jù)與農(nóng)田土壤重金屬CaCl2提取態(tài)含量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)了土壤鎘的CaCl2提取態(tài)響應(yīng)波段和相關(guān)指數(shù)，并建立了土壤鎘的CaCl2提取態(tài)高光譜檢測(cè)模型，構(gòu)建了相關(guān)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型，并進(jìn)行了多點(diǎn)試驗(yàn)和驗(yàn)證，取得了理想的研究結(jié)果。因此，該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果為今后快速、動(dòng)態(tài)、無損檢測(cè)大面積農(nóng)田土壤重金屬污染程度，有助于政府指導(dǎo)農(nóng)戶根據(jù)土壤情況種植作物，從而減少土壤重金屬對(duì)食品安全的影響。
目前，國際上雖有部分學(xué)者將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于土壤重金屬污染的研究中，并也取得了一些進(jìn)展，然而，很少有研究涉及農(nóng)田土壤中重金屬的CaCl2提取態(tài)高光譜檢測(cè)與預(yù)警的學(xué)科問題。鑒于此，李建龍團(tuán)隊(duì)將高光譜技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)田土壤重金屬的CaCl2提取態(tài)含量的研究中，并取得了如下研究進(jìn)展，他們的結(jié)果表明如果水稻對(duì)CaCl2提取態(tài)的金屬敏感或受到一定濃度的CaCl2提取態(tài)重金屬的脅迫，則基于水稻葉片高光譜數(shù)據(jù)的PLSR模型具有反演土壤中CaCl2提取態(tài)重金屬含量的能力（圖1，圖2），并取得了一系列數(shù)據(jù)相關(guān)分析與模型構(gòu)建方面的進(jìn)展：
圖1.張家港農(nóng)田土壤中提取態(tài)鎘Cd（a）和提取態(tài)鉛Pb (b)與作物葉片光譜（原始光譜、一階微分光譜和二階微分光譜）的相關(guān)性分析結(jié)果.
圖2.重金屬鎘CaCl2提取態(tài)（a）和鉛CaCl2提取態(tài)（b）含量測(cè)定值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)關(guān)系.
從上結(jié)果表明，該團(tuán)隊(duì)采用水稻葉片高光譜數(shù)據(jù)分析土壤中CaCl2提取態(tài)重金屬的含量，構(gòu)建了很好的線性相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)果為大面積動(dòng)態(tài)立體監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤重金屬污染狀況與預(yù)報(bào)災(zāi)害，提供了新的思路和研究方法。該階段性成果以“Feasibility of using rice leaves hyperspectral data to estimate cacl2-extractable concentrations of heavy metals in sgricultural doil” (DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-52503-z)為題2019年9月在Nature子刊《Scientific Reports》發(fā)表，第一作者為博士生周衛(wèi)紅，通訊作者為李建龍教授。
該研究工作得到國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No.2018YFD0800201）、國家基礎(chǔ)研究與發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目973項(xiàng)目（2010CB950702）、國際APN重點(diǎn)項(xiàng)目（AR-CP2015-03CMY-Li）和蘇州科技計(jì)劃（SNG201447）項(xiàng)目資助（生命科學(xué)學(xué)院，科學(xué)技術(shù)處）。
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