土壤水分在一定程度上决定着地区的生态承载力和土壤理化性质。 准确、 快速的获取土壤水分含量, 对生态环境监测、 土壤退化恢复等具有重要意义。 高光谱遥感在土壤参数反演方面应用广泛, 但对高寒草甸土壤的高光谱特征与参数反演研究有待深入。 为建立适用于高寒脆弱生态系统的高寒草甸土壤含水量高光谱反演模型, 以黄河源区的河南县为例, 利用多元线性逐步回归(MLSR)、 偏最小二乘回归(PLSR)和BP神经网络(BPNN)对土壤样本含水量与土壤光谱及其数学变换的特征波段进行建模, 由决定系数(R2)、 均方根误差(RMSE)和预测残差比(RPD)对模型精度进行验证。 结果表明: (1) 在可见光-近红外波段, 土壤样本的光谱反射率在710、 780和950 nm附近存在强弱不同的水分吸收区间, 且随着含水量的增加, 反射率呈现先迅速降低, 后缓慢增加的趋势。 (2) 通过连续投影算法(SPA)筛选的光谱特征波段作为自变量, 含水量作为因变量, 分别通过MLSR和PLSR建立反演模型, 其中一阶微分(FD)、 对数一阶微分(FDL)变换对应的PLSR模型可实现高寒草甸土壤水分的粗略反演, 且FD变换对应的PLSR模型精度较高。 (3)BPNN反演模型中, 除去包络(CR)建模外, 其余模型R2均大于0.9, RMSE在0.048~0.074之间。 其中FD、 FDL、 LG变换光谱对应的BPNN模型反演精度较高, 验证结果的R2均大于0.8, RPD均大于2.5, 精度最高的为对数(LG)变换对应的BPNN模型, R2、 RMSE和RPD分别达到0.967、 0.038和5.039。 因此, BPNN模型能较精确的实现黄河源区高寒草甸土壤含水量的高光谱反演, 为该地区乃至其他高寒地区生态环境监测与土壤恢复提供技术基础和数据支撑。

黄河每年输送大量泥沙进入渤海。 研究黄河口海域悬浮物浓度， 对于黄河输沙以及周边海域的环境监测具有重要意义。 利用2011年夏、 冬两季实测遥感反射率以及同步测量悬浮物浓度数据， 开展了黄河口海域悬浮物浓度分段线性反演研究。 结果表明， 不同浓度范围下， 悬浮物浓度反演的敏感波段不同； 浓度小于等于50 mg·L-1（≤50 mg·L-1）， 敏感比值波段为(600~700 nm)/(400~600 nm)， 浓度高于50 mg·L-1（＞50 mg·L-1）， 敏感比值波段为(750~900 nm)/(420~720 nm)， Landsat8 OLI的对应组合方式分别为B4/B2和B5/B3； 根据上述浓度分段范围分别建立线性模型， 其精度R2， RMSE和APD分别为0.873 5， 4.08 mg·L-1和22.81%（≤50 mg·L-1）， 以及0.969 3， 102.96 mg·L-1和17.51%（＞50 mg·L-1）， 整个浓度下三个精度参数分别为0.975 3， 67.03 mg·L-1和20.45%， 均优于常用单一模型在分段和整体浓度下的相应参数， 且具有良好的稳定性。 分段线性模型， 更适合浓度变化大的黄河口海域悬浮物浓度反演。

采用标准测试程序(SMT)和钼锑抗分光光度法对黄河流域甘宁蒙段表层沉积物进行磷形态的提取和含量测定, 同时模拟沉积物对磷吸附-解吸特性进行了探索。 结果表明: 对照不同的评价标准, 12个采样点中总磷(TP)含量均处于不同程度的污染水平, 特别是S12采样点磷具有较高的释放风险。 TP、 无机磷(IP)和钙结合态磷(HCl-P)之间及有机磷(OP)和铁/铝结合态磷(NaOH-P)之间分别呈现出较好的正相关性。 沉积物的组成和理化性质对磷的赋存形态产生影响, OP和NaOH-P可能与As, Ni, Co和Pb有相同的污染源。 表层沉积物对磷的吸附-解吸过程均符合伪二级动力学方程, 主要受化学作用的控制, 而磷的等温吸附符合Langmuir方程, 且升高温度有利于磷的吸附。 水相中离子浓度(KCl)小于0.02 mol·L-1时, 吸附作用占优势, 反之, 解吸作用占优势。 水土比的增大会提高沉积物对磷的吸附量。 另外, 磷的解吸量会随着温度的升高和扰动强度的增加而增大。 揭示了黄河甘宁蒙段表层沉积物中磷的形态分布及其吸附–解吸特征, 为黄河甘宁蒙段水环境治理和磷负荷调控提供依据。

基于黄河口海域实测数据,建立了利用745 nm(模型1)和680 nm(模型2)波段遥感反射率的颗粒有机碳(POC)浓度反演模型,得到的平均相对误差(APD)均低于26%,其中模型1表现更优。结合海洋水色成像仪(GOCI)影像和实测数据对两个模型进行了精度评估,平均相对误差均在30%以内。基于所建立的模型和卫星遥感影像,分析了逐时、大风过程(几日之间)、季节变化三种情况下黄河口海域POC浓度的时空变化特征。结果表明,冬季POC浓度整体较高,夏季POC浓度整体较低;渤海湾附近出现POC浓度最高值。三种情况下,POC浓度的变化范围在同一尺度上,表明短时间间隔并不意味着POC浓度变化范围也小,其季节平均效应是显著的。

人类砷暴露可以通过空气、 饮用水和食物等途径。 运用ICP-MS方法分析了四个采样点河曲(Hequ, HQ)、 石嘴山(Shizuishan, SZS)、 中卫(Zhongwei, ZW)和临夏(Linxia, LX)的69份当地居民发样及四个黄河过滤水样的总砷含量, 探究了头发中砷水平在不同性别及年龄中的差异, 并对发样中砷与水样中砷的相关性进行了分析。 人发样品采用微波消解方法进行前处理, 消解效果良好。 结果表明, 该方法准确度及精密度良好, 回收率为90.1%～101.9%, RSD值为2.9%～4.2%。 结果显示, 该研究地区居民发样砷含量范围为0.01～1.73 μg·g-1, 平均值为0.33 μg·g-1, 不同采样点的砷含量顺序为ZW>HQ>LX>SZS。 Kruskal Wallis检验显示该文中不同采样点发样砷含量存在显著性差异(p=0.010), 说明研究地区的生活区域对居民发样砷含量具有影响, 而不同性别(p=0.158)和不同年龄(p=0.159)组居民发样砷含量无明显差异, 但男性发砷平均值含量高于女性, 不同年龄组间呈现发样砷含量随年龄增大而下降的趋势。 与文献相比, 该研究发样砷含量较高于多数地区而明显低于地方性砷中毒区域。 黄河水样中砷含量范围为2.31～10.41 μg·L-1。 与黄河下游等地区相比砷含量较高, 但未超出地表水环境Ⅲ类标准。 Pearson相关性系数表明, 水中砷元素与铅、 铜、 铬、 镉等元素均具有相关性, 与人发砷含量具有显著正相关。 总之, 采样点附近居民具有较高砷暴露风险, 且该风险可能来自于工农业排放。 研究结果为甘宁蒙等西北民族地区重金属污染研究提供实验数据和理论依据。

采用电感耦合等离子体发射光谱法高效、 快速地测定了黄河三角洲贝壳堤岛土壤中重金属As, Cd, Cu, Fe, Hg, Mn, Pb, Se和Zn的有效态浓度, 研究了它们在贝壳堤岛土壤中的空间分布特征, 并对土壤中有效态重金属的分布规律、 影响因素及保护区土壤环境状况进行了分析。 结果表明: 黄河三角洲贝壳堤岛土壤样品中9种有效态重金属的含量除镉(Cd)和汞(Hg)稍高外, 其余均远远低于国家土壤环境质量标准中的一级背景含量, 贝壳堤岛土壤整体处于清洁水平。 从水平分布来看, 由于背海侧受人类干扰较多, 且海水淋洗较少, 七种重金属(As, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn)有效态含量背海侧明显高于向海侧, 且呈显著差异(p≤0.05)。 从纵向土壤剖面分析, 受土壤机械组成、 人为取沙和地形与水流方向的影响, 有效态重金属浓度平均值随剖面样品中<0.5 mm粒径土壤颗粒所占比例的增加而增加, 随>0.5 mm粒径土壤颗粒所占比例的增加而减小; 贝壳堤岛土壤中的重金属有向下运动的趋势, 大部分有效态重金属含量的最大值都位于表层以下各层, 但各层重金属含量整体上变化不大。 贝壳堤岛土壤中重金属As, Cd, Cu, Fe, Pb, Zn可能有大致相同的来源, 而与Hg, Mn和Se的来源不同。 综合来看, 黄河三角洲贝壳堤岛土壤环境未受到明显外源污染, 贝壳堤岛土壤中有效态重金属主要来源于土壤母质滤食性贝类对海水中重金属的富集、 风化过程中土壤颗粒对环境中重金属的吸附, 以及外源工业区重金属污染物的迁移转化。

为了研究黄河上游表层沉积物与Cd2+和Cu2+的相互作用机理, 以黄河三湖河口表层沉积物(简称样品)为研究对象, 采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术, 优化样品对Cd2+和Cu2+的吸附固液比、 时间、 pH等条件。 并在此条件下研究了Cd2+和Cu2+在样品上的吸附特性和解吸特性。 结果表明: 两种金属的优化吸附条件不同, 在各自优化吸附条件下, 样品对Cu2+ 和Cd2+的平衡吸附量分别为0.88和0.13 mg·g-1; 对两种金属的吸附动力学符合伪二级吸附动力学模型, 且样品对Cu2+的吸附速率大于对Cd2+的吸附速率; 吸附热力学拟合结果显示吸附过程符合Freundlich模型, 对两种金属的吸附均属于优惠型吸附, 且吸附过程属于吸热过程, 可自发进行; 解吸动力学研究表明, 两个金属的解吸过程均符合Elovich方程, 属于非均相扩散; 在多离子竞争吸附-解吸实验中发现, 样品对Cu2+的吸附-解吸受到共存离子的影响更大。 研究结果揭示了黄河三湖河口表层沉积物对Cd2+和Cu2+吸附和解吸的作用机理以及共存离子对吸附解吸特性的影响。 对于分析重金属在水体与沉积物之间的作用机理、 固液两相分布规律以及重金属迁移能力提供了理论依据, 同时也为制定研究区域针对性的重金属防控措施具有一定指导意义。ICP-MS

为了研究黄河上游地区水体中重金属含量分布特征及评价该区域重金属污染水平, 分别于2014年4月(枯水期)和10月(平水期), 在12个采样点采集了24个黄河表层水样。 由电感耦合等离子质谱仪ICP-MS测量水样中As, Cd, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, Pb和Zn的含量, 并确定黄河上游水体中重金属分布特征和重金属污染指数。 结果显示枯水期重金属的平均浓度顺序是: Cr(18.56 μg·L-1)>As(2.95 μg·L-1)>Ni(1.87 μg·L-1)>Mn(1.20 μg·L-1)>Cu(1.12 μg·L-1)>Zn(0.59 μg·L-1)>Pb(0.08 μg·L-1)>Cd(0.01 μg·L-1), 平水期的重金属平均浓度顺序是: Mn(596.89 μg·L-1)>Zn(52.46 μg·L-1)>Cu(36.27 μg·L-1)>Ni(25.11 μg·L-1)>Cr(23.19 μg·L-1)>Pb(19.51 μg·L-1)>As(7.30 μg·L-1)>Cd(0.37 μg·L-1)。 将重金属含量测定结果与中国和国际水质参考值以及同地区丰水期重金属含量数据进行了比较, 结果显示Cr, Mn, Pb和Cu含量高于标准值。 同时, 用重金属污染指数(HPI)评估所有金属对整个水体的影响, 结果表明各选点枯水期HPI值为6.46～11.95, 平水期HPI为4.53～210.53。 两个季节的重金属分布特征和HPI都显示了明显的季节性变化。 研究结果表明黄河研究流域水体重金属含量及HPI均显示平水期重金属污染程度较枯水期高, 可能与季节性生产及降水变化有关。 研究结果可为相关部门制定环保政策提供可信的实验数据和理论依据。

采用高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS) 和地积累指数法(Igeo) 对黄河甘肃、 宁夏和内蒙古自治区连续三段表层沉积物中重金属(Cr, Pb, Cd, Cu, Zn 和 Ni)的空间分布和季节性波动(丰水期、 枯水期和平水期) 以及污染状况进行系统研究分析, 研究结果表明: 内蒙古段三个季节中沉积物重金属含量都高于甘肃和宁夏段, 同时, 除Cd外, 丰水期所有点的沉积物重金属含量都高于枯水期和平水期, 而枯水期和平水期的重金属含量相近。 Igeo结果显示丰、 枯水期的Cd, Cu和Cr元素的Igeo值在内蒙古段最高, 而在甘肃段最低; 所有重金属的Igeo值在丰水期高于枯水期, 除Cd外, 都在平水期降低, 而ICdgeo在平水期各采样点明显上升; 丰水期的甘肃段、 枯水期的甘肃和宁夏段以及平水期的所有采样点中的Pb, Zn和Ni的Igeo值都小于0, 表明这些元素在这些点几乎无污染。 就研究区域而言, 内蒙古段的重金属含量以及生态风险最高, Cr, Cd和Cu是最具有潜在风险的三个元素; 就研究季节而言, 丰水期的重金属含量和潜在风险高于枯水期和平水期, 可能是跟丰水期沉积物的pH和总有机碳(TOC)含量较高有关。 相关性分析(CCA)用来探究重金属与pH/TOC间的关系以及重金属的潜在来源。 CCA的结果表明Pb, Cu, Zn和Ni互相相关, 并且这四种元素容易受到周围环境pH和TOC的影响, 除此之外, Cr, Cd以及TOC 三者相关, 且这两种元素受到人类活动影响较严重。 该研究工作可为研究区域表层沉积物重金属在不同季节的环境行为提供有效的信息, 同时, 研究重金属、 pH和TOC之间的相关性可有效揭示重金属的潜在来源。