冀东平原表层土壤重金属元素的空间变异及模拟研究

以冀东平原为例,运用地统计学方法和ArcGIS技术,分析了土壤中Cu、Pb、Cd、Zn、As、Hg、Cr、Ni等8种重金属的空间变异性和相关性;借助最优空间插值模型模拟它们的空间分布特征,对各重金属元素含量高值区形成的原因进行了初步判断。结果表明,研究区8种重金属元素的空间变异指标(C0/C+C0)的大小顺序为:CdHgAsPbCrCuZnNi,Cd属于空间弱相关,Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn属于中等程度的空间相关性,Ni具有较强的空间相关性。研究区土壤重金属元素Cu、Pb、As、Cr、Ni含量的最佳空间插值模型为完全样条径向基函数插值法,Cd、Hg为1次局部多项式插值法,Zn为2阶趋势效应的普通Kriging插值法。通过对研究区表层土壤中8种重金属的插值模拟,8种重金属元素在研究区的不同分布特征表明土壤母质的结构性因素和人为随机性因素共同作用造成了重金属元素在空间上的相关性差异。     

黄骅市土壤重金属空间变异特征及污染评价

为研究工业和经济高速发展对环渤海滨海生态脆弱区土壤质量的影响,以黄骅市为研究区,利用地统计学方法对黄骅市表层土壤中的Pb,Hg,Cd,Cr,As,Cu,Zn,Ni共8种重金属空间分布特点和污染状况进行了分析。结果表明:（1）Pb,Cd,Cu元素样点平均含量超过河北省土壤背景值,其他元素含量平均值均未超过,所有元素含量平均值都在国家土壤质量二级标准的范围内。（2）根据变异函数拟合发现,Pb,Hg,Cd,Cr,As,Cu共6种元素拟合于指数模型,Zn,Ni两种元素拟合于球状模型;Pb,Cd,Zn基底效应值为25%～75%,空间自相关程度一般,其空间分布格局受到一定外界干扰。其他元素基底效应值均在25%以下,空间自相关性比较强,空间分布格局受外部影响相对较小。（3）根据克里格内插预测发现,Pb,Cd,Cu整体含量高,区域离散分布;Cr,Zn,Ni整体含量低,连续集中分布;As元素成岛状分布,分布集中于几个区域;Hg成散点状分布于黄骅全县。（4）通过计算内梅罗污染指数可知,黄骅市土壤内梅罗污染指数大部分处于1.0～2.0,属于轻度污染状态;吕桥镇中部和齐家务乡西部污染指数最高,属于污染最严重的地区。工业生产和地质环境是影响土壤重金属元素空间分布的主要原因。     

日照市茶树种植区表层土壤重金属环境质量评价

以日照市茶树种植区为研究对象,对其表层土壤重金属元素的空间分布特征进行分析,利用内梅罗综合指数法评价其环境质量状况,并将评价结果利用ARC/MAP地统计模块中的克里金插值法插值处理。结果表明,日照市茶树种植区重金属元素分布较为均匀,仅Cd,Hg的空间变异性相对较大;根据单因子污染指数评价结果,大部分地区环境质量较好,仅在局部地区存在Cd,Ni污染;根据内梅罗综合污染指数空间分布,大部分地区土壤属于Ⅰ级,少部分属于Ⅱ级和Ⅲ级,整个区域未出现Ⅳ级和Ⅴ级土壤。     

右江河谷地区土壤重金属Cd、Pb含量的空间分布特征

按照10 km×3 km的网格,用5点取样法在广西百色右江河谷地区地表浅层采集71个土壤样品,测定重金属元素Cd和Pb的含量,分析土壤样品Cd和Pb含量间、Cd和Pb含量与样品采集地高程之间的相关性,并用Surfer16软件做出它们的空间分布图,研究了土壤Cd和Pb含量在该地区的空间分布规律。结果表明:右江河谷地区地表浅层土壤Cd和Pb平均含量分别为0.55、49.4 mg kg~(-1),和百色地区全区土壤Cd和Pb含量平均值相比,表现出明显的富集趋势;Cd和Pb含量的变异系数分别为45%和52%,属于高度变异范围;Cd和Pb两元素含量之间的相关系数为0.760(n=69),达极显著水平,Pb含量与样品采集地高程之间也有一定的相关性,显示出相对高的地形对Pb的空间分布具有阻隔作用;土壤Cd和Pb含量的空间分布具有较强的相似性,河谷地区东部铝土矿区附近含量最高,西部的百色城区次之,说明当地的矿山开采和城市居民活动对土壤Cd、Pb元素空间分布均有影响;河谷北缘土壤Cd和Pb含量略高于河谷南缘,可能是风的搬运作用结果;两元素比较,土壤Cd含量受河谷内工业企业的影响大于土壤Pb含量受到的影响。     

冶炼厂周边土壤重金属污染范围的界定与不确定性分析

在浙江省富阳市某冶炼厂周边以网格法采集了147个表层土壤样品,测定了铜、锌、铅和镉总含量。运用组合预测法(普通块状克里格法和三角网格插值法)预测了研究区各种重金属含量的空间分布,又运用指示克里格法预测了研究区各种重金属的污染概率;再分别依据土壤污染临界值(土壤环境质量标准)和污染概率的临界值(50%)来界定各种重金属的污染范围。本研究将基于两种方法的界定结果相对比来综合界定污染范围,并将污染土壤重金属污染状况分为污染、未污染和不确定。综合界定结果表明,研究区分别有71.7%、80.0%、3.0%、83.1%的区域土壤被重金属Cu、Zn、Pb、Cd所污染,不能被确定是否被重金属Cu、Zn、Pb、Cd所污染的区域分别占20.8%、10.5%、12.5%和10.9%。     

基于不同协变量Cokriging土壤养分空间预测精度研究——以陕西省蓝田县为例

以蓝田县西北部农耕区2012年1 114份土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾4个指标为基础,利用地理信息系统和地统计学相结合的方法,在对协变量个数控制的前提下,通过交叉检验系数和精度提高系数,探索协同克里格插值法对各土壤养分空间分布预测精度的影响。结果表明:各土壤养分空间分布不均匀,土壤养分存在中等变异性;利用增加协同变量方法,依据协变量之间相关性强弱控制协变量进入模型的次序对各土壤养分指标进行协同克里格插值,能提高预测精度,当协变量个数达到3时,各养分指标精度提高分别为有机质0.353%,碱解氮1.114%,有效磷1.088%,速效钾0.646%。研究结果较为准确地预测了样区4个养分指标的空间分布特征,结合土壤类型及土壤施肥管理方法,探讨了土壤养分空间分布特征的原因。     

土壤养分空间分析的局部随机法研究

土壤养分空间分布的研究对作物的产量分析、施肥控制、环境保护及土地质量评价有非常重要的作用。建立合理有效的土壤空间养分分布图,可以为土地管理、决策分析提供科学有效的依据。目前在进行土壤养分空间分析的过程中,常采用传统的插值方法:反距离插值法、样条插值法和Kriging插值法等[1,2]。但是在使用这些插值方法的过程中,往往人为地预先假定该研究参数在空间分布上服从某种规律,如反距离插值法中的距离因子或者样条插值法中的样条函数。因此,利用这些传统的插值方法所预测的分布图,所代表的只是土壤养分分布的一种可能性或者某种比较好的估计[3,4]。而且这些方法预测结果往往过于平滑,不能反映土壤养分的实际分布特     

基于BP神经网络插值的土壤全氮空间变异

大尺度土壤养分空间变异研究可以为土壤改良分区治理提供基础数据。寻求合适的取样数和插值方法是进行土壤养分空间变异研究的关键。以安徽省舒城县为例,共取得0～20cm土壤表层样品523个,土壤全氮的空间变异由BP神经网络插值方法在不同取样数条件下获得,通过与克里格插值法进行比较得出:样本数在100个时,神经网络插值的预测吻合度(G)比克里格插值高7.75%,均方根误差(RMSE)低0.1,总体精度优于克里格;样本数大于200时,神经网络插值和克里格插值精度基本相同,随着采样数量增加,两种方法的插值精度也在提高,并逐步趋于平稳。在大尺度土壤养分空间变异研究中,在小样本情况下,神经网络插值具有优势。     

基于GIS的新疆降水空间插值方法分析

随着空间降水信息需求的日益增加,降水的空间插值已被广泛应用,而不同的插值方法因不同的地区和研究目的产生不同的效果。采用新疆18个国家基本站点1957-2000年的日平均降水数据,应用地信软件ArcGIS中的地统计学模块进行空间降水插值实验,分别采用反距离加权法和克里格方法探讨了新疆降水的空间分布,分析发现:两种插值方法在分析区域降水空间分布方面各有优缺点,在整体分析上,克里格插值法要优于反距离加权法,但在局部地区的分析上,反距离加权法插值结果较为理想。     

河北省表层土壤有机碳和全氮空间变异特征性及影响因子分析

【目的】在陆地生态系统中, 土壤全氮和有机碳是重要的生态因子。本研究基于土壤调查获得大量土壤剖面的空间和属性信息,研究河北的土壤有机碳和全氮的空间分布特征,为河北的土壤养分监测和管理提供科学依据,同时也为其他类似地区土壤采样提供参考,减少采样成本。【方法】运用传统统计学和地统计学分析方法,以变异函数为工具,初步分析了河北土壤全氮和有机碳的空间变异特征,并应用普通克立格法和回归克里格法进行插值, 得出全氮和有机碳含量的分布格局。【结果】研究区土壤有机碳和全氮的平均值分别为15.25 g/kg和1.23 g/kg,变异系数分别为0.73和0.63,属于中等强度变异。经对数转换后,土壤有机碳和全氮均符合正态分布。选择球状模型作为土壤有机碳和全氮的半方差函数理论模型,土壤有机碳和全氮的块金值/基台值的比值分别为1.8%和1.2%,有机碳和全氮的块金系数均小于25%,表明有机碳和全氮具有强烈的空间相关性。有机碳和全氮空间变异的尺度范围不同,分别为50.400 km和59.200 km。研究区的有机碳总体空间分布规律是有机碳在北部较高、南部较低,呈自北向南递减趋势,土壤全氮与有机碳的空间分布趋势相似,但有机碳的空间变异特征较全氮明显,这种空间分布格局主要受环境因子、 土壤质地、 土壤类型以及土地利用类型等的影响,其中环境因子中的气温和海拔对有机碳和全氮的影响较大。通过比较普通克里格和回归克里格的预测结果,回归克里格能较好地反映东南部有机碳和全氮较低地区的局部变异外,对于西北部的山区也能更好地反映碳、 氮与地形及气候等因素的关系。【结论】河北土壤有机碳和全氮的空间变异和分布特征较为类似,受地形地貌、 气候等因素的影响。通过比较普通克里格法和回归克里格法的空间预测结果,回归克里格法可以消除环境因子的影响,从而得到更准确的空间预测结果,因此建议使用回归克里格法进行预测,以期获得一个更为准确的土壤有机碳和全氮的空间预测结果。     

土壤水盐空间异质性及尺度效应的多重分形

为了揭示研究区域林地内土壤含水率和电导率的空间分布特征及尺度效应,利用多重分形方法,对杨凌一林地内不同采样时间和不同采样面积下土壤含水率和电导率的空间异质性进行了研究。结果表明：3种采样面积下土壤含水率和电导率的空间异质性都分别随平均含水率和电导率的增大而减弱。随采样面积的增大,平均含水率和电导率较高时,土壤含水率的空间异质性趋于增强,土壤电导率的尺度效应不明显;平均含水率和电导率较低时,土壤含水率和电导率的空间分布都存在明显的斑块结构。不同采样时间和不同采样面积下土壤含水率和电导率的多重分形谱的形态有所差异,表明引起他们空间异质性的信息有所不同。多重分形分析能揭示出较多的采样林地内土壤含水率和电导率分布的局部信息。     

污染场地土壤重金属含量的空间变异特征及其污染源识别指示意义

在面积约10.9km2的重金属污染场地以网格法采集了174个表层土壤样品,测定了7种重金属含量。采用地统计学软件GS 和地理信息系统相结合的方法,研究了这些重金属含量的空间变异性。通过Kriging内插法对未测点重金属含量进行最优估计,并对这些重金属的来源进行了初步识别。结果发现,在研究区内7种重金属具有相似的空间分布特征,污染场地特殊的污染源分布状况、污染程度和地理条件导致点状污染源增大了重金属的空间结构性,呈现出与非典型污染区不同的特征。冶炼厂高炉粉尘排放对重金属的贡献明显高于母质等内在因素,是研究区重金属的主要来源。     

基于地理探测器的封丘县农田土壤重金属分布影响因素研究

以河南省封丘县为研究区，利用反距离加权插值法研究了农田土壤重金属Cd、Cu、Cr、Pb、Zn和As的空间分布特征；同时，应用基于地理探测器模型定量研究了8个因子对土壤重金属空间分布的影响。结果表明：研究区土壤Cd、Cr、Pb和Zn含量超过了黄河下游潮土背景值，而Cu和As含量低于黄河下游潮土背景值；其中有极少量样点Cd含量超过农用地土壤污染风险筛选值，而其他均未超标。在空间分布上，Cd、Cr、Pb含量的高值区分别主要分布在研究区中部、西南部和北部，As含量的高值区分布在研究区北部和西南部，Cu和Zn含量的高值区在研究区南北方向呈带状分布。Cd、Pb和As含量的低值区主要分布在研究区南部，Cr、Cu、Zn和As含量的低值区主要分布在研究区中部。地理探测器分析表明，土壤重金属空间分布受到自然因子和人为因子的共同作用，有机质含量是影响较大的自然因子，人口密度是影响较大的人为因子。两因子之间的交互作用均大于单因子的作用，其中有机质含量与各因子的交互作用对重金属空间分布的影响较显著。     

基于空间结构特征的土壤Cu、Pb来源解析—以北京市东南郊污灌区为例

【目的】 本研究旨在通过分析污染物空间结构特征解析典型污灌区土壤重金属污染成因。 【方法】 本文以北京市东南郊污灌区为例,在整个区域均匀布点,按1 km × 1 km密度采样,共采集土壤样品376个。每个样点为10 m × 10 m正方形,在四个顶点和中心点取0—20 cm表层土壤,均匀混合后用四分法从中选取1 kg土壤,作为代表该点的混合样品。Cu和Pb重金属含量采用原子吸收火焰法进行测定,利用Variowin2.0和ArcGIS10.2软件分析重金属空间结构及分布特征,解析其污染成因。 【结果】 研究区域土壤Cu和Pb空间结构均为套合结构,其块金值与基台值的比值在25%～75%之间。Cu和Pb的空间分布与河流走向密切相关,在西北–东南方向空间相关性较强,其高值区主要分布在研究区域中北部的凉水河流域、西部的永定河流域以及通州的东北部。 【结论】 污水灌溉和成土母质是研究区域土壤重金属的主要来源。由污水灌溉等小尺度因素主导的土壤Cu和Pb元素空间自相关距离分别为11.35 km和9.49 km;由成土母质等大尺度因素主导的空间自相关距离分别为26.65 km和31.70 km。通过分析不同尺度因素对区域土壤重金属含量空间分布的影响,可揭示土壤重金属污染成因,这种思路可为其他区域开展土壤重金属污染成因研究提供借鉴。      

松嫩平原产油区农田土壤重金属含量及污染风险评价

  目的  为探明松嫩平原石油开采及石化工业活动区周边农田土壤重金属污染分布及风险状况。  方法  在大庆市让胡路区选择代表性农田采集96份土壤样品,测定重金属（Cd、Hg、Ni、Pb、Cu、Zn、Cr、As）含量;在利用地统计学克里金插值法分析重金属含量空间分布特征的基础上,采用地积累指数法和潜在生态危害指数法对该地区农田土壤重金属污染状况及其生态风险进行评价。  结果  该区土壤中Cd和Ni的含量分别为土壤背景值的1.39倍和1.27倍。在对各样点Pb、Zn、Cu和Cr 4种元素含量分析中,均出现不同程度的高于土壤背景值的样点。重金属Cd的地积累指数平均值为0.11,达到轻度~中度污染水平。研究区土壤重金属潜在生态危害风险指数（RI）平均值为84.84,从大到小为Cd > Hg > Ni > As > Pb > Cu > Zn > Cr,其中Cd的RI值最大为190.23,达到中等生态危害范围。研究区农田土壤重金属含量在空间分布上表现为:Cd、Zn和Pb含量高值区出现在中部地区,其它重金属元素含量高值区分布比较零散。  结论  研究区域内,8种重金属含量的平均值均低于风险筛选值,Cd和Ni两种重金属平均含量超出了背景值,从地积累指数来看,Cd污染等级为1级,其它7种元素均处于无污染水平。从潜在生态风险分析可知,该区域污染程度属于轻度生态危害范围。     

土壤重金属铅的空间变异性研究——以重庆市吴滩镇为例

采用地统计学方法研究重庆吴滩镇土壤中重金属Pb的空间变异特性结果表明,该区土壤重金属Pb具有显著空间结构性特点,小尺度明显受施肥、作物和管理水平等人为因素的影响,且空间分布无明显变化规律;而中尺度具有一定渐变性分布规律。受耕作管理措施和酸性有水环境因素影响,水稻土中Pb含量明显高于紫色土。该区土壤中Pb含量低于国家1级标准的占29.79%,低于国家2级标准的占70.21%,其中属轻度污染的占49.16%,中度污染的占21.05%。     

采煤沉陷区土壤重金属含量对土壤酶活性的影响

为探明煤矿沉陷区土壤受重金属污染情况,探讨重金属含量对酶活性的影响,以焦作韩王煤矿沉陷区为例,通过野外调查与采样和室内分析,研究煤矿沉陷区土壤中重金属累积特性与土壤酶活性的变化。结果表明:研究区土壤中重金属Cu、Zn、As、Mo、Hg、Pb、Cd等含量均高于对照小区的含量,且有明显的空间异质性;沉陷区各种酶活性大都低于对照点,其在空间分布上受重金属的影响,重金属Co、Ni对大多数酶有促进作用,As、Mo则对酶活性有抑制作用,重金属对酶活性的影响取决于重金属的类型与含量;在研究区,蔗糖酶对重金属污染较为敏感,表明蔗糖酶可作为评估煤矿沉陷区土壤环境质量变化的有效指标。     

沿海滩涂区土壤重金属含量分布及其有效态影响因素

为揭示沿海地区土壤重金属含量的空间分布特征及其与自然、人为因素的关联,以近年来围垦开发强度较大的江苏沿海某滩涂区为研究对象,采用经典统计与地统计相结合的方法研究了表层土壤主要重金属Pb、Cr、Cd、As全量与有效态含量状况及其空间分布,分析了沿海滩涂区土地利用方式对重金属含量的影响,探讨了重金属有效态含量与土壤理化性质的相关性。结果表明:目前研究区土壤环境质量状况良好,土壤Pb、Cr、Cd、As均呈累积趋势但基本都低于土壤环境质量一级标准值;土地利用方式不同程度地影响了Pb、Cr、Cd全量与有效态含量,As全量与有效态含量受土地利用方式影响较小;研究区土壤Pb、Cr、Cd全量与Pb、Cr有效态含量具有明显的趋势效应,且研究区土壤重金属全量与有效态含量的空间分布受大尺度的潮汐作用与小尺度的人为因素的共同控制;土壤Pb、Cr、Cd有效态含量与黏粒含量、阳离子交换量和p H显著负相关,与有机质呈显著正相关,土壤As有效态含量仅与土壤p H显著正相关。本研究为沿海滩涂区土壤重金属源头减量、活性钝化、污染消减与风险防范提供科学依据。     

Geochemical multifractal distribution patterns in sediments from ordered streams

For geochemical exploration, the stream sediment survey is of great importance for the delineation of geochemical anomalies and the distribution patterns of chemical elements are critical for anomaly recognition and mineral resource assessment. To study the distribution patterns of elements, we collected 7113 stream sediment samples along stream networks with seven orders from an area in the Qulong region of Tibet in southwest China where numerous polymetallic Cu deposits have been found. Thirteen elements, including Cu, Ag, As, Au, Ba, Bi, Hg, Mo, Pb, Sb, Sn, Zn, and W, were measured in each sample. The distribution patterns of the element concentrations are represented by multifractal spectrum estimated by the method of moments and characterized by six quantitative multifractal parameters. The multifractalities and inhomogeneity of the elements grow stronger as the elements transported from the main streams to the streams of order 1. Our study shows that the Cu anomalies delineated by the multifractal inverse distance weighted interpolation analysis correspond from streams of order 1 to streams of order 5, which indicates the self-similarity of geochemical variables. These results strongly suggested that the multifractal model and the multifractal parameters might be useful in estimating other stream sediments' properties and studying the geochemical dynamic transport behaviors of elements in stream sediments, which also might be extended to study the physical and chemical properties of soils from different horizons and other kinds of media at different scales as well.