基于RBF神经网络的土壤重金属空间变异研究

本文采用径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Network,RBFNN)预测太原市晋源区表层土壤中重金属Cr、Cd、Hg的空间变异,并与普通克里格(Ordinary Kriging)插值结果进行对比分析,以选择更合适的土壤重金属空间插值方法。研究结果表明:1)在拟合RBFNN模型过程中,选择合适的spread散布常数可以使模型达到最优,研究区域土壤Cr的最优散布常数为0.08,Cd的最优散布常数为0.10,Hg的最优散布常数为0.14,这组散布常数对于局部区域农田土壤重金属插值模拟有一定的参考意义。2)RBFNN方法与Ordinary Kriging方法对区域重金属浓度分布的预测趋势一致,土壤Cd含量在区域中部较高,尤其是从东北方向到西南方向的轴线上较高,向两侧形成扩散递减趋势;土壤中Cr含量总体分布趋势也是中部较高,其他区域相对较低;土壤Hg含量在区域东北部较高,由东北方向到西南方向浓度逐渐递减。且土壤重金属在区域中的分布与当地的污染源分布相对应。在样本数有限的情况下对土壤重金属进行空间变异研究时,RBFNN方法比Ordinary Kriging方法的预测精度更高更有效。     

海南岛农用地土壤重金属含量的空间分布

利用地理信息系统(GIS)及地统计学方法,对海南岛农用地中的Hg、Cd、Cr、Pb和As 5种重金属的污染状况进行空间变异性分析.结果表明,5种重金属的平均含量均未超过国家环境质量2级标准(GB15618-1995);Hg、Cd、Cr和Pb含量的变异函数理论模型符合指数模型,Hg和Pb空间相关程度弱,显示出其含量受成土因素的影响较大;As含量的变异函数理论模型符合高斯模型;Cd、Cr和As空间相关程度中等,显示出其含量受外源污染的影响较大;运用Kriging插值方法得出海南岛该5种土壤重金属的插值梯度分布图,海南岛外源性重金属污染在工业区最为严重.     

长江三角洲地区土壤重金属污染的空间变异特征——以江苏省太仓市为例

城市化、工业化和农业集约化的发展影响着土壤环境和健康质量。本研究以位于长江三角洲地区的江苏省太仓市为典型区，采用地统计学方法对其耕层土壤中Cd、Cr、Cu、M、Hg、Pb、Zn和As等8种重金属结构特征和空间分布格局进行了分析，并用模糊数学法综合评价了土壤重金属的污染程度，结果表明：太仓市表层土壤Zn、Cu属强变异强度，呈对数正态分布；Cd、Ni、Hg、As、Cr和Pb属中等变异强度，呈正态分布。除Cd、Cr和Pb略低于背景值外，其他重金属均高于其背景值，其中以As污染指数和超标率最高。土壤重金属复合污染严重，模糊综合评价污染结果为一级。通过半方差函数模型拟合发现Hg、Cd符合球状模型，其他重金属均符合指数模型，8种重金属元素在一定范围内均存在空间相关性。采用Kriging最优内插法得到了耕层土壤重金属含量的空间分布图，发现土壤重金属含量与母质、土壤质地、有机质含量以及工业化、城市化和农业集约化程度密切相关。     

北京耕作土壤重金属多尺度空间结构

为了有效揭示土壤重金属的空间分布特征,为土壤环境质量评价提供科学依据,该研究以北京市耕作土壤中重金属为例,通过地统计学方法分析了重金属空间结构的尺度效应。研究结果表明：土壤重金属Cr、Ni、Zn和Hg的空间结构性对空间尺度有明显的依赖,理论半方差函数的最优性检验进一步表明多尺度套合模型能充分地挖掘和利用土壤重金属Cr、Ni、Zn和Hg的空间变异结构,并且采用多尺度套合模型法对重金属Cr、Ni、Zn和Hg进行克里格插值,其插值效果明显优于单一尺度下的普通克里格插值。因此,多尺度套合模型法能有效地揭示耕作土壤中重金属的空间分布特征。     

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。     

汾河太原段土壤中Hg、Cr空间分布与污染评价

为了探明汾河太原段土壤中Hg、Cr污染情况,在GIS支持下,运用地统计学方法,测定分析了汾河太原段两岸土壤中重金属Hg、Cr的含量和空间分布特征,采用单因子法对土壤中Cr、Hg的污染进行评价.结果表明:汾河太原段土壤中Hg含量高于山西省土壤背景值和中国土壤背景值,Cr含量与背景值相当;土壤中Hg和Cr半方差函数模型为高斯模型,属于空间中等程度相关,Hg和Cr有相似的空间分布格局,总体分布趋势为北中部和南部地区相对较高,北部和中南部相对较小;污染评价表明Hg污染较Cr污染严重,但所有土壤Hg含量均在国家土壤环境质量二级标准之内;土壤Hg、Cr污染防治应结合其空间分布格局和区域污染特征综合考虑.     

宿州市矿区与耕地土壤重金属含量及其潜在生态风险评价

以调查宿州市矿区与耕地土壤的重金属污染状况数据为基础,按照有关标准和方法,对宿州市矿区与耕地土壤重金属潜在生态风险进行了评价,结果表明:宿州市矿区土壤重金属含量均值除Pb外,其它都大于耕地,且Hg、Cr含量远远超过耕地;从单因子污染指数看,矿区土壤重金属污染主要是Hg、Cr的污染,而耕地整体状况良好;从内梅罗综合污染指数的均值来看,矿区土壤全部被污染,耕地仅有6%中度污染,8%轻度污染;从潜在生态风险指数来看,矿区土壤属于中等风险等级,耕地属于低风险等级,各重金属元素对矿区土壤潜在生态风险贡献大小顺序为:矿区土壤Hg>Cd>As>Cr>Cu>Zn>Pb,Hg潜在生态风险最大。     

北京耕地土壤重金属空间自回归模型及影响因素

为了揭示土壤重金属含量与其影响因素间的作用关系,为土壤重金属的污染控制和治理提供参考,该研究以北京市耕作土壤重金属元素为例,采用传统线性回归模型和空间自回归模型分析和比较了土壤重金属含量及其影响因素间的相关关系。结果表明：Cr、Ni、Zn、Hg空间自回归模型的拟合度较传统线性回归模型好,并且残差的空间自相关性消失。因此,空间自回归模型能够很好地解释重金属含量与其影响因素间的相关关系。结果表明：Cr、Ni含量的影响因素主要为土壤母质和土地利用强度,Zn、Hg含量的主要影响因素为道路、工矿企业和土壤母质。     

北京耕作土壤4种重金属空间分布的网络特征分析

以北京市耕作土壤Cr、Ni、Zn、Hg4种重金属为研究对象,借助ArcGIS、GeoDa、Matlab等软件,将1018个土壤样点看作网络节点、重金属含量的空间自相关关系作为连线依据,构建Cr、Ni、Zn、Hg网络图,从网络科学角度分析土壤重金属空间格局,并以重金属Hg为例提取高度值节点所在网络簇,计算度、介数、平均最短路径等网络特征。得出以下结论:1)北京土壤重金属Cr、Ni、Zn、Hg网络中高度值节点仅占30%左右,这些节点影响周围较多区域土壤重金属含量并已形成稳定网络结构,重金属污染防治困难加大;2)Hg网络簇具有网络的小世界性特征,而不具有无标度性,承担网络主要流量的高介数节点分布集中,并沿潮白河流向分布,表明河流在网络形成中起到重要作用;3)Hg网络簇的形成一定程度受到土地利用的影响,人类活动带来的大量耕地及工矿用地的分布,是造成北京主城区北、东、南三面土壤Hg含量累积的主要原因。该研究可以为进一步分析土壤重金属污染空间格局特征和扩散演化机制提供参考,实现对土壤重金属污染预防与控制。     

经济发达地区耕地景观格局对土壤重金属污染风险的影响分析

探讨耕地景观格局对土壤重金属污染风险的影响有利于丰富耕地可持续利用和保护路径,对维护国家粮食安全和景观生态安全具有重要意义。该研究以经济发达地区嵊州为研究对象,基于土地利用数据、耕地分等成果和93个样点采样数据,测算耕地重金属镉（Cd）、铅（Pb）和汞（Hg）污染水平和耕地景观格局指数,采用逐步回归模型和空间回归模型分析耕地景观格局与重金属污染的关系。结果表明：1）研究区各土壤重金属因子污染指数及内梅罗综合评价指数的均值范围为0.22～0.42,Cd、Pb和Hg污染风险依次降低,整体污染风险较低,单个重金属污染指数变异系数均大于0.5,污染风险较高地区呈现团状聚集空间分布特征。2）耕地重金属污染与景观格局在城乡和道路梯度上存在明显的空间关联关系。3）耕地不同类型重金属污染与耕地景观格局各类指数呈现显著相关关系,耕地景观斑块规模、破碎度以及斑块形状复杂度与耕地重金属污染呈显著负相关关系,耕地景观聚集度与耕地重金属污染污染呈显著正相关关系。该研究进一步深化耕地景观格局与土壤重金属污染的定量关系,可为从景观格局优化路径控制土壤重金属污染提供参考。     

长江三角洲地区土壤盐酸可提取态重金属含量的空间变异特征

以江苏昆山市为典型区，对长三角地区土壤盐酸可提取态重金属含量的结构特征进行分析，得出该区盐酸可提取态重金属的空间分布格局并揭示了引起这种分布格局的成因和污染来源，结果表明：昆山市盐酸可提取态Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Hg属强变异，Ni和Co为中等变异。半方差函数模型拟合表明所有盐酸可提取态重金属元素均符合球状模型，8种重金属元素在一定范围内均存在空间相关性。采用Kriging最优内插法得到了盐酸可提取态重金属含量的空间分布格局，表明土壤盐酸可提取态重金属含量与工业活动、污水灌溉和大气降尘密切相关。通过主成分分析与地统计学相结合的方法，得出该区盐酸可提取态重金属由4个主成分构成，第一主成分为Cd、Cu、Pb、Cr和Zn，决定这一成分的主要因素为工业污水灌溉、大气降尘和元素地球化学特征；第二主成分为Ni，决定这一成分的主要因素为土壤内部因子；第三主成分为Hg，该成分主要受工业点源污染的影响；第四主成分为Co，该成分可能主要受地形影响。     

土壤重金属污染现状评价及其合理采样数的研究

为了更好的解决环境管理中的实际问题,对未知区域的土壤重金属污染状况进行评估是很有必要的。本研究以重庆江津市吴滩镇为研究区,在该研究区采集耕层土壤样品121个并对重金属Pb、Cd、Cr、Hg、As的含量进行了分析,并通过ArcGIS和地统计得到各种重金属的空间变异情况,其变异性的大小为:Hg>Cd>As>Pb>Cr,均为中等变异。绘制出各重金属的空间分布图,且对各元素的污染程度进行评价,其污染程度Cd>Cr>Hg>As>Pb。土壤变异越大,合理采样数也越大。Hg的变异最大,在95%的置信水平,5%的允许误差下,Hg的采样数为83。且随着对置信水平和相对误差条件的降低,各种元素所要求的采样数都有大幅度的减少。     

特色果品种植区土壤重金属空间变异规律研究——以河北省沧州为例

以沧县、献县、泊头和黄骅为研究区,采用地理信息系统(GIS)和地统计学相结合的方法,研究了该特色果品种植区的表层1470个样点土壤全量Cu、Zn、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As元素的空间分异规律及其影响因子。结果表明:除Hg、Cr、Pb外其他5种元素的最大值均超出土壤环境质量一级标准,说明研究区还存在一定程度的重金属污染。变异系数分析表明,Cr最小,为0.10;Hg最高,为0.40。8种重金属之间均为1%水平显著正相关关系;块金效应分析结果显示Ni和Cr空间相关性较强,而其余6种重金属则呈现中等强度空间相关性。而从变程来看,Cd最大,为108.80 km,说明该元素与土壤母质关系密切,Cr最小,仅为25.99 km,说明该元素空间自相关距离大于取样间隔距离。8种重金属空间分布结果表明,整体呈现西部高于东部的特征;其原因除母质等自然因素外,人为因素如工业发达、交通尾气和农药化肥施用等也是影响其空间分布的重要原因。     

三峡库区典型农业区土壤重金属污染特征及风险评价

为了解三峡库区农业区土壤重金属污染现状及环境风险水平,该文以重庆市8个典型农业区县(铜梁、云阳、万州、丰都、城口、垫江、南川和江津)土壤为研究对象,共采集表层(0~20 cm)土壤样品160个,依照《土壤环境监测技术规范(HJ/T 166-2004)》和《土壤环境质量标准GB 15618-1995》分析了土壤样品中8种重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)的含量,比较了不同区县8种重金属污染现状及差异,应用地积累指数法和潜在生态风险指数法探讨了研究区土壤重金属的累积特征及潜在生态风险等级。结果表明:该研究区农业土壤8种重金属含量平均值均未超过《土壤环境质量标准GB 15618-1995》二级标准,与土壤背景值相比,Cd、Cr、Cu、Hg和Zn均具有极显著差异(P0.01),As、Ni和Pb差异不显著,8个区县Cr均表现出极显著差异(P0.01),城口区多种重金属均表现出极显著差异(P0.01),8种重金属地累积指数平均值均小于0,研究区土壤受重金属污染水平为未污染等级,单个重金属潜在生态风险顺序为HgCdAsHgCuNiCrZn,Hg元素潜在生态风险指数平均值为43.840,属中等生态风险等级,其余元素生态风险指数值均小于40,属于低生态风险等级,8种重金属综合潜在生态风险指数平均值为108135,为低生态风险等级。综合研究结果表明:三峡库区典型农业区土壤Cd、Cr、Cu、Hg和Zn具有一定程度的累积,且表现为多种重金属复合累积现象,Cr累积具有普遍性,Hg是影响三峡库区农业土壤综合潜在生态风险的主要元素,但研究区土壤重金属总体处于低生态风险水平。     

基于多元统计和地统计的肇源县表层土壤重金属来源辨析

土壤圈是地圈系统中对人类健康影响最显著的圈层之一。土壤重金属的自然和人为来源辨析对土壤修复和保障人体健康有重要意义。本研究以黑龙江省肇源县为研究区域,通过空间插值分析、主成分分析和聚类分析等方法,对区域土壤表层和深层土壤重金属As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn的含量和空间分异特征进行分析,进而对区域表层土壤重金属来源进行辨析。结果表明:成土母质作为表层土壤的重要物质来源对表层土壤重金属含量及空间分布有显著影响;肇源县表层土壤中Hg元素表现出全局范围较明显的富集现象,局部区域Cd元素表现出一定的富集现象,富集原因是人为污染造成的;嫩江上游汇水区土壤重金属元素的迁入,是表层土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn等元素在研究区范围内轻度富集的主要原因。     

长江三角洲地区土壤重金属含量及其分异特征

以地学统计、浓度-面积分形方法和富集系数等方法分析了该地区土壤重金属元素含量的变化特征。结果显示:表层和深层土壤的重金属均具有多重分形特征,表层土壤中重金属元素分异性强,在该地区表层重金属含量平均值远远大于全国土壤背景值(除了As);土壤Hg、Cd、Pb含量分布显示了受人为影响强烈,而Cu、Zn主要受原始背景和人为活动综合影响;Cr、Ni、As主要受自然背景影响。研究结果为长江三角洲地区土壤质量评价提供可靠的依据。     

重庆市蔬菜地土壤重金属特征研究

研究结果表明重庆市蔬菜地0~20cm和20~40cm土层土壤重金属Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb含量无显著差异,Cd、Hg含量差异显著。不同土壤类型平均重金属含量和变异系数差异均较小。城郊区、工矿区和一般农区重金属Ni、Cu、Zn、As、Pb含量及阳离子代换量无显著差异。不同土壤类型和不同区域重金属间均具较强相关性,重金属Cu、Ni、Cr间具有较强伴生关系。重庆市蔬菜地土壤重金属Cd污染较重。