土壤重金属空间变异的研究方法*

 综述了土壤重金属空间变异的研究方法及其进展,包括地统计学方法、GIS技术、经典统计学、分形理论和空间自相关分析方法在重金属空间分析中的应用,并分析和讨论了这些研究方法的优势和不足。同时,根据当前土壤重金属空间分析采用较多的地统计学方法的应用范围和特点,提出在应用中应考虑各变量在不同尺度的空间特征及其转化,应根据不同的研究内容和研究目标,选择适宜的研究方法。可为土壤重金属污染和土壤重金属的空间变异研究提供资料借鉴和参考。     

土壤重金属特性空间变异性方法研究

环境保护及农业可持续发展成为当今世界人类面临的重要课题,重金属污染尤为突出,并通过食物链进入人体,对人体健康构成极大危害;本文简要分析了土壤重金属的来源,并对土壤重金属特性空间变异定量研究中所涉及的主要分析方法作了初步介绍;提出了重金属特性空间变异定量研究方法的两点启示:①地统计学与3S(GIS,RS,GPS)技术的结合来研究重金属空间变异;②提出了地统计学与土壤重金属空间变异分布建模.     

典型污染区域土壤重金属空间分布特性及其影响因素

应用地统计分析、相关分析、主成分分析对苏南某废弃的冶炼厂附近土壤重金属(Cd、Cu、Pb) 的含量、空间分布及其影响因素进行了研究.结果表明,在研究区内Cd污染严重,其平均含量为6.91 mg·kg-1,Cu、Pb为局部污染,其平均含量分别为53.2和83.6 mg·kg-1.Cd、Cu、Pb均旱现中等的空间相关性且变异均表现在东南-西北方向.Cd、Cu的空间变异以人为因素影响为主,而Pb的变异与土壤母质、地形的关系较大.基于ArcGIS地统计学分析工具与主成分分析能够很好地反映十壤重金属的空间变异情况及其影响因素.     

基于GIS的地统计学方法在土壤科学中的应用

地统计学应用于土壤科学中,并结合GIS(Geographic Information System,GIS)技术探索其空间分布特征及其变异规律已为越来越多的学者所推崇。半方差函数提供了一个定量工具,可以将土壤某一性质的变异与成土因子和成土过程联系起来,使人们加深对土壤的作用后果的理解,而克立格可以对未采样区的区域化变量的取值进行无偏最优估计。通过介绍基于GIS的地统计学方法在土壤水盐空间变异、养分空间分布特征、重金属污染调查等方面的研究,进一步说明了地统计学在未来土壤科学发展中广阔的应用前景。     

渭北黄土高原苹果园土壤重金属空间分布及其累积性评价

通过对渭北黄土高原苹果园217个样点0～40cm土层土壤取样分析,采用地统计学和GIS相结合的方法,研究了苹果园土壤中Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu6种重金属的含量及其积累状况、空间结构及其分布特征,并根据绿色食品产地环境质量标准对苹果园土壤环境质量进行了评价。结果显示,渭北苹果园土壤中6种重金属已出现一定程度的累积,其累积程度依次为:Hg>Pb>Cd>As>Cu>Cr。各采样点Hg、Cd含量变异程度较大,变异系数在50%以上;而Pb、As、Cr、Cu各采样点含量差异较小,变异系数为19.10%～23.70%。6种重金属均表现为较强的空间相关性,其空间变异性主要由成土母质、气候、地形等结构性因素控制。其中随机因素对Cd的空间变异的影响程度相对较大,一定程度上消弱了结构性因素对Cd空间变异的主导作用,而Pb、Cr、Cu空间变异受随机因素的影响较弱,随机性因素对各重金属空间变异的影响程度依次为:Cd>As>Hg>Pb>Cr>Cu。重金属积累的单项评价指数均小于1,综合评价指数小于0.7,果园土壤环境质量完全满足绿色食品产地环境质量的要求,其中As的累积对绿色食品苹果生产可能有较大的潜在影响,应加以有效控制以防止其持续累积。     

临猗县耕地有机质与大量元素的空间变异

根据临猗县实地采集的土壤样品,应用GS+软件对该地区土壤养分的空间变异特征进行研究,采用地统计学方法分析了土壤有机质与大量元素的空间变异。结果表明:土壤有机质、全氮的变异程度较小,速效钾次之,变异最大的是有效磷,各养分的变异都属于中等变异;土壤有机质、全氮和速效钾的空间变异主要是由区域因素引起,空间分布体现为中等空间相关性;有效磷的空间变异受随机因素影响较大,空间分布体现为弱空间相关性。     

铅锌矿区土壤重金属空间变异及其污染风险评价——以四川汉源富泉铅锌矿山为例

采用地统计学中的普通克里格和概率克里格研究了汉源富泉铅锌矿区土壤重金属的空间变异特征、污染情况以及空间分布的影响因素。结果表明,土壤样本的Cd、Pb和Zn的平均值分别为（10．92±12．22）mg·k^-1、（657．92±1031．87）mg·k^-1和（1549．06±1915．55）mg·k^-1,空间变异呈团状分布,变异方向主要发生在东北一西南方向;3种元素高值区主要集中在北偏东矿山尾矿堆积的区域,其次为临近矿山靠近公路农田土壤部分,低值区主要集中在西北方向;研究区东北、东南区域3种重金属元素超标概率最大．西北区域超标概率最小。由于土壤重金属空间分布的影响因素主要为外源污染,对成矿元素的污染。应采取矿产资源开采与环境协调发展的途径;对伴生污染元素,应根据土壤的污染程度,采用一定富集或耐性能力的植物进行修复或开发利用,防止重金属对生态环境的污染。     

喀斯特山区村级尺度下农田土壤养分的空间变异特性

以贵州省平坝县马场镇栗木村土壤养分测试数据为例,利用经典统计及地统计学的原理和方法,结合GIS技术对土壤有机质、氨态氮、速效磷、速效钾的空间变异特性进行了分析和比较;根据旱地和水田中各土壤养分元素的不同空间变异特性分别选出了各自的最优插值方法,生成了空间变异分布图.     

丘陵区水稻土Cu Cd污染的空间变异与影响因子

以江西铜冶炼厂区域为例，运用地统计学采样和分析方法结合数理统计，研究了红壤丘陵区水稻土重金属复合污染的空间变异特征及其影响因素。结果表明，铜冶炼厂排污和污水灌溉导致了土壤Cu、Cd复合污染，其中Cu污染具有表聚性，Cd在0～60cm剖面中均引起污染。表层土壤与水稻秸秆和籽粒中全Cu含量间表现出极显著正相关，但Cd没有显著相关。地统计学分析表明，表层土壤Cu、Cd的空间变异主要发生在西南一东北方向，与地势的变化和灌溉渠的走向一致，也与常年风向相似。污染物排放、飘尘和灌溉是影响表层土壤重金属空间变异的主要因素，其次是土壤吸附性能。土壤pH值、有机质、孔隙性质影响了Cu的长期迁移过程．但对Cd迁移影响没有表现出显著相关性。     

土壤重金属化学形态的空间异质性及其影响因素研究*

 介绍了重金属在土壤中的存在形态，讨论了土壤重金属化学形态的空间变异规律及影响因素，土壤中重金属化学形态及其迁移能力与土壤pH值、有机质、机械组成和作物根际环境有关。土壤重金属的不同形态在空间的分布、迁移能力影响着其生物的有效性及环境安全。     

多元统计制图在土壤重金属分布格局解析中的应用

以江苏省农用地土壤表层和底层土壤重金属含量数据为基础,运用地统计学方法对重金属主成分得分进行空间制图,通过制图来解析土壤重金属空间分布格局。     

基于神经网络的农田土壤重金属空间分布分析

以江苏省南通市为研究区,通过野外采样,利用采样点实测数据,在借助神经网络模型进行空间插值的基础上。结合3S技术对农田土壤重金属的空间动态分布进行分析,进而确定农田土壤重金属污染状况。运用Arcgis进行的分析结果显示．在该地区Pb和As造成的污染最严重,其他重金属污染相对较轻,其中南通市区、海门市和启东市重金属富集最严重;南通大部、通州、如东大部分地区含量较少,含量最少的地区是如皋市和海安县。造成这种空间分布变异性的主要原因是经济发达的地区污染源较多而且集中,而经济欠发达区污染源则相对较少而且分散。重金属污染物通过水系导致农田污灌也是重金属产生空间变异性的重要原因。     

地统计学在土壤性状空间变异性研究中的应用

介绍了土壤性状研究中引入地统计学的科学依据、地统计学的基本原理和地统计学在红壤稻田土壤养分研究上的应用前景。在地统计学的区域化变量理论和变异函数的基础上,建立了一套对红壤稻田土壤养分的空间变异性进行定量化的较系统的研究方法。     

钨尾矿农田重金属空间分布特征研究

[目的]研究钨尾矿农田重金属空间相关性与空间分布规律。[方法]在利用等离子体光谱仪对土壤样品重金属进行测定的基础上,运用地统计方法,对钨尾矿农田土壤重金属含量和分布特征进行系统分析。[结果]土壤重金属Cr、As、Zn、Cd、Pb、Cu具有很强的空间相关性,Hg具有中等强度空间相关性。在空间分布上,Cd、Cu含量变化特征相似,在离钨矿区较近的区域Cd、Cu含量最高,以此为中心,沿东偏南至东北偏西方向递减。[结论]该研究可为研究区的土地合理利用、农业可持续发展及农田土壤污染防治与修复治理提供科学依据。     

土壤重金属污染现状与治理途径研究进展

分析了我国土壤重金属污染现状,阐明了土壤重金属的危害,介绍了当前污染土壤的各种修复措施,包括工程修复措施、物理化学修复措施、化学修复措施、农艺调控措施以及生物修复措施等;对各种措施的修复原理、已取得的研究进展以及优缺点进行了分析,并提出土壤重金属污染物防治必须重视管理措施的发展和应用。最后对土壤污染防治存在的问题和今后研究的方向进行了探讨。     

天然杜鹃林林窗扰动对土壤重金属含量的影响

林窗扰动是森林更新和演替过程的重要干扰类型,影响土壤的物质循环。为了解林窗扰动对贵州百里杜鹃国家森林公园天然杜鹃林土壤重金属分布的影响,以自然形成小林窗表层土壤(0~10cm)为对象,林下土壤为对照,测定土壤重金属(As、Cd、Cr、Fe、Hg、Mn、Ni、V、Pb和Zn)含量,采用随机森林模型和冗余分析等方法对土壤重金属的空间分布、污染源识别及其影响因素进行研究,运用潜在生态风险指数法评价杜鹃林潜在生态风险。结果表明:1)小林窗表层土壤中Hg、Cd的平均含量分别超过国家Ⅱ级标准2.78、1.53倍,而林下分别超过2.52、1.45倍;小林窗样点土壤Cd含量超标率高于林下27%。小林窗扰动对天然杜鹃林[6]下坡位表层土Cr含量影响显著,下坡位小林窗土壤Cr含量显著>林下。中坡位、上坡位、中坡和缓坡小林窗土壤Pb、Zn含量均>林下,不同坡位和坡度小林窗土壤Mn和Ni含量均>林下;2)冗余分析表明,Mg、海拔、Ca是解释天然杜鹃林土壤重金属分布最重要的环境因子。随机森林模型重要性分析表明,Ni是影响天然林小林窗与林下土壤重金属分布最重要的重金属因子,Cr次之;3)小林窗土壤重金属单项(除Ni外)与综合潜在生态风险>林下,小林窗与林下土壤Hg和Cd风险均较高,其余重金属处于低生态风险。所以,在百里杜鹃天然杜鹃林的保护和管理过程中,应重视Hg、Cd污染的防治以及小林窗扰动对重金属分布的影响。     

黄土丘陵沟壑区耕层土壤重金属空间分异及影响因素

为了解黄土丘陵沟壑区耕层土壤重金属的空间分异及影响因素,以陕西省米脂县高渠乡为研究区,基于地统计学方法,分析耕地土壤表层Pb、As、Cu、Cr、Ni、Zn六种重金属元素的空间分异,并结合地理探测器与统计分析,进一步讨论重金属空间分布的影响因素。结果表明:As、Cu、Cr、Ni含量超过黄绵土背景值的样本率分别为23%、100%、100%和100%,As和Cu元素为中等变异,Pb、Cr、Ni、Zn为弱变异。Ni元素的块金系数最大(0.59),Pb元素的块金系数最小(0.12),Pb和Zn元素有较强的空间相关性,主要以结构性变异为主,As、Cu、Cr、Ni有中等程度的空间相关性,受结构性因素影响,同时也受随机因素影响较大;从空间分布格局上看,六种重金属均存在空间集聚现象,局部有高值区和低值区出现。重金属的空间分布受到地形和种植方式的共同影响,地形对各重金属分布的影响大于种植方式,且坡向与种植类型的交互作用对各重金属空间分布影响最大。研究表明,高渠乡土壤耕层Ni含量普遍偏高,可能对土壤环境和农产品生产的安全构成潜在威胁,且不同重金属由于受到复杂地形和种植方式的交互影响,空间差异明显。     

灌溉水质对污灌区土壤重金属含量的影响分析

利用统计学方法和空间分析,对鞍山宋三灌区稻田土壤重金属含量进行了分析研究。结果表明,利用工业废水进行灌溉的稻田,土壤环境质量明显低于利用河水和城市生活污水进行灌溉的区域,土壤重金属Cd和Hg分别超标1.8倍和2.2倍。空间分析结果显示,污灌区土壤重金属含量的空间差异明显,6种重金属污染物空间分布的峰值均出现在工业废水进行灌溉的区域。由此所得结论是:工业废水中的污染物质对农田土壤环境影响明显,应避免直接用于农田灌溉;在农田土壤环境保护工作中,在对重点污染物进行分析的同时,应加强对重点区域的监测。     

基于地理探测器的农田土壤重金属影响因子分析

【目的】研究土壤重金属与影响因子以及不同土壤重金属之间相关关系,为土壤重金属空间预测模型提供更加全面的辅助变量。【方法】利用地理探测器模型,结合空间插值技术对2014年湖南省湘潭县5个乡镇农田中5种土壤重金属Pb、Cd、As、Cr和Hg的空间分布变化与6种影响因子以及5种土壤重金属之间的相关性和交互作用进行研究。【结果】研究结果表明,GDP、平均温度和相对湿度对5种土壤重金属解释力较大(PD,H值均在0.5以上),土壤pH、土壤类型与高程对土壤重金属的解释力较小(PD,H值均在0.3以下),其中土壤类型对于5种土壤重金属的解释力最低(PD,H值均在0.1以下)。5种土壤重金属中,Cr对Cd的解释力最强(PD,H值达到0.95),As对Cd的解释力最小(PD,H值仅为0.20)。平均温度、相对湿度、GDP对土壤重金属的影响显著高于其他影响因子,而其他影响因子之间的解释力差异并不显著。各影响因子之间和5种重金属元素之间均具有相互增强或非线性增强作用。【结论】土壤重金属的空间分布是由多种影响因子共同作用的结果。通过地理探测器模型发现,GDP、平均温度和相对湿度等影响因子对研究区域内的土壤重金属的空间分布具有较强的解释力,这些影响因子可作为研究区土壤重金属空间预测模型的辅助变量。地理探测器模型可以对多种影响因子进行更加全面的分析,为土壤重金属空间预测模型的建立提供有效的依据。