两种取样尺度下土壤重金属空间变异特征研究

通过在两种取样尺度下采集重庆地区土壤样品,测定土壤重金属As、Hg、Cd、Pb、Cr含量,研究不同取样尺度下地统计学方法对土壤重金属空间分析的实用性和空间插值质量。研究结果表明,除小尺度中As、Cd、Cr呈正态分布,小尺度中的Pb、Hg和大尺度中As、Hg、Cd、Pb、Cr均呈偏态分布。各重金属变异系数存在明显空间变异(CV介于23.2%~24.1%),小尺度下空间变异较小,大尺度下空间变异大。在两种取样尺度下,土壤重金属均存在典型的半方差结构,表明采用地统计学方法进行重金属空间变异分析是可行的。在小尺度下,各重金属块金系数介于0.112~0.736之间,表明具有强或中等空间自相关;在大尺度下,块金系数介于0.301~0.570之间,表明具有中等空间自相关。空间插值和交互检验结果表明,As、Cr、Hg、Cd在小尺度下的空间估测结果能准确地反映变量的空间变异,在大尺度下估值有偏差,Pb在两种尺度下的估测结果均有偏差。     

农田土壤铅、镉含量影响因素地理加权回归模型分析

为了定量分析土壤重金属含量的影响因素,以长沙城郊农田土壤Pb、Cd为例,采用传统回归模型(ordinary least squares,OLS)和地理加权回归模型(geographically weighted regression,GWR)分析比较了土壤Pb、Cd含量与影响因素间的相关关系。结果表明:长沙城郊农田土壤Pb、Cd含量存在空间自相关性,Pb、Cd的GWR模型拟合度较OLS模型高,残差不存在空间自相关,GWR模型能更好地解释土壤Pb、Cd与影响因素变量的空间异质性。土壤Pb与Cd含量呈极显著正相关;土壤pH值、有机质、氮磷含量是影响土壤Pb、Cd含量的重要因素;离河流、城镇、工矿建设用地的距离对于城郊农田土壤Pb、Cd含量也有一定影响,土壤Pb、Cd的"高-高"集聚区(土壤Pb或Cd含量高的区域被Pb或Cd含量高的其他区域所包围,区域土壤Pb或Cd含量水平较高,且空间差异程度较小)和离河流、城镇、工矿建设用地较近的农田是Pb、Cd污染风险防控的重点区域。该研究可为定量分析区域土壤重金属含量的空间结构与影响因素提供参考,为长沙城郊农田土壤重金属污染的防控提供参考。     

Analysis on influence factors of soil Pb and Cd in agricultural soil of Changsha suburb based on geographically weighted regression model

为了定量分析土壤重金属含量的影响因素,以长沙城郊农田土壤Pb、Cd为例,采用传统回归模型（ordinary least squares, OLS）和地理加权回归模型（geographically weighted regression, GWR）分析比较了土壤Pb、Cd含量与影响因素间的相关关系。结果表明：长沙城郊农田土壤Pb、Cd含量存在空间自相关性,Pb、Cd的GWR模型拟合度较OLS模型高,残差不存在空间自相关,GWR模型能更好地解释土壤Pb、Cd与影响因素变量的空间异质性。土壤Pb与Cd含量呈极显著正相关;土壤pH值、有机质、氮磷含量是影响土壤Pb、Cd含量的重要因素;离河流、城镇、工矿建设用地的距离对于城郊农田土壤Pb、Cd含量也有一定影响,土壤Pb、Cd的"高-高"集聚区（土壤Pb或Cd含量高的区域被Pb或Cd含量高的其他区域所包围,区域土壤Pb或Cd含量水平较高,且空间差异程度较小）和离河流、城镇、工矿建设用地较近的农田是Pb、Cd污染风险防控的重点区域。该研究可为定量分析区域土壤重金属含量的空间结构与影响因素提供参考,为长沙城郊农田土壤重金属污染的防控提供参考。     

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。     

徐州市北郊农业土壤重金属污染评价

研究评价徐州市北郊农业土壤重金属污染状况结果表明,该区农业土壤中Cu、Cd、Pb、Zn和Cr 5种重金属平均含量均高于土壤背景值,其农业土壤Cd、Cr为重污染,土壤Zn为污染警戒级(尚清洁水平),其他2种元素为安全级(清洁水平),其综合污染指数为Cr>Cd>Zn>Cu>Pb。     

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.     

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。     

南京城郊蔬菜基地土壤有效态铅、锌、铜和镉的空间分异及其驱动因子研究

利用地统计学和地理信息系统相结合的方法,从小尺度区域角度上研究了南京城郊土壤中铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)和镉(Cd)4 种重金属有效态含量的空间分布特征及其主要的影响因子。结果表明:(1) 研究区土壤中有效 Zn 变异程度相对较大,有效 Pb 的变异程度相对较小,而有效 Cu 和 Cd 为中等程度变异。(2) 研究区有效 Pb、Zn 含量空间分布具有中等程度的空间自相关性,而 Cu、Cd 空间分布具有强烈的空间自相关性;有效 Zn、Cd 的空间自相关尺度相对较大,而有效 Cu、Pb 相对较小。(3) 研究区土壤中有效 Pb 的空间分布主要受交通影响,交通量越大的道路附近土壤中有效 Pb 含量越高;有效 Zn 主要受城市生活废水的影响,城市生活污水灌溉和城市地表径流是土壤中有效 Zn 积累的主要原因;有效 Cu 主要与蔬菜种植过程中有机肥(主要是牛粪)施用关系密切,有机肥施用量越大,土壤中有效 Cu 含量越高;有效 Cd 受地形影响较大,地形低洼处土壤中有效 Cd 含量相对较高。     

龙游硫铁矿区农田土壤重金属污染的空间 变异及在水稻中的积累

为了解浙江龙游硫铁矿区农田重金属污染状况,采集矿区265件农田土壤样品,分析8种重金属Cu、As、Hg、Zn、Cd、Ni、Pb、Cr元素全量,利用地统计学软件GS+9.0对研究区土壤各元素指标进行半变异函数拟合,并利用普通克里格法进行插值并绘制空间分布图。采集30件水稻籽粒样品,分析重金属在研究区中水稻籽粒的累积特征,并进行了健康风险评价。结果表明:矿区土壤中8种重金属元素的变异系数从0.72到1.76,离散程度较高。8种重金属的土壤空间半变异函数Cu、As、Hg元素符合指数模型,Zn、Cd、Ni、Pb符合球状模型,Cr符合高斯模型。元素Cu、Pb、Zn、Cr、Ni的块金值与基台值的比值C0/C0+C都小于0.25,说明空间变化主要受地质背景等因素影响;元素Cd、Hg和As的块金值与基台值的比值C0/C0+C在0.25~0.75之间,说明除了地质背景因素,人为活动等随机因素也有影响。矿区水稻籽粒中重金属Ni和Cd的变异系数最高,分别为0.95和0.87,说明Ni和Cd元素可能存在异常积累。矿区水稻籽粒对重金属的富集能力由大到小依次为Cd、Zn、Cu、Ni、As、Hg、Cr、Pb。健康风险评价结果表明矿区农田水稻籽粒中元素As、Cd的风险商大于1,存在潜在健康风险;而其他6种重金属Cu、Hg、Zn、Ni、Pb和Cr基本属于安全范围。     

南京市溧水区土壤重金属污染不同插值方法的对比研究

为探讨不同插值方法对南京市溧水区土壤重金属污染模拟结果的影响,本研究分析了该区245个表层土壤样点的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn 8种重金属的空间相关性,分别比较了反距离权重法(IDW)、局部多项式法(LPI)、径向基函数法(RBF)和普通克里格法(OK)的插值精度、插值结果、空间分布,以及不同插值方法对污染评价的影响。研究得出:空间插值后数据的范围、均值和变异系数一般低于采样数据,且空间插值会增大安全区而减小污染区,平滑效应是主要原因。LPI的平滑效应中最严重,OK次之,IDW和RBF不明显。溧水区As、Cd和Zn的最优插值方法为OK,Cr、Cu和Hg的最优插值方法为RBF,Ni和Pb的最优插值方法为IDW。在实际操作中,应该根据插值精度、插值结果的数据统计和空间表达去具体选择合理的插值方法。     

工业型城乡交错区土壤重金属含量及其空间分异的特征-以无锡典型城乡交错区为例

Phosphorus （P） is necessary for growth and nitrogen fixation, and thus its deficiency is a major factor limiting legume production in most agricultural soils. The effect of phosphorus supply on nodule development and its role in soybeans （Glycine max L.） was studied in a nutrient solution. Plants were inoculated with Bradyrhizobium japonicum and grown for 35 days in a glasshouse at a day and night temperature of 25℃ and 15℃, respectively. Although increasing P supply increased the concentrations of P and N in the shoots and roots, the external P supply did not significantly affect the P concentration in the nodules, and the N fixed per unit nodule biomass decreased with increasing P supply. The nitrogen content in the shoots correlated well with the P content （r=0.92＊＊）. At an inoculation level of 10^2 cells mL^-1, the P supply did not affect the number of nodules; however, at inoculation levels of 10^3.5 and 10^5 cells mL^-1, increasing P supply increased both the number and size of nodules. Irrespective of the inoculation level, increasing P supply increased the nodule biomass relative to the biomass of the host plant. It is suggested that the P deficiency specifically inhibited the nodule development and thereby the total N2 fixation.     

中国太原市农业土壤的重金属污染状况

To evaluate the current state of the environmental quality of agricultural soils in Taiyuan City, a hotspot for China’s industrial development, the concentrations of 8 heavy metals in soils were investigated by means of extensive sampling in farmlands, forestlands, and grasslands in the city. Statistical analyses and spatial distribution maps were used to identify the most significant heavy metal pollutants. The mean concentrations of As, Cd, Cu, Hg, Pb, Zn, Ni, and Cr were slightly higher than their background values in Taiyuan’s topsoil, but were lower than the maximum permissible concentrations in the Chinese Environmental Quality Standard for agricultural soils. Farmland soils in Taiyuan had the highest average Cd, Cu, Hg, Pb, Zn, and Cr concentrations, but the As and Ni concentrations did not differ significantly among the farmland, forestland, and grasslands. Soil contamination by Cd, Cu, Hg, Pb, Zn, and Cr was mainly derived from farming practices, especially the use of sewage water for irrigation. In contrast, As and Ni might derive mainly from the soil parent material. The identification of heavy metal sources in agricultural soils may provide a basis for taking appropriate action to protect soil quality.     

Phytoextraction of Pb and Cd from a contaminated agricultural soil using different EDTA application regimes: Laboratory versus field scale measures of efficiency

Enhanced phytoextraction of heavy metals using chelating agents and agricultural crops is widely discussed as a remediation technique for agricultural soils contaminated with low mobile heavy metals. In this study, phytoextraction efficiency of Zea mays after single and split applications of EDTA was tested on the laboratory and the field scale. EDTA effectively increased the mobility of target heavy metals (Pb and Cd) in the soil solution. Split applications provided generally lower water-soluble levels of Pb and Cd both in the pot and the field experiment. Therefore, the risk of groundwater contamination may be reduced after split applications. Higher Pb and Cd mobilisation after single applications increased plant stress, phytotoxicity and reduced plant dry above-ground biomass production compared to corresponding split doses. Single doses enhanced plant uptake of Pb and Cd and the phytoremediation efficiency compared to corresponding split doses. Results of plant dry above-ground biomass and heavy metal uptake obtained from the pot experiment could be to some extent verified in the field experiment. Plant uptake of Pb and Cd was lower and biomass production dropped after EDTA additions in the field experiment. Remediation factors in the field experiment were in general significantly lower than in the pot experiment mainly due to the much higher mass of soil per plant under field conditions. This highlights the limitations when going from the lab to the field scale. The low phytoremediation efficiency in the field and the mobilisation of high amounts of Pb and Cd down the soil profile may make the use of EDTA and Z. mays not suitable for the remediation of severely heavy metal contaminated soils in a reasonable time frame and may result in substantial groundwater pollution under used crop management.     

双城市土壤重金属空间分异及影响因子分析

采用地理信息系统（GIS）和地统计学相结合的方法,研究了黑龙江省双城市的土壤全量铜、锌、铅、镍、镉5种重金属元素的空间分异规律及其影响因子。结果表明：研究区土壤锌、镍、镉具有强烈的空间相关性,表明这3种元素受土壤内在属性影响较大;而铜、铅具有中等强度的空间相关性,表明这2种元素由土壤内在属性和人为因素共同起作用。镉、铅、铜较锌、镍的变程小,说明前3种重金属元素含量可能主要受到较小尺度因子的影响。研究区土壤各重金属元素空间分异规律如下：铜和镍呈东高西低的趋势,铅呈南高北低的趋势,而锌和镉分别表现为块状分布和岛状分布的特点。影响重金属元素空间分布的影响因子主要有自然因素（土壤类型、高程、土壤理化性质等）和人为因素（乡镇、道路、各种工厂等）。     

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。     

某再生铅工业园周边土壤重金属的空间分布及来源分析

基于表层土壤重金属的实测含量,运用多元统计和地统计相结合的方法,对某再生铅工业园周边土壤重金属的分布情况和来源进行分析。结果表明,再生铅工业园周边土壤中Pb、Cd、As、Cr、Cu、Ni、Zn的几何平均含量分别为124.05、0.394、21.18、82.72、24.23、35.47、62.04 mg/kg。其中Pb、Cd、As分别是背景值的4.96、2.90、1.84倍,其余重金属元素含量与土壤背景值相当。重金属Pb、Cd在临近工业园区域含量较大,以工业园为中心呈岛状空间分布,且在工业园东部呈扩散趋势;As在周边农田中具有一定的累积量。来源分析表明,土壤中Pb、Cd主要受工业园生产活动的影响,而As则可能受到农业生产活动的影响。     

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。     

Heavy metal pollution of the world largest antimony mine-affected agricultural soils in Hunan province (China)

Purpose  

The present work concerns the distribution of ten heavy metals (Sb, As, Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, and Zn) in the surrounding agricultural soils of the world largest antimony (Sb) mine in China. The objective is to explore the degree and spatial distribution of heavy metal pollution of the Sb mine-affected agricultural soils. The presented data were compared with metal concentrations in soils from mining and smelting sites in China and other countries.