土壤重金属分析常用空间插值法研究进展

空间插值法作为空间预测和绘图的重要方法,在土壤重金属污染和环境科学等领域广泛使用,其插值性能和插值精度受到广泛关注。空间插值方法在对研究区进行空间分析或绘图时插值性能受到很多因素的影响,这些因素随着插值变量或研究区的不同而产生不同的影响。该研究通过分析近20年土壤重金属空间分析比较研究的相关文献,将目前土壤重金属空间分析常用的插值方法分为3类:地统计学插值法、非地统计学插值法和组合插值法,讨论并总结常用空间插值法的插值特征及插值性能的主要影响因素。最后结合空间插值方法的特征和影响因素得到关于土壤重金属空间插值方法的选择原则。通过比较土壤重金属空间分析常用插值方法的特点,为特定研究区或数据选择合适插值方法提供参考。     

基于原位PXRF数据的土壤锰、锌污染分布协同克里金插值与高分地图绘制

高分辨率土壤重金属污染绘图(HRMMs)有助于准确识别需要进行风险管控或修复的区域.传统HRMMs基于网格模式土壤采样,开展化学分析并采用地质统计插值方法绘制污染分布地图,成本高、速度慢,且不适合高度异质性污染场地.该研究提出了一种通过多元非线性回归改善便携式X射线荧光分析(PXRF)数据,采用改进的PXRF数据进行协同克里金插值,以及HRMMs地图绘制和重金属污染分布预测的新方法.为了支持模型的建立和验证,选择我国西北某锰、锌污染场地开展研究.结果表明：(1)引入PXRF数据作为协同克里金插值的辅助变量能有效提高插值精度,而校正的PXRF数据可进一步提高空间刻画精度.重金属Mn和Zn的校正PXRF协同克里金插值较原始PXRF协同克里金插值的平均误差分别降低了4.5%和78.2%.(2)主变量点位密度的变化会改变校正后PXRF协同克里金插值的精度.以Zn为例,当主变量点位密度大于4个/(104 m²)时,校正后的PXRF协同克里金插值的精度显著降低.(3)增加辅助变量点位密度可显著提高协同克里金插值精度.当辅助变量点位密度增至7个/(104 m²     

广东省土壤Cd含量空间分布预测

土壤重金属的空间格局对土壤重金属污染防治具有重要的指导意义.本文以广东省土壤Cd含量为研究对象,基于"规则"模型——Cubist以及样条插值法、反距离加权法、自然邻域法、普通克里金插值法、局部多项式插值法和径向基函数插值法等6种GIS空间插值方法,选取2 000、1 500、1 000、800、500、300、200、150及90 m这9个不同的格网尺度,构建Cd含量空间格局模型.选择不同方法的最佳预测尺度和最优模型参数,预测广东省土壤Cd含量分布.结果表明:(1)在相同尺度时Cubist方法预测结果都比传统的空间插值结果精度高,格网大小为300 m×300 m时预测精度最高.其次是样条插值法,其在1 500 m插值尺度上精度最高;(2)Cubist模型同时可以识别土壤Cd含量空间分布的驱动因子.结果表明在37个影响Cd含量的自然和人为因子中,地质类型是驱动广东省土壤Cd含量分布差异的主要因子;(3)Cd含量高值主要分布在珠三角地区及粤北少部分地区.广东省土壤Cd含量超过GB 15618~(-1)995中3级和2级标准,即大于1.0 mg·kg~(-1)和0.3 mg·kg~(-1)的面积分别约为160 km~2和2 140 km~2,约占广东省总面积的0.09%和1.18%.     

典型区土壤重金属空间插值方法与污染评价

选择最优的空间插值方法对土壤重金属空间分布特征的反映和污染评价具有重要的意义.以湖北省恩施市典型区表层土壤重金属As和Cd为例,选取常用的反距离权重法(IDW)、径向基函数法(RBF)、局部多项式法(LPI)和普通克里格法(OK)进行空间插值,对比分析了不同插值方法的插值精度及结果差异.同时采用地累积指数和指示克里格法(IK)评价了土壤重金属污染状况.结果表明,不同插值方法对于同一种元素的预测误差相差较小,但对土壤重金属含量的空间分布特征存在明显差异,其中LPI法表现出明显的平滑效应,OK法次之,而IDW法和RBF法极大地保留了元素含量的极值信息,插值结果较详尽.为准确了解局部高背景区土壤重金属的空间分布状况,应优选IDW法或RBF法进行插值.以湖北省深层土壤重金属含量算术均值作为背景值,地累积指数污染评价结果显示:As和Cd的超标样点分别占5.5%和99.0%,研究区Cd污染程度较高.IK法污染评价显示:Cd中度-强污染以上的高概率污染区域主要位于研究区的中部,应重视土壤Cd污染分布,并对其有效治理与修复.     

基于GIS的乌鲁木齐土壤氡变化规律浅析

考虑到数据信息的局限性,以地统计学理论为基础,借助G IS空间分析中的克里格(Kriging)插值方法弥补数据量的缺乏,使用地统计分析模块研究乌鲁木齐土壤氡的空间分布情况,并采用网格布点法进行布点,把环境信息的空间位置与属性特征一体化,做出土壤氡污染分布图,实现了污染物分布空间信息的显示,最后,分析了乌鲁木齐土壤氡的分布规律特征,为进一步的土壤氡分布研究提供了依据。     

影响精确界定我国酸雨区空间分布的因素探讨

利用酸雨监测网的实测数据对影响精确界定我国酸雨区空间分布的因素进行了深入分析,结果表明:首要影响因素是酸雨监测网的站点数量及其空间分布,可导致在同一插值与地统计方法下所获得的酸雨区的分布存在较大差异;其次是选择正确、合适的空间插值方法及其相应参数的设置,反距离加权(IDW)插值法的重酸雨区分布比克里格(Kriging)插值法多而广;最后是精确的面积比测算方法,网格法计算的酸雨区面积比小于等值面法.建议我国酸雨监测网建设应优先在西藏、内蒙古北部及西部等地区布点,进行酸雨区空间分析时应采用多种插值方法进行比较与分析评估,确保在现有酸雨监测网的基础上获得精确、可靠的酸雨区空间分布.     

我国东北黑土丘陵区小流域土壤有机质空间分布模拟

为探索小流域w(SOM)(SOM为土壤有机质)空间分布模拟的最佳方法,以我国东北黑土丘陵区海沟河小流域为例,借助地统计学和3S技术提取与w(SOM)显著相关的地形及环境因子,对海沟河小流域表层(0~20 cm)w(SOM)分别进行协同克里格插值、回归克里格插值和地理加权回归克里格空间插值模拟,并进行精度验证. 结果表明:我国东北黑土丘陵区海沟河小流域表层w(SOM)平均值为12.96 g/kg,空间变异程度为中等. 海拔、距水系距离均与w(SOM)显著相关,能够用来辅助w(SOM)的空间分布插值;与协同克里格插值结果相比,回归克里格对w(SOM)的插值精度提高了56.09%;地理加权回归克里格插值精度提高了90.87%;对地理加权回归克里格插值所产生的残差进行二次统计分析及合理插值,能够进一步提高插值模拟精度;将人类干扰因素纳入插值模型,是未来提高w(SOM)空间分布模拟精度的关键. 研究显示,地理加权回归克里格插值有效提高了w(SOM)空间插值模拟的精度,并且存在改进和提高的空间.      

哀牢山山区降水时空分布的影响因素及插值方法比较

为了研究哀牢山山区降水的影响主要因素并探索适于山区降水的空间插值方法,本文利用研究区内30个地面测站10年(2005~2014)的降雨实测数据,根据降雨的时间分布特征,将研究时段划分为年季、干季和湿季,并对影响降水的因素进行空间自相关分析,确定并组合得到影响降水的主要因子,使用留一法交叉检验插值精度,通过分析验证,寻求最优的降雨插值方法。研究结果表明,1)影响降水的主要因子为高程、纬度、坡度、坡向和主风向效应指数(PWEI);2)影响年季降水变化的主要因子为高程、纬度、坡度和坡向;影响湿季降水的主要因子为高程、纬度、坡度和PWEI;影响干季降水的主要因子为高程、坡度、纬度和坡向;3)插值过程中结合环境特征引入影响降水的因子,很大程度上提高了插值结果的精确性。由此可见,降雨插值精度不仅和插值方法本身的结构有关,更重要的是在降水特征的基础上合理筛选及引入主要环境影响因子。     

空间插值模型对土壤Cd污染评价结果的影响

分析和比较了不同插值模型(反距离加权、局部多项式、普通克里格和径向基函数)对土壤Cd空间插值、污染面积估算和污染区空间分布的影响,结果表明,插值方法对极大值都存在不同程度的平滑,交叉验证的Cd极大值插值的相对误差高于45.1%.不同插值模型估算的污染区域面积在0～2.12%之间.根据样点超标率估算的污染面积比插值模型估算的面积高1.53%～3.65%.污染评价结果不确定性较大的区域主要是在局部极大值区域和高值向低值的过渡区域.因此,土壤重金属的空间插值精度对污染评价结果有很大影响,开展土壤重金属污染调查时应注意在浓度过渡区域加大采样密度.     

基于稀疏样点的土壤重金属含量模拟方法

土壤重金属受人为和自然因素综合作用,其空间异质性强,存在区域均值和方差的非平稳性,稀疏样本下未知点估计精确度低,土壤环境质量现状精准估计和风险评估困难.基于此,提出了随机森林-序贯高斯模拟混合模型（RF-SGS）,选取多种自然因素和人为因素作为辅助变量,充分考虑土壤属性指标的空间自相关性以及环境变量属性相似性,解决传统插值中极端值和空间连续性模式敏感存在的局限性,为非平稳区域精准估计总体提出可行性方法 .以北京市顺义区采样数据为例,采用MMSD抽样方法对样点抽稀,对原始采样数据进行不同采样密度的对比实验,用随机森林-序贯高斯模拟混合模型（RFSGS）、序贯高斯模拟模型（SGS）、趋势面-序贯高斯模拟混合模型（TR-SGS）和随机森林模型（RF）对土壤重金属Cd的空间分布进行模拟,从统计特征和空间结构等方面比较模拟结果,分析误差产生的原因,进一步验证方法有效性.结果表明,在7种采样密度下,预测精度由低到高排序为：SGS 相似文献   

基于环境因子和邻近信息的土壤属性空间分布预测

为探索乡镇尺度上土壤属性空间分布预测的最佳方法,以江西省万年县齐埠镇为例,借助四方位搜索法、地统计学和遥感影像分析技术提取环境因子（地形因子和植被覆盖指数）和邻近信息[w（有机质）与w（速效钾）],构建OK法（普通克里金法）、RK1法（仅基于环境因子的回归克里金法）以及RK2法（基于环境因子和邻近信息的回归克里金法）对齐埠镇耕地表层（0~20 cm）土壤w（有机质）、w（速效钾）空间分布进行预测.结果表明:齐埠镇土壤w（有机质）平均值为35.03 g/kg,w（速效钾）平均值为96.73 mg/kg,均为中等空间变异性.对62个样点进行建模,16个测试样点进行独立验证的误差分析表明,RK2法对土壤w（有机质）、w（速效钾）预测结果的均方根误差、平均绝对误差和平均相对误差较OK法分别降低了18.05%、18.01%、21.77%和7.25%、9.49%、9.84%;较RK1法分别降低了22.48%、20.91%、22.02%和9.27%、12.61%、13.52%.研究显示,RK2法明显提高了土壤w（有机质）、w（速效钾）空间分布模拟精度,并且存在改进和提高的空间.      

基于改进麻雀搜索算法优化BP神经网络的土壤有机质空间分布预测

土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标,提高区域有机质空间分布预测精度十分必要.利用黄河流域卫宁平原采集的1 690个土壤表层（0~20 cm）有机质及自然环境、人类活动数据,通过1 348个点采用经典统计学、确定性插值、地统计插值和机器学习的方法分别建立了土壤有机质空间分布预测模型,以342个样点数据为测试集检验分析不同模型预测精度.结果表明,卫宁平原土壤表层ω（SOM）的平均值为14.34 g·kg^-1,1 690个采样点土壤有机质变异系数为34.81%,为中等程度变异,呈现出东北部、西南地区含量低,中间黄河左右岸和地势平缓的黄河阶地相对含量高的空间分布趋势.4类方法的预测精度大小为：机器学习法>地统计插值方法>确定性插值方法>经典统计学方法.通过对比,基于改进麻雀搜索算法优化的BP神经网络预测精度最好,改进后的麻雀搜索算法具有更优的收敛精度,避免了陷入局部最优,防止了数据过拟合,具有较好的预测能力,该优化算法可以提高土壤有机质含量预测精度,在土壤属性预测上有良好的应用前景.     

基于线虫生物多样性的稻田镉污染土壤修复成效研究

土壤线虫群落特征是土壤质量评价的重要指标,特别是用于重金属污染土壤的修复成效评估. 为评价重金属镉(Cd)污染稻田土壤修复的生态效应,以湖南省长沙市长沙县Cd污染水稻农田为研究样地,分析了施用钝化剂、钝化剂+净水和叶面肥三种修复措施对土壤线虫的生物多样性和群落功能多样性的影响. 结果表明:①共鉴定线虫13 599条,隶属于32属,其中杂食/捕食线虫(8属)的数量最多,占比为61.55%;食细菌线虫(13属)、食真菌线虫(3属)和植食性线虫(8属)分别占所有线虫数量的14.62%、1.72%和22.11%. ②施用钝化剂、钝化剂+净水和叶面肥三种修复措施的水稻农田土壤中线虫物种数、Shannon-Wiener多样性指数、Simposon优势度指数和Pielou均匀度指数均与对照组(蒸馏水喷施)没有显著差异,表明这3种土壤修复措施对土壤线虫的生物多样性没有显著影响. ③水稻土壤线虫生活史策略指数如成熟指数(MI、MI25)、植物寄生线虫成熟指数(PPI)等在3种修复措施之间差异显著,说明不同修复措施间的土壤线虫群落结构存在显著差异,但这种差异与取样时间有关. ④3种修复措施之间的生态功能指数,如富集指数(EI)、结构指数(SI)、通路指数(NCR)和瓦斯乐斯卡指数(WI)均没有显著差异. 研究显示,土壤线虫生活史策略指数可作为重金属污染土壤修复的成效评价指标,指示土壤生态系统质量.      

基于现场快速检测技术的土壤采样优化策略

合理的土壤采样策略是精确刻画场地污染情况的关键。以湖南某铬污染场地为研究对象,基于现场快速检测数据对反距离加权法（IDW）、普通克里金法（OK）、局部多项式法（LPI）和径向基函数法（RBF）4种空间插值方法的精确度和适用性进行了比较;通过冗余分析确定了实验室分析样品的布点数量;分析对比了实验室检测与快速检测空间插值结果。结果表明:1）不同空间插值方法对场地污染分布识别存在明显差异,适用性排序为IDW法 > RBF法 > OK法 > LPI法;2）经基于快速检测阶段235个点位数据进行的采样策略优化,需送往实验室分析的采样点位减少至113个;3）快速检测技术可有效反映场地铬污染区域分布趋势。     

某工业场地砷污染的加密布点优化与精度对比分析

场地污染调查是开展场地风险评估和修复的基础,随着我国颁布建设用地土壤风险管控标准等文件,提出风险筛选值和管制值的分级管控体系,我国土壤污染调查工作对于精确掌握污染物浓度梯度及空间分布有了更高的要求,因而如何构建高效采样布点方法变得尤为重要.本研究以南京市某砷工业污染场地为例,开展了优化布点方法与调查精度的研究.首先,在初查数据的基础上,运用指示克里格的方法预测土壤污染概率,参考城市土壤背景值开展阈值设定,提取加密布点区域,之后结合场地历史生产资料与自然信息布设加密点位,最终将插值预测污染结果与非加密、均匀加密、真实情况结果进行对比,验证方法精度.结果表明：本方法符合国际中基于设计抽样以达到场地调查简单、经济、客观的理念,适用于数据存在明显空间相关性的场地;该方法获得的污染区域面积占比为8.32%,与8.57%的现实情况较为接近,但普通法得到的污染面积比相对未加密情况不升反降,可能的原因是在非污染区域增设点位会造成阈值边缘区域在模拟时往清洁区域偏移,污染区域被误判为清洁,反而造成结果偏差;在目前我国环境管理对超阈范围重点关注的背景下,该方法既能够节约布点成本,又精确化预测场地污染超标范围,为后续的场地修复和治理工作提供帮助.     

土壤中微塑料对陆生植物的毒性及其降解机制研究进展

微塑料(MPs)作为一种新型环境污染物,自2004年被英国科学家提出以来受到广泛关注.土壤作为微塑料的重要聚集地,随农田灌水和翻耕等农业操作的进行,微塑料污染范围和积累量不断扩大并对陆生植物产生多种毒性,且由于其粒径小、难降解和吸附能力强的特点给土壤微塑料污染治理带来了较大挑战.从微塑料的直接和间接毒性及其与其他污染物结合时产生的联合毒性这3个方面综述了微塑料对陆生植物的毒性,主要表现为微塑料存在对植物造成机械损伤、诱导植物产生氧化应激、细胞毒性和基因毒性,导致植物生长和植物组织代谢受阻等一系列问题.进一步,基于当前研究阐述了微塑料的物理、化学和微生物降解机制：微塑料的物理和化学降解主要通过改变微塑料的粒径大小和表面性质并产生中间产物;而更小粒径微塑料及其中间产物可以在物理、化学和微生物这3种因素同步影响下最终转化为水和二氧化碳,但该过程极其复杂和缓慢.最后,对微塑料的进一步研究方向进行展望,可为未来微塑料的陆地生态系统领域研究重点和污染控制提供资料借鉴.     

地块尺度城市土地质量地球化学调查方法:以雄安新区起步区为例

以土地质量地球化学调查评价成果服务于城市土地资源精准管护为目标,选择中国城镇化探路者的雄安新区起步区为研究对象,采用差异化分类布设样点,开展不同采样密度条件下地块尺度土壤元素空间插值精度、地块（图斑）插值精度和地球化学预测评价等级准确度的定量评估研究.结果表明：①采用差异化分类布设样点方法使平面上随机分布的区域地球化学量变值在每一个地块（图斑）都有明确的量值反映,能满足城市土地资源精准管护对单一地块（图斑）具有质量属性的基本需求;②研究区土壤元素指标空间变异性以轻中度为主;其中Hg、Pb、Cd、Cu、Zn、N、P和Se受人类生产活动影响,具有较高的空间变异性;③相同采样密度条件下,元素含量空间变异性越大,其空间插值精度和图斑插值精度越低;同一种元素插值精度受采样密度的影响,但采样密度的增大并不一定能够识别土壤元素含量的结构性连续组分;区内土壤环境本底清洁,重金属含量低于GB15618-2018标准,其插值评价等级和实测评价等级结果基本一致;养分指标N、P和K含量区间变化大,受人为扰动和空间变异性等因素影响,其预测等级和实测等级差异较大;④采用16点·km^-2的采样密度开展地块尺度城市土地质量地球化学调查评价可以满足研究区及类似地区城市土地资源精准管控的需求.     

我国生态系统服务价值研究进展及问题探析

通过对生态系统服务价值研究方法及湿地、草地、森林、流域和农田生态系统服务价值相关研究的整理,发现我国生态系统服务价值研究存在的问题,主要表现在评估方法的科学性、数据选取、研究结果准确性和应用性等方面。而随着生态文明及可持续发展战略的不断深入及推进,科学有效的生态系统服务价值的研究意义非同寻常,在综合分析后提出在今后的研究中需要从方法及内容上进行深入的讨论及革新,使得生态系统服务价值研究能够更好的发挥社会作用。