THREE‐DIMENSIONAL KRIGING ANALYSIS OF SEDIMENT MERCURY DISTRIBUTION: A CASE STUDY1

ABSTRACT: This study presents an application of a three‐dimensional kriging technique to estimate spatial distribution of total mercury (Hg) in the Cedar‐Ortega Rivers watershed located in the lower St. Johns River basin, Florida. The kriging procedures, including preliminary data analysis, structural data analysis and the log kriging estimation, are presented. Results show watershed wide Hg contamination of river sediment to a depth of 1.0 m. A three‐dimensional plot of Hg against the Florida Sediment Assessment Guidelines (i.e., the probable effect level or PEL) demonstrates that the Cedar River is more contaminated with Hg than the rest of the watershed. The maximum sediment depth with Hg concentrations above PEL value (0.696 mg/kg) is 1.5 m. Hg concentrations at or above this level could pose a significant hazard to aquatic organisms. Analysis of the spatial distribution of Hg in the watershed finds multiple input sources. This study suggests that there is a need to identify the major sources of Hg in the watershed, and to determine the pathways that allow Hg to enter the river.     

上海城郊土壤重金属含量的空间变异与分布特征

为揭示城市化、工业化等人为活动对土壤环境质量的影响，选择上海城郊结合部为研究区域，采用地统计学方法对表层土壤样品Cu、Zn、Pb、Cr、Mn 5种重金属的空间变异结构和分布特征进行了分析。结果表明：土壤Cu、Cr、Mn、Pb、Zn均属中等变异，土壤Mn含量服从正态分布，土壤Cr、Cu、Pb、Zn含量服从对数正态分布；半方差函数模型拟合结果显示土壤Mn符合指数模型，土壤Cr、Cu、Pb、Zn符合线性模型、其中土壤Cu、Pb、Zn为纯块金效应模型，反映了城郊结合部土壤污染空间变异的复杂性。通过泛克里格插值可直观反应表层土壤重金属含量空间分布特征，发现土壤Cr、Mn呈岛状，土壤Cu、Pb、Zn呈多岛状分布的特点，工业和交通污染源是影响土壤重金属空间分布的重要因素     

浙江省香榧主产区土壤重金属空间异质性及其生态风险

香榧(Torreya grandis cv.Merrillii)是我国特有的一类经济树种.目前关于香榧的研究大都关注于果实的品质以及高产措施等,对香榧林地土壤重金属污染的研究鲜见报道.为探明其污染状况,选择位于浙江省会稽山脉附近的香榧集中种植区[诸暨、嵊州、柯桥和东阳四市(区)]作为研究对象,系统地采取了121个土壤样品(0～20 cm),对其中的13种重金属(As、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、V和Zn)进行分析.同时结合主成分分析方法构建最小数据集,筛选出能最大程度代表土壤重金属元素信息的6种元素(As、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn),利用地统计学等空间分析方法研究筛选所得的6种重金属空间异质性并评价其潜在生态风险.结果表明,研究区重金属平均o(As)、ω(Cd)、ω(Cr)、ω(Ni)、ω(Cu)和ω(Zn)分别为14.23、0.14、49.08、27.05、28.20和109.93 mg·kg-1通过半方差理论模型拟合得出研究区土壤Cr、Ni和Zn具有强烈的空间自相关性,而Cd、Cu和As空间自相关性处在中等水平.克里格插值揭示了研究区土壤重金属的空间分布格局,东阳市ω(Cd)、ω(Cr)和ω(Ni)呈低值分布,而诸暨市局部地区存在ω(Cd)、ω(Cr)和ω(Ni)的高值分布,其中诸暨市、柯桥区和嵊州市Cd积累较多,As在研究区土壤中的局部积累最严重,高值主要分布在诸暨市的西部和嵊州市东部地区.单因子污染指数和内梅罗污染指数结果显示,研究区6种重金属均存在超标现象,呈现出不同程度的累积特征.诸暨市重金属的分布受早期铜矿开采以及长期过度施肥影响,其他地区重金属的积累情况主要是由香榧种植户不合理的施肥方式尤其是磷肥和有机肥的过度使用等集约经营措施造成.潜在生态风险评价结果表明,研究区整体处于轻度危害程度,其中以Cd的潜在风险最大.     

塔里木盆地东南缘绿洲区土壤砷空间分布及农作物砷富集特征

以新疆塔里木盆地东南缘的巴音郭楞蒙古自治州的若羌县、且末县和和田地区的民丰县、于田县的绿洲区为研究区,采集表层土壤3487组、土壤剖面采样点35组,农产品及根系土壤采样点93组,综合采用数理统计方法、地统计学和GIS技术,研究土壤As的空间分布特征,探讨各类农产品对As富集的影响,比较空间自相关性显著区域和空间自相关性无显著区域内农产品和根系土壤中As的含量特征.结果表明土壤As含量较低,农用地和非农用地土壤As含量均值分别为9. 81mg·kg~(-1)和7. 94 mg·kg~(-1).表层土壤As含量超过新疆土壤背景值的采样点个数为568个,占总取样点数的16. 3%;超过风险筛选值的采样点个数为5个.土壤As空间自相关的莫兰指数均大于0,空间聚集类型主要以高-高型和低-低型为主,其中高-高型聚集区主要位于各县农用地范围内.GIS空间分布显示,土壤As含量高值区呈片状集中或岛状零散分布.标准差椭圆显示,若羌县土壤As含量变化趋势方向为南北方向,且末县和民丰县土壤As含量变化趋势方向为西南-东北方向,于田县土壤As含量变化趋势方向为西北-东南方向.若羌县农用地土壤垂向剖面上As含量从地表到深层存在波动,其余各县都相对稳定.研究区农作物对As的富集能力表现为:根茎类蔬菜核桃小麦玉米红枣,玉米和红枣的As含量与根系土的As含量在0. 05水平下呈现显著正相关.空间自相关性显著区和空间自相关无显著区的农产品中的As含量无显著性差异,而两个区域根系土壤的As含量存在显著性差异.     

紫色土小流域不同土地利用类型的土壤氮素时空分异特征

以紫色土区12.10 km²的万安小流域为研究区域,于2011年4月(旱季)和8月(雨季)小麦和玉米收获期共采集552个表层土壤(0~15 cm)样品,利用传统统计学和地统计学相结合的方法对流域土壤全氮和硝态氮的时空变异特征进行研究.结果表明,不同土地利用类型土壤全氮含量差异显著,并呈以下顺序:水旱轮作田>林地>旱地;同一土地利用类型旱季、雨季土壤全氮含量不存在显著差异.其中,4月和8月林地、旱地、水旱轮作田土壤全氮含量分别为1.16、0.90、1.21 g·kg^-1和1.13、0.94、1.29 g·kg^-1.但旱季和雨季土壤硝态氮含量差异显著,其中,4月和8月林地、旱地、水旱轮作田硝态氮含量分别为12.08、24.22、31.22 mg·kg^-1和3.98、11.18、2.27 mg·kg^-1,表现出土壤硝态氮旱季累积、雨季流失的特点;受到内部因素和外部因素共同作用,旱地、水旱轮作田土壤全氮空间分布具有中等空间相关性,而林地土壤全氮的强烈空间相关性主要受到内部因素的影响.本研究分析了紫色土区不同土地利用类型条件下的流域土壤氮素的时空变异特征,将会为流域土地资源管理和环境修复提供较好的科学依据.     

青海三江源地区退化草地土壤全氮的时空分异特征

在第二次土壤普查和2009、2010年实地采样的基础上,运用地统计学和GIS技术研究了青海三江源地区1980～2010年退化草地0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm全氮的时空分异特征.结果表明,进行特异值处理后,两期的土壤全氮的均值都表现出从表层到底层下降的趋势.从同一土层对比来看:2010年的土壤全氮的含量平均值及变异系数比1980年低.经对数转换后两期数据符合正态分布,经过半方差函数模型的拟合得出,两期同一层次上的块金效应2010年都比1980年小,表示三江源地区各分层上全氮的空间分布的自相关性在加强,结构性因素对土壤全氮的空间分布起着越来越重要的作用.普通克里格插值结果表明,30年来三江源地区土壤全氮的含量变化存在地区差异,南部、中部、东部以递减为主,西部的部分地区以增加为主.     

耕地质量监测中合理样本量配置及不确定性分析——以陕西省宝鸡市为例

耕地质量监测样本量的优化配置对降低成本,实现可持续土地资源监测与利用有重要指导价值。以陕西省宝鸡市为例,采用2018年耕地质量监测数据,运用传统统计学和地统计学方法,探讨耕地质量监测中土壤监测指标的合理样本量及不确定性。研究表明：样本变异性大小与样本量的关系并不是绝对的。样本代表性评价方法和地统计学方法较Cochran方法能有效降低样本的不确定性;样本代表性评价法适用性更广,但研究结果缺乏稳定性;地统计学方法的适用性存在局限性,可降低中等变异性指标的不确定性,但对低、高变异性指标适用性较低。中等变异性指标宜采用地统计学方法确定合理样本量;低、高变异性指标宜采用代表性评价方法确定合理样本量。     

福建西部山地水土流失区土壤呼吸的空间异质性

土壤呼吸(Rs)作用的空间异质性对于准确估算水土流失区碳收支具有重要意义.通过对长汀县河田镇59个样地的土壤呼吸及土壤全氮(TN)、碳氮比(C/N)、有机碳含量(SOC)、叶面积指数(LAI)、土壤温度(T_(10))、土壤湿度(W)等影响因子测定的基础上,运用传统和地统计学的方法分析了土壤呼吸及其影响因子的空间异质性.结果表明,Rs及其影响因子的变异程度大小依次为:LAISOCTNRsC/NT_(10)W;Rs与T_(10)呈极显著正相关(P0.01),与TN呈显著正相关(P0.05),与其他因子的相关性不显著(P0.05);TN、SOC和T_(10)这3个因子可以解释土壤呼吸27%的空间变化.地统计学分析结果表明:Rs具有中等程度的空间自相关性,结构性因子引起的空间异质性占52.89%,与随机因素的占比(47.11%)相当;Rs及其影响因子的分维数大小依次为:RsLAIC/NT_(10)SOCWTN;Rs的空间分布格局与TN和T_(10)的空间分布格局较为一致,而与C/N、SOC、LAI的空间分布格局不同.在95%置信水平和90%估计精度下,Rs的合理采样数量为62个.     

小流域土壤有机质和全磷空间变异分析——以安徽省舒城县龙潭小流域为例

为了解土壤的地域差异性,基于地统计学半方差函数理论和GIS空间克立格插值定量分析了安徽省舒城县龙潭小流域有机质、全磷的各向同性、各向异性变异特征及分布格局.结果表明,有机质、全磷的半方差拟合模型均为指数模型,两者的分布都显示了强烈的空间自相关,自相关距离分别为642 m、435 m.有机质、全磷变异的各向异性都比较显著,有机质在0°、50°方向上变异程度明显大于90°、145°方向;全磷则在0°、145°方向的变异程度更加突出.有机质、全磷的分布呈明显的块状和带状,其中有机质中部含量高,南部、西部含量低;全磷则是南部、西北含量高,西部、东北含量低.     

工业发达城市土壤重金属时空变异与源解析

采集了宁波市区2003和2013年两期共1 130个土壤样品,测定了8种典型重金属元素的含量,运用污染指数评价法对土壤重金属污染程度进行了评价,运用地统计学方法剖析了污染的时空变异特征,并分别运用主成分分析和UNMIX受体模型解析了重金属的污染来源.结果表明:(1)除了As,两期重金属元素的含量均值都超过了浙江省土壤背景值和国家土壤背景值,说明土壤普遍存在重金属污染;从2003～2013年,所有元素的含量均值都不同程度地增大,说明10年间重金属污染普遍加剧;(2)单因子污染指数的评价结果表明,Hg为重度污染,Cd、Cu、Pb为中度污染,Zn、Cr、Ni为轻度污染,As为非污染状态;所有采样点的内梅罗综合污染指数都超过了警戒值,10年间综合污染指数 3、呈重度污染的样本显著增加.(3)同种元素不同时期的污染空间格局相近,不同元素则呈现一定差异,Pb和Hg,Cr、As、Cu、Zn和Ni的空间分布特征具有相似性,高值区主要集中在污染企业分布密集和人类活动频繁的海曙、江北、江东、镇海四区;(4)研究区重金属污染源主要包括两类,即以Ni、As、Cr、Zn、Cd为主要成分的工业污染源,以Pb和Hg为主要成分的生活污染源,前者源自工业废水、废气和废渣的排放;后者源自于生活垃圾、汽车尾气及道路磨损造成的颗粒物和粉尘污染.