山东淄博玉米产区土壤砷含量空间变异研究

采用地统计及地理信息(GIS)技术研究了山东省淄博玉米产区土壤砷含量空间变异性及其分布特点.淄博玉米产区土壤砷监测数据呈正偏态分布,为实现数据集正态化及降低偏大值对预测结果的影响,对原始数据集进行了自然对数变换.结果表明,变换后数据集的经验半变异函数存在明显各向异性,在北偏东70°方向上变异性最弱.应用指数模型拟合经验半变异函数,采用普通克里格法预测砷元素的空间分布状况.研究表明,本区域土壤砷含量存在明显的空间异质性,污水灌溉是引起土壤砷元素空间变异最主要的因素,监测区内土壤As元素含量存在实际“亏损”状况.     

塞罕坝华北落叶松人工林生产力及其空间分布预测

准确预测森林立地生产力是进行高效森林经营的关键。立地指数是森林生产力可靠的评价指标之一。基于地形、气候和土壤因子以及220块样地解析木数据,采用回归克里格（RK）模型对塞罕坝机械林场华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）人工林立地指数（SI）进行空间插值预测,并分析了不同半变异函数对RK模型精度的影响。拟合结果表明：基于高斯半变异函数的RK模型精度优于球状和指数RK模型,且具有较小的残差（RMSE=0.82 m,MAE=0.66 m）,表明高斯RK模型具有很强的预测SI能力;高斯半变异函数分析表明研究区华北落叶松人工林SI存在较强的空间自相关性,且在724.89 m变程内差异显著;影响华北落叶松立地指数分布的主要环境因子有土壤全氮、土壤pH、夏季降水量和春季降水量;立地生产力较高区域一般分布在春季降水适中、夏季降水较多、土壤为中性及偏酸性且全氮含量较高的东南部地区,占研究区总面积的32.00%,而在春、夏季降水量少或者春季降水量过多、土壤全氮含量过低且偏碱性的北部边缘地区立地生产力较低,仅占研究区总面积的8.90%。研究区土壤、气候因子与树木生长习性共同决定了华北落叶松人工林生产力的分布格局。通过降低土壤酸碱度和适当施加氮肥等措施,可以提高华北落叶松人工林生产力。     

普通及指示克里格法在水稻禁产区筛选中的应用

在对农产品产地进行监测基础上,以川东南水稻生产区为研究对象,探讨了普通克里格法及指示克里格法在农产品产地禁产区筛选中应用的可行性.研究区土壤监测统计结果表明,川东南水稻生产区以重金属Cd污染为主,区域Cd最高值为0.53mg·kg-1;监测点超过<土壤环境质量标准>(GB 15618-1995)2级标准值的比例达34.98%.探索性分析结果显示,研究区土壤Cd异常值较少,土壤Cd监测值及指示值实验半变异函数均为各向同性,采用人工干预条件下的基台值自动拟合法拟合普通及指示克里格实验半变异函数,并根据交叉验证结果确定分别采用带块金值的指数模型及带块金值的球形模型套合结构拟合普通及指示克里格实验半变异函数.通过普通和指示克里格插值结果筛选水稻禁产区后,应用误判率法评估了两种方法应用于水稻禁产区筛选的优缺点.结果表明,普通克里格法训练数据集的误判率为3.89%,验证数据集误判率为26.09%;指示克里格法训练集的误判率为0.78%,验证数据集误判率为21.73%,指示克里格法的估计精度要优于普通克里格法,更适合于研究区水稻禁产区的筛选.     

河套灌区不同灌季土壤氮素时空分布特征分析

以内蒙古河套灌区东段乌拉特灌域为研究区,在春灌、夏灌和秋浇(2005年4月、7月和11月)3个不同特征灌季进行采样分析,应用传统统计学方法和地统计学中的普通 kriging 法,对研究区0～20cm土壤中氮污染物的空间分布特征进行了研究.结果表明,不同灌溉时期土壤中总氮、铵态氮和硝态氮的理论变异函数模型主要为球状、高斯和指数模型,与实际变异函数间的残差平方和在0.0009与0.1238之间,拟合效果较好;除11月铵态氮具有中等空间相关性外.其它参数均具有强烈的空间相关性;在4、7月土壤中总氮元素含量大体表现为东北高、西南低;研究区整体土壤总氮和硝态氮含量4月最高、11月最低,土壤铵态氮含量7月最高、11月最低.土壤中氮元素的上述时空变异受研究区地下水位、引水和农田排水不同期变化具有较大的影响.     

电脑散热风扇灰尘中多溴二苯醚的污染特征和环境健康风险评价

不同模型对土壤污染物空间分布预测精度具有重要影响,针对现有方法不能较好模拟土壤污染物较强的空间变异特征以及缺乏对影响污染物空间分布的关键环境因子识别,本研究基于随机森林（RF）模型,通过融合多源环境要素,开展了某冶炼厂周边农田土壤砷含量空间分布预测研究,并与反距离加权（IDW）和逐步线性回归模型（STEPREG）相比较.结果表明,研究区农田土壤砷污染范围较广,污染严重区域主要分布在研究区南部,3种模型模拟的砷污染空间分布虽总体趋势相似,但局部区域差异明显,IDW和STEPREG模型不能很好地反映研究区土壤污染的强空间变异特征,RF模型模拟结果较好的表达局部高污染区域的细部变化.不同环境要素对农田土壤砷含量空间分布影响的重要性不同,研究区环境变量和地形变量是影响土壤砷含量空间分布的关键环境因子.交叉验证结果表明,RF模型相对IDW和STEPREG模型具有最小的均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、平均误差（ME）和最大的R²,RF模型的RMSE、MAE、ME较IDW模型分别降低了10.8%、5.5%和88.1%,较STEPREG模型分别降低了17.8%、18.4%和94.7%,表明采用RF模型对研究区农田土壤砷含量预测精度最高,取得了最优的预测效果.本研究结果能够为土壤重金属污染空间分布制图提供方法学参考.     

土壤砷空间分布特征及其与地理要素的关联分析

为研究平原-丘陵-山地复杂地形区的土壤砷含量分布特征及其与地理环境要素间的关系,文章采用地统计法与地理信息系统空间分析相结合对研究区土壤砷含量的空间变异规律进行了分析,构建了复杂地形区土壤砷含量与地理要素的关联模型。结果表明:随着地形从低到高,研究区土壤砷含量由低到高分布,空间上呈现从东南向西北逐渐递增趋势,东南部地区砷含量最低;土壤砷与土壤岩性特征、海拔呈显著正相关(P<0.05),相关系数分别是0.213和0.251,与纬度呈显著负相关。因此,以海拔、岩性和纬度作为自变量,土壤砷为因变量,构建了土壤砷多元线性逐步回归模型,模型验证显示普通克里金插值所得的预测结果与实测值间较吻合,相关系数为0.67,决定系数为0.45,均方根误差为1.29。     

典型农区耕作土壤重金属空间变异的稳健性分析

以鲁西北典型农区禹城的耕作土壤重金属Cr、Pb含量为例,针对其偏态分布特点与变异函数的非稳健性,研究了克瑞西-豪金斯法(C-H)、中位调节法(MA)、中位数中位偏差法(MMD)和位置的Huber估计(HB)4种稳健统计方法对土壤重金属变异函数的稳健处理效果,交叉检验了各稳健处理变异函数模型用以克里格估值的精度,分析了该地区耕作土壤重金属的空间分布特征。结果表明:研究区土壤Cr、Pb含量变异性较强且其频数分布均呈强烈偏态特征;稳健处理使得变异函数的块金值、基台值总体降低,块金值/基台值和拟合精度均不同程度升高;C-H法和MMD法稳健处理下,土壤Cr、Pb含量克里格空间预测的精度最高,是较优的稳健处理方式;研究区土壤Cr、Pb含量的空间分布呈现局部斑块状的分布格局,目前耕地土壤环境质量良好。该研究结果为该地区耕地环境质量评价和重金属污染防控提供科学依据。     

江汉平原地下水中硝酸盐的分布及影响因素

基于2011~2014年825个地下水采样点测试结果,采用半方差函数模型和普通克里格插值方法,研究了江汉平原地下水中NO₃-N的空间变异和分布特征.运用证据权重法,选取降雨入渗补给量、地下水位埋深、渗透系数、包气带岩性、土地利用类型、土壤类型和土壤全氮含量7个因子建立预测模型,分析其对硝酸盐分布的影响规律.结果表明,江汉平原地下水NO₃-N含量经Box-Cox变换后服从正态分布,其半方差函数最佳拟合模型为球状模型,空间相关性为87.93%,相关距离为68.02km.研究区地下水NO₃-N含量具有南部高、北部及西部山前平原低的特点.地下水中NO₃-N含量超过10mg/L分布面积所占比例达8.61%.成功率曲线表明模型预测精度为0.91,预测结果较好.江汉平原地下水NO₃-N含量与该区降雨入渗补给量、渗透系数和土壤全氮含量具有良好的正响应关系,与地下水位埋深呈负响应关系.当包气带岩性为砂砾石、土地利用类型为建设用地及土壤类型为冲积土覆盖条件时,地下水极易受硝酸盐污染.     

山东省典型金矿区土壤重金属空间特征分析与环境风险评估

以山东省典型金矿区——焦家式金矿带为研究区,系统采集了77个表层土壤样品并对Cu、Pb、Zn和Cr的含量进行了测定;采用空间统计分析方法对重金属的空间变异结构、分布规律及潜在污染风险进行了研究.Cu、Pb、Zn和Cr的平均含量分别为19.41、27.32、49.81和39.27 mg·kg-1.半方差函数拟合表明Cu和Pb属于中等空间自相关,空间分布呈岛状;而Zn和Cr为结构性空间变异,受自然因素的控制,空间分布呈带状和岛状.热点分析与指示克里金插值结果表明,金城镇、辛庄镇与蚕庄镇的交界地带重金属环境风险较高,南部则为安全区,其中Pb的超标概率最大且中高风险区分布范围广泛.研究结果可为研究区土壤重金属污染评价和调控提供参考和依据.     

水稻土重金属空间分布的随机模拟和不确定评价

以杭嘉湖平原为样区,利用普通克立格法和序贯高斯模拟方法对土壤Cu的空间分布进行估值和模拟,并利用序贯指示模拟进行不确定性评价.结果表明,样区北部区域土壤Cu含量较高.由普通克里格法得到的土壤Cu的空间分布整体比较连续,具有明显的平滑效应,估值结果数据的分布频率趋于平缓.序贯高斯模拟结果整体分布相对离散,突出了原始数据分布的波动性,其模拟结果数据的分布频率相对集中.以35 mg·kg-1作为土壤Cu含量的阈值进行的序贯指示模拟结果显示,在土壤Cu含量较高的北部地区超过阈值的概率超过80%,而南部很多相对含量低的地区该概率值都低于10%.以超阈值概率为0.85和0.75来选取Cu的高污染风险区进行空间不确定评价结果表明,联合概率比单点统计的概率更为严格,在划分较大范围污染区域时,最好同时采用联合概率来进行信度评价.     

莲花湖库区落叶松水源涵养林土壤入渗性能的空间分布特征

以莲花湖库区落叶松水源涵养林为研究对象,由入渗速率拟合入渗模型,运用地统计学理论与方法对模型参数进行空间异质性分析。结果表明:采用Philip公式对入渗过程进行数学模拟最佳,模型参数吸渗率和稳渗率均服从对数正态分布,空间相关性强,结构比分别为0.867、0.759,变程分别为29.13 m、6.16 m,分维数分别为1.786、1.970。两者块金值都很小,小尺度内非连续性变异不明显,空间分布格局相类似,空间自相关范围内呈极显著正相关关系,相关系数R为0.48。二者相比,吸渗率空间自相关尺度大,空间分布较简单;稳渗率均一性差,空间分布复杂,破碎化程度高。     

黄河三角洲典型地区耕地土壤养分空间预测

掌握土壤养分的分布特点是实现养分优化管理的重要基础。论文选择黄河三角洲典型地区山东省垦利县为研究区,通过田间采样与实验室化验分析获取了1 278个样本（0~20 cm）的土壤碱解氮、有效磷、速效钾数据。在经典统计分析的基础上,用地统计学方法分析了土壤养分的空间变异特征,并拟合了养分的变异函数模型。利用普通克里格法（OK）、反距离权重法（IDW）、泛克里格法（UK）、径向基函数法（RBF）和局部多项式法（LP）5种方法进行空间插值,并采用独立数据集验证对插值结果进行精度评价,进而分析了各养分空间分布规律。为深入探索各方法的适用性规律,基于AN数据设计了离散、随机、聚集3种空间分布模式的数据,利用各模型的自动优化进行试验,对比分析了不同插值方法在土壤养分空间预测中的自适应性。结果表明：1）研究区碱解氮、有效磷、速效钾均为中等强度的空间变异和中等程度的空间自相关,其变异函数模型分别为球状模型、指数模型和球状模型,决定系数依次为0.951、0.892和0.787;2）在空间分布上,土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量与地形和土地利用类型等有关,西南部地势较高,以水浇地和旱田为主,东北部沿黄农田受黄河淡水影响,耕地质量较好,而中部地区地势低平,以水田为主,养分含量偏低;3）相对于块金系数/基台值,Moran’s I是更为稳健有效的衡量土壤养分空间自相关性的方法;4）论文认为,空间分布模式、样本量、空间自相关性和空间聚集程度（最近邻比）均影响插值精度。在离散模式下,各方法自适应性均较差;在随机模式下,IDW与RBF自适应性优于OK和LP;在聚集模式下,各方法自适应性与样本量和空间自相关性有关,直至样本足够多时,4种插值方法精度接近。论文探明了研究区主要土壤养分的最佳插值预测方法,分析了土壤养分的变异特征和空间分布规律,为黄河三角洲典型地区耕地土壤养分利用管理和农业可持续发展提供了理论依据。     

城-郊区域土壤铅(Pb)累积过程时空模拟:以中部某大城市为例

城-郊区域类型众多的高强度人类活动导致土壤Pb累积过程复杂、时空异质性高,使得揭示该类区域土壤Pb累积过程的时空变化特征十分困难.以国内中部某大城市典型城-郊区域为研究区,构建土壤Pb累积过程单元模型,基于土地利用分类和模拟结果,建立土壤Pb累积过程时空模拟方法,模拟研究区2013~2040年土壤Pb累积含量,阐明土壤Pb含量未来时空变化特征.结果表明,研究区2013年Pb含量平均值约为其所在省份表层Pb含量背景值的1.77倍,土壤Pb污染较重.2013~2040年Pb含量将持续增加,增加量较低（0.53~2.25 mg·kg^-1）的区域位于研究区西部、北部和南部,占总面积的25.46 %,增加量较高（3.98~5.70 mg·kg^-1）的区域位于其东部,占总面积的17.14 %.研究区东部林地面积的增加、水域和草地面积的减少导致了该区域土壤Pb含量较大幅度地上升;此外,土壤Pb含量的空间分布还同重要工厂和交通设施的分布高度相关.通过突破以往研究中将土地利用视为静态不变的局限,能够在一定程度上反映区域土地利用变化对重金属累积过程的影响,可为城-郊区域土壤Pb累积过程模拟提供方法,并为该城市城-郊区域土壤Pb污染管控提供依据.     

SCS-CN模型中土壤参数的作用机制研究

土壤参数是地表径流模型中的关键参数,对径流过程模拟有重要影响,因此有必要明确土壤参数的作用机制。论文结合SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 模型,以广泛应用的径流曲线数模型(SCS-CN) 为例,对土壤参数在SCS-CN模型中的作用进行了理论推导、分析和实例研究。分析表明,土壤饱和含水量参数与田间持水量参数的比值,是影响不同土壤湿度下地表产流能力的重要因素,两者比值越大,土壤含水量对地表产流能力的调节越弱,导致基于不同土壤模拟的地表径流量随土壤湿度的波动而上下反转。以实际流域为例,发现不同土壤数据模拟地表径流间差别的显著季节性特征;阐明该差别季节性变化的内在机制,验证了理论分析结论。为深入理解产流过程、合理选择土壤数据、模型参数优化及模拟结果解释提供了参考。     

莲花湖库区红松水源涵养林土壤水分-物理性质的空间分布特征

运用地统计学对莲花湖库区红松水源涵养林表层土壤水分-物理性质进行了空间异质性分析。研究结果表明: 土壤含水量、土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等因子均服从对数正态分布;毛管孔隙度最优拟合模型是球状模型,其它因子均为指数模型。土壤含水量、土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度块金值、变程、结构比、分数维和空间自相关系数最大值分别为0.311、0.297、0.192、0.293,6.87 m、10.29 m、8.31 m、8.88 m, 0.690、0.694、0.814、0.707,1.968、1.939、1.937、1.945,0.111、0.200、0.246、0.157。可见以上4个因子空间自相关性均较强,随着空间距离的增大,其相关性逐渐减弱。其中毛管孔隙度均一性程度较高;土壤含水量空间分布形态较复杂,破碎化程度高。     

县域尺度土壤铜的有效性及相关影响因素评估

了解土壤重金属相关属性(如全量、有效态含量等)的空间分布状况及相关环境因子对其有效性的空间非平稳影响,对土壤重金属风险区域的划定和空间调控措施的制定具有重要作用.本研究基于张家港市357个土壤样本数据,首先探讨了土壤类型和土地利用类型对土壤有效铜的影响.然后采用普通克里格预测了该区域土壤全铜和有效铜的含量,计算得到其有效性比率(即有效铜/全铜)的空间分布状况,并结合有效铜及其有效性比率划定了土壤有效铜的风险调控区域.最后,采用一种空间局部回归技术,地理加权回归(GWR)探索了土壤有效铜与3个主要土壤因子(即土壤全铜、pH和SOM)之间的空间局部回归关系.结果表明,土壤类型和土地利用类型均对土壤有效铜含量存在一定程度的影响.土壤铜的有效性比率具有较强的空间异质性,其变化范围在13.56%~29.15%.模型对比结果显示,GWR模型较传统的普通最小二乘回归(OLSR)模型具有更高的拟合精度(即较大的决定系数R2,较小的AICc信息准则和残差平方和).GWR分析结果显示,各土壤因子对土壤有效铜的影响在空间上是非稳态的.GWR模型能有效地揭示相关土壤属性对土壤有效铜的空间非平稳影响,其结果可解释局部区域土壤有效铜累积的原因.基于上述分析结果,可以为该研究区域内土壤有效铜的调控提供具体的空间决策支持.     

淮北平原“四水”转化模型实验研究与应用

论文基于野外实验,采用五道沟实验站和杨楼实验区1965-2007年长系列资料,考虑土壤水垂向运动和再分布、冠层截留、蒸发、填洼、大孔隙、潜水排出补给地表水等要素,采用野外实验数据逐步细化和确定参数,提出淮北平原集总式“四水”转化模型,并提出一种新的冠层截留量年内分布确定方法。模型物理意义明确,对资料的要求较低,实用性较强。模型在杨楼流域应用结果表明,模拟流量过程线精度较高,在潜水位变动过线的拟合上效果较优,在径流过程和土壤含水量的拟合上表现较好。通过模型逐年计算统计,得出杨楼实验流域1991-2007年逐年及多年平均“四水”转化定量关系,为该区水文预报和作物水利用提供技术依据。     

粤北山区连州市土壤硒含量分布特征及影响因素研究

以粤北山区连州市为研究区,采集了3009个耕地表层土壤（0~20 cm）样品,利用GS+软件构建的半方差变异函数模型、ArcGIS中的克里金插值法以及SPSS相关性分析等方法,分析了研究区耕地表层土壤硒含量的空间分布特征、硒元素的形态特征及影响因素.结果表明,土壤硒含量的均值为0.432 mg·kg^-1,变化范围为0.048~4.650 mg·kg^-1,耕地土壤整体处于富硒和足硒的水平,富硒土壤较为丰富.在空间分布上,富硒土壤主要连片分布在连州市的南部和东北部,中西部地区则呈斑状分布.土壤中硒的赋存形式主要以残渣态和强有机结合态为主,二者占全量的60.5%;土壤硒全量与残渣态硒、强有机结合态和腐殖酸结合态硒有显著的相关性.土壤pH和TOC对土壤硒含量具有重要的影响作用,而成土母质是影响连州市耕地表层土壤硒含量分布状况的决定性因素.