北京耕作土壤重金属含量的空间自相关分析

以北京市耕作土壤中重金属元素为例,采用Moran's I统计量研究了土壤重金属含量的空间自相关关系、空间相关尺度以及空间分布规律.结果表明:北京市耕作土壤中8种重金属含量均存在空间自相关性.Cr、Ni、Zn、Hg、Cu、Pb、As、Cd的空间自相关尺度分别为57、75、57、55、55、65、74、37km.以cr和Hg为例,用区域空间自相关指标结合Moran散点图分析了重金属含量空间聚集区和空间孤立区在研究区内的分布规律.其中"高-高"空间聚集和"低-高"空间孤立区域存在潜在的污染风险,对土壤重金属环境质量评价和重金属污染防治有着重要的作用.     

黑土丘陵区小流域土壤有机质空间变异及分布格局

土壤有机质的空间变异和分布格局是土壤科学领域研究的热点.在经典统计学和地统计学的基础上,结合"3S"技术,对黑土丘陵区海沟河小流域土壤表层(0~20 cm)中有机质的空间变异、分布特征及影响因子进行深入探讨.结果表明,海沟河小流域土壤有机质含量在黑土区处于较低水平,变异程度为中等变异,且存在空间自相关性;土壤有机质的空间变异受人类活动、耕作措施等随机因素影响很小,受结构性要素影响较大,空间上各向异性显著;土壤有机质含量从东向西逐步减小,以高程为协变量的协同克里格插值能够提高空间插值精度.土壤有机质空间分布受地形地貌等自然因素以及受其制约的土地利用的影响较大,受交通道路、居民点等要素的影响较小;采样点周边环境会增加有机质的空间变异和分布的不确定性.以流域为单元,进行SOM的空间变异、分布及影响因子研究具有重要意义和科学价值.     

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。     

松花湖水质空间差异及富营养化空间自相关分析

为识别中国东北地区最大的人工湖——松花湖水质空间差异与富营养化的空间分布特征,运用方差分析与因子分析对丰满水库主库区、松花江三湖保护区实验区和蛟河回水区这3个区域2017年的水质采样检测结果进行了分析,运用综合营养状态指数法评价了湖区的营养状况,采用空间自相关分析对松花湖湖区富营养化水平的空间相关性与聚集度状况进行了研...     

湘江流域主要支流土壤Cd污染空间分布与相关性

针对土壤Cd污染超标问题,开展流域尺度下的土壤Cd空间分布与相关性分析,选定土壤污染热点区域——湘江流域作为研究对象,以流域内主要支流的汇水范围作为分析单元,研究各支流流域土壤w（Cd）的空间分布特征及空间相关性.结果表明:湘江流域上、中、下游各支流流域之间表现出明显的空间差异性,土壤w（Cd）平均值表现为中游支流（0.29 mg/kg）>下游支流（0.19 mg/kg）>上游支流（0.17 mg/kg）;湘江流域的土壤w（Cd）分布与相关污染企业位置相关性很高,沩水、浏阳河、渌江、涟水、洣水、蒸水、耒水、舂陵水和灌江流域土壤w（Cd）空间相关性较低（0.626 ≤ R ≤ 0.767）,企业位置分布具有明显的聚集性;潇水流域土壤w（Cd）空间相关性（R=0.889）较高,企业分布较为均匀,通过潇水流域的各向异性分析可知,土壤w（Cd）分布与企业分布方向一致.研究显示,湘江流域内土壤w（Cd）分布存在空间差异性,各支流的土壤w（Cd）与相关污染企业的空间分布存在依存关系.      

基于空间自相关的水污染空间聚类研究

运用空间自相关分析方法对《中国环境质量报告2012》中全国地表水监测点位的溶解氧、高锰酸钾指数、五日生化需氧量、氨氮、石油类、挥发酚、汞和铅8项主要污染物水质常规监测指标进行了空间分布特征的定量研究。结果表明,各污染物的Moran指数都大于0,说明我国主要污染物的空间分布具有明显的空间自相关性;局部自相关分析的Moran散点图表明,各类污染物形成了多种空间分布格局。总体而言,我国污染物的扩散分布与地区社会经济有着密切关系,人口活动密集地区的水污染程度明显较高,如京津冀地区。从宏观格局看,我国水污染可分为东西、南北两大格局,东部沿海地区的水污染高集聚区明显高于中西部地区;北方地区的水环境污染状况比南方地区严重,且各种污染物指标在全国范围内有不同的集聚地域。     

白城市黑土区农田土壤重金属来源解析及积累评价

土壤重金属污染与农产品安全息息相关,为探究东北黑土地的重金属及有机质的含量特征,选择吉林省白城市黑土区农田为研究区域,共采集111个表层土壤样本,分析了土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As和土壤有机质含量,由普通克里金插值分析得到土壤重金属和有机质含量的空间分布,并结合相关性分析、主成分分析和聚类分析探究土壤重金属的可能来源及其与土壤有机质的赋存特征.同时,采用地累积指数法、单因子指数法等方法,结合地统计学评价白城市黑土区农田土壤重金属积累状况.结果表明,土壤中Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、As含量均值分别为14.68、27.66、44.64、16.81、9.01、0.08、5.38 mg·kg^-1,与吉林省土壤环境背景值相比,均低于背景值.来源分析显示,土壤中Zn、Ni和Pb相伴而生形成明显的地质成因趋势,主要来源于自然源;Cu和Cr与当地悠长的农业耕种历史密不可分,主要受农业活动影响及与畜禽粪便及污水污泥进入农田土壤有关;当地的工业发展主要依赖于重工业,As与工业生产尤其是与采矿活动和燃煤密切相关.土壤有机质含量与土壤重金属Cd、Pb含量呈...     

黑土区小流域土壤氮素空间分布及主控因素研究

在经典统计学和地统计学的基础上,结合"3S"技术,对黑土区海沟河小流域土壤表层(0~20 cm)中全氮(TN)、碱解氮(AN)的空间变异、分布特征及主控因素进行深入探讨.结果表明:海沟河小流域土壤TN含量处于较高水平,AN含量为中等水平;TN和AN的变程分别为900 m和1282 m,其空间变异均受地形、成土母质等结构性要素影响较大,在东-西(E-W)方向的空间变异相对剧烈;TN含量与坡度等地形指标显著性相关,AN含量与高程等地形要素显著性相关;回归协同克里格插值结果显示,TN自东向西呈现"高-低"交替的带状格局,与土地利用方式在东西方向上的演替相近,AN的高值在东部山区,低值在中部旱地分布集中的区域,呈现"两边高,中间低"的特征;水系、居民点等环境要素对TN和AN的空间分布存在明显的作用距离,土地利用方式及坡位对TN和AN含量分布影响显著,且存在较大差异.     

唐山市基于GIS的PM2.5空间聚集性及分区管控

以ArcGIS软件为平台,采用唐山市206个在线监测点数据,分析了PM_2.5在采暖期、重污染期、非采暖期3个时期的全局和局部空间自相关性,研究其大气污染空间分布特征.结果表明,3个时期均具有一定的空间自相关性,且重污染期的全局空间自相关最强;采暖期和重污染期PM_2.5高值聚类主要发生在中部地区,低值聚类则主要分布在北部山区及沿海少部分区域;非采暖期高值聚类主要分布在丰润区和丰南区,低值聚类发生在遵化市北部地区.通过空间插值模拟全市的PM_2.5分布状况,结果显示唐山市在重污染期PM_2.5均值最高格点值达241μg/m³,而非采暖期最低值只有37μg/m³;基于PM_2.5浓度变化特征和空间分布,将唐山所辖18个区县划分为5个区域,针对各区域提出PM_2.5分区管控措施建议.     

东北典型黑土区耕地轮作休耕的空间重构

轮作休耕是保障黑土区耕地资源可持续利用的重要手段。科学合理确定粮食作物轮作休耕的耕地利用规模及空间分布,对实现黑土区耕地修养生息、提升地力和平衡粮食供求结构具有重要意义。以东北典型黑土区——克山县、拜泉县和依安县为研究区,运用作物种植空间适宜性评价模型、多目标优化（MOP）模型和智能体土地布局优化配置（AgentLA）模型,基于地块尺度构建耕地轮作和休耕布局,适度调整轮作休耕规模及分布。结果发现：（1）研究区主要作物种植适宜性高值和低值区存在明显空间差异。玉米和大豆种植适宜性高值区交汇于依安县北部和克山县西部,是玉米—大豆轮作优势区域。主要作物种植适宜性低值区交汇于依安县南部和拜泉县西南部,是休耕的重点区域。（2）基于种植结构优化的轮作规模实现了大豆种植比例增加和玉米种植比例减少,缓解了目前玉米阶段性供大于求、大豆供给不足的现实矛盾。通过设定多种粮食供求情景确定休耕规模有利于灵活应对粮食市场变动。（3）兼顾耕地空间适宜性和集聚性的轮作休耕布局有利于充分利用耕地资源禀赋比较优势、发展规模化经营,对提高耕地利用效率具有重要作用。研究通过科学重构黑土区耕地轮作和休耕空间布局,实现了耕地空间适宜性、空间集聚性、种植结构合理性和粮食供求稳定性的同步提升,为实现黑土区耕地资源合理可持续利用和粮食安全提供政策参考。     

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.      

耕作和秸秆覆盖对苹果园土壤水分及养分的影响

为了揭示土壤耕作和秸秆覆盖对苹果园土壤保蓄水性能及土壤肥力的影响,研究设置了以土壤耕作(免耕、翻耕、旋耕)为主处理,秸秆覆盖(秸秆覆盖、无覆盖)为副处理的裂区试验,对比分析了各处理果园土壤水分贮量、土壤肥力等性状。结果表明,免耕裸地与翻耕裸地处理的保蓄水效应在果树不同生长期表现不同,在5月份免耕裸地处理1 m土层内土壤贮水量高于翻耕裸地处理,而在10月份免耕裸地处理显著低于翻耕裸地处理;秸秆覆盖各处理1 m土层内土壤贮水量均明显高于无覆盖各处理,耕作与秸秆覆盖相结合在整个土壤水分测定过程中均以免耕秸秆覆盖土壤贮水量最高且较稳定;耕作与秸秆覆盖相结合显著提高了有机质含量,土壤速效肥含量明显增加,各处理以翻耕秸秆覆盖及免耕秸秆覆盖土壤养分含量为最高。在渭北洛川苹果生产基地,采用免耕秸秆覆盖技术能起到较好的保蓄水作用,土壤肥力明显增加。     

不同耕作方式下土壤水分状况对土壤呼吸的初期影响

以2001年在东北典型黑土上进行的保护性耕作长期定位试验下免耕、垄作及常规耕作土壤进行了室内培养实验,按照田间持水量(water-holding capacity,WHC)的30%、60%、90%、120%、150%、180%、210%、240%、270%设定了9个水分梯度,并分别对其二氧化碳(CO_2)排放量进行了22 d的短期观测,以研究不同耕作方式下土壤水分状况对土壤呼吸的初期影响.结果表明:1干土条件下在加水培养初期,3种耕作方式均产生了明显的激发效应,并且土壤呼吸速率与土壤含水量间存在正相关关系.2除干旱(30%WHC)及淹水(240%WHC、270%WHC)条件下,3种耕作方式CO_2排放通量分别为免耕垄作常规耕作.3对不同耕作方式下土壤水分状况及CO_2排放通量进行了方程拟合,在30%~270%WHC条件下,免耕的CO_2排放通量与水分状况拟合为二次回归方程,而垄作与常规耕作则是线性回归方程.在30%~210%WHC条件下,免耕与垄作下土壤CO_2排放通量与水分状况均可拟合为较好的对数方程,可决系数R~2分别为0.966、0.956.     

东北地区土壤湿度的区域性预报模型研究

基于东北地区近30 a（1981-2010 年）土壤湿度观测资料,采用CAST聚类方法进行土壤湿度区划,对各区域土壤湿度的时空变化特征展开分析,建立土壤湿度的分区预报模型。结果表明：东北地区中部的土壤湿度在近30 a 内呈上升趋势,其余部分则呈下降趋势,但北部的下降趋势较小,西部下降趋势较大;各区域土壤湿度的显著影响因子有所差异,但都与前一旬的土壤湿度和降水量有较大的相关性;利用1981-2007 年的数据建立各区域的土壤湿度预报方程,利用2008-2010 年的数据对预报方程进行检验,土壤湿度的预报平均相对误差小于13.67%,预测值与观测值较为接近,基本可反映土壤湿度的实际变化情况。     

基于GIS和LSA的林地质量评价与保护分区

合理划定林地利用保护分区,对于稳定森林资源,维持生态平衡,协调经济建设与生态文明建设起到积极指导和规范作用.论文以海南省屯昌县为例,在科学评价林地质量的基础上,采用局部空间自相关分析法(LSA),探索林地质量在空间上的分布特性,耦合林地自然条件,社会经济及其空间属性,以作为林地保护分区的依据.结果显示:屯昌县林地质量分值在[5.40, 8.56]之间,整体水平中等偏上,内部差异性较小,其中,高等别林地主要分布在南坤镇与枫木镇交界处以及西昌镇西南部,低等别林地主要分布在坡心镇及南吕镇;全县林地质量在空间分布上表现出较强的正相关性,存在一定的空间聚集性特征;基于林地质量局部空间自相关分析的林地保护分区方案与林地质量评价结果基本吻合,可将全县分为重点保护区,积极保护区和一般保护区,不同保护区根据自相关类型的差异可采取不同的管护措施.该研究将空间属性纳入到林地保护分区方案的制定中,拓展了林地保护分区的手段,可为合理制定林地利用规划提供科学依据和思路借鉴.     

五道梁高寒草原土壤水分和植被盖度空间异质性的地统计分析

青藏高原高寒草原区,由于长期冻融和地下冰的存在形成了独特的生态水文结构,土壤水分是控制高寒草原生态过程的关键因子。利用地统计学对多年冻土区高寒草原土壤表层含水量和植被盖度的空间变异性进行研究,结果表明,高寒草原生态系统浅层剖面(0~50 cm)土壤水分和植被盖度均符合正态分布,土壤含水量沿垂直方向逐渐增大,介于19.43%~25.37%之间,变异系数介于23.77%~40.92%;植被盖度具有强变异性,变异系数为47.99%。0~50 cm土壤含水量具有高度的空间异质性,其中91.1%的空间异质性是由空间自相关部分引起的,主要体现在10~190 m的中尺度上;植被盖度在研究尺度上具有中等程度的空间自相关,植被盖度随机部分的空间变异性占总空间变异性的比例为34.2%,主要体现在10 m的尺度内。各向异性分析表明,土壤水分和植被盖度具有明显的各向异性,其空间格局有明显的差异。     

盐城海滨湿地土壤水分空间特征与植被关系研究

在盐城国家级自然保护区内选择研究断面,进行野外监测,运用统计分析的方法,分析了盐城海滨湿土壤水分与植被的关系.结果表明:(1)自然条件下,从芦苇沼泽到米草沼泽,土壤水分呈明显的增加趋势,0~10 cm土层平均含水量从35.98%增加到46.10%;10~20 cm土层平均含水量从37.93%增加到44.80%;20~30 cm土层平均含水量从38.12%增加到46.84%.(2)人为影响下,土壤含水量在整体上表现出从陆地到海洋,先降低后增加的趋势.(3)在植被交错带,米草土壤含水量与斑块大小密切相关,随着斑块面积的增加而增加;芦苇土壤含水量与距海堤距离密切相关,对着距离的增加而增加.     

生物炭对农田地表反照率及土壤温度与湿度的影响

为了探究生物炭输入后农田地表反照率及土壤温度与土壤湿度的响应,通过田间小区试验,分析生物炭影响下农田地表反照率、土壤温度、土壤湿度的变化情况. 试验共设置3个主处理——CK处理(不施用生物炭)、BC5处理〔生物炭施用量为0.5 kg/(m2·a)〕、BC45处理〔生物炭施用量为4.5 kg/(m2·a)〕,同时每个主处理设置2个副处理——种植作物(以+表示)和未种植作物(以-表示). 结果表明:在有作物覆盖条件下,相对于CK+处理,BC45+、BC5+处理的地表反照率在玉米苗期分别下降23.1%、19.1%(P＜0.05),在玉米拔节期分别下降20.0%、15.1%(P＜0.05),但在玉米抽穗期至成熟期,各处理的地表反照率无明显差异. BC5+、BC45+处理的土壤温度、土壤湿度与CK+处理相比均未见显著改变. 在未种植作物条件下,相对于CK-处理,BC45-、BC5-处理的地表反照率最大降幅分别为26.7%、24.3%(P＜0.05),BC5-处理的土壤湿度增幅为1.7%~3.8%,BC45-处理的土壤温度、土壤湿度无显著变化. 可见,随着玉米冠层结构的发展,生物炭输入降低地表反照率的效应在逐渐减弱甚至消失;生物炭输入对土壤温度、土壤湿度的影响程度与作物覆盖条件以及生物炭施用量有关.      

基于贝叶斯最大熵的黑土区小流域土壤有机质空间分布预测

进行w（SOM）空间预测研究,对掌握区域w（SOM）空间分布现状、实施精准农业以及保护区域生态环境都有着重要意义.以土地利用类型为辅助变量,将不同土地利用类型所对应w（SOM）的概率分布作为“软数据”,采用BME（贝叶斯最大熵）方法对我国东北黑土丘陵区海沟河小流域表层w（SOM）的分布情况进行空间预测,并与以w（TN）和土地利用类型为辅助变量的CK（协同克里格）方法进行比较,探讨两种方法的可行性与精度.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24.04 g/kg,空间变异程度为中等.w（SOM）与w（TN）呈极显著正相关,与土地利用类型存在较强的相关性,不同土地利用类型w（SOM）差异明显,w（TN）与土地利用类型能够用来辅助w（SOM）的空间分布插值.相较于CK方法,BME方法能更好地利用“软数据”进行空间插值,使对w（SOM）预测结果的平均误差（ME）、平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）均有所降低,精度大幅提高,空间插值效果明显优于CK方法.研究显示,研究区w（SOM）以阶梯状自东向西依次递减分布,在南北方向上变化不大,空间变化特征较为明显,BME方法利用“软数据”插值后的结果能较好地反映研究区w（SOM）空间分布的实际情况.