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   

序贯高斯法模拟新沂、东海农业区土壤砷空间变异性

采用序贯高斯条件模拟值法,研究了江苏省新沂、东海农业区土壤砷含量空间变异性.结果表明,研究区土壤砷为正偏态分布,经高斯非线性转化后,符合二阶平稳假设.其经验半变异函数表现为各向同性.采用加权多项式法,对经验半变异函数拟合结果进行评价,并根据结果选择了带块金效应的高斯模型作为拟合模型.对研究区砷分布情况进行了100次模拟,模拟结果平稳.根据模拟数据与实际监测数据的关系,采用相关系数法选择最终模拟结果.研究区西北部土壤砷含量最高,中北部最低.     

青山区土壤重金属超标范围的不确定性分析

以武汉市青山区为研究区,基于155个样点,对Cu、Pb和Zn 3种重金属的超标范围进行了不确定性研究,采用普通克里格法对重金属含量的空间分布状况进行预测,再用指示克里格法对重金属超过背景值的超标概率进行预测,最后分别依据插值结果是否超过土壤背景值和超过背景值概率是否大于50%划分3个不同程度的超标范围。结果表明:不确定Cu、Pb和Zn是否超标的范围分别为2.59%、40.25%和15.52%,大都处于超标和未超标的交错区域。Cu的不确定范围较小,主要在研究区西北部,区域较小且集中;Pb和Zn的不确定性区域都比较大,Pb的不确定区域主要分布在东部农业区和中部的工业区以及北部部分居民区,Zn的不确定区域分布较分散。因此,在以后的工业生产以及农业活动中要注意控制减少Pb、Zn等重金属流入土壤,以免不确定区域进一步演变成超标区域。     

苏南某镇土壤重金属污染的景观格局特征

评价土壤重金属污染等级并掌握其空间格局特征,对区域土壤环境保护和治理具有重要意义.以苏南某镇8种土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn为研究对象,综合运用单因子评价法、内梅罗综合评价法、地统计分析法、景观格局的粒度效应及景观指数分析方法,在污染评价的基础上,分析了研究区土壤重金属的景观格局特征.结果表明:1研究区各土壤重金属单因子污染指数及内梅罗综合评价指数的均值取值范围为0.145~0.893,整体污染程度低,且南部地区污染程度低于北部;2 As、Pb、Hg和Zn面源污染特征明显,其中As和Pb空间分布特征相似,Hg和Zn空间分布特征相似;Cd、Cr、Cu、Ni点源污染特征显著,其中Cd和Cr空间分布特征相似,Cu和Ni空间分布特征相似;3土壤重金属景观的适宜粒度为30~40 m;4研究区土壤重金属低含量区域面积比例最大,较低含量区域边界最复杂,各污染程度区域分布相对集中且综合污染破碎化程度低.表明研究区重金属污染源数量尚少且分布集中,但有进一步发展的趋势,整体处于土壤重金属污染的早期阶段.     

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.     

太滆运河流域农田土壤重金属污染特征与来源解析

为探明太滆运河流域农田土壤重金属污染分布特征及主要影响因素,保证土壤环境质量及农产品安全.采集并分析了太滆运河流域118个农田表层土壤样品中Cr、Hg、As、Cu、Zn、Ni、Pb和Cd等8种重金属元素含量.以太湖流域土壤背景值为评价标准,利用单因子指数和内梅罗指数评价土壤重金属污染状况,利用多元统计分析与地统计分析相结合的方法,对土壤重金属空间分布及来源进行解析.结果表明:8种重金属元素(Cr、Hg、As、Cu、Zn、Ni、Pb和Cd)的平均含量分别为63. 25、0. 25、7. 83、35. 24、77. 25、31. 48、38. 37和0. 16 mg·kg~(-1),除Cr和As外,其余元素含量均超过太湖流域土壤背景值.土壤样点重金属含量多低于国家农用地土壤污染风险筛选值.内梅罗综合指数显示87. 29%样点的土壤重金属呈现轻度污染,5. 93%样点呈现中度污染,6. 78%样点呈现重度污染,整体已经超过警戒值,处于轻度污染状态.流域农田土壤中Hg、Cu、Zn、Pb和Cd受到农业活动和大气沉降的共同影响; Cr和Ni则受成土母质以及工业生产活动的共同影响; As则主要来源于成土母质.     

路旁土壤公路源重金属含量空间分布数值模型的探讨

公路源重金属产生后,赋存于大气颗粒物中,随颗粒物在大气中迁移沉降,最终沉降于路旁土壤中.本研究通过对公路源重金属迁移机理的分析,以高斯污染物扩散模型为基础,构建公路源重金属在路旁土壤中空间分布的数值模型,并用G310国道杏花营断面路旁土壤重金属(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn)含量空间分布实测数据对模型预测能力进行验证.结果表明:土壤Cr和Cu含量呈指数分布,土壤Cd、Ni、Pb和Zn含量呈偏态分布,指数分布实质上是偏态分布的峰值十分接近路基的一种特例.研究表明,本文构造的数值模型可以较好地拟合上述两种路旁土壤重金属空间分布形式,模拟情景数n的取值越大,模拟结果越准确.     

四川盆地典型农耕区土壤重金属含量、污染及其影响因素

以重庆市江津区为研究区,采集247件表层土壤样品,综合运用污染指数法、GIS和地理探测器等分析方法以便探明四川盆地典型农耕区土壤重金属含量、污染特征及其影响因素.结果表明：(1)表层土壤中Cd、Cu和Zn的算术均值分别是渝西地区土壤背景值的1.22、1.10和1.98倍.(2) 6种重金属含量高值区主要分布于研究区北部、西部和中部局部地区,低值区分布于东部和南部.(3)土壤污染指数整体以安全和警戒为主,内梅罗综合污染指数(NPI)评价显示污染样点占总样点的22.1%,NPI最高值位于北部鼎山街道,最低值位于南部四面山镇.(4)地层对土壤重金属含量分布的单因子解释力最强,其次是地形因子;地层和地形因子对土壤重金属含量分布的交互影响作用最强.研究结果发现地层和地形因子是影响研究区土壤重金属含量分布的关键因素.     

杭州市郊蔬菜基地土壤和蔬菜中Pb、Zn和Cu含量的环境质量评价

对杭州市4个蔬菜基地土壤中Pb、Zn、Cu进行测定分析,利用不同的评价方法和标准来评价土壤重金属的环境质量状况,并在GIS软件平台下,通过克里格插值法分析了江干区蔬菜基地土壤-蔬菜重金属含量空间分布特征.结果发现蔬菜基地土壤中重金属含量超过自然背景值,未超过以国家土壤重金属环境质量标准,是符合无公害蔬菜基地的要求的;4个调查区中拱墅区土壤中重金属含量大于其它3区;江干区蔬菜基地土壤-蔬菜中重金属的空间变异很大;小白菜/小青菜中Zn和Cu的含量未超标,Pb则超标;2种蔬菜的富集系数均是Zn>Pb>Cu,小青菜Pb、Zn、Cu的富集系数和含量均大于小白菜,更易受到土壤中重金属的影响.     

典型山核桃产区土壤重金属空间异质性及其风险评价

山核桃(Carya cathayensis)是我国特有的高档干果和木本油料植物,目前关于山核桃林地土壤重金属污染研究鲜有报道.本研究以典型山核桃产区临安为研究区,系统采集了188个山核桃土壤样品,采用地统计学以及Moran's I等空间分析方法研究土壤重金属的空间异质性,并对山核桃林土壤重金属潜在生态风险进行评价.结果表明,重金属Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr平均含量分别为0.37、40.76、87.61、30.10、28.33、56.57 mg·kg-1,其中Cd、Cu平均值分别是背景值的1.33和2.87倍.单因子污染指数、内梅罗污染指数及潜在生态风险评价结果显示研究区土壤重金属均有样点超过土壤背景值,且Cd、Cu、Zn、Pb、Ni有部分样点超过土壤环境质量二级标准,表明研究区土壤已具有Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr不同程度的累积特征,局部土壤已受到Cd、Cu、Zn、Pb、Ni的污染,其中Cd最为严重,达到了强生态危害程度,Cu次之,总体上重金属呈中等生态危害程度.基于半方差函数分析得出,Cd、Cu、Pb、Ni、Cr具有强烈的空间自相关,而Zn属于中等空间相关性.Moran's I指数以及克里格插值结果揭示重金属Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr均存在明显的空间分布格局和局部空间聚集现象,高值主要集中在太阳、岛石、清凉峰、河桥以及湍口几个乡镇,且以重金属Cd、Cu污染风险概率较高.土壤Cd、Cu、Zn、Ni、Cr高值分布主要与矿区开采有关,而Pb与钾肥的施用密切相关.可见,研究区重金属空间分布特征受人为活动影响明显.     

基于GWRK的土壤有效磷空间预测及其超标风险评估

以江苏省金坛区土壤有效磷的空间预测为例,构建地理加权回归克里格（GWRK）模型,即采用地理加权回归（GWR）来量化土壤有效磷与主要土壤因子（即：土壤全磷、土壤pH值和土壤有机质）之间的局部空间关系,并结合局部回归残差的插值结果来预测土壤有效磷的空间分布状况.GWR结果显示主要土壤因子对土壤有效磷含量的影响程度随空间位置的变化而变化.同时,采用独立验证样本对比GWRK模型和普通克里格（OK）模型的空间预测精度.结果显示,GWRK预测结果具有更低的平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和更高的Pearson相关系数（r）,且较OK预测结果的相对提高指数（RI）为19.61%.此外,根据GWRK预测结果,对金坛区土壤有效磷含量的超标风险进行了评估.结果表明土壤有效磷含量超过其环境安全阈值（40mg/kg）的区域集中分布在金坛区北部,其面积为175.58km²,约占金坛区总面积的18%.因此,GWRK模型能有效评估区域土壤元素有效量空间分布状况,且GWR局部空间回归系数能为区域土壤元素有效量的调控提供更精确空间决策支持.     

辽宁省阜新市主城区表土磁化率与重金属特征及关系的定量分析

煤炭城市表土的磁学特征与重金属累积存在密切联系,但其确切的数量关系仍然模糊.以阜新市主城区表土（0~20 cm）为研究对象,通过对磁化率及重金属（Cu、Zn、Cd、Hg）含量的测试以及空间插值分析,系统分析了表土的磁化率特征、重金属富集特征,并运用通径分析明确了二者的数量关系.结果表明:①阜新市主城区表土质量磁化率（χ_lf）、频率磁化率（χ_fd）平均值分别为196.88×10-8 m3/kg、2.41%,二者变异程度均较高;χ_lf高值主要集中在主城区的中心（围绕海州露天煤矿）及西北部,而χ_fd高值区则大体与χ_lf低值区对应,且呈斑状分布的格局特点.②Cu、Zn、Cd、Hg的平均含量分别为45.13、107.96、0.13、0.11 mg/kg,且点源污染特征明显;其中,Cu、Zn、Cd的富集多集中于经济活动频繁的主城区中心区域及海州露天矿的周边地带,Hg含量的高值区主要沿着细河呈东北-西南方向的带状分布特征.③主城区表土χ_lf与Cu、Zn、Cd的含量均呈显著正相关,且χ_lf与Zn、Cu含量存在χ_lf=-161.122+1.437[Zn]+4.729[Cu]的数量关系;χ_fd与Zn、Cd含量均呈显著负相关,且χ_fd与Cd含量存在χ_fd=3.720-10.154[Cd]的线性关系.研究显示,阜新市主城区表土重金属存在明显富集,其中,Cu、Zn、Cd的累积程度与磁化率呈显著相关,在城市表土环境的监测治理工作中,宜采用简便快捷的磁化率测试以指示相应重金属的富集状况.      

染料厂遗留场地中氯仿和苯并(a)芘的污染特征与健康风险评价

以江苏省某废弃染料厂搬迁后的遗留地块为研究对象,运用内梅罗综合污染指数法对场地有机污染物污染程度进行评估,并结合Surfer软件中克里金插值法研究有机污染物的健康风险空间分布情况。结果表明:该场地主要超标污染物为氯仿和苯并（a）芘,污染区域主要为生产车间,最大超标深度为12 m,苯并（a）芘在1.5,3.0 m深土壤中对暴露人群造成的致癌风险高,氯仿在6,12 m深的土壤中致癌风险高;但它们在各层中所造成的危害商均<1。因此,该场地开发利用前需进行土壤修复。     

飞灰道路利用的环境风险及其时空分异特性

为在综合考虑长期风化导致的污染物释放变化、区域气候条件差异、以及参数不确定性影响下,精细评估飞灰道路基材资源化利用过程对浅层地下水资源(在饮用水质量方面)潜在风险及其时空分异特性,提出了一种综合的基于风险的方法,可用于评估碱性废料(如焚烧飞灰)部分替代公路垫层材料的回收潜力.将估算源浓度的浸出试验结果与风险评估程序中通常采用的归趋-迁移模型相结合,通过实验室浸出试验模拟未风化和风化条件下的污染物释放,采用Monte Carlo方法模拟参数不确定性对风险的影响,针对不同气候特征对环境风险区域特性的影响进行评估.结果显示:在华北地区典型气候条件下,所识别的7种目标污染物中,Zn、Cd和Pb存在暴露点预测浓度超标的可能,超标概率分别为34%、96%和7%,导致其暴露浓度(以95%分位值表征)均超标,环境风险不可忽视;碳酸化作用会使得部分污染物的溶出特性发生变化,并导致长期风险的变化,具体到碳酸化后的暴露浓度,Cd呈下降趋势,Ni和Zn基本不变或变化较小,Cr、Cu、As明显增加但仍显著低于标准限值,而Pb离子暴露浓度显著增加的同时超标情况从1倍增加到3.5倍,需要引起重点关注;由于降雨等区域差异化参数的影响,不同区域之间风险差异较大,差异最大的干旱区和半干旱区暴露浓度相差近2倍;不同区域超标的共性污染物为Zn和Cd,另外,湿润/半湿润区域还存在Pb暴露浓度超标.     

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.     

雄安新区土壤氟地球化学特征及健康风险评价

为科学评估雄安新区表层土壤氟(F)地球化学分布特征及人体健康风险,利用GIS空间分析、相关分析等分析土壤F贫化富集特征及影响因素,开展土壤F健康风险评估,基于蒙特卡罗随机模拟,研究健康风险评价结果的不确定性.结果表明,新区表层土壤ω(F)均值为641 mg·kg^-1,是全国A层土壤背景值的1.34倍,F过剩和高等级样点占比超过85%,F含量整体相对偏高.灌溉水样ρ(F^-)均值为0.85 mg·L^-1, F^-含量空间分布特征受浅层地下水水化学类型和流向的影响.土壤F垂向空间变化不显著,其垂向变化主要受土壤有机碳、质地等土壤理化性质的垂向分布影响.表层土壤F的贫化富集主要受地质背景成因控制,人为因素(农业灌溉水、施肥和大气干湿沉降)等外源输入影响其异常的空间分布.区内土壤F含量与地貌环境“标志性”指标Al₂O₃、 Fe₂O₃、 MgO和K₂O含量,土壤有机碳(Corg.)、阳离子交换量(CEC)...     

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。     

丹江口水库新增淹没区农田土壤重金属生态危害评价

为研究丹江口水库新增淹没区农田土壤重金属污染状况,通过野外调查,采集169个土壤样品,分析了土壤中7种重金属(Cr、Cd、Pb、Ni、Zn、Cu、As)的污染特征和空间分布,并采用I_geo(地质累积指数)法对土壤重金属进行生态危害评价. 结果表明:w(Cr)低于河南省土壤环境背景值,w(Cd)、w(Pb)、w(Ni)、w(Cu)、w(As)、w(Zn)均高于河南省土壤环境背景值,其中,w(Cr)比河南省土壤环境背景值低18.90 mg/kg,w(Zn)比河南省土壤环境背景值高11.21 mg/kg,w(Cd)则为河南省土壤环境背景值的16倍. 空间分析表明,河南省淅川县、湖北省丹江口市附近的库区以及河南省九重镇、盛湾镇库周的土壤重金属质量分数较高,而其余区域较低;I_geo法评价结果表明,Cd是丹江口水库新增淹没区主要的污染元素,Cr、Pb、Ni、Zn、Cu、As则处于无污染水平.      

宁夏土壤中PAEs污染特征及健康风险评价

采集宁夏全区6种不同土地利用类型共87个土壤样品,使用气相色谱-质谱联用检测方法（GC-MS）检测了土壤中16种邻苯二甲酸酯（PAEs）化合物的含量,分析了不同土地利用类型土壤中PAEs污染特征和组成特征.基于主成分分析法对不同土地利用类型土壤中PAEs的可能来源进行了探讨,采用普通克里金插值法对PAEs进行空间插值分析,利用健康风险模型评价了6种PAEs单体在覆膜耕地、园地、耕地土壤中的人群健康风险.结果表明：宁夏不同土地利用类型土壤中∑₁₆PAEs含量范围为84.3~8728μg/kg,平均值为1500μg/kg,空间上表现出南北高,中间低的分布特征;在不同土地利用类型土壤中,DEHP、DnBP、DIBP是研究区土壤中最主要的污染单体,对∑₁₆PAEs总含量的平均贡献率分别为58.3%、13.9%、11.8%;主成分分析表明DnBP、DEHP、DIBP、DEP、DpHP、DMP单体之间、DBEP、BMPP单体之间具有正相关性,表明这些单体之间具有可能相似的来源;人体健康风险评价表明,6种优先控制化合物对成人和儿童产生的非致癌风险值均<1,未超过美国环保署（EPA）推荐的非致癌风险水平,对于DEHP和BBP单体,成人和儿童通过非饮食途径的致癌风险未超过美国EPA推荐的致癌风险水平,而在饮食途径下成人和儿童的致癌风险值分别为7.91×10^-6和3.08×10^-6,超过EPA推荐的致癌风险水平,应引起重视.