Comparison of ordinary and lognormal kriging on skewed data of total cadmium in forest soils of Sweden

Spatial statistical analysis of georeferenced data of total cadmium (TCd) in forest soils of Sweden was assumed to providemore advantageous maps than traditional interpolated maps. However, 264 measurements of TCd in O-horizon of forest soils displayed skewed frequency distribution. Since atypicalobservations affect badly the variogram, outliers wereidentified, different data transformations were tested andordinary (OK) and lognormal kriging (LK) scenarios werecompared based on cross-validation. Results were comparedusing overall measures of predictors, e.g. traditionalmean squared prediction error (MSPE), mean of krigingvariances, variance ratio, median of internallystandardised residuals, and assessments of classificationaccuracy, such as percentage of correctly predictedsamples and within-class MSPE.One outlier was identified based on the absolute value of skewness of value differences less or equal to one in data pairs separated at certain lag classes. Mapping categories characterised by percentage of correct classification and within-class MSPE were found to be essential in comparison of kriging results additionally to the overall measures. In comparison of kriging methods, OK predicted high values moreaccurately and LK was more effective to predict low and mediumvalues. Thus, OK was suggested for mapping high concentration of TCd and other pollutants. Percentage of correctly predictedsamples and within-class MSPE were found to be dependent on kriging method, as well as on the number and limits of categories.     

珠三角区域PM2.5时空变异特征

珠三角区域PM_2.5污染严重,以 2012年9月─2013年8月62个大气监测站的PM_2.5联网数据为基础,采用地统计学方法定性、定量分析了该区域ρ(PM_2.5)的时空变异特征. 定性分析结果表明,基底效应在0.12~0.30之间,相应ρ(PM_2.5)变异属于以结构性变异为主的Ⅰ、Ⅱ类,对应的空间自相关程度为强、较强,说明珠三角区域的ρ(PM_2.5)分布差异主要由区域结构所致. 定量分析结果表明:①空间自相关距离受气象因素影响,随方向和时间在51~85 km之间变化,东西方向的影响距离(75~85 km)最大. ②ρ(PM_2.5)在南北方向的变异幅度指数(0.34~0.70)和变异速度指数〔0.14~0.38 μg/(m3·km)〕在各方向中均为最大;而东北─西南方向的2个指标则均为最小,其中变异幅度指数为0.25~0.42,变异速度指数在0.13~0.34 μg/(m3·km)之间,即南北方向的ρ(PM_2.5)变化大于其他方向.③综合异质指数介于0.14~0.54之间,说明ρ(PM_2.5)总体保持在中等异质水平. 鉴于珠三角区域ρ(PM_2.5)的空间变异特征,在进行监测站布设时,矩形网格相较于方形网格更适合于对该区域地理空间进行划分,其中网格的长为东西方向平均空间自相关距离(78 km)的2倍,宽为南北方向平均空间自相关距离(56 km)的2倍.      

土壤-水稻系统重金属空间异质性研究——以浙江省嵊州市为例

在嵊州农产品产地共采集94对土壤-水稻样品,研究重金属在土壤-水稻系统的污染特征及空间异质性.结果表明,土壤重金属Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分别为0.20、28.64、27.03、38.51和98.74mg/kg,与背景值相比较,这些重金属在研究区均有不同程度的累积,局部污染严重,但是水稻重金属没有超过国家规定的食品安全标准,仍处于安全水平.土壤重金属Cd、Cu、Ni、Pb和Zn都属于中等程度变异,其变异系数分别为45.00%、46.65%、81.54%、18.07%、32.47%.地统计学和局部Moran's I指数结果可识别出这五个重金属的污染分布情况.土壤Cd、Cu、Ni和Zn的空间分布较为相似,基本为东西部含量较低,中部较高,这与工业活动和其他的人为活动有关.土壤-水稻系统重金属的迁移、吸收主要受土壤重金属含量和土壤理化性状的影响.从长远来看,重金属污染对当地生态和居民健康仍有潜在的威胁.     

关中盆地县域农田土壤碱解氮空间分异及变化研究

论文以陕西省兴平市为例,采用2009年实测的耕层土壤碱解氮数据,运用地统计学结合GIS技术,建立其最佳半方差函数模型,分析关中盆地农田土壤碱解氮的空间特征、丰缺状况及其含量变化,为土壤培肥和农业生产提供理论基础。结果表明:研究区土壤碱解氮含量介于7.70~82.60 mg·kg^-1,多集中在30~40 mg·kg^-1,平均37.76 mg·kg^-1,较第二次土壤普查下降28.62%。在间距约300 m的采样尺度下,最优理论模型为指数模型,表现为弱的空间相关性,施肥管理、种植制度等随机因素起主导作用。含量高低区域分布明显,大致呈中间高四周低格局。72.67%的农田氮素缺乏,27.33%的农田氮素含量中等。近30 a,原土壤碱解氮1~3级农田区含量显著下降,原5、6级区有所改善,整体集中于4级水平。应进一步实地考察分析具体障碍因素,积极采取分区"补氮"措施。     

Spatial interpolation of air temperature using environmental context: Application to a crop model

The air temperature is one of the main input data in models for water balance monitoring or crop models for yield prediction. The different phenological stages of plant growth are generally defined according to cumulated air temperature from the sowing date. When these crop models are used at the regional scale, the meteorological stations providing input climatic data are not spatially dense enough or in a similar environment to reflect the crop local climate. Hence spatial interpolation methods must be used. Climatic data, particularly air temperature, are influenced by local environment. Measurements show that the air above dry surfaces is warmer than above wet areas. We propose a method taking into account the environment of the meteorological stations in order to improve spatial interpolation of air temperature. The aim of this study is to assess the impact of these corrected climatic data in crop models. The proposed method is an external drift kriging where the Kriging system is modified to correct local environment effects. The environment of the meteorological stations was characterized using a land use map summarized in a small number of classes considered as a factor influencing local temperature. This method was applied to a region in south-east France (150×250 km) where daily temperatures were measured on 150 weather stations for two years. Environment classes were extracted from the CORINE Landcover map obtained from remote sensing data. Categorical external drift kriging was compared to ordinary kriging by a cross validation study. The gain in precision was assessed for different environment classes and for summer days. We then performed a sensitivity study of air temperature with the crop model STICS. The influence of interpolation corrections on the main outputs as yield or harvest date is discussed. We showed that the method works well for air temperature in summer and can lead to significant correction for yield prediction. For example, we observed by cross validation a bias reduction of 0.5 to 1.0°C (exceptionally 2.5°C for some class), which corresponds to differences in yield prediction from 0.6 to 1.5 t/ha.     

北京市顺义区浅层土壤硝态氮的空间变异特征分析

顺义是北京市的主要水源地和农业生产基地,研究氮素在顺义区土壤中的分布累积及空间变异情况,对于了解顺义区的土壤潜在污染,指导农业生产,预防面源污染等具有重要作用.因此,本研究应用传统统计学方法和基于GIS的地统计学法研究了顺义区不同地点各土层土壤中硝态氮的空间分布特征.结果发现,地统计分析过程中,在考虑各向异性和趋势效应的情况下,各土层土壤硝态氮含量均具有空间相关性,理论变异模型主要为球状模型和指数模型.同时,选用普通Kriging插值法得到了各土层土壤硝态氮的空间分布图,并对其空间分布特征进行了分析.结果表明,研究区不同土层硝态氮空间分布状况各异,潮白河东部土壤硝态氮含量高于潮白河西部.     

科尔沁沙地退化植被恢复过程中土壤有机碳和全氮的空间异质性

采用地统计学分析方法研究了沙地退化植被恢复过程中(封育0 a的流动沙丘、封育11 a的流动沙丘和封育20 a的流动沙丘)土壤有机碳和全氮的空间异质性,探讨了它们与植被恢复演替和地形特征变化的关系.结果表明,随着流动沙丘的固定和封育年限的增加,植被盖度、丰富度、物种多样性、土壤有机碳和全氮含量(0~20 cm)逐渐增加.在流动沙丘植被恢复过程中,土壤有机碳和全氮的结构方差与基台值的比值C/(C0+C)均大于65%,反映出它们具有明显的空间自相关性;土壤有机碳和全氮含量的空间自相关范围分别为58.39 m和91.00 m(封育0 a)、28.59 m和23.61 m(封育11 a)和63.31 m和61.05 m(封育20 a).由半方差函数及其参数和空间分布格局图分析表明,其空间异质性在所研究的尺度上表现出先增大(封育0~11 a)后减小(封育11~20 a)的变化特点.沙丘植被恢复过程中植被盖度、丰富度、物种多样性与土壤有机碳和全氮均有极显著的正相关关系(p<0.01).分析表明沙丘植被变化和地形特征影响着土壤有机碳和全氮在沙丘上的空间分布,沙丘植被恢复演替过程极大地影响了土壤有机碳和全氮的积累及其空间异质性...     

闽江福州段沉积物中多环芳烃的空间分布异质性研究

多环芳烃(PAHs)是环境中一类典型的持久性有机污染物,为探明PAHs在闽江福州段沉积物中的空间分布规律,采用传统统计学和地统计学相结合的方法对PAHs的空间异质性进行了研究.结果表明,PAHs含量变异系数(CV)在39%～90%之间,属于中等强度变异.3环PAHs含量的块金值与基台值之比[C0/(C+C0)]为0.307,具有中等强度的空间相关性,其余不同环数PAHs以及PAHs总量的C0/(C+C0)值都小于0.25,具有强烈的空间相关性.低环PAHs的分维数D值高于高环PAHs,空间异质性较高.3环及3环以上PAHs的Moran’s I系数随距离的增大而下降,且在0～25.0 km之间其空间自相关性随间隔距离的增大而减弱;而Moran’s I系数分析结果进一步说明了2环PAHs的空间变异特征的复杂性.受到水流影响,PAHs含量在南-北方向的半方差函数值与其它方向有所不同,但在东北-西南、东南-西北和东-西方向上的半方差函数值重合性较好,近似各向同性.用交叉验证法检验的结果表明,普通克里插值法能够很好地预测闽江福州段沉积物中PAHs的空间分布情况,PAHs含量沿水流流向大致呈下降的趋势.     

长三角地区农田土壤养分空间变异及养分综合评价

以浙江宁波三七市镇的一块面积为 2562 hm2 的农田为研究区域,运用地统计学与GIS相结合的手段和方法对其土壤养分的空间变异特征展开研究。结果表明,5种养分要素的空间变异函数曲线的理论模型符合指数模型;速效钾、有机质和pH值的C0/(C0+C)<25%,表现出强烈的空间相关性,碱解氮和有效磷的C0/(C0+C)为25%~75%,具有中等的空间相关性。通过Kriging插值并依据养分的分级标准,所得的空间变异图能很好地反映农田土壤养分的空间变异特征和丰缺状况,几种养分要素中,碱解氮、有效磷和有机质含量总体丰富,而速效钾的含量处于中低水平,pH值较低,土壤呈现酸性。利用主成分分析结合空间插值的方法,还可以对研究区的土壤养分的综合状况进行评价。研究结果可为当地以及长江三角洲同类型地区在科学施肥、实行养分的分区管理以及农业面源污染的控制方面提供一定的科学依据和借鉴参考。     

民勤地下水水化学特征和矿化度的时空变化

为了遏制民勤生态环境恶化的趋势,促进石羊河流域经济社会的可持续发展,当地政府2001年和2006年分别开始实施了关井压田节水措施和石羊河下游放水工程.以此为背景,于2008年采集65个民勤地下水水样,对地下水中的主要离子含量进行测试分析,利用传统的统计学分析方法研究了地下水的水化学特征.结果表明,民勤地下水中SO42-、Cl-、HCO3-、CO32-、Na+、Mg2+、Ca2+和K+浓度分别为(921±1 042)(、241±211)(、282±123)、(4.7±11.7)(、468±599)、(156±166)(、142±89)和(17.6±34.5)mg/L,沿地下水水流方向,它们的浓度均呈现增加的趋势.2008年民勤地下水矿化度为(2.2±1.9)g/L;地下水的类型主要属于SO42--Cl--Na+-Mg2+型水.地下水中NO3-的平均浓度为(8.1±9.9)mg/L,有1.54%的水样中硝态氮含量超过了国家一级饮用水标准.结合2002年和2005年同期的矿化度资料,利用地统计学方法,对民勤2002年以来矿化度的时空变异规律进行了研究.矿化度的Kringing插值结果表明,在空间分布上,矿化度呈从南...