降水空间插值技术的研究进展

降水的空间分布信息在水资源管理、灾害预测预警和区域可持续发展研究等方面的地位已越来越重要。然而,空间降水插值却一直是个难题,影响降水的因素很多,如经度、纬度、高程、坡度、坡向、离水体的距离等,建立一个通用的降水插值模型几乎是不可能的。空间降水插值方法很多,优缺点和适用性不同。总体上,降水的空间插值方法有3类：整体插值法（趋势面法和多元回归法等）、局部插值法（泰森多边形法、反距离加权法、克里金插值法和样条法）和混合插值法（整体插值法和局部插值法的综合）。近年来,随着应用数学和人工神经网络技术的发展,很多新方法如BP网络、径向基函数网络等逐渐应用到降水插值中。另外,研究区域和时间尺度的不同决定了所选用的插值方法及模型不同;即使是同一种插值方法,应用于不同的研究区域,所取得的结果也不同。因此,应根据具体的研究区域的自然地理特征,选择不同的插值方法建立不同的插值模型。在各种插值方法中,兼具其它插值方法优点的混合插值法有利于提高降水插值的精度,是未来降水插值研究的一个发展方向。     

不同干扰程度下土壤有机质空间最优插值法研究

选择最优空间插值方法对明确不同干扰程度下干旱区土壤有机质空间分布规律具有重要意义。通过对新疆阜康市土壤采样分析,分别运用普通克里格法(Ordinary Kriging, OK)、反距离权重法(inverse distance weight, IDW)、径向基函数法(radial basis function, RBF)、局部多项式法(local polynomial, LPI)4种插值方法,描述不同人为干扰程度下干旱区土壤有机质空间分布特征,以探讨其最优空间插值方法。结果表明:①随干扰程度增加,土壤有机质含量降低,空间变异性由弱到中等,变异系数由9.27%增加至28.7%;同时,土壤有机质空间自相关性逐渐降低,从无人为干扰区、人为干扰区到重度人为干扰区分别呈强烈、中等、弱相关关系,即干扰程度越强受随机因素作用越大。②虽然4种方法的插值精度均随干扰程度的增强而降低。但OK法在空间结构性较强的无人为干扰区插值效果最好,R~2为0.625;在人为干扰区及重度人为干扰区RBF法的插值精度均最高,R~2分别为0.562和0.434。该结果为寻找适合于不同干扰程度下干旱区土壤有机质的空间插值方法提供一定的科学参考。     

三亚市果蔬地重金属空间分布及其污染评价

通过野外调查采样,采用标准对比法和地累积指数法,评价了三亚市果蔬地表层土壤重金属的污染状况。结果表明:土壤中Hg、Cd、Cr、Pb和As5种重金属的积累不显著,其平均值均未超过国家环境质量二级标准(GB15618-1995);但Hg、Cd和Pb的平均值高于海南岛农用地的自然背景值,表明存在区域轻度污染;Cr、Hg、Pb和As4种重金属元素的变异系数均>1,表明土壤中Cr、Hg、Pb和As的分布极不均匀。同时,利用地理信息系统(GIS)Krging插值方法得到了5种重金属的空间分布图,显示出不同重金属元素的空间分异特征,为三亚市果蔬地的可持续开发利用提供指导。     

北方农牧交错典型区土壤重金属空间分布及污染风险评价

随着农牧经济的快速发展, 大量重金属进入土壤, 使土壤结构和功能发生改变、土壤质量下降, 不仅影响农牧业的产量和品质, 最终会危及到人类的健康。选取北方农牧典型交错区扎鲁特旗作为研究区, 采集62个土壤表层(0-20 cm)样品, 测定了铜(Cu)和铅(Pb)两种重金属的含量, 采用简单克里金插值分析了重金属Cu和Pb含量的空间分布特征, 利用污染指数和潜在生态风险指数评价了重金属的污染及生态风险状况, 以及运用反距离权重插值法分析了潜在生态风险的空间分布特征。结果表明: 土壤Cu和Pb平均含量分别为24.28和19.54 mg·kg–1。Cu含量呈现由中心向四周辐射状递减, 其峰值主要分布于中部偏东位置, 低值主要分布于西北部区域; Pb含量呈现由西北向东南地区递增的趋势, 其区域变化较明显, 北部地区含量较少。农田Cu和Pb含量显著高于草地。土壤重金属含量的空间分布与年平均降水量、土壤有机碳、土壤容重有显著的相关性。Cu污染比较严重, Pb为轻度或中度污染, 综合潜在生态风险均在中等及以下, 风险区主要分布在中部。     

基于小流域尺度的土壤重金属分布与土地利用相关性研究——以厦门市坂头水库流域为例

人类活动改变流域集水区土地利用方式同时提高了土壤重金属水平,并影响地表水重金属负荷。以具有明确地理边界的流域作为研究单元可能实现计量区别不同人类活动或因其引起的土地利用方式对土壤重金属空间分布及其环境风险的贡献。但不同人类活动及其改变的土地利用方式对土壤和地表水重金属负荷的相对贡献研究缺乏可操作性方法论。以我国典型的山塘水库小流域—福建省厦门市坂头水库流域为例,结合遥感影像解译、野外土壤重金属水平调查和GIS地统计方法,针对小流域尺度土壤重金属空间分布及其环境风险与土地利用方式相关性研究进行方法论的探索。坂头水库流域覆盖205km2,土地利用类型有林地、农业用地、城镇用地、绿地和水面等5大类。按照不同土地利用类型覆盖面积为权重,以统计最小样本数为准则,在该流域内共采集150个表层土壤样品,针对6种具有人为源特征重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Cd)土壤总量及富集水平进行分析,以潜在生态风险指数评价流域土壤重金属风险,并结合土地利用类型分析了其空间特征。结果表明:与林地和绿地相比,城镇用地和农业用地表层土壤重重金属水平显著较高;土壤重金属富集水平及其潜在生态风险依次为:城镇用地农业用地绿地林地;城镇化加重了流域土壤重金属Cu、Zn和Cd的污染风险;土壤Pb富集水平与土地利用方式无关,可能为大气沉降来源;所有土地利用方式土壤Cr和Ni总量低于区域土壤背景值,但城镇用地的富集指数显著高于林地。基于土地利用方式的反距离加权空间插值(LU-IDW)也清晰地揭示了土壤重金属富集及其潜在生态风险与人类活动密切相关,尤其是城镇化。以野外调查结合遥感卫星图像解译和基于土地利用方式的空间插值的研究方法有效地揭示了研究流域土壤重金属的空间分布特征及其潜在风险评价空间模式,为小流域尺度的环境质量演变研究提供了方法论和案例。     

‘新选七叶’油菜对土壤3种重金属的吸收和累积特征

以‘新选七叶’油菜为研究对象,采用土培方法,研究在不同浓度重金属(镉、铅、汞)胁迫下,油菜对重金属的吸收和积累特征,并探讨重金属在土壤—蔬菜间的迁移情况。结果表明:不同重金属在植物不同部位的分布和积累规律存在差异,镉和汞在植株上的积累规律为根叶茎,而铅在植株上的积累规律为根茎叶。油菜根部对重金属的累积能力远高于茎和叶,根部对三种重金属的吸收富集能力为镉汞铅。油菜各部位重金属含量与土壤重金属浓度呈显著正相关(r20.859)。以蔬菜可食部位重金属含量的最大限量为标准(GB 15201-1994、GB 14935-1994、GB 2762-1994),计算得出土壤中对应的镉、铅、汞临界值分别为0.362、43.62、2.892μg/g。     

插值方法与样点数对县域土壤有效磷空间变异特征评价的影响

与欧美大规模农场经营不同,土地分散经营使我国县域土壤养分空间变异特征评价更加困难.本研究以安徽芜湖土壤有效磷为例,系统地评价插值方法与样点数对县域土壤养分空间变异特征评价准确性的影响.结果表明：局部多项式、普通克里格、简单克里格和析取克里格插值方法的评价效果优于反距离加权法、全局多项式、径向基插值和泛克里格等插值方法,考虑到实际操作简单,推荐用普通克里格方法进行县域土壤有效磷空间变异特征评价.随着参与空间插值样点数的增加,县域土壤有效磷空间变异特征预测的准确性增加,充分考虑评价的准确性和田间取样费用,建议县域土壤有效磷空间变异特征评价的适宜样点数应介于500～1000个.     

大兴安岭古利库砂金矿废弃地土壤重金属含量特征

矿产资源开采后形成大量废弃地已经成为土壤重金属污染主要来源之一。大兴安岭地区是我国砂金矿重要分布区,近百年的开采历史导致该地区遗留大面积的砂金矿采矿废弃地。然而,目前关于大兴安岭砂金矿废弃地土壤重金属污染情况的研究鲜见报道。本文以大兴安岭地区古利库砂金矿废弃地为对象,研究了砂金矿废弃地土壤重金属元素Hg、As、Pb、Cd和Cr的污染情况及分布特征,并采用内梅罗指数进行土壤重金属元素综合污染等级评价。结果发现:(1)与大兴安岭天然林相比,砂金矿废弃地土壤As、Cd和Cr含量分别增加83%、78%和101%;(2)在砂金矿废弃地不同位置,土壤Hg和Pb含量存在差异,而As、Cd和Cr含量差异不显著;(3)砂金矿废弃地土壤Hg、As、Pb、Cd和Cr含量均低于我国土壤环境质量一级标准值,土壤重金属污染综合评价等级未达到轻度污染等级。研究表明,大兴安岭砂金矿废弃地土壤重金属污染并不严重,今后在该地区砂金矿废弃地生态恢复建设中应该重点考虑土壤水分或养分限制问题。     

基于空间技术的烤烟种植生态环境综合评价分析

光照、气温、土壤类型、降水量、土壤含水量、海拔、坡度、重金属污染等自然生态环境对烤烟的分布、生长发育及品质有重要影响, 同时也是烤烟种植优化配置必不可少的基础信息。基于空间技术的烤烟种植生态环境综合评价分析的目的就是应用遥感、地理信息等空间技术, 实现烤烟种植区域生态环境信息的三维立体采集及烤烟种植生态环境适宜性空间分布信息评价。主要研究内容是分析影响烤烟种植及品质的生态因子, 应用ARCGIS空间分析功能获得海拔、坡度因子, 应用常规的遥感模型反演植被指数、地表温度、土壤含水量和太阳辐射因子, 应用Kriging插值加密地球化学数据建立烤烟种植生态环境综合评价指标体系。通过基于空间技术的烤烟种植生态环境适宜性等级空间分布优化分析结果与实验区烤烟种植示范基地和烤烟种植区域的调整结果进行对比, 可知该方法是有效的。     

基于序贯指示模拟的农田土壤重金属风险区域识别

农田土壤重金属的日益累积已对农作物安全、生态环境和人类健康造成严重威胁,高效、精确地识别农田土壤重金属风险区对农田的环境保护、污染预警和风险管控等有重要意义.以广州市增城区为研究对象,共采集204个农田土壤样点,测定了铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)、砷(As)和汞(Hg)7种重金属含量.针对实际采样数据中存在异常值与偏态分布,以及传统克里格法存在的平滑效应等问题,将序贯指示模拟引入农田土壤重金属的风险识别中,与常用识别方法进行比较,并根据Hakanson风险指数评价进行风险区划.结果表明:(1)对比普通克里格法,在精度相似情况下,序贯指示模拟法较为精细地模拟了重金属的空间分布,平滑效应低,预测的细节表现好;对比指示克里格法,其在划分风险区域时的不确定评估中准确度较高,其误判率仅为4.9%~17.1%,表明其能更好地适用于模拟农田土壤重金属的空间分布和风险识别;(2)增城区的农田土壤重金属均未超标,但在南部的极少数区域存在潜在中等风险,主要成因是包括企业生产、人类活动和河流沉积物等.本研究以序贯指示模拟为基础,有效克服了传统克里格法存在的异常值信息丢失和平滑效应问题,结合Hakanson风险指数法,为非均匀采样的土壤重金属空间风险的识别提供一种新的尝试.     

阜新市农田土壤重金属含量及其分布特征

通过对辽宁省阜新市城郊区县180处农田土壤的取样调查分析,初步了解了农田土壤重金属As、Cu、Zn、Ni的含量特征及其空间分布,并探讨了当地矿业开采活动对农田土壤重金属积累及空间分布的影响.结果表明,研究区域内农田土壤Cu、Zn和Ni的几何平均含量均高于背景值,且这3种重金属存在普遍累积的现象;不同种植类型土壤中,菜地土壤Cu、Zn、As含量显著高于粮田,且重金属积累更为明显;4种重金属的空间分布均呈城区高于郊县的趋势;重金属含量较高的区域与矿山开采区域基本重叠.研究区域内采矿活动是农田重金属的重要来源,同时畜禽养殖业所产生的畜禽粪便可能对农田土壤中Cu、Zn和As的增加有一定作用.当地农牧业生产和布局应适当考虑土壤污染的风险.     

东洞庭湖莲藕种植区土壤重金属污染及其对莲藕重金属含量的影响

通过对东洞庭湖莲藕种植区的野外调查, 揭示了土壤重金属污染的潜在生态风险及其对莲藕重金属含量的影响。土壤重金属镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)含量均高于洞庭湖背景值, 以Cd 污染最为严重, 潜在生态风险指数高, 属极重度生态风险级。莲藕干物质中重金属含量较高, 其中Cd、Pb 含量分别达到3.43 mg·kg^-1 和6.84 mg·kg^-1。不同种植区域之间, 莲藕重金属含量差异显著, 以君山区挂口镇的莲藕重金属含量最高。莲藕重金属含量的高低与土壤重金属含量呈显著正相关关系(P<0.01)。可见, 东洞庭湖莲藕种植区土壤重金属污染是导致莲藕重金属含量过高的直接原因, 建议在污染较重的区域, 减少莲藕种植, 开展土壤重金属污染治理, 引导莲藕产业健康发展。     

施用尿素对土壤中Cd、Pb形态分布及植物有效性的影响

采用室外盆栽试验,研究了在镉(25mg·kg-1)、铅(1000mg·kg-1)单一污染及其复合污染的土壤中,施用不同剂量尿素(0、100、200、400、800mg·kg-1)对小麦根际和非根际土壤镉、铅形态、小麦植物体镉、铅浓度的影响,为重金属污染土壤的防治提供依据。结果表明:增加尿素施用水平显著提高了小麦不同部位镉、铅浓度,尿素施用促进小麦对镉、铅的吸收与其对土壤中镉、铅形态分布的影响紧密相关,尿素施用引起土壤pH下降,提高土壤中交换态镉、铅含量,而交换态是最易被植物吸收利用的部分,这是尿素施用提高镉、铅植物有效性的主要原因;与单一污染相比,镉、铅复合污染抑制了小麦对铅的吸收,但促进了小麦对镉的吸收。     

某石油泄漏场地土壤二甲苯空间分布的三维插值

为精确界定污染场地中污染物三维空间分布范围,本文以中国某石油储罐泄露污染场地为研究对象,采用最近邻点法、反距离加权法及克里金法3种三维空间插值模型,对场地中特征污染物二甲苯进行三维空间插值计算及污染分布表征,比较不同插值模型的计算精度,揭示场地中实际受污染土方量。结果表明,反距离加权法预测平均误差为4.94,均方根误差为14.11,其精度明显高于另外2种模型,界定的污染分布范围较符合实际污染情况,通过该方法进行插值后计算受污染土方量为666.2 m~3。研究结果对该类型污染场地污染物空间分布表征和修复治理决策制定提供科学依据。     

某焦化场地土壤中多环芳烃分布的三维空间插值研究

为准确界定污染场地土壤中多环芳烃在3维条件下的污染分布范围和受污染土方量,选择我国某焦化污染场地苯并(a)芘分布为研究对象,对比研究Krig-3D、IDW-Shepard、IDW-(Franke/Nielson)以及Nearest Neighbor 4种3维插值方法对界定污染范围的不确定性影响。结果表明,不同3维插值模型计算结果差异较大,交叉验证结果显示Krig-3D插值模型插值精度最高,插值结果能较真实地反映场地实际污染情况。通过修复目标对比确定进一步表明,基于4种插值模型计算所得的污染土壤土方量分别为8.51×105、5.62×105、7.12×105、1.09×106m3,选择合理的插值模型将对预测污染范围的不确定性产生重要影响。研究结果对分析污染范围和修复治理过程土方量确定提供重要参考。     

废弃冶炼厂重金属镉向周边的扩散及其风险评价

废弃工矿区及周边地区重金属等污染物的生态风险隐患较高,了解其污染特征对防止污染源扩散十分关键。本研究按地形、水流走向等布点,采集了64个0～20 cm表层土壤样品,应用反距离权重插值(IDW)和数理统计相结合的方法,以及地累积指数评价法,探究湖南长沙某废弃冶炼厂重金属Cd向周边的扩散及土壤Cd污染的风险。结果表明:废弃冶炼厂周边土壤中有不同程度的Cd富集现象,其Cd含量在0.09～6.96 mg·kg-1,平均1.18mg·kg-1,超过当地土壤Cd背景值,是《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中风险筛选值的2.95倍,地积累指数平均值达中重度污染水平。IDW插值结果表明:污染高值区主要分布在调查区东部原废水排放小溪两侧,且与废弃冶炼厂距离越远,小溪两侧土壤的Cd含量逐渐降低;在沿风向分布上,亦有随冶炼厂距离越远土壤Cd含量越低的趋势;不同土地利用方式下,土壤Cd含量呈现为园地水田菜地裸露地。研究结果为工矿源重金属排放管理提供了依据。     

海州湾水质污染空间分布及来源

有效识别海州湾海域水质特征,可为其海洋环境的保护和管理提供决策参考。依据2009年12月33个站位的环境调查数据,采用聚类分析划分调查站位类别并识别其空间相似性,通过因子分析探讨海水主要污染源组成和空间分布特征。空间聚类分析显示,海州湾南北两侧污染状况存在区域差异性(南高北低),各入海河口影响区域可划分为不同类型,连云港滨海新区北侧和龙王河口北侧的污染类型与其他站位具有明显差异。因子分析表明,影响海州湾水质的主成分有4类,包括来自临洪河口的陆域污染影响(营养盐类、铜、锌),海洋工程活动对沉积物的扰动(铅、铜、锌),临洪河口和岚山港区的组合影响(溶解氧、汞)和特定区域污染(铬),其方差贡献率分别为47.4%、16.4%、13.9%和9.1%。分析结果表明,海州湾水质具有明显空间分布特性,海洋环境调查站位的布设需兼顾到不同类型区域,方能全面反映海洋水质环境现状。     

黄土高原年均降水量空间插值及其方法比较

采用不同空间插值方法(普通克里格法OK、反距离权重法IDW和径向基函数法RBF),对黄土高原地区85个气象站点1957—2013年逐日降水数据进行年均降水量空间插值分析,采用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、Pearson相关系数(R)以及准确度(AC)对插值结果进行对比,研究不同方法对该地区年均降水量插值结果的影响.结果表明:研究期间,黄土高原地区年均降水量的Moran I值为0.67,各站点年均降水量存在较强的空间自相关性.63个预测站点和22个检验站点的验证结果显示,3种方法的实测值和预测值均显著相关,但反距离权重法和径向基函数法的平均绝对误差(MAEIDW=38.98,MAERBF=34.61)和均方根误差(RMSEIDW=51.49,RMSERBF=43.79)均高于普通克里格法.通过普通克里格法的不同半变异函数模型(环形模型、球体模型、指数模型、高斯模型)对比发现,环形模型的平均绝对误差最小(MAE=32.34),准确度最高(AC=0.976),指数模型平均绝对误差最大(MAE=33.24).综合对比不同插值方法实测值与估算值的验证结果表明,采用半变异函数为环形模型的普通克里格法是进行黄土高原年均降水量插值较好的方法.     

基于局域模型的凉水国家自然保护区土壤全氮空间分布

以凉水国家自然保护区激光雷达数据为基础,建立数字高程模型,提取基本地形属性如坡度、坡向和复合地形属性湿度指数和相对径流强度指数等,在成土因素学说基础上,对全氮含量(TN)进行地理加权回归建模(GWR),同时运用反距离加权(IDW)、普通克里格(OK)和泛克里格(UK)对TN进行空间插值.结果表明： 对于研究区TN的预测,GWR模型预测精度(77.4%)高于其他3种空间插值方法,IDW预测精度(69.4%)高于OK(63.5%)和UK(60.6%)的预测精度.利用GWR模型预测研究区域土壤TN平均达到4.82 g·kg^-1;在高海拔、地形湿度大以及相对径流强的区域,土壤TN相对较高.对预测结果进行探讨发现,不同坡位、坡向的土壤TN也存在一定差异.因此,基于地形属性的局域模型是土壤属性空间分布预测的更为有效的方法.     

竹林土壤碳储量的空间变异分析：以四川长宁县为例

竹林在我国视为一种特殊的森林类型，固碳潜力大；然而竹林碳储量的估算具有较大的不确定性，这在一定程度上与竹林的异质性分布有关。与竹林植被碳储量的研究相比，关于竹林土壤碳储量空间异质性的研究较少。本文以四川长宁县竹林土壤为对象，基于实测数据采用地统计法(克里金插值法)开展竹林土壤碳储量的空间变异研究。四川长宁的竹林土壤碳密度在0～20 cm土层空间自相关程度低，在20～40和40～60 cm土层为中等强度空间自相关；空间自相关性随着土层深度的增加逐渐增大。竹林土壤碳密度克里金插值的最优插值邻域为1.5 km。随着土壤深度的增加，土壤碳储量不断减小，全县竹林0～60 cm土壤碳储量为2.45 Tg。空间分布显示，长宁南部土壤碳密度高值区呈片状分布，北部为块状镶嵌分布，总体呈现从南向北减少的趋势。相关分析表明，全氮、土壤湿度和植被指数是长宁县土壤碳密度的主要影响因子。本研究结果可为提高竹林土壤碳储量的估算精度以及竹林抽样设计、森林经营管理决策等提供重要依据。