基于序贯高斯模拟的日最低气温空间不确定性评估

明确日最低气温对于评估低温对作物的危害、指导人们及时采取补救措施、保障粮食安全具有重要意义.克里格是近地面温度场插值的主流方法,但其平滑效应会导致低值区域被过高估计而高值区域被过低估计.对2011年12月12日冷空气影响下的海南岛日最低气温,采用交叉验证法评估了普通克里格和带漂移的克里格两种插值法的预测精度;并对克里格插值法和序贯高斯模拟法产生的当日海南岛最低气温的空间分布进行对比分析.结果表明：带漂移克里格法的预测精度（r=0.86）并不显著优于普通克里格法（r=0.86）;序贯高斯模拟能产生多个等概率的符合数据整体分布和方差函数的模拟结果,模拟结果克服了克里格插值的平滑效应,能够比克里格插值更加真实地反映当日最低气温的空间分布;在低温区域,气温变化小,序贯高斯模拟结果的条件方差小于普通克里格方差;潜在寒害区的空间不确定性能够通过多个序贯高斯模拟实现并加以量化.序贯高斯模拟在低温导致农业气象灾害的评估中具有较高的应用价值.
     

利用辅助变量对污染土壤锌分布的克里格估值

采用协同克里格及与回归相结合的克里格方法,以36个下层(10～20 cm)土壤锌数据为目标变量、另36个下层土壤锌数据为校验数据、72个上层(0～10 cm)土壤锌为辅助变量,对沈阳市南郊某有色金属加工厂附近农田0.1 mol·L^-1 HCl浸提态土壤锌进行插值分析,并对这两种利用辅助变量的克里格方法在土壤锌空间分布研究中的适用性进行评价.结果表明,与回归相结合的克里格的估值效果明显优于协同克里格及普通克里格法.结合回归模型的变异函数理论模型决定系数较大、残差较小,估值精度比普通克里格法提高4%,且基于回归克里格的土壤锌分布图与利用72个样点普通克里格插值图具有高度的相似性.而协同克里格与普通克里格相比未表现出明显优势.借助辅助变量,采用基于回归模型的克里格方法是进行土壤重金属空间分布估值的一种有效方法.     

农田表层土壤镉的典型空间插值方法对比研究

空间插值对于土壤重金属空间分布和污染评价具有重要意义, 以广东省广州市某地区农田表层土壤重金属镉的调查监测结果为例, 选取具有代表性的反距离加权、径向基函数、普通克里金、简单克里金、泛克里金5 种空间插值方法, 进行空间插值及土壤等级划分, 比较不同插值方法结果精度, 分析不同插值方法结果差异。研究结果表明: 不同插值方法识别的土壤镉浓度空间分布特征和土壤等级划分存在差异, 主要体现在局部极值向外过渡区域存在较大不确定性, 其中径向基函数精度最高, 克里金插值法对数据存在“压缩”效应较强。因此, 在开展土壤重金属污染调查时应考虑土壤重金属样本数据特征和空间结构特征, 选择合适的插值模型, 并适当加大土壤重金属浓度过渡区域采样密度。     

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.     

综合土地利用及空间异质性的土壤有机碳空间插值模型

土壤有机碳库是陆地碳库的重要组成部分,土壤有机碳库及其动态变化对陆地生态系统碳循环有着重要的影响.土壤有机碳密度(SOCD)是土壤碳储量的重要参数,也是评价农田土壤质量的重要指标,准确预测区域SOCD空间分布对发展精确农业有重要意义.本文使用江汉平原地区242个农田土壤样本数据,探究平原地区土地利用类型对SOCD空间分布的影响,以及当SOCD空间分布规律呈现空间异质性且存在空间异常值的情况下,虚拟变量回归克里格法(DV_RK)、均值中心化克里格法(MC_OK1)和中位数中心化克里格法(MC_OK2)这3种结合土地利用的克里格法在SOCD空间预测中的应用.结果表明: 土地利用方式的差异是研究区水田和水浇地SOCD存在空间异质性的原因之一,导致SOCD存在空间非平稳特征,降低了普通克里格法(OK)的预测精度;而DV_RK、MC_OK1和MC_OK2在消除了由土地利用引起的SOCD空间异质性对建模的影响后,模型的稳定性提升,其预测精度均高于OK,其中,MC_OK2的模型可靠程度、预测精度和对SOCD总方差的解释能力最优.因此,土地利用类型作为易获取的辅助变量,可以有效减弱空间异质性和空间异常值对SOCD空间插值的影响,提升模型精度,降低不确定性,并与MC_OK2结合生成更高精度的SOCD空间分布图,帮助揭示SOCD空间分异规律,指导农业生产.     

长三角平原区县域土壤磷素流失风险及其空间不确定性的快速评估

磷素是水体富营养化的关键限制因子,其中从农田土壤中流失的磷往往是水体磷素的主要来源。然而,土壤磷素的流失风险不仅与土壤磷素水平直接相关,其他环境因子,如距受纳水体距离、磷肥施用量、地表径流潜力等也强烈影响其流失风险。同时,基于有限样本预测得到的流失风险必然具有一定的空间不确定性。以长三角典型县域金坛区为研究案例,首先结合多个环境因子构建快速磷指数(RPI)评估模型,再利用稳健地统计学方法识别土壤全磷的空间离群值,并利用序贯高斯模型(SGS)模拟土壤全磷可能的空间分布格局,最后将其多个可能的模拟结果及上述主要因子输入到RPI模型,用以快速评估土壤磷素流失风险及其空间不确定性。结果显示,金坛区土壤磷素流失的高风险区和土壤全磷高值区分布格局在研究区北部、中部具有一定的相似性,而在中西部的旱地区两者出现差异性。高风险区主要沿着河流呈现条带状及斑块状分布,较高及以上风险区(快速磷指数值大于0.93)的面积占金坛区面积的65.88%。概率阈值分别设定为0.50、0.75、0.85、0.95时,其超标面积占金坛区总面积分别达到16.71%、5.74%、2.84%、1.04%。引入多个相关环境因子并结合经稳健处理的SGS进行流失风险指数的空间模拟和不确定性评估,可以快速评估区域农田土壤磷素流失风险及不确定性,进而为区域土壤磷素调控提供必要的空间决策支持。     

青山水库表层沉积物重金属污染特征及生态风险评价

在位于浙江省临安市的青山水库采集了具有代表性的8个样点的表层沉积物样品,分析比较了样品中As、Cr、Cu、Ni、Mn、Pb、Zn等7种重金属总量的差异,采用BCR连续提取法对重金属不同形态(酸提取态、可还原态、可氧化态、残渣态)进行分析.采用地积累指数法(I_geo)和Hakanson潜在生态风险指数法,对青山水库不同采样点表层沉积物中重金属的污染程度和潜在毒性与生态风险进行评价.结果表明: 青山水库表层沉积物重金属污染程度存在明显的空间差异,流经城区和工业园区的青山水库支流入库河口附近的表层沉积物重金属含量明显高于其他采样点.青山水库表层沉积物7种重金属中,Mn主要以酸提取态存在;Cu和Pb主要以可还原态形式存在;As主要以残渣态形式存在.流经城区的支流入库河口附近表层沉积物还原态和酸提取态重金属比例较高,对水生生物有一定的毒性风险.8个样点的表层沉积物7种重金属中,以As污染程度最高,潜在生态风险最大,其次是Cu、Ni、Mn、Pb和Zn,均处于轻度污染状态,而Cr处于清洁水平,潜在生态风险较低.不同采样点比较发现,分别流经城区的锦溪和工业园区的横溪入库河口附近表层沉积物重金属污染程度和潜在生态风险明显高于其他采样点.     

我国农田生态系统重金属的循环与调控

本文系统分析了我国农田土壤重金属的含量状况,探讨了农田生态系统中重金属的输入、输出及其平衡.农田生态系统中重金属存在一定的累积效应,但整体上超标风险较小,而部分作物、特别是蔬菜可能存在一定的超标风险.在采矿区和冶炼厂周边地区,以及废弃物利用强度较大的农区,土壤和作物中重金属超标的风险较大,是普通农区的十倍甚至数十倍以上.针对我国农田重金属污染现状,提出了调控农田生态系统重金属循环的有效措施,并对相关领域今后的研究进行了展望.     

北方农牧交错带沽源农田-草地界面土壤水热空间特征

农田-草地景观界面是我国北方农牧交错带景观组成部分,研究该界面生态特征的格局和过程是完善北方农牧交错带研究的热点领域.首次采用地统计学方法中的半变异函数、克里格插值估计、空间分布图等方法研究北方农牧交错带河北沽源地区的农田-草地界面(CGB)土壤水热的空间异质性和界面空间效应.结果表明:根据不同尺度下的土壤水热空间异质性各参数的变化趋势确定较为合理的采样粒度为 0.5m×0.5m;农田-草地界面0～20cm土层土壤含水量为中等变异,土壤温度为弱变异,不同采样粒度空间结构特征定量研究得到土壤水分变程范围(A_0)为2.93～15.4m,且为中到强度的异质性程度(MSH),土壤温度变程为3.75～20.99m,表现为强空间异质性;验证在农田-草地边界向两侧的一定范围内土壤水热存在过渡型界面效应,且具不同的生态梯度.该研究结果是认识农田-草地界面和进一步开展该界面功能研究的基础,对深入研究北方农牧交错带农田-草地界面非生物水热界面具有重要意义.     

禹城市耕地土壤盐分与有机质的指示克里格分析

针对目前黄淮海平原盐渍土改良区存在的土壤盐碱、瘠薄等障碍问题,以该区域典型县域禹城市为研究对象,综合运用GIS和非参数地质统计学的指示克立格法,对0-20 cm深度的耕地土壤盐分和有机质的空间变异性进行了分析,并给出了土壤盐分和有机质满足一定阀值条件的概率分布图。结果表明,土壤盐分和有机质采用指示克里格方法都可以获得较为稳健的变异函数;受结构性因素与随机性因素共同影响,它们的指示半方差均表现为中等强度的空间自相关性,且单元指示克里格与多元指示克里格插值结果表明,土壤盐分、有机质的概率分布存在空间上的规律性与相似性;在空间分布上,研究区域土壤盐分含量高和有机质含量低的高概率区域主要分布在西北部的张庄镇、西部的房寺镇以及南部的莒镇乡等地区,该区域有一定的次生盐渍化风险;而土壤盐分含量高和有机质含量低的低概率分布区域主要分在徒骇河流经的河滩高地,土壤类型为褐土化潮土,是研究区域的主要高产区,基本无盐渍化。研究获取的综合指示概率分布图和概率风险评价对土壤可持续利用管理具有重要意义,为区域土壤质量的提高和土壤障碍因子消减提供参考。     

Spatial Distribution and Uncertainty Assessment of Potential Ecological Risks of Heavy Metals in Soil Using Sequential Gaussian Simulation

The objective of this study is to assess the spatial distribution and uncertainty of the potential ecological risks of heavy metals in soil using sequential Gaussian simulation (SGS) and the Hakanson potential ecological risk index (PERI). We collected 130 soil samples in an area of 150 km² in the High-Tech Park of Wuhan, China, and measured the concentrations of five heavy metals in soil (i.e., Cd, Cr, Cu, Pb, and Zn). We then simulated the spatial distribution of each heavy metal using SGS, and calculated Hakanson PERIs for individual metals and multiple metals based on the simulated realizations. The spatial uncertainty of the Cd PERI and its occurrence probabilities in different risk grades were further assessed. Results show that the potential ecological risks of Cr, Cu, Pb, and Zn are relatively low in the study area, but Cd indeed reaches a serious level that deserves much attention and essential treatment. The total PERI of multiple heavy metals indicates a moderate grade in most of the study area. In general, combining SGS and the Hakanson PERI appears to be an effective method for evaluating the potential ecological risks of heavy metals in soil and the priority areas for remediation.     

鸭绿江口湿地滩涂表层沉积物重金属空间分布特征及生态风险评价

利用GIS软件空间内插值法分析鸭绿江河口近海湿地滩涂表层沉积物重金属的空间分布特征,并采用环境风险指数法和潜在生态危害指数法进行重金属元素的生态风险评价.结果表明: 研究区表层沉积物中的重金属含量与国内典型河口湿地相比处于较高水平.从空间分布上看,重金属含量东部高于西部,在人类活动密集区存在明显的累积性.环境风险指数法分析结果表明,Cu对该区域环境污染的影响最大,而Hakanson潜在生态危害指数法分析结果表明,Hg和Cd的潜在生态危害最大,重金属的综合潜在生态危害指数介于93.65～507.20,平均值为189.30,属于中等生态危害,并以东部潜在危害程度最大,应作为今后重金属污染防治的重点区域.     

防城港临时性海洋倾倒区沉积物重金属污染现状及其生态风险评价

对防城港临时性海洋倾倒区表层沉积物重金属的含量和分布进行了对比分析,并采用污染指数法和Hakanson潜在生态风险指数法对其重金属的污染特征及潜在生态风险程度进行了评价。结果表明,倾倒区沉积物Hg、Pb、As和Zn的含量显著性升高;总体污染程度为中等污染,各重金属元素的污染程度由高到低排序依次为As(3.59)>Hg(2.19)>Pb(1.42)>Zn(1.20)>Cu(1.05)>Cd(0.91),其中As是主要污染因子;该海域表层沉积物重金属总体潜在生态风险程度为中等,各重金属元素的潜在生态风险程度由高到低排序依次为Hg(87.74)>As(35.89)>Cd(27.27)>Pb(7.08)>Cu(5.23)>Zn(1.20),其中Hg为主要潜在生态风险因子。     

Heavy Metal Contamination in the Water-Level Fluctuating Zone of the Yangtze River within Wanzhou Section,China

The distribution, potential ecological hazards, and homologous relativity of heavy metals in the water-level fluctuating zone (WLFZ) of the Yangtze River within the Wanzhou Section (YRWS) were investigated. The heavy metal content (Cd, Cu, Cr, and Ni) of the surface soil was analysed via atomic absorption spectroscopy. The potential ecological hazards of the heavy metals in the WLFZ soil of YRWS were also evaluated using the classical Lars Hakanson potential ecological risk index method, and the relevance of the heavy metals in the soil was investigated. The average Cd, Cr, Cu, and Ni concentrations were 2.14, 35.43, 18.47, and 34.52 mg/kg, respectively. The Cd and Ni contents in the soil exceeded the reference values in China by about 28.6- and 1.1-fold, respectively. Correlation analysis shows a highly significant correlation between Cd and Cr, indicating that their sources were the same. The major pollutant was Cd, which reached a very strong ecological hazard level. The potential ecological risk individual coefficients of the four heavy metals were ranked as follows: Cd (802.61) > Cu (4.43) > Ni (4.15) > Cr (1.23). The risk levels in the different regions were ranked as follows: Zhuxi River > mainstream > Mixi valley. The potential ecological risk in the WLFZ within the Zhuxi River was the highest among the regions and poses a certain health risk.     

新疆焉耆盆地辣椒地土壤重金属污染及生态风险预警

从新疆加工辣椒主产地(焉耆盆地)采集105个辣椒地典型土壤样品,测定其中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等8种重金属元素的含量。采用污染负荷指数(Pollution load index,PLI)、潜在生态风险指数(Potential ecological risk index,RI)和生态风险预警指数(Ecological risk warning index,I_(ER))对辣椒地土壤重金属污染及生态风险进行评价。结果表明:(1)焉耆盆地辣椒地土壤Cd、Cr、Ni、Pb和Zn含量的平均值分别超出新疆灌耕土背景值的1.65、1.40、1.32、3.21、6.42倍。辣椒地土壤Pb和Zn呈现重度污染,Cd、Cr和Ni轻度污染,As、Mn和Cu无污染。(2)土壤PLI平均值为1.40,呈现轻度污染。各重金属元素单项生态风险指数从大到小依次为:Cd、Ni、As、Cu、Pb、Cr、Zn。土壤RI平均值为18.40,属于轻微生态风险态势,IER平均值为-4.78,属于无警态势;博湖县辣椒地污染水平、潜在生态风险程度与生态风险预警等级最高,焉耆县污染水平、潜在生态风险程度与生态风险预警等级最低。(3)辣椒地土壤As、Cd、Pb与Zn主要受到人类活动的影响,Cr、Cu、Mn和Ni主要受到土壤地球化学作用的控制。Cd是焉耆盆地辣椒地生态风险等级最高的重金属元素,研究区农业生产过程中要防范Cd的污染风险。     

Pollution characteristics and ecological risk assessment of heavy metals in the surface sediments from a source water reservoir

Surface sediment samples were collected from a source water reservoir in Zhejiang Province, East of China to investigate pollution characteristics and potential ecological risk of heavy metals. The BCR sequential extraction method was used to determine the four chemical fractions of heavy metals such as acid soluble, easily reducible, easily oxidizable and residual fractions. The heavy metals pollution and potential ecological risk were evaluated systematically using geoaccumulation index (I_geo) and Hakanson potential ecological risk index (H′). The results showed that the sampling sites from the estuaries of tributary flowing through downtowns and heavy industrial parks showed significantly (p < 0.05) higher average concentrations of heavy metals in the surface sediments, as compared to the other sampling sites. Chemical fractionation showed that Mn existed mainly in acid extractable fraction, Cu and Pb were mainly in reducible fraction, and As existed mainly in residual fraction in the surface sediments despite sampling sites. The sampling sites from the estuary of tributary flowing through downtown showed significantly (p < 0.05) higher proportions of acid extractable and reducible fractions than the other sampling sites, which would pose a potential toxic risk to aquatic organisms as well as a potential threat to drinking water safety. As, Pb, Ni and Cu were at relatively high potential ecological risk with high I_geo values for some sampling locations. Hakanson potential ecological risk index (H′) showed the surface sediments from the tributary estuaries with high population density and rapid industrial development showed significantly (p < 0.05) higher heavy metal pollution levels and potential ecological risk in the surface sediments, as compared to the other sampling sites.     

江苏省典型区农田土壤及小麦中重金属含量与评价

为了研究江苏省典型区地震带农田土壤和小麦中重金属的污染,在具有代表性的农田采集收获期小麦及耕层土壤,分析和评价了土壤和小麦中重金属Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、Hg、As和Zn的含量及污染程度。结果表明,土壤样品中Cd、Zn、Pb的含量均超过江苏省土壤背景值,Cr、Cu、Ni和As分别有25.64%、97.44%、92.31%和92.31%的土壤样品中超过江苏省土壤背景值,Hg的含量均在背景值以下;与国家土壤环境质量标准(GB15618—1995)中Ⅱ级标准相比,Cd的含量均超出标准限值,其它7种重金属元素含量均在标准限值以下。土壤中重金属相关分析表明,Cd、Cu、Cr、Ni、Pb、Zn、As具有相同的来源的可能性较大,而Hg与Cd、Cu、Cr、Ni、Pb、Zn、As的来源均不相同。以NY 861—2004为评价标准,小麦籽粒Pb、Cr、Hg、Ni、As样品超标率分别为100%、58.97%、33.33%、10.26%、2.56%,Cu、Zn和Cd没有样品超标,由此可见小麦籽粒中Pb的污染最为严重。采用单因子污染指数法、综合污染指数法和Hakanson潜在生态评价指数法以国家土壤环境质量标准(GB15618—1995)和江苏省土壤背景值为参比值,对农田土壤重金属污染进行评价,结果显示,从单项污染指数来看只有Cd达到重度污染水平,其它元素均在安全范围以内,从综合污染指数来看土壤重金属污染达到中度污染水平,从潜在生态评价指数法来看,研究区域表现为很强的生态危害,并以Cd为主要污染因子。     

Assessment of Heavy Metals Contamination in Agricultural Soil of Southwestern Nile Delta,Egypt

The spatial and vertical distributions of heavy metals were quantitatively determined for organic-rich agricultural soils in the Southwestern Nile Delta. This study aims to undertake an assessment of heavy metals contamination in the soils of Quessna district using the inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy, remote sensing, and geographic information system techniques. In this study, 24 soil samples were collected at 12 sites representing the main suburbs in the Quessna district. The concentrations of the studied metals decreased in the order of Zn > Cr > Pb > Cu > Ni > Co. The contamination degree and ecological risk assessment for metals in soil samples were evaluated using the enrichment factor, geoaccumulation index, improved Nemerow's pollution index, Pollution load index, and potential ecological risk index. The spatial and vertical distribution of heavy metals concentrations were affected by soil properties such as clay and organic matter content and scavenger metals (Fe and Mn). The intensive urbanization, industrial activity, and agricultural practices are thought to be the main anthropogenic sources of heavy metals contamination. Further studies especially human health risk assessment are recommended to investigate possible risks for humans from heavy metals in this area.