基于arcgis与分形理论确定土壤重金属异常下限值——以喀斯特小流域cd为例

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1、基于ArcGIS与分形理论确定土壤重金属异常下限值——以喀斯特小流域Cd为例宋书巧，胡伟（广西师范学院地理科学与规划学院，南宁530001）摘要：土壤重金属元素异常下限值的确定对区域土壤环境评价具有重要意义，本研究基于ArcGIS技术与分形理论对喀斯特小流域土壤重金属Cd元素的异常下限值进行研究，通过含量－面积方法确定了喀斯特小流域土壤重金属Cd元素异常下限值为1．07mg/kg。通过与传统方法（平均值加两倍标准离差）和85％累计频率法进行对比，表明分形方法确定的异常区域是有效的、合理的。.jyqkingMinimumThresholdsofHeavyM

2、etalsinSoilBasedonArcGISandFractalMethod——TakingCdinKarstBasinasanExampleSONGShu－qiao，HUandelbort）首先提出的［1］，分形理论目前已经成为定量描述地理和环境现象的有力工具。用分形理论刻画自然界中一些不规则、不稳定或具有高度复杂结构的现象，能够以少量数据描述总体情况［2－4］。土壤具有不同程度的空间变异性，导致其分布的重金属元素也存在空间变异性。确定土壤重金属异常下限值是研究土壤重金属污染物空间分布特征的关键步骤之一。以往通过计算研究区域元素含量平均值与2倍标准

3、离差之和作为元素的地球化学异常下限值，这种方法对土壤重金属元素异常下限的判断，往往不能准确地反映土壤中重金属元素异常状况［5－7］。地球化学数据是一个具有低维吸引子的混沌系统，背景和异常的形成是两个独立的过程［8］。利用分形方法研究区域土壤重金属含量的异常下限值是可行的。本研究以喀斯特流域为研究区域，计算流域内土壤重金属Cd含量异常下限值，并分析其合理性与有效性。1材料与方法1．1研究区域概况流域地处亚热带，属南亚热带季风型气候，日照充足，气候温和，雨量充沛，年平均气温在21．3℃，极端最高温度38．9℃，最低温度－0．7℃。流域面积106km2，最大流

4、量为69m3/s，正常流量为1m3/s。以县城为界，河流分为上、中、下游，县城位于中游。流域内分布着3种地貌，即东部喀斯特峰丛洼地、中部喀斯特岩溶谷地、西南部中低山地区，其中喀斯特地区占整个流域面积的75％以上。主要土壤有石灰土、水稻土、红壤，石灰土以棕色石灰土为主，石灰土分布占流域面积的75％以上。1．2样品采集与测定采用随机网格法取较为稳定地块的表层土壤（图1），每个采样单元内利用梅花布点法，采集0～20cm表层土的样品混合为一个样，共采集52个土样。采集后的土壤样品在室温下自然风干后研磨，过200目筛。处理好的土壤样品采用反王水和氢氟酸微波消解，利

5、用ICP－MS（VistaMPX，Varian，USA）测试样品Cd元素总量。所有样品均由广西地质矿产测试研究中心测试，土壤样品中Cd元素总量范围在0．10～33．00mg/kg之间。1．3研究方法C－A分形方法（浓度－面积法）是分形理论中用于计算土壤重金属元素异常下限值的方法之一。从分形理论来看，区域土壤重金属异常时，异常值可能遵循分形分布而不是正态或对数正态分布。符合分形分布的特点要求，大于等于元素的某一含量值与该含量值的分布范围（面积）存在幂函数关系，即［9，10］：N(a)∝a-D式中，a表示元素含量；D＞0，为分维数；N(a)∝N（≥a）表示含

6、量大于等于a的分布面积。区域土壤重金属元素含量异常，在双对数坐标下绘制含量与面积的散点图时，其散点大致分布在两条直线上，采用分段拟和的方法，在两个区间用最小二乘法进行回归分析，并用最优化方法确定分界点。这里所获得的分界点的地球化学意义可以看成是元素含量在空间上至少存在两个层次的分布，即小于分界点的含量为元素含量的背景分布，大于分界点含量为元素含量的异常分布，该点对应的值为元素含量分布的异常下限值［11－16］。C－A分形法难点在于计算不同元素含量对应的面积，这点可以通过在ArcGIS平台进行等值线的描绘、面积与含量的统计来解决，其具体过程如下：1）在Ar

7、cGIS软件平台中，利用普通克里金插值法将已经实测重金属元素含量数据进行插值处理并检验插值的正确性，然后生成重金属元素含量分布的栅格文件。2）利用ArcGIS等值线功能，使用重金属元素含量栅格文件生成线文件，再将线文件与研究区范围叠加生成等值面。3）对等值面进行条件检索，检索不同的a值（含量值），对大于等于所检索C值的等值线区域进行面积统计。4）不断重复上述步骤，选取不同的a的值，统计其等值线区域面积。5）对不同的a的值及其对应的面积数据取对数，进行最小二乘法拟和，其分界点对应的a的值即为元素的异常下限值。2结果与分析2．1C－A分形方法对异常下限值的确

8、定运用浓度—面积法对流域表层土壤中Cd元素的多维分形进行探讨，ArcGIS处理过