基于GIS和地统计学的农田土壤重金属空间分析与模拟

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1、摘要摘要农田土壤重金属污染已经成为农业环境研究和保护的重点之一。开展区域农田土壤重金属含量的空间分析与模拟研究，对防治土壤重金属污染，提高土壤环境质量，保障人体健康等均具有重要的现实意义。本文以天津市武清区北部的10个乡镇为研究对象，在调查采样和分析测试的基础上，对5种土壤重金属元素(铜、锌、铅、砷和汞)的含量进行统计分析、半方差函数结构分析、方向效应分析和趋势效应分析。在此基础上，应用确定性空间插值法和地统计学Kriging插值法对研究区域5种重金属含量进行空间内插。通过对不同种空间插值方法的误差精度的比较，筛选出最佳的插值模型。最后，利用最优空间插值模型对研究区域5

2、种土壤重金属元素进行空间模拟，生成空间分布趋势图。主要研究内容和结论包括：(1)统计分析：研究区域土壤5种重金属元素除cu和As含量外，其它三种重金属含量均高于该地区土壤环境质量背景值。5种重金属元素含量的总体变异程度表现为：Hg>Cu>Pb>Zn>As。土壤As元素基本服从正态分布，土壤Cu、zn、Pb、Hg基本上服从对数正态分布。从相关性分析看Cu、Zn、Pb、As、Hg之间均呈正相关性，表明这五种重金属之间同源性很高。从主成分分析得出，第一主成分C。与Pb、Hg、cu、zn密切相关，第二主成分c：大小主要由As决定。(2)半方差函数结构分析：研究区域土壤重金属cu

3、和zn元素的半方差函数可用RationalQuadgalic来拟合，Pb、As、Hg元素分别用Spherical、Exponential、HoleEffect来拟合。5种重金属元素的空间变异指标(Co／c+Co)的大小顺序为：Hg>Cu>Zn>As>Pb，表明Hg元素属于空间弱相关，其它四种重金属元素均属于中等程度的空间相关。变程大小的比较表明，5种元素空间自相关范围为Zn>Hg>Pb>Cu>As。(3)方向效应分析：Cu元素、zn元素、Pb元素和Hg元素含量在各自的最优拟合模型下均存在各向同性，而As元素含量表现出存在各向异性。(4)趋势效应分析：cu元素、勖元素、P

4、b元素、舢元素、Hg元素含量的分布均具有二阶趋势效应。摘要(5)不同种空间插值方法比较：研究区域土壤重金属元素cu、Zn，Pb、As、Hg含量的最佳空间插值方法分别为张力样条函数、3次反距离加权、2阶趋势效应的析取Kriging、3次反距离加权、2次局部多项式。(6)研究区域土壤5种重金属含量进行空间模拟，建立空间栅格数据库，生成5种重金属元素含量的空间趋势分布图。从图中可以清晰的辨认出各种重金属元素在研究区域中的含量范围及分布趋势。本文借助GIS技术、地统计学方法和空间插值技术，将土壤重金属含量数据作为区域化变量，分别应用不同种插值方法对其进行估值，并对各种插值方法进

5、行对比分析，旨在为土壤重金属空间分析与模拟研究做出方法上的尝试。研究结果揭示了研究区域5种重金属元素的空间变异规律和空间分布情况，为指导当地土壤重金属污染控制管理和农产品生产基地布局提供科学依据，从而更好地为农田环境保护及可持续土地利用提供服务。关键词：农田土壤重金属，地统计学，GIS，空间分析，模拟Ⅱ摘要AbstraetHeavymetalpollutioninfarmlandhasbecomeoneoftheimportantproblemsinagriculturalenvironmentprotection．Therefore，heavymetalsinfarm

6、landsoilisinvestigatedandanalyzed,andthespatialdistributionofsoilheavymetalsisresearchedbyusingspatialanalysisandgeostatistiesmethods．Inthisthesis,withtentownslocatedinthenortlaemofWuqingcounty,砸越《inastheeasestudy,GISandGeostatistiestechniquesfileusedbasedontheresultsof矗cldinvestigations

7、amplingsandsampleschemicalanalysis．Themethodsofstatisticalanalysis,semi-varianceftmetionstructuralanalysis,directionalanalysisandtrendanalysisarerespectivelyusedtoanalyzethespatialdistributionofthecontentsoffiveheavylnelalsincludingCu,za,Pb,AsandHg．Then,spatialinterpolati