大数据时代背景下“地球化学多元统计分析”课程混合式教学改革与实践

“地球化学多元统计分析”是面向地球化学专业本科四年级开设的专业核心课程。在大数据时代背景下,原有的课程教学模式面临内容相对陈旧、课时严重不足、实践操作教学效果不理想等问题。笔者尝试开展了线上线下混合式课程教学改革并实践,包括更新教学内容体系和教材、整合网上教材和教学资源、扩充相关软件的操作训练、理论授课与实验课交叉进行、课堂授课与课后作业有机融合等,同时融入了教学思政内容,教学效果明显提高。

干旱区土壤无机碳碳汇作用及其对固碳减排贡献研究进展

【研究目的】干旱区土壤无机碳作为全球碳循环举足轻重的组成部分,其碳汇效应不容忽视。【研究方法】本文查阅了大量国内外干旱区土壤无机碳的相关文献,重点对土壤无机碳汇确认、碳库组成、来源识别,以及碳汇影响因素进行了系统性归纳总结。【研究结果】干旱区无机碳汇效应伴随着干旱区负通量研究得到确认,但其碳库组成十分复杂,包括了液相碳库与固相碳库。其中液相储库主要以可溶性碳酸盐形式赋存于干旱区地下水体;固相储库则为以固相碳酸盐矿物的形式赋存在土壤中,依据不同成因来源分为成岩碳酸盐与成土碳酸盐,后者又细分为碳质成土碳酸盐与硅质成土碳酸盐。成土碳酸盐中的硅质成土碳酸盐具备真正长期稳定的碳汇效应。无机碳汇的影响因素复杂,包括了自然的气候、土壤性质与深度、生物作用、成土母质、土壤有机质等因素,以及土地利用与土地覆盖、农业管理措施等人为因素。【结论】干旱区土壤无机碳对全球碳循环研究极其重要,当前研究主要聚焦在土壤无机碳来源分辨,碳汇效应强度确认与固碳潜力量化,以及影响因素明确与人为干预的可能性评估等方面。在实现“双碳目标”驱动下,查清干旱—半干旱地区土壤无机碳源汇过程与影响因素必将是未来的研究热点,也是解决“碳失汇”科学难题的突破点,极大地推动全球碳循环研究。

钙铝层状双氢氧化物对镉污染农田的钝化修复

农田土壤重金属镉(Cd)富集对农产品的危害极大,且不易去除。钙铝层状双氢氧化物(CaAl-LDH)为一类层状双金属复合氢氧化物,在土壤修复领域表现出高效、清洁、稳定的特点。选择典型五金加工企业周边Cd污染农田开展应用CaAl-LDH钝化土壤Cd大田试验,连续监测分析土壤Cd形态及稻米籽粒Cd含量的变化,探讨CaAl-LDH对农田Cd的钝化效果。结果显示,相比背景对照田块,施加CaAl-LDH田块土壤离子交换态Cd下降26.71%,残渣态Cd和铁锰结合态Cd分别升高18.49%、5.68%,稻米Cd含量下降68.42%。连续原位监测显示,CaAl-LDH应用于试验区Cd污染农田修复的第2年,稻米籽粒Cd含量降幅仍保持37%以上。

长江水系河水主要离子化学特征

2007年夏季采集了长江从上游沱沱河至入海口的干流原水样品36个,长江各主要支流水样品40个,分析了江水Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-离子含量及溶解性SiO2等溶质成分。结果显示,长江流域水系离子化学组成主要受碳酸盐和蒸发岩风化控制,长江上游水离子化学呈现阳离子以K+和Na+为主,阴离子以Cl-和SO42-为主的蒸发岩类风化控制特征,但随着采样点位下移,离子含量逐渐呈现阳离子以Ca2+为主,阴离子以HCO3-为主的逐渐向碳酸盐风化过渡的特征;从时间变化上看,与20世纪50年代至1990年长江水离子化学数据相比,以Na+、K+、SO42-和Cl-为代表的所有阴阳离子均有明显增加;从通量上看,洞庭湖和鄱阳湖是长江离子两个最大的输入源,除洞庭湖和鄱阳湖外的其他长江各大支流中,岷江是长江Na+、K+、Ca2+、Mg2+、F-和HCO3-的最大输入源,嘉陵江是SO24-和溶解性SiO2的最大输入源;在几大世界河流中,长江是对海洋Mg2+、SO24-和Cl-的输入通量最大的河流,Ca2+和HCO3-通量仅次于亚马逊河。

黑龙江省松嫩平原南部土壤硒元素循环特征

硒(Se)是生态环境中重要的微量元素,其丰缺与人和动植物健康有着密切关系。选择黑龙江省松嫩平原南部,在多目标区域地球化学调查获取的Se元素数据基础上,采集大气干湿沉降、灌溉水、化肥等土壤硒输入端元,以及植物收割、下渗水等输出端元样品,计算土壤Se输入输出通量,研究土壤硒循环特征,并预测土壤Se未来发展趋势。结果发现:研究区总体上为土壤低Se区,Se不足和潜在Se不足面积占总面积的35.20%;土壤Se的主要输入途径为大气干湿沉降,可达总输入量的70%～90%,主要输出途径为土壤下渗水,约占总输出量的73%;研究区土壤Se为净积累状态,预测表明20年后土壤Se不足和潜在Se不足面积将从目前的35.20%下降到31.7%。

南京地区表土镉汞铅含量的空间统计分析

在南京城区和周围郊区近2500km2的区域内,采集了670个表层土壤样品,分析了Cd、Hg、Pb等重金属含量。在ARCGIS等地理信息系统软件的支持下,用地统计学等空间分析方法,分析了数据的概率分布特征、空间自相关特征以及变异函数特征。结果表明,研究区内表层土壤中Cd、Hg、Pb等重金属元素平均含量显著高于其全国平均水平;并且不同的元素具有不同的空间自相关特征;变异函数分析显示,Cd和Hg的分布具有明显的空间异质性,而Pb的方向性不明显。元素空间分布特征的研究对研究污染源和污染扩散具有一定指示和引导作用。

土壤理化参数的反射光谱分析

土壤可见光和近红外波段(400～2500nm)反射光谱信息包含了大量土壤物理化学参数,土壤反射光谱测量简单、快速,无需破坏样品,而且还可以通过高光谱遥感方法制图。文中使用江苏国土生态地球化学调查中获取的大量土壤样品,研究了土壤阳离子交换量(CEC)、有机质含量、pH值、铁氧化物类型、铁铝硅等常量元素含量等重要土壤生态地球化学参数的光谱反应。结果显示,土壤CEC是进行光谱预测非常成功的参数,1400、1900和2200nm附近一阶导数光谱(FD)值或短波方向反射率值均可以很好地反映土壤CEC的大小;土壤有机质含量、铁氧化物类型、铁铝硅含量均可以在反射率光谱或其一阶导数(FD)值找到相关波段;土壤导数光谱存在的A、B、C和D峰使反射光谱方法不仅能够定量铁氧化物总量,还能鉴别铁氧化物矿物类型(针铁矿和赤铁矿)及其相对含量;江都土壤光谱的656nm附近FD值与pH有很大相关性,但是江苏样品显示pH值光谱经验预测具有区域依赖性,可能与土壤类型有关,说明pH与光谱参数之间的关系并非一般的线性关系,而有更复杂的机制。

中国东北地区20世纪末土地利用变化的土壤碳源汇效应

土地利用变化是土壤有机碳库变化的重要原因之一。文中选择中国东北地区,利用多目标区域地球化学调查数据,结合20世纪80年代和2000年土地利用数据,分析了不同土地利用方式下土壤有机碳密度分布特征,以及由于土地利用方式变化形成的土壤碳源汇效应。结果发现:(1)不同土地利用下土壤表层有机碳密度(SOCD)差异较大,沼泽地、有林地等是SOCD相对较高的土地利用类型,而沙地、盐碱地、低覆盖草地等土地利用方式下SOCD较低;(2)按照土地利用方式的构成推算,研究区表层(0～20cm)土壤有机碳储量为482.1×1010 kg,其主要储库为有林地和旱地,分别占土壤总有机碳储量的43.8%和21.4%;(3)东北地区由于土地利用方式变化造成的土壤总碳源值为5.73×1010 kg,总碳汇值为3.56×1010 kg,因此研究区总体上表现为2.17×1010 kg(21.7Tg)的碳源;(4)研究区起到土壤碳汇作用的典型土地利用转化方式有旱地到水田的转化、其他林地和疏林地到有林地的转化等;起到土壤碳源作用的典型土地利用转化方式为有林地到旱地的转化、高覆盖草地到旱地的转化、沼泽到水田和旱地等耕地的转化等。

石漠化程度遥感信息提取方法研究

岩溶石漠化是中国西南地区的一种严重的生态环境问题,近年来有进一步恶化的趋势。本文以贵州省普定县典型研究区IKONOS遥感数据为例,给出了一种利用多光谱遥感数据定量提取岩溶石漠化程度信息的算法。在多维光谱的向量空间分析的基础上,提出了“植被线”的概念,并定义“石漠化几何指数”(GR I)为多维向量空间中不同程度的石漠化像元到“植被线”的归一化距离。作者认为使用这种方法提取石漠化程度,可以避免人工解译的主观性强,工作量大的缺点。使提取到的石漠化程度结果客观稳定。

母岩类型对土壤和沉积物镉背景的控制:以贵州为例

镉是土壤和沉积物中最受关注的重金属污染物之一,合理确定其自然背景对于环境管理具有重要意义。然而,由于不同基岩中该元素含量差异很大,且在风化成壤过程中元素也可能发生富集或贫化,造成该元素具有很大的空间变异,甚至可以超出筛选值和管制值。本文从基岩-土壤地球化学元素迁移规律出发,以基岩类型较复杂、镉空间变异较大的贵州省为例,基于土壤和沉积物调查数据,建立基岩与土壤或沉积物中镉含量的对应关系,筛选合理的岩性类型端员和背景区域划分方法,为环境管理确定基础背景。研究结果显示,岩性类型是造成土壤镉空间变异的重要因素,石灰岩(排除白云岩)、玄武岩、辉绿岩和碳质页岩等是造成土壤高镉背景的重要岩石类型。相对母岩类型,岩石所在地层时代对土壤镉背景的影响不太明显。本文通过大量数据统计,给出了相对较纯的岩性发育土壤的镉背景值和变异区间,不纯岩性或地质单元发育土壤的镉背景值可能受多个岩性端员的影响。

高光谱遥感图像的单形体分析方法

将 n个波段的高光谱图像像元与 n维空间里的散点联系起来 ,结合凸体几何中单形体概念研究高光谱遥感图像纯净像元提取方法 ,实现图像的地物精确分类识别及像元波谱分解。寻找高光谱遥感图像 n维空间里的单形体并认知分析单形体是该研究方法的重要环节。通过 MNF(minimum noise fraction)变换和 PPI(pixel purity in-dex)计算技术寻找到单形体 ,基于单形体进行像元分解分析单形体 ,并结合应用实例和 SAM(spectral angle map-per)分类技术完成高光谱图像地物精确分类制图 ,验证了该研究方法的可操作性。该研究方法的优点在于不需要用户提供地物波谱信息 ,用于制图和波谱分解的终端单元可由图像本身得到 。

遥感提取叶面积指数的地形影响分析

结合 1∶5 0 0 0 0DEM对贵州省黎平县内研究区的ETM +遥感影像进行地形纠正 ,分别使用地形纠正前后的图像建立植被指数与实测杉木林、阔叶林、竹林的叶面积指数相关关系 ,从而对研究区森林叶面积指数进行计算。研究表明 ,利用遥感影像计算山地丘陵林区叶面积指数时地形是一个重要的影响因素 ,它致使遥感影像提取的叶面积指数出现一定的偏差。因此 ,本文从电磁波辐射传输理论着手 ,采用一种地形影响去除方法 ,即先把遥感图像归一化为没有地形影响下的亮度图像 ,再通过该亮度图像提取森林叶面积指数 ,并通过实地观测数据验证了该地形纠正方法的有效性。同时 。

2011-2020中国应用地球化学研究进展与展望之生态地球化学

生态地球化学在调查的基础上,以元素在不同生态系统中的循环为主线开展生态地球化学评价,通过输入输出通量调查和重访监测掌握元素循环的发展规律,从而对元素、化合物和其他地球化学参数的发展趋势进行预测预警,并提出开发或修复建议。近十年,该学科在实践应用的基础上进行理论框架和技术方法的不断拓展,不仅产生了大量技术标准、论文和专著等书面成果,还在污染控制、土地资源合理利用、特色农产品开发、土壤碳汇和抑制气候变化等方面产生了积极作用。在理论研究和应用实践需求的推动下在土壤碳库与全球变化、土壤重金属高背景产生机制、土地质量地球化学评价、土壤有益元素开发和土壤污染修复等方面不断产生分支研究方向。主要回顾和总结2011年以来,我国生态地球化学学科研究进展。

从一个概念的引文出处谈治学严谨性

"地累积指数"是评价土壤和沉积物重金属污染程度的常用指标,在大量评价沉积物和土壤重金属污染案例文献中获得了广泛使用。然而笔者查询发现,大多数文章所引用的该概念出处有多个雷同的错误版本,即该概念的参考文献出处出现了多个错误版本的相互传抄。说明绝大多数作者在使用该概念时,并没有查阅自己所引用文献,使该参考文献引文出处出现大量荒唐和矛盾之处,绝大多数作者并未发觉,而仍然在传播错误出处。这一现象反映了有些作者发表文章的急功近利性掩盖了治学严谨性,同时也提醒期刊方面提高把关水平,避免此类现象。

研究生教学中开展学科交叉教学的有效性研究——以《遥感地球化学》为例

传统学科不断成熟和完善后,交叉学科研究往往成为创新性研究成果的源泉,在此背景下,作者呼吁在高校研究生教育中开展学科交叉教学,作为学科交叉研究的基础。以地球化学专业研究生课堂教学中的遥感地球化学为例,阐述其教学内容、方法和效果,证明了研究生学科交叉教学的有效性。

长江下游沿岸镉生态地球化学研究

为了研究镉在长江下游环境介质中的空间分布、化学形态分布等生态地球化学特征,对长江悬浮物、沉积物、冲积洲和沿岸土壤以及长江沿岸蔬菜水稻等作物进行了系统采样分析,采用AAS、ICP-MS等方法分析了这些环境介质中镉的总量,并利用BCR三步提取法分析了沉积物中镉的形态分布特征.主要结果和结论如下:……

全国土地质量地球化学调查二十年

土地质量地球化学调查计划是我国继区域化探全国扫面计划之后一个新的国家地球化学填图计划,该计划实施20年来,在支撑土壤环境污染防控、土地资源管理、国家重大立法、精准扶贫等方面做出了重大贡献,显著拓展了地质工作服务链。本文从计划的提出背景、项目的组织实施、主要进展、调查技术的进步和分析测试技术的提高与质量控制方案的完善等方面回顾了该计划的发展历程。从全国耕地地球化学状况、全国省会城市土壤环境质量状况、中国主要淡水湖泊沉积物环境质量状况、中国主要农耕区20年来土壤碳库变化4个方面对调查成果做了全面总结。全方位介绍了调查应用成果在土地管理、土壤污染防治、农业种植结构调整、脱贫攻坚、地方病防治、油气勘查、固体矿产勘查等7个领域中的应用。并在调查技术革新、评价方法创新和调查与研究融合三个方面对土地质量地球化学调查工作的未来发展趋势做了展望。

长江水系水文地球化学特征及主要离子的化学成因

在分析长江流域76个位点的水化学数据的基础上,运用吉布斯(Gibbs)图、三角图、主成分分析方法研究岩性对长江水系河水中离子化学特征的影响和流域的主要风化过程。结果表明,长江水系的主要离子化学特征受岩石风化作用的影响,其中碳酸盐和蒸发岩矿物对干流水系溶质的贡献率分别为43.6%和37.9%,而对支流水系溶质的贡献率分别为33.1%和39.1%。干流流域内主要的风化反应以白云石和方解石的溶解为主,而支流流域内Cl-/(Na++K+)接近1:1,体现出蒸发岩风化的显著特性。Si/K比值较低,表明长江流域内的风化反应是在表生环境中进行的,且产物是富含阳离子的次生矿物。

中国典型地区土壤碳储量研究

利用多目标区域地球化学调查高精度和高密度上壤碳分布数据,建立"单位土壤碳量",采用指数模型计算方法,取得各地区土壤碳储量数据。按照土壤类型、上地利用分类、生态系统及自然景观等划分方式,按照0～0.2m,0～1.0m和0～1.8m不同土壤深度,分析了四川、湖南、吉林、江苏、河北、陕西等代表性地区有机碳储量空间分布特征,进行中国土壤碳储量研究。计算结果表明,全国土壤碳储量分布不均匀。按照0～1.8m深度比较,成都平原土壤碳储量为1462.9Mt,碳密度为24813t/km^2;吉林平原区碳储量1381.96Mt,碳密度14473t/km^2;湖南洞庭湖区碳储量757.65Mt,碳密度18171t/km^2;江苏省碳储量1468.87Mt,碳密度13802t/km^2;陕西渭河平原碳储量165.47Mt,碳密度12124t/km^2;河北平原区碳储量844.84Mt,碳密度10525t/km^2。按照面积加权平均计算,推算出全国多目标区域地球化学调查地区平均碳密度,0～0.2m为3186t/km^2,0～1.0m为11646t/km^2,0～1.8m为15339t/km^2。

基于多目标区域地球化学调查的中国土壤碳储量计算方法研究

土壤碳储量问题在碳循环和全球变化领域具有重要意义,长期以来这一基本参数的计算受到数据来源的制约。全国多目标区域地球化学调查采用双层网格化采样和分析,取得了大量高密度和高精度土壤地球化学数据,为土壤碳库的高精度计算提供了数据基础。文中重点探讨利用这些数据计算土壤碳储量的方法。首先提出针对多目标区域地球化学调查数据的"单位土壤碳量(USCA)"概念,用以代表调查数据基本面积单元(4km2)的碳储量,并作为区域和全国尺度土壤碳储量计算的基本单位。在收集分析14个省市414条的土壤剖面数据的基础上,发现土壤有机碳(TOC)的垂直分布与无机碳和其他元素不同,存在指数分布规律,运用面积积分运算方法发现利用直线模型计算土壤有机碳库的误差(+20%～+100%)远大于指数模型的误差(-10%～+20%)。因此,文中建议"有机碳单位土壤碳量(USCATOC)"需使用指数模型拟合后积分求算,而"无机碳单位土壤碳量(USCATIC)"则使用直线模型,"全碳单位土壤碳量(USCATC)"采用两者加和计算。文中还分析了其他元素的垂直分布特征,并提出氮储量计算需采用与有机碳类似的方法,其他51种元素(氧化物)储量采用与无机碳类似的方案,按照直线模型计算单位土壤元素量和单位土壤氧化物量(USEA)。