基于多元统计方法的东洞庭湖沉积物重金属时空分布特征与来源变化

流域上游矿山开采和重金属冶炼等人类活动的影响使得洞庭湖水域重金属污染问题严重,制约了该区域社会经济的可持续发展.针对近100年来洞庭湖重金属污染不明的现状,本研究以东洞庭湖为研究对象,结合放射性核素210Pb定年技术,分析沉积物中7种重金属(As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn)的时空分布特征,并采用主成分分析方法,解析重金属污染物的来源.研究结果表明,近100年来东洞庭湖存在As、Cd、Pb、Cu、Zn污染情况.其中As的平均含量较高,在东洞庭湖自然保护区(DDTH)下层均值达184.05 mg·kg^(-1);除鹿角(LJ)下层,Mn元素平均含量均高于洞庭湖背景值,对其需引起重视.重金属含量在垂向上变幅较大,且沉积过程大体可分为3个阶段(1937年前;1937—1978年;1978—2020年).源解析结果表明,早期的东洞庭湖沉积物重金属污染主要来自“采矿源”;中期主要受到“工业源”、“农业源”及“交通源”的共同影响;而近期为多种污染源共同支配形成的“混合源”.本研究结果进一步明确了湖泊沉积物重金属的空间分布特征以及污染历史的演化过程,为湖泊环境管理提供理论支撑.

近百年来洞庭湖粒度指示的沉积环境演变特征

湖泊沉积物储存着长时期的流域环境信息,是百年尺度湖泊环境演变研究的高分辨率记录器。本文通过^(210)Pb_(ex)、^(137)Cs组合定年法,分析放射性核素剖面特征,研究沉积速率时空变化规律,并解析沉积物粒度指示的环境信息,揭示百年尺度湖泊沉积环境演变。结果表明:洞庭湖^(210)Pb_(ex)剖面分布呈现多段衰变型、混合衰变平衡型、衰变本底型和无沉积型4种类型。3大湖体200 cm的沉积深度对应的年代跨度为127~162年,构建了洞庭湖沉积物深度年代关系。洞庭湖平均质量沉积速率为1.47~3.11 g/(cm^(2)·a),整体上呈现南洞庭湖>西洞庭湖>东洞庭湖的空间特征;自1900年后,质量沉积速率增加了3~7倍,呈时序增加趋势。沉积年代上,沉积物粒度特征表明洞庭湖沉积环境呈3个阶段2个过渡期的演变特征,与同时期区域内毁林开荒、水利建设、植树造林等人为活动有较好的对应关系,说明近百年来人为活动是洞庭湖泥沙沉积的重要因素。本研究结果可为强化湖泊及其流域生态环境保护提供理论参考。

基于耕地质量和空间集聚格局的县域基本农田划定

为实现新时期划定基本农田数量达标、优质稳定、集中连片、生态并重的具体要求,以余江县为例,从自然条件、区位条件、耕地稳定性和生态安全4个方面构建了耕地质量综合评价指标体系,结合多因素综合评价与逐级修正模型测算了耕地质量综合分值,采用改进的局部空间自相关方法分析了耕地质量的空间集聚特征,从而探索了县域基本农田划定方法。研究表明:(1)余江县的耕地综合质量平均分值为54.74,综合质量总体较高,主要集中在中部河谷平原地区。(2)耕地综合质量在空间上呈现一定的集聚规律:HH型和HL型与高分值耕地空间分布保持一致;LH型和LL型与低分值耕地空间分布保持一致;而无显著型无明显集中区域,面积较小,且零星分布。最终选择HH,HL和LH型入选基本农田。(3)通过耕地质量综合评价得到的基本农田划定结果对此种方法进行验证,并基于景观格局指数对两种方法进行对比分析,这种方法得到的基本农田划定方案在空间连片度、斑块破碎度等方面得到优化,更加符合划定基本农田的稳定、优质、集中的目标。

2000—2015年南昌市土地利用变化及驱动力分析

以南昌市为研究对象,利用2000年、2005年、2010年、2015年的4期遥感数据,借助RS和GIS技术,得到2000—2015年土地利用类型图,分析2000—2015年南昌市土地利用变化特征;运用主成分分析法对南昌市土地利用变化的驱动力进行分析。结果表明:(1)2000—2015年南昌市耕地明显减少,建设用地显著增加,土地利用动态度先升后降,15年间综合土地利用动态度为1.24%;(2)土地利用类型转移主要以耕地向建设用地转移、园林地向耕地、建设用地转移、水域向耕地、建设用地转移为主;(3)2000—2015年南昌市土地利用变化的主要驱动力为社会经济发展、人口增加、产业结构调整、生活水平提高及区域政策和规划。

南昌市生态服务价值变化及其驱动因素分析

理解和把握区域生态服务价值的变化规律最有效的手段是对其自身变化及驱动因素进行研究。以南昌市为例,依据2000年、2005年、2010年、2015年4期的遥感影像,运用RS和GIS技术对其处理获得了各期土地利用数据,然后通过修订研究区不同土地利用类型生态服务价值系数,对近15年南昌市生态服务价值时空变化特征进行研究,并利用STIRPAT模型和地理加权回归分析了生态服务价值变化的驱动因素及差异性。结果表明:近15年南昌市生态服务价值变化不大,其总量由2000年的390.35亿元增加到2015年的393.30亿元;2000—2015年高生态服务价值区主要分布在新建县东部和进贤县北部,低生态服务价值区主要分布在南昌市城区;生态服务价值主要驱动因素为总人口、第三产业比重和万元GDP能耗,且都与人均ESV呈负相关关系;不同时期生态服务价值的驱动因素不同,同一驱动因素在不同时期的弹性系数不同,所承受的压力不同,而南昌市各县区驱动因素的影响程度和承受压力也不同。

基于PSR模型的袁州区土地生态安全评价

土地生态安全是区域可持续发展的重要保证。针对袁州区土地资源的利用状况和所面临的主要生态问题,应用改进的PSR模型框架,构建了袁州区土地生态安全评价指标体系,并引入相对熵理论计算贴近度的方法确定权重,采用综合指数模型,计算了该区域2005~2014年的土地生态安全综合分值。结果表明:2005~2014年区域土地生态安全整体水平逐渐提高,安全级别由临界级改善至良好级,但土地生态安全问题仍然严峻。另外,土地生态内部压力不协调,应从根本上减少土地生态压力。

基于景观格局与空间自相关的永久基本农田划定研究

在综合考虑耕地综合质量、空间自相关性和景观格局的基础上,进行永久基本农田的划定,对区域粮食安全和生态安全具有重要的意义。以崇仁县为例,借助GIS平台与Geo Da软件,通过耕地综合质量评价体系的构建进行耕地综合质量评价,根据综合质量评价结果进行空间自相关分析,再根据自相关分析结果与耕地景观生态安全格局对应关系,进行永久基本农田的划定。根据研究区土壤理化性质、耕作利用条件和耕作区位条件,提出了一种基于耕地综合质量、综合质量聚类关系和耕地景观结构的永久基本农田划定方法,划定崇仁县永久基本农田305.94 km^2,划入的耕地更符合永久基本农田的要求,有助于基本农田长期的管理和保护,也可为丰富耕地综合质量评价与基本农田划定研究提供参考。

基于APCS-MLR模型的西洞庭湖沉积物重金属来源解析

【目的】揭示西洞庭湖沉积物重金属的时空分布规律,阐明湖泊沉积物的重金属来源,探究绝对主成分-多元线性回归(absolute principal component score-multiple linear regression,APCS-MLR)模型在湖泊沉积物重金属来源解析中的适应性。【方法】采集沅江河口、湖泊近岸、湖泊远岸和湖泊中心的4个沉积柱共160个样本,对样本进行210Pb同位素定年和重金属含量分析,运用传统多元统计分析方法和APCS-MLR模型定量解析重金属的来源与绝对贡献率。【结果】从沅江河口到湖泊中心,As和Cd的平均含量逐步递减,Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量呈先减少后增加的趋势。在垂直方向上,重金属含量自沉积物表层向中层呈升高趋势,并随水深的增加出现相对一致的波动。从时序上看,沉积物重金属自然源的绝对贡献率呈下降趋势,人为源的绝对贡献率总体上升且超过自然源的绝对贡献率。其中,Cd的来源受人类活动影响最大,其人为源在沅江河口和湖泊中心的绝对贡献率分别为28.77%和69.35%。【结论】近百年来,人类活动对西洞庭湖沉积物重金属来源的绝对贡献率逐年上升,人类活动已经成为影响沉积物重金属含量最重要的因素。APCS-MLR模型能够简便、有效地应用于沉积物重金属来源的研究。

南昌市土地利用及生态服务价值变化研究

以南昌市为例,借助RS和GIS技术,对南昌市2000年、2005年、2010年、2015年的4期遥感影像进行处理,利用土地利用动态度和土地利用转移矩阵,分析2000-2015年南昌市土地利用变化;计算南昌市生态服务价值、生态服务价值转移矩阵、敏感性系数,探讨南昌市2000-2015年生态服务价值及其时空变化特征。结果表明:2000-2015年南昌市耕地明显减少,建设用地显著增加,综合土地利用动态度为1.24%;南昌市生态服务价值变化不大,其总量由2000年的390.35×108元增加到2015年的393.30×108元;2000-2015年高生态服务价值区主要分布在新建县东部和进贤县北部,低生态服务价值区主要分布在南昌市城区;各土地利用类型生态服务价值敏感性指数均小于1,说明研究结果可信。土地利用变化是引起生态服务价值变化的直接原因,科学合理地利用土地对维持和提升区域生态服务价值具有重要意义。

泰和县耕地土壤养分空间分布及影响因素

基于泰和县耕地中获取的4 029个土壤采样数据,运用半变异分析、自相关分析、回归分析等分析方法,对泰和县土壤各养分(有机质(OM)、碱解氮(AN)、速效钾(AK)、有效磷(AP))含量因子的空间分布规律及其影响因素进行分析。结果表明:泰和县耕地土壤中OM、AP、AK、AN含量分别为4.40~58.50g/kg和1.50~62.80,12.00~352.00,29.00~341.00mg/kg,均属中等变异。4类土壤养分因子最适宜模型均为指数模型,块金效应均小于25%,表明各养分因子主要受结构性因素影响。各养分因子均显现出显著的聚集特征,其中HH聚集类型多于桥头、灌溪、冠朝等乡镇分布;LL聚集类型多于马市、万合等乡镇分布。根据相关分析与回归分析结果可知,对土壤养分含量产生影响较大的因子主要为地形、成土母质等结构性因素;交通、水利等随机性影响因素对其影响较弱。

崇义县土壤有机质空间变异及在不同侵蚀程度下的影响因素

【目的】研究土壤有机质中不同侵蚀程度与各类影响因素的相互关系对于农业发展和土地地力保护有着深远意义。【方法】以江西省崇义县为研究对象,从侵蚀程度和土壤有机质两方面分析两者的相互关系与空间变异。【结果】崇义县的土壤有机质随着侵蚀程度的加深而呈下降趋势。不同侵蚀程度下土壤有机质含量差异显著(P<0.01),崇义县土壤有机质含量普遍较低,土壤有机质含量处于0.90~59.50 g/kg之间,平均值为25.01 g/kg。在不同的侵蚀程度下,变异系数由大到小依次为无明显侵蚀(35.56%)>轻微侵蚀(34.01%)>重度侵蚀(33.83%)>中度侵蚀(33.66%)>极强度侵蚀(19.67%)。【结论】土壤侵蚀较为严重的地区土壤有机质含量越低。地形因子中坡度和高程是对土壤有机质含量有明显的正相关系;土壤结构性因子中成土母质和土壤结构与土壤有机质有明显的正相关系。

基于改进灰靶模型的区域土地利用冲突强度诊断——以南昌市为例

评估区域土地利用冲突强度,揭示引起冲突的内在机理,对促进区域可持续健康发展具有重要意义。以南昌市为例,基于PSR模型构建了区域土地利用冲突强度诊断指标体系,并引入指标权重对传统灰靶模型进行改进,构建基于熵权的改进灰靶模型,进而对南昌市2006—2015年土地利用冲突强度进行诊断。结果表明:(1)2006—2015年,南昌市土地利用冲突压力靶心度值持续增长且变化率不断加大,表明南昌市城市化进程在不断加快,发展势头强劲,同时给土地利用带来一定压力。(2)南昌市土地利用冲突强度在波动中呈缓慢增强的趋势,综合靶心度值由2006年的0.796上升至2015年的0.828,变化率仅为3.86%,得益于全市在推进城市化进程中对土地生态环境的重视。(3)与加权函数法相比,改进灰靶模型得到的靶心度值的变化趋势与其基本一致,说明改进灰靶模型也能够用于土地利用冲突强度诊断,为该类问题的研究提供参考。

鄱阳湖地区生态系统服务权衡与协同关系的时空格局

鄱阳湖地区是中国最大淡水湖影响的区域,定量分析其生态系统服务权衡与协同关系对实现区域可持续发展具有重要意义.本研究首先基于遥感、土壤、气象、数字高程模型(DEM)等多源数据,定量测算2005—2015年鄱阳湖地区食物供给服务、土壤保持服务和产水服务,分析服务的时空格局及演变特征;然后运用相关分析、冷热点分析、空间制图方法探析1 km×1 km尺度上服务间权衡与协同关系的时空特征,并研究土地利用视角下生态系统服务及其相互关系的差异.结果表明:研究期间,鄱阳湖地区食物供给服务增加,土壤保持服务减少,产水服务先增后减.空间分布上,食物供给服务在西北-东南方向上呈现"低-高-低-高"的分布格局,土壤保持服务呈现高低值集聚分布的空间格局,产水服务表现为南高北低的空间分布.鄱阳湖地区食物供给与土壤保持、食物供给与产水量是权衡关系,土壤保持与产水量是协同关系.食物供给与土壤保持呈现北部协同、南部权衡的空间格局,食物供给与产水量之间在空间上呈现出明显的权衡关系,土壤保持与产水量之间从北至南呈现协同-权衡-协同的"夹心式"分异规律.不同土地利用类型间,耕地与食物供给、园林地与土壤保持、水域与产水量之间均存在极显著协同关系,建设用地与3种服务皆是权衡关系.食物供给服务与土壤保持服务和产水服务之间在不同土地利用类型中皆以权衡为主,土壤保持与产水服务在耕地、园林地、草地及建设用地中以协同关系为主、在水域和未利用地中则以权衡关系为主.鄱阳湖地区多重生态系统服务热点区主要在东部和南部平原区,呈减少趋势.

环鄱阳湖区农田土壤重金属空间分布及污染评价

为了解环鄱阳湖区农田土壤重金属污染状况,采用单因子指数法、内梅罗指数法、地质累积指数法、潜在生态危害指数法对环鄱阳湖区农田表层土壤(0~20 cm)中7种重金属元素进行污染及生态风险评价,并将地统计学方法与GIS技术相结合分析环鄱阳湖区农田土壤重金属的空间分布特征.结果表明:(1)土壤中重金属Hg、As、Pb、Cd、Cu、Cr、Zn的平均含量分别为0.12、13.15、35.44、0.18、38.45、81.91、80.45 mg·kg^(-1),与江西省土壤环境背景值相比较,均有不同程度累积,Cr、Cu、Cd累积富集情况最严重,内梅罗指数法与潜在生态危害指数法评价结果均表明,环鄱阳湖区土壤重金属综合污染情况为轻度污染,鄱阳县、进贤县、乐平市、南昌县、万年县、新建县以及余干县累积污染情况较严重.(2)以国家土壤环境质量二级标准为评价标准,超标率12.24%=Cu>Cd>As>Hg>Cr=8.85%>Zn>Pb,表明研究区部分农田土壤样点Cu、Cd、As、Hg、Cr累积程度已威胁到农作物产量和质量,但总体上为清洁状态.土壤中Hg、Cd达到中等生态危害程度,研究区农田土壤中重金属总体表现为轻微危害程度.(3)半方差函数模型拟合结果显示,Hg、Pb、Cr、Zn符合指数模型,As符合球状模型,Cu、Cd符合线性模型.As、Pb、Cd、Cu的含量总体上呈现出东部地区高、西部地区低的趋势,主要在鄱阳县、乐平市、万年县及余干县等地富集.Zn的含量在中北部地区偏低、在东南部地区较高,乐平市、万年县富集相对严重.Hg、Cr是由西南地区向东北地区递减的梯度变化,两种重金属元素均主要在南昌市各县区累积.