土壤重金属污染风险预测研究进展

对土壤重金属污染评价及预测的3种主要技术理论进行了阐述,评述了3种技术理论的优缺点,并进一步分析了土壤重金属污染风险预测不确定性的研究方法及影响因素。

基于局部离群指数的土壤重金属污染评价方法

为评价土壤重金属污染,该文提出了一种局部离群指数方法。局部离群指数方法计算监测样点的局部离群指数,监测样点的局部离群指数越大,则该样点是污染样点的趋势越大。为确保算法的准确性,定义了深度离群点以及广度离群点;为减少算法处理海量数据的计算复杂性,开发了基于密度取样的数据过滤方法,以过滤数据分布致密的数据点而保留稀疏区域的数据点。以京郊农田重金属监测数据为实例,比较局部离群指数方法与内梅罗污染指数方法的评价结果的准确性,结果显示局部离群指数方法的评价结果与内梅罗污染指数方法的结果吻合,表明局部离群指数方法可作为一种有效的重金属污染评价方法。

土壤微生物量碳周转分析方法及其影响因素

简述了目前国内外常用的3种测定土壤微生物生物量C周转分析方法及其影响因素、改进的土壤微生物生物量C周转动力学测定方法及其应用前景,并分析了国内外不同生态环境、土壤质地和耕作管理制度等的土壤微生物生物量C周转的研究结果。

一种基于位置的移动服务系统的设计与实现

基于位置的移动服务需要设计高效、稳定和可扩展的体系结构与开发方式,提出了一种基于Web服务的LBS体系结构(WS-LBS),并设计了WS-LBS系统框架,实现了空间信息服务的构建与发布机制,扩展了终端用户,实现了一个WS-LBS原型系统。

基于土地利用格局的农田环境质量监测取样方法

为有效地监测京郊农田环境质量,该文提出了基于土地利用格局的农田环境质量监测的取样方法。方法通过遥感影像分类,获取京郊小麦地、裸露农田、草地、林地、果园及设施农业用地6种土地利用类型的空间分布特征。给定样本总量,每种土地利用类型所配给的样本量取决于该土地利用类型的田块总面积和田块数量。对同一土地利用类型,用随机偏爱取样方法选择样本点,即田块被取样的概率与该田块的面积和高程的综合权值成正比。基于土地利用格局的取样方法的优点是,用有限的样本最大限度地反映土地利用类型的空间分布格局,使样点更具代表性。

基于关联规则的土壤重金属积累与土地利用方式的关联分析

[目的]探明土壤重金属污染的外源因素。[方法]以4种土地利用方式(粮田、蔬菜地、果园及林地)下的356份土样为材料,采用关联规则法定量分析土壤重金属含量与土地利用方式的关联性。[结果]土样中As、Cd、Cr、Cu和Hg的平均含量分别为8.65、0.20、53.12、20.89、0.14mg/kg,其中As、Cr、Cu含量受土地利用方式的影响较小,Cd和Hg含量受土地利用方式的影响较大;不同土地利用方式引发重金属As、Cr、Cu积累的概率小于22%,而引发Cd和Hg积累的概率介于32.0%～44.9%。[结论]监测区域土地利用方式有造成土壤重金属Cd和Hg积累的趋势。

亚热带丘陵小流域土壤碳氮磷生态计量特征的空间分异性

了解土壤碳氮磷生态化学计量特征的空间变异有助于土壤养分管理。以湖南省长沙县金井镇脱甲河小流域（52km2）为研究区，系统分析了亚热带丘陵小流域表层（0～20em）土壤碳氮磷的生态化学计量特征及其空间变异性。该流域土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）平均含量分别为13．09、1．50和0．51gkg-1，C：N、C：P和N：P平均值分别为10．42、72．71和7．19，均具有高等变异水平和中等程度的空间自相关性。土壤C：N、C：P、N：P高值区域主要分布在海拔高、人为干扰少和肥料使用少的林地区，而低值区主要分布在海拔较低、人类活动频繁以及化肥施用量大的农田区。菜地、茶园、林地和稻田等不同土地利用方式下，土壤C：N：P差异显著；在高海拔和陡坡地区，土壤C：N：P均明显偏高。这表明研究区域表层土壤碳氮磷比率的空间分异与土地管理措施和地形有着密切的关系。

谱图聚类算法研究进展

近10多年来,关于谱图聚类的研究成果非常丰富,为了总结和理清这些工作之间的脉络关系,揭示最新的研究趋势,回顾和比较了典型的图割目标函数,以及这些目标函数的谱宽松解决方法,总结了谱聚类算法的本质.另外,讨论了谱图聚类的几个关键问题:相似图的构建方法、复杂性与扩充性、簇数估计、半监督谱学习等.最后,展望了谱图聚类算法的主要研究趋势,如探寻其理论解释,构建更贴切的相似图,通过学习筛选特征,应用实例化等.

亚热带丘陵小流域氮平衡及调控对策

以位于湖南省长沙县的两个亚热带丘陵小流域(约50 km2)为目标区域,综合2012—2014连续3年的野外定位观测、入户调查及统计数据资料,建立氮素收支框架模型,定量分析了农区和森林-农区小流域氮素的输入、输出特征及主要影响因素。结果表明:农区小流域氮素的输入、输出以及盈余强度平均分别为312.0、165.1、146.9 kg·hm^(-2)·a^(-1);森林-农区小流域氮素的输入、输出以及盈余强度平均分别为160.2、83.3、76.9 kg·hm^(-2)·a^(-1)。两个小流域具有较为类似的输入输出结构:饲料与肥料是亚热带小流域N输入的主要来源,合计占73.4%(农区)和63.9%(森林-农区);氨挥发与反硝化等N的气态损失是流域N输出的主要形式,平均占50%以上,而产品输出仅占N输出的1/4~1/3。减少化肥投入与适当控制畜禽养殖规模是控制小流域氮输入的主要途径,采取相应的技术措施减少N气态损失及增强N的流域内循环是提高小流域N利用效率和防控农业面源污染的主要措施。

基于氮素和水分的冬小麦籽粒蛋白质含量监测

为了预测冬小麦籽粒蛋白质含量,该研究利用2003～2005年三年的试验数据构建了冬小麦籽粒蛋白质含量监测模型。该文分析了2003年、2004年冬小麦返青至挑旗期的冠层氮密度、等价水厚度与成熟期籽粒蛋白质含量的相关关系,并对以两年各自试验数据建立的监测籽粒蛋白质含量的回归模型进行比较进而找到最佳模型。结果表明,两年中都以基于返青期的冠层氮密度和等价水厚度的小麦籽粒蛋白质含量监测模型为最佳模型。综合两年的数据进行回归分析建立蛋白质含量监测模型,以2005年试验数据为独立样本对模型进行检验,该模型预测精度达到0.35,可以较好地指示成熟期籽粒蛋白质含量状况。

亚热带小流域浅层地下水不同形态氮含量的时空变异特征

为了定量研究流域尺度上氮素(N)形态的时空变异特征,以湖南省长沙县亚热带湘江源头小流域(134.4 km^2)为研究对象,2011年(1—12月)定位观测了小流域菜地、茶园、旱地、林地、两季稻田和一季稻田6种土地利用类型下浅层地下水总氮(TN)、硝态氮(NO_3^--N)、铵态氮(NH_4^+-N)浓度的动态变化,运用空间分析技术分析了各观测指标的时空变异特征。结果表明:研究区浅层地下水NH_4^+-N、NO_3^--N和TN均具有强烈的空间自相关性(块金系数分别为0.76%、8.50%、4.41%),结构变异占主导地位,变程分别为540、580、570 m。小流域浅层地下水TN、NH_4^+-N和NO_3^--N月均浓度变化趋势不尽相同,TN和NO_3^--N月均浓度的动态变化相对比较平缓,而NH_4^+-N的变幅较大,TN和NH_4^+-N的峰值出现在2011年7月,NO_3^--N无明显高峰;TN、NO_3^--N和NH_4^+-N的平均浓度分别为2.97、1.12 mg N·L^(-1)和1.32 mg N·L^(-1)。研究区浅层地下水N的浓度分布特征与土地利用类型关系密切,茶园、稻田为浅层地下水N分布高浓度区,且茶园地下水N浓度最高,林地为N分布低浓度区。

基于蚁群算法的P2P网络路由

对等计算是目前分布计算领域的一个研究热点。对于对等网络系统来说,路由效率是一个关键问题。在此应用蚁群算法到对等网路由中,解决P2P网络的路由问题。仿真实验证实该方法是有效、可行的。

一种混合的时空数据库索引机制

近年来,时空数据库的应用得到迅速发展,在动态时空环境里,维持持续移动对象的位置信息是一个挑战。本文提出了一种新的索引机制,采用两种不同类型的索引结构,一种索引移动对象历史轨迹,一种能够有效地索引移动对象现在、最近、将来的位置信息,而且随着时间的推移,能够将两种索引结构内容快速过渡。在实现移动对象历史轨迹的完整或局部的有效查询的同时,又保证了移动轨迹的空间紧密性。

河北省表层土壤有机碳和全氮空间变异特征性及影响因子分析

【目的】在陆地生态系统中,土壤全氮和有机碳是重要的生态因子。本研究基于土壤调查获得大量土壤剖面的空间和属性信息,研究河北的土壤有机碳和全氮的空间分布特征,为河北的土壤养分监测和管理提供科学依据,同时也为其他类似地区土壤采样提供参考,减少采样成本。【方法】运用传统统计学和地统计学分析方法,以变异函数为工具,初步分析了河北土壤全氮和有机碳的空间变异特征,并应用普通克立格法和回归克里格法进行插值,得出全氮和有机碳含量的分布格局。【结果】研究区土壤有机碳和全氮的平均值分别为15.25 g/kg和1.23 g/kg,变异系数分别为0.73和0.63,属于中等强度变异。经对数转换后,土壤有机碳和全氮均符合正态分布。选择球状模型作为土壤有机碳和全氮的半方差函数理论模型,土壤有机碳和全氮的块金值/基台值的比值分别为1.8%和1.2%,有机碳和全氮的块金系数均小于25%,表明有机碳和全氮具有强烈的空间相关性。有机碳和全氮空间变异的尺度范围不同,分别为50.400 km和59.200 km。研究区的有机碳总体空间分布规律是有机碳在北部较高、南部较低,呈自北向南递减趋势,土壤全氮与有机碳的空间分布趋势相似,但有机碳的空间变异特征较全氮明显,这种空间分布格局主要受环境因子、土壤质地、土壤类型以及土地利用类型等的影响,其中环境因子中的气温和海拔对有机碳和全氮的影响较大。通过比较普通克里格和回归克里格的预测结果,回归克里格能较好地反映东南部有机碳和全氮较低地区的局部变异外,对于西北部的山区也能更好地反映碳、氮与地形及气候等因素的关系。【结论】河北土壤有机碳和全氮的空间变异和分布特征较为类似,受地形地貌、气候等因素的影响。通过比较普通克里格法和回归克里格法的空间预测结果,回归克里格法可以消除环境因子的影响,从而得到更准确的空间预测结果,因此建议使用回归克里格法进行预测,以期获得一个更为准确的土壤有机碳和全氮的空间预测结果。

亚热带丘陵区湿地水生植物组合模式拦截氮磷的研究

人工湿地是农业面源污染治理的有效措施,植物构成及其组合模式是影响湿地污染消纳能力的关键。以湖南亚热带红壤丘陵区为研究区,通过人工湿地小区试验,选取对氮磷有较强吸收能力的浮水植物绿狐尾藻(Myriophyllum elatinoides)为主要植物,分别与黑三棱(Sparganium stoloniferum)、梭鱼草(Pontederia cordata)、铜钱草(Hydrocotyle vulgaris)、灯芯草(Juncus effusus)、野芋头(Calla palustris)、水花生(Alternanthera philoxeroides)等构成不同的植物组合模式,研究其对农村污水(COD:56.34~109.41 mg·L^(-1)、TN:21.11~33.24 mg·L^(-1)、TP:3.36~5.74 mg·L^(-1))的净化效果,旨为亚热带丘陵区农村污水人工湿地生态治理工程提供参数依据。结果表明,观测期内(7—11月),野芋头组合对COD去除效果最好,出水COD平均质量浓度为21.24 mg·L^(-1),平均去除率为72.9%。铜钱草组合对TN的去除效果最好,出水TN平均质量浓度为3.52mg·L^(-1),平均去除率达到84.9%。梭鱼草组合对TP的去除效果最好,出水TP平均质量浓度为0.22 mg·L^(-1),平均去除率达到95.2%。各植物组合氮磷积累量分别在12.43~30.87 g·m^(-2)和0.99~4.69 g·m^(-2)之间,梭鱼草组合氮磷积累量最大(8月:N 30.87 g·m^(-2)和11月:P 4.69 g·m^(-2))。植物吸收占总氮磷去除的比例分别为17.3%~27.8%和10.3%~16.7%,其中,以梭鱼草组合对氮磷的吸收比例最大,野芋头组合吸收比例最小。综合而言,绿狐尾藻与梭鱼草组合为研究区最佳湿地水生植物组合模式。

中温-暖温带表土碳氮磷生态化学计量特征的空间变异性——以河北省为例

解析区域土壤碳氮磷元素的生态化学计量特征的空间分异格局有助于土壤养分的综合管理与利用。运用传统统计学和地统计学分析方法,以河北省为例分析了中温-暖温带表土(0—30cm)碳氮磷元素的生态化学计量特征的空间变异性及影响因素。结果显示:(1)土壤有机碳(SOC)、全氮(TSN)、全磷(TSP)其摩尔比率的变异系数均介于0.1—1之间,表明其在空间上存在中等程度的变异性。此外,C∶N的变异系数较小,表明C∶N较稳定。(2)表土TSP和C∶N具有小范围、强烈的空间自相关性,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有较大范围、中等程度的空间自相关性,结构性因素是土壤碳氮磷含量及其摩尔比率空间变异的主要影响因素。从空间分布规律来看,表土碳氮磷含量及其摩尔比率均没有呈现明显的递增或递减的变化规律,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有相同的空间分布趋势,高值区主要分布在冀北地区,分布面积较小,低值区分布范围较广;C∶N的高值区零星分布在冀北地区,TSP的高值区和低值区呈现斑块状分布。(3)土壤C∶N、C∶P和N∶P受到土壤理化性状、土地利用方式、人类扰动、气候及地形等因素的调控。此外,不同气候带的C∶N、C∶P和N∶P也存在一定的差异,研究区土壤C∶N与高寒带较接近,同时与其他气候带没有显著的差异;C∶P和N∶P与温带沙漠区较接近,与其余气候带存在显著的差异性,说明不同气候带之间的C∶N较C∶P和N∶P稳定。

点源时间序列数据缺失值的估值不确定性分析——以小流域气象和水文数据为例

【目的】对普遍存在的时间序列缺失值进行有效估值,进而改善时间序列数据的质量。【方法】以亚热带典型小流域长期定位观测的气象(最低气温、最高气温、太阳辐射)及水文(降水量、地表径流量)数据为样本并利用计算机模拟的方法,比较了线性内插法、K-最近邻插值法、多项式插值法、样条插值法和核密度估值法5种估值方法的性能差异,分析了不同取样时间步长(日和月)及不同数据缺失量(1%、5%、10%、15%、20%)条件下对缺失值进行估值的不确定性。均方根误差(RMSE)、绝对值平均误差(MAE)和Pearson相关系数(r)3个交叉验证指标用于评估5种估值方法的性能优劣。【结果】①5种方法估值性能较好,Pearson相关系数为0.62～0.99(P<0.05),且以核密度估值法和多项式插值法的估值性能为优;②数据缺失量和取样步长增加降低了5种估值方法的估值精度;③数据集的变异系数(CV)与估值评估指标(RMSE、MAE及r)显著相关(P<0.05)。【结论】核密度估值法和多项式插值法的估值结果相对更可靠,变异系数是影响估值不确定性的重要因素。

县域尺度土壤有机碳储量估算的样点密度优化

县域是我国国家尺度土壤碳库估算的基本地域单元,合理的土壤样品采集密度是保证估算精度要求的基础。以桃源县为例,设置4.70、0.90、0.60、0.40、0.25、0.15、0.10和0.05个km-2共8个样点密度梯度,利用经典统计学和地统计学方法,研究样点密度对县域尺度土壤有机碳库估算精度的影响。经典统计表明,随着样点密度的降低,重复抽样下土壤有机碳均值及其变异系数的波动逐渐增大,标准误差呈幂函数增加(Y=0.025X-0.47,R2=0.97,p<0.01)。地统计学分析表明,随着样点密度的降低,块金值和基底效应逐渐增加,偏基台、变程和决定系数的波动幅度逐渐增大,拟合残差呈幂函数增加(Y=0.001 4X-1.66,R2=0.56,p<0.05);土壤有机碳空间分布的局部差异逐渐被弱化,重复抽样下县域土壤有机碳库储量及其平均误差的波动逐渐增强,均方根误差呈幂函数增加(Y=0.77X-0.05,R2=0.59,p<0.05)。从整体上看,样点密度小于0.15个km-2时,以上变化均急剧增强,土壤碳储量估算的精度快速降低。因此,综合科学、高效和经济方面的考虑,估算县域农田表层土壤有机碳储量的最佳样点密度为0.15个km-2。本研究结果可为开展区域尺度土壤有机碳野外调查提供辅助支持。

点源时间序列数据缺失值的估值方法比较——以小流域气象和水文数据为例

对点源时间序列数据缺失值进行有效估值能提升其数据质量。为探究不同估值方法对点源时间序列数据缺失值的估值效果及其影响因素,以亚热带典型小流域长期定位观测的每日气象和水文数据(最高气温、最低气温、太阳辐射量、降雨量及地表径流量)为例,以均方根误差(RMSE)、绝对平均误差(MAE)和Pearson相关系数(r)为性能验证指标,比较了线性内插法(LIM)、K-最近邻插值法(KNNM)、样条插值法(SIM)、多项式插值法(PIM)和核密度估值法(KDEM)5种估值方法的估值性能差异及其主要影响因素。结果表明:(1)LIM、SIM和KDEM的估值性能总体上优于其它2种方法;(2)5种估值方法对气象数据(最高气温、最低气温和太阳辐射量)缺失值估值的RMSE为1.81~6.35,MAE为1.30~4.20,r为0.70~0.98(P<0.05),而对水文数据(降雨量和地表径流量)缺失值估值的RMSE为12.54~26.28,MAE为3.60~14.21,r为0.07~0.72。可见,各估值方法对气象数据的估值性能强于对水文数据;(3)上述数据集的变异系数(CV)与估值评估指标(RMSE、MAE及r)线性相关(P<0.05),是影响估值性能的重要因素。

亚热带源头流域梯级池塘氮磷含量的时空变异及其影响因素

研究亚热带源头流域梯级池塘氮磷含量的变异机制,有利于理解农业小流域池塘水体氮磷面源污染的发生机制。本研究以亚热带红壤丘陵区典型农业小流域——金井小流域为研究区,选择18组典型梯级池塘(每组上、下游池塘各1个,共36个池塘)进行长期定位观测,采用2017年6月到2018年5月期间共12个月梯级池塘水体氮磷的定位观测数据,分析总氮(TN)和总磷(TP)含量的时空变异及其影响因素。结果表明:梯级池塘水体TN含量呈现上游(1.86 mg·L^-1)低于下游(2.56 mg·L^-1),TP含量上游与下游接近,且上下游池塘TN和TP含量趋势在旱季偏高;梯级池塘水体TN和TP指标超标严重,超标率72.8%以上;周边土地利用类型和养鱼影响了梯级池塘水体TN和TP含量,相对不养鱼池塘,养鱼池塘水体TN和TP含量分别增加了60%、34%。研究结果表明,农业土地利用和养鱼加剧了研究区梯级池塘水质恶化,加强农田面源污染和水产养殖管理有助于梯级池塘水质提升。