乌鲁木齐市沿城市化梯度带土壤重金属环境容量评估

文章为阐明新疆乌鲁木齐市沿城市化梯度带土壤重金属环境容量,从代表性城-郊-乡-荒地梯度带采集88个表层土壤样品,分析各梯度带土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cu、Ni和Zn等重金属元素含量。基于GIS和综合环境指数(PI),分析沿城市化梯度带土壤重金属环境容量特征及其空间分布规律。结果表明:研究区沿城-郊-乡-荒地梯度带表层土壤中各重金属含量有一定差异,各梯度带土壤中Hg明显富集。沿城市化梯度带土壤中重金属PI平均值从大到小依次为乡村、郊区、荒地、城区,各梯度带均表现为中容量区。土壤中各重金属单项环境容量指数空间分布规律不同,PI低值区主要分布于城区梯度带,表明城市化对土壤环境容量产生明显影响。各重金属在各年限内动态年容量和静态年容量从大到小依次为Zn、Ni、Pb、Cu、As、Hg、Cd。各梯度带土壤重金属动态年容量均呈现20 a>40 a>60 a>80 a>100 a的趋势。各梯度带土壤中各重金属元素在不同年限内平均动态年容量均大于静态年容量,土壤环境容量趋势好转。

新疆典型城-郊-乡梯度带土壤微量元素空间分布与来源

从新疆某地典型城-郊-乡梯度带采集了77个表层(0~20 cm)土壤样品,基于GIS技术与多元统计分析方法,研究各梯度带表层土壤中Hg、As、V、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb和Sb等10种微量元素的空间分布特征与主要来源。结果表明:Hg元素在城区、郊区和乡村表层土壤中的平均含量均超出研究区土壤背景值,As元素在城区和郊区表层土壤中的平均含量超出背景值,Zn和Pb元素在城区表层土壤中的平均含量超出背景值,其余元素在3个梯度带表层土壤中的平均含量均低于相应的背景值。研究区表层土壤中,V、Co、Ni、Zn、Cd、Pb和Sb等7种元素的空间分布格局基本相似,均呈现沿城市化梯度带分布的地带性格局;As、Cu和Hg等3种元素的空间分布呈现岛状格局。来源分析结果表明,各梯度带表层土壤中的微量元素的来源各不相同。

新疆绿洲城市地表灰尘重金属污染风险对比

为了解新疆绿洲城市地表灰尘中重金属污染风险的整体情况,从新疆工业化、城市化程度相对较高的典型绿洲城市采集地表灰尘样品,测定其中As、Cd、Cu、Hg和Pb等5种元素含量,采用污染负荷指数(PLI)和US EPA健康风险评估模型,对比分析各城市地表灰尘重金属污染及潜在风险。结果表明,乌鲁木齐、昌吉、克拉玛依与库尔勒地表灰尘中As、Cd、Cu、Hg和Pb等元素含量平均值均小于《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600-2018)中第二类用地筛选值。各城市地表灰尘重金属PLI平均值从大到小依次为昌吉、乌鲁木齐、库尔勒、克拉玛依,其中昌吉市呈现中度污染,其他城市均呈现轻度污染。各城市地表灰尘中重金属元素潜在非致癌风险从大到小依次为克拉玛依、昌吉、库尔勒、乌鲁木齐,潜在致癌风险从大到小依次为克拉玛依、库尔勒、昌吉、乌鲁木齐。整体上,新疆各绿洲城市地表灰尘中As、Cd、Cu、Hg和Pb等5种元素不存在显著的非致癌健康风险,As和Cd元素产生的潜在致癌风险处于可接受风险值范围内。Hg元素是各绿洲城市地表灰尘中污染程度最高的元素,As元素是最主要的潜在非致癌与致癌健康风险元素。绿洲城市地表灰尘中As和Hg污染需要重点关注。

昆仑山北麓克里雅绿洲生态服务价值对土地利用变化的响应

基于1991、2002与2008年卫星遥感资料,采用中国陆地生态系统的服务价值测算方法,分析克里雅绿洲土地利用变化对生态系统服务价值与结构的影响。研究表明:①研究区生态服务价值从1991年的144 224.8万元降到2008年的128 716.3万元,生态服务价值损失10.8%,每年净损失生态服务价值达24.2元/hm2。生态服务总价值的减少主要是由湿地、水域总面积的减少而导致的;②研究区各生态服务功能对区域总生态服务价值贡献率由高到低依次为:废物处理、土壤形成、生物多样性保护、水源涵养、气候调价、气体调价、食物生产、娱乐休闲和原材料;③研究区生态服务价值对生态服务功能指数缺乏弹性。

焉耆盆地小麦地土壤重金属污染及生态风险

从新疆焉耆盆地采集35个小麦地土壤样品,测定其中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn 8种重金属元素的含量,采用内梅罗污染指数(NPI)、潜在生态风险指数(RI)和生态风险预警指数(IER)对小麦地土壤重金属污染及生态风险进行评价。结果表明:焉耆盆地小麦地Cd含量平均值超出国家土壤环境质量二级标准的11.12倍,Cd、Cr、Ni、Pb和Zn含量的平均值分别超出新疆灌耕土背景值的55.58、1.32、1.48、3.21倍和4.47倍。小麦地Cd、Pb和Zn呈现重度污染,Cr和Ni轻度污染,As和Cu轻微污染,Mn无污染;研究区NPI平均值为7.93(呈现重度污染状态),RI平均值为342.95(属于较强生态风险水平),IER平均值为5.68(属于重警级别),土壤RI和IER从研究区北向南部呈现逐渐增加趋势。小麦地Ni、Pb与Zn主要受到人为污染源的影响,Cu、Mn和Cr主要受到土壤地球化学特征的控制,As和Cd可能受人为污染和自然因素共同影响。综上认为,Cd是焉耆盆地小麦地主要的污染因子和生态风险因子,对研究区耕地Cd污染应予关注。

新疆焉耆盆地典型区域土壤盐分特征

采用相关分析法与主成分分析法,研究了焉耆盆地典型区域土壤盐分特征.结果表明：研究区24.8％样地呈非盐溃化土壤,7.5％为轻度盐渍化,11.9％为中度盐渍化,13.6％为重度盐渍化,42.2％为盐土.土壤盐分含量大小与HCO3-、K＋与Na＋含量水平的高低有关.0 ～ 10 cm土壤平均合盐量占0～ 50 cm土层平均含盐量的50.09％,即土壤盐分垂直分布呈现强烈表聚性.主成分分析结果表明,含盐量、K＋＋Na＋、CO32-与HCO3-可作为研究区土壤盐渍化状况的特征因子.不同土地利用类型条件下,耕层土壤平均含盐量从高到低依次为：荒地、林地、旱田、菜地.不同时期耕层土壤平均含盐量从高到低依次为：春灌期、夏灌期、秋灌期.

植物地理学野外实习教学探讨——以博格达山北坡为例

植物地理野外实习是自然地理野外实习的重要组成部分。为了提高植物地理野外教学效果、培养学生的地理学的综合思维,进一步提高学生科研水平和创新能力,以博格达山地区植物地理学野外实习教学为例,结合多年来植物地理学野外实习实践教学的经验和体会,探讨博格达山地区植被分布情况,分析野外实习教学内容,讨论植物标本的采集以及植物群落调查,为把博格达山地区植物地理学野外实习建设成创新型的实习课程奠定基础。

基于3S的塔里木河中游景观格局变化特征分析

景观格局变化研究,是目前景观生态学的研究热点.本文把生态环境脆弱与人类活动的影响比较强烈的塔里木河中游选为研究靶区,利用遥感的手段获取试验区1973、1992和2000年景观格局的基础数据,在3S技术和景观生态学方法支持下,对塔里木河中游近30年土地利用和景观结构的时空变化特征进行了研究,对该地区的开发利用和生态环境保护提供科学依据.

博斯腾湖流域地下水重金属污染的人体健康风险评估

在新疆博斯腾湖流域绿洲灌区采集67个浅层地下水样品,测定其中Cu、Mn、Cd、Cr、Ni和Zn等6种重金属元素的含量,采用Nemerow综合污染指数对地下水中重金属污染程度进行评价,借助USEPA健康风险评价模型对地下水中重金属污染的潜在健康风险进行评价。结果表明:①地下水中各元素平均含量大小顺序依次为:Mn>Zn>Cu>Ni>Cr>Cd,各元素平均含量均未超出国家标准的限值;②研究区地下水中各重金属元素单项污染指数平均值从大到小依次为:Cd(2.04)、Mn(0.69)、Ni(0.45)、Cr(0.24)、Zn(0.07)、Cu(0.03)。综合污染指数的变化范围在0.23~2.22之间,平均值为0.73,呈现轻微污染;③健康风险评价结果表明,地下水中6种重金属对成人的潜在非致癌健康风险HI为7.83E-01<1,表明暴露的个体不太可能有明显的不良健康影响;对儿童的潜在非致癌健康风险HI为1.05E+01>1,表明研究区地下水重金属可能对当地儿童的健康产生不利影响,有进一步研究的必要性。

博斯腾湖西岸湖滨带土壤盐分高光谱反演

选取博斯腾湖西岸湖滨带为研究区,沿垂直湖岸线方向采集14个土壤剖面70个样本,利用ASDFieldSpec3地物光谱仪获取高光谱数据,基于Q型聚类分析研究不同含盐量土壤光谱特征,对土壤光谱反射率与含盐量做逐波段相关分析和显著性检验,筛选不同光谱变换下的敏感波段,通过多元逐步回归和偏最小二乘回归方法,分别以敏感波段和全波段光谱构建12个土壤含盐量反演模型,优选最佳反演模型。结果表明:17种高光谱变换中,4种最优光谱变换使土壤含盐量与Savitzky-Golay平滑后的反射率极显著相关波段数明显增多,分别是反射率的一阶微分、平方根一阶微分、对数倒数一阶微分、倒数对数一阶微分,综合确定盐分敏感波段聚集在749.102430833230,1677和2387nm处;以对数倒数一阶微分光谱全波段建立的偏最小二乘回归模型更适合该区0~50cm土壤含盐量的高光谱反演,其建模和验证决定系数R^2分别为0.93和0.85,均方根误差RMSE分别为0.37和0.42,相对预测偏差RPD为3.57。

基于连续投影算法的博斯腾湖西岸湖滨绿洲土壤有机碳含量的高光谱估算

以博斯腾湖西岸湖滨绿洲为研究区,利用实测的土壤有机碳含量与高光谱数据,应用连续投影算法(successive projection algorithm,SPA)从全波段光谱数据中筛选特征变量,并分别采用全波段和特征波段构建偏最小二乘回归(partial least square regression,PLSR)与支持向量机(support vector machine,SVM)模型来估算土壤有机碳含量。结果表明:1)土壤有机碳质量分数变化范围为0.75~48.13 g/kg,平均值为13.31 g/kg,呈中等变异性,变异系数为63.19%。2)土壤有机碳含量与原始光谱反射率表现为负相关性[-0.62<相关系数(r)<-0.07];经SG平滑结合标准化正态变换后进行一阶微分(Savitzky-Golay-standard normal variate-first derivative,SG-SNV-1st Der)预处理后,通过极显著性检验(P<0.01)的波段数达到414个,主要集中在487~575、725~998和1464~1514 nm处,其中在788、800与1768 nm波长处的相关性最高,r均大于0.80。3)光谱经SG-SNV-1st Der预处理后,用SPA构建的PLSR模型验证集的决定系数(R2)=0.79,均方根误差(root mean square error,RMSE)=3.58 g/kg,残余预测误差(residual prediction deviation,RPD)=1.99,四分位数间距性能比(ratio of performance to interquartile distance,RPIQ)=2.23;而运用SPA结合SVM构建的模型验证集R2=0.81,RMSE=3.16 g/kg,RPD=2.25,RPIQ=2.53。说明运用SPA结合SVM构建的模型能较好地估算研究区土壤有机碳含量。

乌鲁木齐市地表灰尘微量元素污染及生态风险

文章从乌鲁木齐市交通区、公园、文教区和居民区采集了83个地表灰尘样品,测定其中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn等9种微量元素的含量。采用负荷污染指数法和潜在生态风险指数法,评价了乌鲁木齐市地表灰尘中微量元素污染及潜在生态风险。结果表明:(1)研究区地表灰尘中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等元素富集明显,其含量分别为新疆土壤背景值的2.0、1.35、1.38、8.24、1.28、2.09和3.26倍;(2)乌鲁木齐市地表灰尘中Hg和Zn呈现重度污染,Pb呈现中度污染,Cd、Cr、Cu和Ni呈现轻度污染,As呈现轻微污染,Mn呈现无污染;各功能区地表灰尘中微量元素负荷污染指数平均值均呈现轻度污染;(3)地表灰尘中各微量元素单项生态风险指数从大到小依次为Hg、Cd、Pb、As、Cu、Ni、Zn、Cr、Mn,地表灰尘中微量元素综合生态风险指数平均值呈现较强生态风险。各功能区地表灰尘中微量元素生态风险指数从大到小依次为文教区、公园、交通区、居民区。Cd和Hg是研究区地表灰尘中主要的生态风险因子。

新疆库尔勒市道路积尘重金属污染及健康风险评价

为探究绿洲城市道路积尘重金属污染风险,在新疆库尔勒市采集54个代表性道路积尘样品,分析其中Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6种元素含量,基于GIS技术与地学统计法,采用污染负荷指数法和US EPA健康风险评价模型,对道路积尘中重金属污染及潜在健康风险进行评价。结果表明:库尔勒市道路积尘中Hg、Cd、As、Pb和Cu等元素含量的平均值均小于土壤环境质量—建设用地土壤污染风险管控标准(GB 36600—2018)中的筛选值,但Cr元素含量平均值为相应筛选值的9.90倍。污染评价结果表明,研究区道路积尘中Cr呈现重度污染,Hg、Cd、As、Pb和Cu呈无污染。道路积尘中重金属元素的污染负荷指数介于0.0142~0.0522,平均值为0.0266,处于无污染水平。从道路积尘重金属污染空间分布格局来看,库尔勒市东北部和北部区域出现污染高值区。健康风险评估结果表明,经手-口摄入途径是库尔勒市道路积尘重金属日均暴露量及健康风险的主要途径,儿童受到的健康风险高于成人。库尔勒市道路积尘中Hg、Cd、As、Pb、Cr与Cu等元素的非致癌风险及致癌风险处于安全范围内,As对非致癌风险的贡献最大,Cr对致癌风险的贡献最大。

典型石油城市道路积尘重金属污染及健康风险评价

从新疆典型石油城市克拉玛依市采集52个道路积尘样品,测定其中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg 6种重金属元素的含量,采用地质累积指数法与美国环境保护署(USEPA)推荐的健康风险评价模型,分析了道路积尘重金属污染及潜在健康风险。结果表明,克拉玛依市道路积尘中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg的平均值分别为新疆土壤背景值的1.62、1.75、0.99、1.50、1.24、2.94倍,道路积尘中6种重金属元素的地质累积指数(I_(geo))平均值排序为Hg>As>Cu>Pb>Cr>Cd。其中,Hg处于轻度污染,其他5种元素均处于无污染水平。总体上,As、Cu、Hg的I_(geo)从西北向东南呈减小趋势;Cd的I_(geo)空间分布较为离散,出现两个同心圆状分布格局;Pb、Cr的I_(geo)呈现均匀分布格局。健康风险评价结果表明,克拉玛依市道路积尘中重金属元素的非致癌风险及致癌风险均处于安全范围内,主要暴露途径为手-口摄入,儿童受到的健康风险高于成人,As是克拉玛依市道路积尘中最主要健康风险元素。

基于高光谱特征参数优选的土壤盐分含量建模及其验证

【目的】研究不同维度光谱变换下土壤盐分反演模型及其验证。【方法】以博斯腾湖西岸湖滨绿洲为研究区,面向ASD高光谱数据,利用17种一维数学变换光谱和3种二维变换光谱指数,分别与实测土壤盐分进行相关分析,得到0.01显著性检验水平下初步优选的光谱特征参数,基于VIP准则选入最佳自变量实现PLSR模型构建,进行精度验证。【结果】研究区干季土壤平均反射率随含盐量的增加而高于湿季土壤平均反射率,尤其体现在590、800、1810、2150 nm处;17种一维单波段光谱变换中,对数倒数的一阶微分(1/lgR)变换与土壤盐分含量相关性最好,峰值敏感波段为1083 nm,相关系数绝对值|r|最高达0.63;3种二维两波段光谱变换中,归一化光谱指数NDSI(R_(1780),R_(1742))与土壤盐分含量相关性最好,相关分析决定系数R^(2)最大值为0.57;基于特征归一化光谱指数结合VIP准则进行自变量筛选的PLSR估算模型效果最佳,土壤盐分建模集和验证集的决定系数R_(V)^(2)达0.77,均方根误差RMSEV为0.64 g/kg,相对分析误差RPD为2.11。【结论】利用归一化光谱指数NDSI建立PLSR高光谱模型可有效地对研究区土壤盐分进行定量估算。

利用高光谱估算博斯腾湖西岸湖滨绿洲土壤有机质含量

以新疆博斯腾湖西岸湖滨绿洲为研究区,利用实测的土壤有机质含量与高光谱数据,通过多元逐步回归与偏最小二乘回归法分别构建反演土壤有机质含量估算模型。结果表明:(1)研究区土壤有机质含量变化范围为5.09~44.00 g·kg^(-1),均值为16.87 g·kg^(-1),变异系数为44.69%,呈中等变异;土壤有机质含量与土壤光谱反射率呈极显著负相关(P<0.01),相关系数为0.09<|r|<0.42;(2)通过显著性检验(P<0.01)的波段主要集中在590~687、758~892、1003~1092和1171~1297 nm 4个波段,反射率(1/R)′变换下相关性最高,相关系数|r|为0.50(P<0.01);(3)研究区的土壤有机质含量高光谱估算模型为Y=30428.37X677+12738.78X775+2894.02X865+11589.35X885+5.56,建模集和验证集的决定系数(R2)分别为0.83和0.82,均方根误差(RMSE)分别为4.01和2.64 g·kg^(-1),验证集统计量F=116.41(P<0.01),相对分析误差(RPD)=2.30,预测能力较好。

博斯腾湖湖滨绿洲土壤电导率高光谱估算模型

以博斯腾湖湖滨绿洲为研究区,采用分数阶微分对光谱指数进行波段优化,筛选高光谱数据的特征波段,利用偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机(SVM)构建土壤电导率高光谱数据的估算模型。研究结果表明:(1)分数阶微分的高光谱数据与土壤电导率的相关性:随着分数阶微分阶数的增加,特征波段数呈现逐渐增加的趋势,2阶是特征波段数量最多的阶数,特征波段数量为335(P=0.01),相关系数绝对值最大为0.64。(2)分数阶微分优化光谱指数的高光谱数据:随着分数阶微分阶数的增加,光谱矩阵图表现为相关系数在正负值之间波动较大,0.8阶在光谱指数DSI的相关系数绝对值最大为0.75;平方根、对数、倒数的相关系数绝对值最大为0.64。(3)基于PLSR和SVM构建土壤电导率估算模型:基于0.8阶微分和光谱指数DSI筛选的特征波段建立的估算模型估算效果较好,其中SVM构建的估算模型最优,模型精度为R_(SVMc)~2=0.89,RMSE_(SVMc)=0.03,R_(SVMv)~2=0.80,RMSE_(SVMv)=1.12。利用SVM估算模型可以有效地对研究区土壤电导率进行定量估算。

基于地理加权回归模型的博斯腾湖湖滨绿洲土壤盐分离子含量高光谱估算

以博斯腾湖湖滨绿洲为研究区,分析HCO_(3)^(–)、Cl^(-)、SO_(4)^(2–)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Na^(+)+K^(+)等主要土壤盐分离子含量与土壤高光谱反射率的分数阶微分光谱变换与RSI、DSI、NDSI等二维土壤指数的相关性优选特征波段,构建基于地理加权回归模型的土壤盐分离子含量估算模型。研究结果表明:Na++K+的微分变换特征波段集中在468~724 nm与1 182~1 539 nm,二维土壤指数的特征波段集中在1 742~2 395 nm,基于RSI的特征波段优选下地理加权回归模型对Na++K+含量的估算效果较好,建模集R^(2)=0.94,RMSE=0.22,验证集R^(2)=0.74,RMSE=0.19;SO_(4)^(2–)含量在1.2阶优选的位于469~636 nm波段估算效果较佳,建模集R^(2)=0.91,RMSE=0.02,验证集R^(2)=0.75,RMSE=0.33;Ca^(2+)、Mg^(2+)优选的特征波段主要集中在912~2 340 nm的近红外波段;Cl^(-)含量在1阶的近红外波段建模效果较好,建模集R^(2)=0.74,RMSE=0.03,验证集R^(2)=0.93,RMSE=0.11;含量相对较高的Na^(+)+K^(+)、SO_(4)^(2–)、Cl^(-)的地理加权回归模型精度高于含量较低的Ca^(2+)、Mg^(2+)。

新疆博斯腾湖西岸湖滨带土壤剖面重金属分布特征及来源分析

采集研究区耕地、未利用地75个土壤剖面样品,分析其Cr、Ni、Pb、Zn、Cd含量,利用地累积指数、Hankason潜在风险指数、PCA/APCS受体模型进行分析。研究结果表明:(1)土壤中Cd、Cr、Ni、Pb、Zn含量的总超标率依次为89.00%、25.30%、14.70%、30.70%、29.33%,其中Cr、Zn分别在耕地10—20 cm、20—30 cm层超过新疆土壤背景值的1.04、1.03倍。(2)Cd在耕地20—30 cm层、未利用地10—20 cm、20—30 cm层为轻度污染水平、中度潜在生态风险,其余剖面层Cr、Ni、Pb、Zn、Cd为无污染水平、轻度潜在生态风险。(3)土壤母质对Cr、Ni、Pb、Zn、Cd的平均贡献率依次为69.90%、78.80%、63.15%、70.68%、24.64%,交通污染源对Pb、Cd的平均贡献率依次为22.38%、47.39%,农业活动污染源对Cr、Ni、Cd的平均贡献率依次为14.30%、6.86%、20.35%。(4)研究区耕地、未利用地综合生态风险均小于150,为轻微生态风险。

基于地理加权回归模型的葡萄园土壤砷含量高光谱反演

以吐鲁番盆地葡萄园土壤中砷(As)为研究对象,分析15种光谱变换下的土壤光谱反射率数据与土壤As含量的相关性,构建土壤As含量预测的偏最小二乘回归(PLSR)模型和地理加权回归(GWR)模型。结果表明:葡萄园土壤原始光谱率(R)经一阶微分(FD)、平方根一阶微分(SRFD)、平方根二阶微分(SRSD)、倒数二阶微分(RTSD)、对数一阶微分(LTFD)、倒对数一阶微分(ATFD)变换对As光谱特征的增强作用最突出。模型预测结果表明,采用基于LTFD变换的GWR模型可有效提高葡萄园土壤As含量的预测精度。