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物探与化探  2023, Vol. 47 Issue (1): 217-227    DOI: 10.11720/wtyht.2023.2687
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基于GIS和统计学的土壤监测指标时空变化分析
汪媛媛1(), 华明1, 金洋1, 崔晓丹1, 许伟伟1, 李文博1, 刘玮晶1, 汪子意1, 文宇博2()
1.江苏省地质调查研究院 自然资源部国土(耕地)生态监测与修复工程技术创新中心,江苏 南京 210018
2.南通大学 地理科学学院,江苏 南通 226000
An analysis of the temporal and spatial changes in soil monitoring indices based on GIS and statistics
WANG Yuan-Yuan1(), HUA Ming1, JIN Yang1, CUI Xiao-Dan1, XU Wei-Wei1, LI Wen-Bo1, LIU Wei-Jing1, WANG Zi-Yi1, WEN Yu-Bo2()
1. Technology Innovation Center of Land (Cultivated Land) Ecological Monitoring and Restoration Project of the Ministry of Natural Resources, Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, China
2. School of Geographic Sciences, Nantong University, Nantong 226000, China
全文: PDF(6279 KB)   HTML
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摘要 

土壤监测对于查清土壤生态质量家底,积极开展土壤污染生态修复与防治,实现可持续土地资源监测与利用有重要指导价值。为了研究江苏省宜兴市土壤监测指标的时空变化,根据宜兴市2004年多目标地球化学调查的426个土壤样本以及2015年1∶5万土地质量地球化学调查的4 458个土壤样本的数据,利用地理信息系统(GIS)和统计学方法研究了该区重要土壤环境参数的变化,通过箱线图和t检验对参数或元素浓度变化进行了检测,利用基于半变异函数的块金值(C0)进行了误差分析,并评估分析了不同的空间变量。结果表明,宜兴市土壤中有机质(OM)、氮、磷、硼等营养元素(指标)在11年间呈增长趋势,土壤pH值呈现明显下降趋势,土壤中镉、铜、铅、锌等重金属元素和硒含量呈上升趋势,砷含量没有明显变化。

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汪媛媛
华明
金洋
崔晓丹
许伟伟
李文博
刘玮晶
汪子意
文宇博
关键词 土壤监测时空变化地理信息系统半变异函数    
Abstract

Soil monitoring is of significance for guiding the determination of the ecological quality of soil, the active ecological restoration and prevention of soil pollution, and the sustainable monitoring and utilization of land resources. To investigate the temporal and spatial changes in the soil monitoring indices in Yixing City, Jiangsu Province, this study collected the geochemical data on 426 soil samples taken during the multi-purpose geochemical survey of Yixing City in 2004 and 4 458 soil samples taken during the 1∶50 000 land quality geochemical survey in 2015. Based on these data, this study analyzed the changes in important soil environmental parameters of the study area using the geographic information system (GIS) and statistics. Moreover, it determined the changes in the parameters or element concentrations using box-whisker plots and t-tests, conducted an error analysis using the nugget value (C0) based on the semivariance function, and evaluated and analyzed different spatial variables. The results are as follows. From 2004 to 2015, the organic matter (OM) and nutrient elements such as nitrogen, phosphorus, and boron showed an upward trend; the pH of soil showed a significant downward trend; the contents of selenium and heavy metals such as cadmium, copper, lead, and zinc showed an upward trend, and the arsenic content did not change significantly.

Key wordssoil    monitoring    spatio-temporal change    GIS    semivariance function
收稿日期: 2021-12-17      修回日期: 2022-04-25      出版日期: 2023-02-20
ZTFLH:  P632  
基金资助:江苏省自然资源科技项目(KJXM2021032);江苏省国土(耕地)生态地质环境监测项目(苏财建[2018]96号);南通大学人才引进项目(135421621017);中国地质调查局地质调查项目(12120115043201)
通讯作者: 文宇博(1987-),男,博士,现从事环境地球化学研究工作。Email:wenyubo@ntu.edu.cn
作者简介: 汪媛媛(1984-),女,高级工程师,现从事地球化学调查和监测工作。Email:hengrucc@126.com
引用本文:   
汪媛媛, 华明, 金洋, 崔晓丹, 许伟伟, 李文博, 刘玮晶, 汪子意, 文宇博. 基于GIS和统计学的土壤监测指标时空变化分析[J]. 物探与化探, 2023, 47(1): 217-227.
WANG Yuan-Yuan, HUA Ming, JIN Yang, CUI Xiao-Dan, XU Wei-Wei, LI Wen-Bo, LIU Wei-Jing, WANG Zi-Yi, WEN Yu-Bo. An analysis of the temporal and spatial changes in soil monitoring indices based on GIS and statistics. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(1): 217-227.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2023.2687      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2023/V47/I1/217
Fig.1  研究区采样点位置分布
元素指标 多目标区域地球化学调查(2004年) 1∶5万土壤地球化学调查(2015年)
最小值 1/4分位 中值 3/4分位 最大值 最小值 1/4分位 中值 3/4分位 最大值
As 4.36 7.38 8.42 9.74 23.70 5.81 8.28 9.34 10.48 87.80
Cd 0.07 0.14 0.17 0.21 5.37 0.08 0.16 0.20 0.25 1.05
Cr 36.7 68.1 74.8 80.0 118.0 27.2 68.5 74.6 80.6 176.0
Cu 11.90 21.08 25.10 27.93 89.40 13.70 23.68 28.16 31.89 99.80
Hg 0.033 0.088 0.120 0.150 1.190 0.040 0.094 0.123 0.154 0.645
Ni 11.50 22.10 26.25 31.05 46.60 7.33 22.55 26.44 29.93 58.60
Pb 16.30 28.90 31.60 34.80 437.00 25.10 35.04 37.57 40.68 133.49
Zn 34.0 57.7 66.3 75.3 234.0 48.0 66.3 74.4 83.7 238.0
pH 4.47 5.85 6.51 6.93 8.10 4.06 5.51 6.03 6.42 8.04
OM 5.34 21.21 26.03 29.70 91.54 7.75 26.47 33.79 41.43 87.00
N 0.47 1.29 1.54 1.75 2.88 0.48 1.51 1.89 2.26 4.04
P 0.25 0.55 0.65 0.76 2.01 0.29 0.62 0.73 0.83 1.93
K 10.13 12.87 13.95 14.94 22.42 9.20 12.75 13.83 14.79 28.90
B 30.00 61.80 69.00 75.00 92.00 39.15 72.23 77.25 81.94 110.00
Mo 0.30 0.49 0.57 0.70 7.16 0.40 0.59 0.66 0.76 3.88
Se 0.14 0.30 0.34 0.48 6.18 0.15 0.33 0.38 0.51 5.14
Table 1  2004~2015年土壤监测指标统计特征对比
Fig.2  典型重金属元素含量的两期数据箱线图对比
Fig.3  pH等土壤理化性质两期数据箱线图对比
指标 成对差值 t df Sig.
(双侧)
0.005水平
下有无显
著性差异
均值 标准差 均值的
标准误差
差值的 95% 置信区间
下限 上限
pH15-pH04 -0.438 0.605 0.030 -0.498 -0.378 -14.352 393 0
OM15-OM04 8.392 9.131 0.454 7.500 9.284 18.496 404 0
N15-N04 0.340 0.417 0.021 0.299 0.381 16.312 398 0
P15-P04 0.066 0.154 0.008 0.051 0.081 8.565 396 0
K15-K04 -0.094 1.047 0.053 -0.198 0.009 -1.796 395 0.073
B15-B04 8.602 10.171 0.511 7.597 9.607 16.830 395 0
Mo15-Mo04 0.073 0.137 0.007 0.059 0.086 10.834 415 0
Se15-Se04 0.034 0.106 0.005 0.023 0.044 6.436 408 0
Table 2  土壤理化性质参数成对样本t检验
元素 成对差值 t df Sig.
(双侧)
0.005水平
下有无显
著差异
均值 标准差 均值的
标准误差
差值的95% 置信区间
下限 上限
As15-As04 0.924 1.641 0.082 0.764 1.084 11.335 404 0
Cd15-Cd04 0.025 0.065 0.003 0.019 0.032 7.763 407 0
Cr15-Cr04 -0.035 7.270 0.365 -0.753 0.683 -0.096 395 0.924
Cu15-Cu04 3.281 4.195 0.209 2.870 3.691 15.718 403 0
Hg15-Hg04 -0.001 0.039 0.002 -0.003 0.005 0.546 409 0.586
Ni15-Ni04 -0.019 3.923 0.197 -0.406 0.370 -0.099 398 0.921
Pb15-Pb04 5.989 5.282 0.261 5.476 6.503 22.930 408 0
Zn15-Zn04 8.044 12.123 0.606 6.852 9.236 13.271 399 0
Table 3  土壤As和重金属元素成对样本t检验
指标 量纲 分布类型 变换 理论半变异函数 C0 E
pH 正态 0.084349×Nugget+0.56600×Spherical(9480) 0.11500 0.48
OM 10-3 正态 16.80000×Nugget+33.6100×Exponential(22950) 16.8000 5.80
N 10-3 正态 0.052000×Nugget+0.105000×Exponential(29940) 0.05200 0.32
P 10-3 正态 0.002270×Nugget+0.020340×Exponential(6480) 0.00227 0.067
B 10-6 正态 7.500000×Nugget+73.07000×Exponential(3450) 7.50000 3.87
Mo 10-6 对数正态 对数 0.035300×Nugget+0.089300×Gaussian(32614) 0.03530 0.27
Table 4  pH等指标误差值及对应半变异函数参数特征
Fig.4  宜兴市2004~2015年土壤pH等指标含量变化
注:ΔOM、ΔN、ΔP含量单位为10-3,ΔB、ΔMo含量单位为10-6;pH无量纲
Fig.5  pH和N等指标变化量直方图
指标 量纲 分布类型 变换 理论半变异函数 C0 E
As 10-6 正态 1.367000×Nugget+3.450000×Spherical(16320) 1.36700 7.47
Cd 10-6 对数正态 对数 0.015500×Nugget+0.118000×Exponential(9390) 0.01550 0.176
Cu 10-6 对数正态 对数 0.022300×Nugget+0.058800×Spherical(57740) 0.02230 0.21
Pb 10-6 对数正态 对数 0.000020×Nugget+0.029840×Spherical(1730) 0.00002 0.006
Zn 10-6 对数正态 对数 0.018380×Nugget+0.036860×Exponential(11010) 0.01838 0.19
Se 10-6 对数正态 对数 0.041400×Nugget+0.175800×Exponential(34848) 0.04140 0.29
Table 5  As等指标误差值及对应半变异函数参数特征
Fig.6  宜兴市2015~2004年土壤As和重金属元素含量变化
注:ΔAs、ΔCd、ΔCu、ΔPb、ΔZn、ΔSe含量单位为10-6
Fig.7  Cd, Zn和Se元素变化量直方图
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