地統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展

地統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展

土壤不是一個(gè)均勻的體，而是一個(gè)空間不斷變化的體，具有高度的空間異質(zhì)性。土壤性質(zhì)空間變異包括土壤水分特征及狀態(tài)參數(shù)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、土壤重金屬及其它元素等性質(zhì)的變異。由于人類(lèi)活動(dòng)(工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn))或者自然變化(土壤母質(zhì)礦化)而引起的土壤重金屬時(shí)空變化,這些變化均能導(dǎo)致土壤重金屬時(shí)空屬性數(shù)據(jù)的復(fù)雜化,而且土壤中不同重金屬之間的相互關(guān)系也在空間上表現(xiàn)出復(fù)雜的相關(guān)性與變異性。因此對(duì)土壤重金屬的空間分布及空間相關(guān)性和依賴(lài)性作定量化的描述相當(dāng)困難,20世紀(jì)70年代地統(tǒng)計(jì)學(xué)引入到土壤研究中來(lái),克服了應(yīng)用經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)方法在研究土壤性質(zhì)空間變異性規(guī)律方面的不足,同時(shí)也大大推動(dòng)了區(qū)域土壤重金屬研究的進(jìn)展。地統(tǒng)計(jì)學(xué)(Geostatistics)是由南非礦山地質(zhì)工程師D.G.Krige于1951年提出,法國(guó)著名地質(zhì)學(xué)家G.Matheron于1962年創(chuàng)立。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,地統(tǒng)計(jì)學(xué)已經(jīng)在需要進(jìn)行時(shí)空變異分析及空間插值的許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。地統(tǒng)計(jì)學(xué)現(xiàn)已被證明是分析土壤重金屬空間分布特征及其變異規(guī)律最為有效的方法之一。本文將對(duì)地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤重金屬研究中的主要的應(yīng)用方面進(jìn)行綜述,并展望其發(fā)展前景。1半方差函數(shù)的引入地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論(Regionalizedvariabletheory)為基礎(chǔ),以半方差函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學(xué)方法。它建立在區(qū)域化變量、隨機(jī)函數(shù)、內(nèi)蘊(yùn)假設(shè)、平穩(wěn)性假設(shè)等概念基礎(chǔ)上[4～8]。區(qū)域化變量Z(x)是指在空間分布的變量,是在區(qū)域內(nèi)不同位置x取不同值Z的隨機(jī)變量。它一般反映了某種現(xiàn)象的特征,如不同坐標(biāo)點(diǎn)上土壤的重金屬含量等。該區(qū)域內(nèi)所有位置上隨機(jī)變量Z(x)構(gòu)成的有限集就被稱(chēng)之為隨機(jī)函數(shù),它表征了區(qū)域化變量的兩大屬性隨機(jī)性與結(jié)構(gòu)性。區(qū)域化變量研究那些分布于空間中并顯示出一定結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性的自然現(xiàn)象。半方差函數(shù)是用來(lái)描述區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性并存這一空間特征而提出的,是地統(tǒng)計(jì)學(xué)解釋土壤空間變異結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),它的精確估值是成功的空間內(nèi)插和柵格地圖制作的關(guān)鍵。它一般有三個(gè)重要參數(shù):塊金值(Nugget)、基臺(tái)值(Sill)、范圍值(Range),用來(lái)表示區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度。土壤性質(zhì)的半方差圖通?？梢员荒承┣€方程所擬合,用于擬和的曲線方程就稱(chēng)為半方差函數(shù)的理論模型?？肆⒏?Kriging)法是利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性,對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)的一種插值方法。與一般的插值方法相比,其優(yōu)點(diǎn)在于最大限度地利用了空間取樣所提供的各種信息。主要的克立格法有普通克立格法(ordinarykriging)、簡(jiǎn)單克立格法(simplekriging)、塊段克立格法(blockkriging)、協(xié)同克立格法(co-kriging)、泛克立格法(universalkriging)、指示克立格法(indictorkriging)、以及對(duì)數(shù)正態(tài)克立格法(logisticnonormalkriging)等。這些方法各有特點(diǎn),我們應(yīng)根據(jù)樣點(diǎn)的分布特征及不同的研究目的和側(cè)重點(diǎn)來(lái)采取最優(yōu)的克立格法。2土壤氮的概念2.1采樣方案設(shè)計(jì)許多土壤研究者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到采樣方案對(duì)最終的分析結(jié)果有著非常大的影響。采樣方案的選擇在空間分析中起著基礎(chǔ)性的作用,一個(gè)理想的采樣方案應(yīng)該包括合理的采樣布點(diǎn)方法與適宜的采樣密度,要求基于此方案所得的結(jié)果既能達(dá)到工作所需的精度,又盡可能減少采樣成本、簡(jiǎn)化采樣程序[13～15]。但是傳統(tǒng)的田間網(wǎng)格定位采樣既費(fèi)錢(qián)又費(fèi)勁,何地采樣、采多少樣品數(shù)、樣品間距應(yīng)多大,都是土壤調(diào)查面臨的難題。許多研究表明,采樣方案對(duì)估值及空間插值精度具有較大的影響[14～17],因此應(yīng)該在保證一定精度的前提下,通過(guò)合理的采樣布點(diǎn)方法,以減少采樣個(gè)數(shù),節(jié)省野外采樣和室內(nèi)分析的成本。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法充分考慮到了土壤特性的空間相關(guān)性和采樣點(diǎn)的空間位置,而傳統(tǒng)的采樣方法只能概括土壤特性變化的全貌,不能反應(yīng)其局部的變化特征。在國(guó)外,VanGroenigen等將地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS結(jié)合,設(shè)計(jì)了一個(gè)交互式的采樣方案,并在荷蘭的Schoonhove的土壤鉛污染研究中得到了應(yīng)用,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的采樣方案相比,交互式采樣方案所得的結(jié)果精度比其高出15%。Chang等發(fā)現(xiàn),克立格技術(shù)比傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在設(shè)計(jì)合理采樣方案方面更為有效,并分別以1995、1996年英格蘭的Blackwater河口的土壤與沉積物中的重金屬研究為例,發(fā)現(xiàn)在不丟失空間信息的情況下,克立格方法比傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)出來(lái)的采樣策略進(jìn)行采集的樣品數(shù),1995年采集的樣品數(shù)可以減少50%,1996年采集的樣品數(shù)可以減少40%。VanGroenigent等還于2000年探討了地統(tǒng)計(jì)學(xué)在Rotterdam城市土壤復(fù)合重金屬污染采樣中的應(yīng)用,研究表明,地統(tǒng)計(jì)學(xué)比傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)更能靈活地處理采樣過(guò)程中各種各樣的限制。在國(guó)內(nèi),齊峰與王學(xué)軍探討了幾種采樣方法在不同的采樣密度下,分別在大氣沉降和污灌土壤兩種模擬數(shù)據(jù)下進(jìn)行采樣,并以實(shí)驗(yàn)半變異函數(shù)為結(jié)構(gòu)分析工具探討了采樣方案對(duì)具有不同空間分布特征數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)表達(dá)的影響;研究發(fā)現(xiàn),采樣密度與采樣方法的選取都對(duì)空間結(jié)構(gòu)的表達(dá)有顯著影響。姜城、楊俐蘋(píng)利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、地理信息系統(tǒng)技術(shù),結(jié)合土壤養(yǎng)分狀況對(duì)一定條件下土壤合理采樣數(shù)量作了研究,發(fā)現(xiàn)大部分土壤養(yǎng)分都具有較為良好的半方差結(jié)構(gòu),空間自相關(guān)距離都比較大(最小為Mn,也達(dá)到了90m),在平衡取樣成本和精確度的前提下必須考慮土壤的空間變異程度。2.2重金屬的空間變異特征在表層土壤中的應(yīng)用在進(jìn)行區(qū)域環(huán)境調(diào)查和研究時(shí),常常采用制圖方法來(lái)表示各種環(huán)境現(xiàn)象的空間分布特征和數(shù)量質(zhì)量指標(biāo)。通過(guò)分析土壤中重金屬的空間分布特征并繪制其分布圖,有助于查明土壤環(huán)境質(zhì)量在區(qū)域空間內(nèi)的變異原因、結(jié)果和趨勢(shì),對(duì)研究土壤環(huán)境的形成和發(fā)展、進(jìn)行土壤環(huán)境區(qū)規(guī)劃和制定土壤環(huán)境保護(hù)措施及土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有很大的作用[2,24～28]。繪制等值線圖過(guò)去多采用距離加權(quán)最小二乘法,這種方法雖然能夠給出一般的區(qū)域環(huán)境信息,但對(duì)于環(huán)境變化的一些隨機(jī)特征則很少反映,而采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的克立格法,可以很好地解決這一問(wèn)題。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)繪制土壤環(huán)境質(zhì)量圖,直觀地反映土壤重金屬的空間變異特征,在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。VonSteiger等對(duì)瑞士東北部的Weinfelden附近50km2土壤中的銅、鋅、鎘、鉛進(jìn)行了研究,并利用離散克立格法(DisjunctiveKriging)繪制了其在土壤中的分布圖。研究發(fā)現(xiàn):銅、鋅、鎘、鉛四種重金屬在土壤中的分布模式非常相似,并且可能具有相同的來(lái)源。Imperato等1999年對(duì)意大利Naples市的表層土壤中的重金屬銅、鋅、鎘、鉛含量及其形態(tài)進(jìn)行了研究,并利用克立格法繪制了等值線圖來(lái)描述銅、鋅、鎘、鉛在表層土壤中的空間分布特征。國(guó)內(nèi)學(xué)者在這方面也做了大量的工作。Tao利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的變量分析與克立格方法對(duì)深圳地區(qū)土壤中的微量元素的含量空間分布特征進(jìn)行了詳細(xì)的研究,研究表明該地區(qū)土壤中微量元素的分布模式主要是受土壤母質(zhì)的控制。Xu與Tao還對(duì)內(nèi)蒙古表層土壤中的重金屬的空間分布特征進(jìn)行了類(lèi)似的研究。張乃明等應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了面積為2.7萬(wàn)hm2太原污灌區(qū)耕層土壤中的重金屬Hg、Cd、Pb、鹽分、氯離子含量及pH數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征值和結(jié)構(gòu)特征,并用克立格法繪制了等值線圖。研究發(fā)現(xiàn),Hg、Cd的空間分布有相似的趨勢(shì),Pb與氯離子的分布特征相似,這與實(shí)際情況比較吻合。趙永存等對(duì)吉林公主嶺土壤中的砷、鉻和鋅含量的空間變異性及分布規(guī)律進(jìn)行了類(lèi)似的研究。鄭袁明等對(duì)北京市進(jìn)行了系統(tǒng)的大尺度上的土壤Cr、Ni含量的空間分布與污染評(píng)價(jià)的研究,通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析并揭示了北京市土壤Cr、Ni的空間結(jié)構(gòu)與分布特征,并利用普通克立格法(OrdinaryKriging)繪制了Cr、Ni的含量分布圖。結(jié)果表明,土壤Cr、Ni含量的空間結(jié)構(gòu)具有較好的可遷性特點(diǎn);指數(shù)模型模擬效果較好,變程分別為174.6km和15km;半變異函數(shù)的方向性分析表明土壤中的Cr、Ni具有中等程度的空間自相關(guān)性;北京市土壤中的Cr、Ni含量目前仍主要受成土母質(zhì)的影響。2.3對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)可以為土地合理利用、環(huán)境管理、環(huán)境規(guī)劃和土壤污染的綜合防治提供科學(xué)依據(jù)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的克立格法可以根據(jù)一個(gè)待測(cè)地塊鄰域內(nèi)的若干樣品的數(shù)據(jù)、樣品的相互位置關(guān)系、數(shù)據(jù)的變差函數(shù)模型所提供的結(jié)構(gòu)信息,對(duì)每個(gè)樣品值分別賦予一定的權(quán)系數(shù),然后進(jìn)行加權(quán)平均來(lái)估計(jì)各點(diǎn)的污染物含量。克立格法可以對(duì)地塊的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作出線性、無(wú)偏、最小估計(jì)方差的估計(jì)。將地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間分析方法應(yīng)用于土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)可充分反映土壤二維甚至三維的污染物分布變化并使評(píng)價(jià)結(jié)果更加精確,為土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與決策者提供有用信息。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行空間插值并對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)近些年來(lái)做了大量的工作。Korre將統(tǒng)計(jì)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)結(jié)合起來(lái)對(duì)希臘Lavrio舊礦區(qū)土壤中的重金屬污染進(jìn)行了研究與評(píng)估。研究表明,將地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與GIS工具結(jié)合起來(lái),能有效地對(duì)土壤重金屬污染及其來(lái)源進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估。McGrath等對(duì)愛(ài)爾蘭的一個(gè)銀礦區(qū)土壤中的鉛含量進(jìn)行了地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析與危險(xiǎn)性評(píng)估,并應(yīng)用克立格法插值生成了鉛含量分布圖與風(fēng)險(xiǎn)因子分布圖,為決策者的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)估提供非常有用的參考信息。Goovaerts等應(yīng)用指示克立格法(Indicatorkriging)對(duì)瑞士Jura地區(qū)土壤中的鎘、銅、鉛污染進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。研究表明,被污染了的農(nóng)業(yè)土壤比森林土壤對(duì)人類(lèi)與動(dòng)物具有更高的危險(xiǎn)性,因此在土地應(yīng)用中應(yīng)該考慮到這一因素。Chang等運(yùn)用克立格法對(duì)整個(gè)臺(tái)灣土壤中的砷含量進(jìn)行了空間插值,并發(fā)現(xiàn)臺(tái)灣西南地區(qū)土壤中砷的含量高于整個(gè)臺(tái)灣省的平均值。王學(xué)軍與席爽應(yīng)用克立格方法對(duì)北京東郊污灌土壤表層重金屬含量進(jìn)行了分析,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了單因子與多因子評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示,采樣區(qū)的土壤屬于輕度污染或無(wú)污染;由于污灌口分布、污泥使用等多種因素的影響,不同地塊土壤受到的污染程度不同,形成一定的空間差異。2.4土壤污染環(huán)境模型環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)多因素耦合的復(fù)雜系統(tǒng),而復(fù)雜非線性系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出隨機(jī)行為。因此,在研究環(huán)境系統(tǒng),尤其是環(huán)境系統(tǒng)建模中務(wù)必要考慮到隨機(jī)性、不確定性。土壤系統(tǒng)的變異也是復(fù)雜的,建模是部分表達(dá)土壤變異及過(guò)程的一種極好的手段。地統(tǒng)計(jì)學(xué)所具有的強(qiáng)大的空間分析能力,為解決土壤重金屬污染分布的空間變異性對(duì)相關(guān)環(huán)境模型的影響提供了一個(gè)有力工具。在國(guó)外,Broos等采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模擬探討了Rotterdam港口受重金屬、PAH與原油污染土壤的空間變異對(duì)土壤修復(fù)成本預(yù)算模型的影響。研究發(fā)現(xiàn),成本預(yù)算中8%～13%的不確定性是由于土壤污染與母巖的空間變異性引起的。在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中與風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別相關(guān)的一個(gè)重要的參數(shù)是污染物擴(kuò)散的程度及其范圍。Korre等將GIS、地統(tǒng)計(jì)學(xué)與一個(gè)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型結(jié)合起來(lái),建立一個(gè)新的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)希臘Lavrio地區(qū)土壤中的鉛污染對(duì)成年人與小孩的潛在危險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估,并將其風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別分布以GIS圖件的方式展現(xiàn)出來(lái),取得了比較好的效果。Critto等也應(yīng)用主成成分分析與克立格法對(duì)意大利威尼斯一個(gè)垃圾掩埋處土壤與地下水中的污染物的行為進(jìn)行了研究,并將分析所得的信息應(yīng)用到水文地質(zhì)模型中,建立一個(gè)污染物暴露路徑圖表。而在國(guó)內(nèi),類(lèi)似的研究工作尚末見(jiàn)報(bào)道。3空間預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)于土壤重金屬研究的主要貢獻(xiàn),在于它對(duì)重金屬在土壤中分布變異的結(jié)構(gòu)分析與模擬及其空間插值的運(yùn)用。土壤學(xué)家與環(huán)境學(xué)家對(duì)地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤重金屬研究中應(yīng)用的興趣的不斷增長(zhǎng)是因?yàn)樗麄冊(cè)絹?lái)越意識(shí)到要實(shí)現(xiàn)空間預(yù)測(cè)的定量化,必須將其與所研究目標(biāo)之間的空間相關(guān)性結(jié)合起來(lái)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)提供了一個(gè)越來(lái)越廣泛的技術(shù)平臺(tái)用來(lái)解決各種各樣的空間相關(guān)信息問(wèn)題,而這正是土壤與環(huán)境學(xué)家們想要解決的問(wèn)題。隨著各種新技術(shù)和方法的不斷應(yīng)用與發(fā)展以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論自身的不斷發(fā)展與完善,地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤重金屬研究中的應(yīng)用將會(huì)更加全面,以下作者列舉了幾個(gè)地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤重金屬研究應(yīng)用中應(yīng)該得到發(fā)展與加強(qiáng)的重要結(jié)合點(diǎn)和應(yīng)用面。3.1gis的應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)是一種采集、存儲(chǔ)、管理、分析和描述整個(gè)或部分地球表面、空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng),是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。GIS可以將大量的各類(lèi)空間存貯管理并處理,可以將不同來(lái)源,不同格式、結(jié)構(gòu)和不同影像或分辨率的空間數(shù)據(jù)融合起來(lái);同時(shí)在數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、模型的建立和制圖方面都具有強(qiáng)大的功能,這對(duì)地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間結(jié)構(gòu)分析與模擬是一種很好的輔助工具。應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)分析并模擬土壤重金屬的空間分布模式與結(jié)構(gòu),并進(jìn)行空間插值;而GIS能非常容易地使插值圖可視化。在土壤重金屬污染研究過(guò)程中,土壤、環(huán)境學(xué)家們還需要將地統(tǒng)計(jì)學(xué)得來(lái)的空間插值圖與地形圖、土地利用方式專(zhuān)題圖等融合起來(lái),發(fā)現(xiàn)更多的隱藏信息。在土壤重金屬研究中,關(guān)于將地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS及遙感圖像的結(jié)合仍需要進(jìn)一步的研究。3.2對(duì)土壤重金屬運(yùn)動(dòng)過(guò)程建模采樣、測(cè)量技術(shù)與方法的發(fā)展,使收集到的土壤水平與垂直方向上的大量信息成為可能,因此對(duì)土壤重金屬在土壤中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程建模已經(jīng)成為可能,也成為地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究的另一個(gè)重要方向。通過(guò)建立模型來(lái)探討重金屬在土壤中的時(shí)空動(dòng)態(tài)過(guò)程及其與土壤其它屬性的空間相關(guān)性和依賴(lài)性,并對(duì)其進(jìn)行描述與預(yù)測(cè),是地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤重金屬研究應(yīng)用中的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。3.3土壤污染評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的