（环境科学专业论文）基于gis的农田土壤重金属空间变异分析及信息系统开发.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t h e a v ym e t a lp o l l u t i o ni nf 细l a l l di so n eo ft 1 1 ec o r ep r o b l 咖si na 曲c u l t i l r a i e n v i r o m e n tp r o t e c t i o n i nt 1 1 i sp a p 钒1 5 2p o m o n so fs o i ls p e c 油e 1 1 sh a v eb e e n c a p t u r e di no r d e rt oa 1 1 a l y z ea n di n v e s 石g a t eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni nf 细1 a 1 1 d ，w l l i c h i s t 1 1 e a 卯c u l t i l r a lp r o d u c t i o nb a s ei nn o n l l e r i l 糊o fw u q i i l gc o u n t y ，t i 姐j i n b y m e a l l so fi c p a e sa n a l y s i st e c h n 0 1 0 烈m ec o n t e n to fe i g h th e a v ym 咖l si n c l u d i n g c u ，z n ，p b ，a s ，h g ，c d ，c ra i l dn i h a sb e e l lm e a s i l r c d t h e l lt l l es p a d a lv 撕a b i l i t yo f f i v eh e a v y m e t a l s ，i n c l u d i n gc l l ，z n ，p b ，a sa 1 1 dh gh a sb e c i ls i i i l u l a t e db a s e do ng i s t e c l l l l 0 1 0 9 ya i l dg e o s t a t i s t i cm e t h o d a t1 a s t ，t l l ea 鲥c u l t l l r a le 1 1 v i 】o n m e i l ti n f o m a t i o n s y s t 锄a b o u ts o i lh e a v ym e t a lh a sb e c l ld e s i 印e d 锄di m p l 锄e 1 1 t e db a s e do nw e b g i s t h em a i l lp o i n t s 锄dr e s e a c hr e s l l l t sa r ca sf o l l o w s ： f i r s t l y ，a c c o r d i n gt o 山ea 1 1 a l y s i sr e s l l l t so f15 2p o m o i l so fs o i ls p e c i m e l l s ，廿l e 访d i v i d u “c o n t e l l to ff o u rh e a v ym e t a l ，i n c l u d i n gc l l ，z n ，p ba n dh ga p p e a r s l o g 撕t h i nn o 珊a 1d i s 劬u t i o n ，b u tt 1 1 ec o n t e n to f 舡s h o w sn o 姗a ld i s 锄) u t i o n t h e r e s l l l t ss h o wt h a tt 1 1 ec o n t e i l to f c ua i l da si sn e a rt 1 1 eb a c k g r o l l n dv a l u e so f s o i l h e a 、，y m e t a li nt i 删i n ，b u tt 1 1 ec o n t e n to fz n ，p ba n dh gh a v eab i tm o r et 1 1 a nt 1 1 e b a c k 粤d u n dv a l u e s s e c o n d l y ，a 1 1t l l ef i v eh e a v ym e t a l s ，i i i c l u d i n gc 1 l ，z n ，p b ，a s 锄dh g ，盯eh i 剑y c o r r e l a t e db a s e do nt l l eg e n e r a ls t a t i s t i c ss o f 啊a r es p s s ，w h i c hi i l d i c a t e st h a tt h e r ei s a 1 1 i g h e rh o m o l o g ya m o n g t 1 1 ef i v eh e a 、，ym e t a l s t h e l lm er a t i oo fn u g g e tv a l u et os i l lv a l u es 1 1 0 w sa s c 1 1 z n h g p ba c c o r d i n g t ot h es p 撕a 1v 撕a b i l 时a 1 1 a l y s i s f 0 rt h er a t i oo f n u g g e tv a l u et os i l lv a l u er e a c h i n gt o 81 2 8 ，t l l ec o n t e i l to fa sh a sl o ws p a t i a lc o r r e l a t i o n ，w h i c hi n d i c a t e st l l a t 廿1 e r a l l d o mf a c t o r ( n 锄e l ym a n m a d ea c t i v i 6 e s ) p l a y sa1 e a d i l l gf o l ei i lt 1 1 es p a t i a l v 耐a b i l i 阢a 1 1 dt l l ee 侬斌o fs 仃u c t i l r a lf a c t o r s ( n 锄e l yt 1 1 ef a c t o ro ff 0 珊i n gt l l es o i l ) i ss u b o r d i n a t e f o rt 1 1 er a t i oo f n u g g e tv a l u et os i l lv a l u em g i i l g 舶m5 0 t o7 5 ， t 1 1 ec o m c n to fc u ，z na n d h gh a sm e d i a i ls p a t i a lc o r r e l a t i o n ，w h i c hi n d i c a t c st 1 1 a t 山e e f b c to f m a n m a d ea ( 撕讥t i e si sm u c hm o r et h a nt l l ee 矗、e c to f s 缸1 1 c t i 】r a lf h c t o r s f o r i i 垒! ! 塑竺 一 t h er a t i oo f n u g g e tv a l u et os i l lv a l u er a l l 百n g 行o m2 5 t o5 0 ，t h ec o n t e l l to f p b h a sm e d i a l ls p a t i a lc o 丌1 a t i o n ，a n dt h es t n l c 咖1f a c t o r sp l a yal e a d i n gr 0 1 ei ns p a t i a l v 撕a b i l i t y 1 1 1 er c l a t i v er a l l g e ss h o wt 1 1 a t ：c u = h g z n a s p b b a s e do nk n 西n g si n t e r p o l a t i o n 1 1 e o r ya j l ds 跚l i - v a r i a i l c em n c t i o nf i tp a r 锄c t e r s ， m es p a t i a lv “a b i l 时o f h e a v ym e t a l sh a sb e e i lp r e d i c t e di nt h er e s e a r c ha r e a ，a 1 1 dt l l e d i s m b u t i o nm 印so fm ec o n t e n to fs o i lh e a v ym e t a l sh a v eb e e l lp r o t r a c t c d ，i nw h i c h m er a n g e so fc o n t e n ta n dt l l ep o l l u t i o ne x t e n to fv a r i o l l sh e a v ym e “si nd i 脑e m r e 百o n sh a v eb e e nc l e a r l ys h o w n t h ep r e d i c t i o ne r r o r so fr e s p e c t i v em o d u l c sh a v e b e e l la 1 1 a l y s i s e d ，m er e s u l t ss h o wt h a tt l l ep r e d i c b o ne m ) r so fc u ，z n ，p ba 1 1 dh ga r e b i g g e rw h j l et 1 1 eo n e so f a si ss m a l l 盯 n e x t ，t l l em o l l i t o r i i l g a n dm a l l a g 锄e n t s p a t i a l 血t a b a s eo fa 鲥c u l n 】r a l s o i l e 1 1 v i m 衄1 e n th a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do ng e o d a t a b a s ec o l l l l e c t i n gm c s d e 谢m s q ls e r v e r2 0 0 0 ，t op r o v i d em a n y 劬c t i o n s ，i n d u d i n gd a t ai m p o r t i n e x p o n i i l g ， d a t a e d i d n 驴叩d a d n g ，d a t as t o r a g i l l g ，b a c l ( i l p i i l g ， c t c t h ei n t e r l l e tp l a t f b 兀no f w 曲g i sh a sb e e i lb 1 1 i l tb a s e do nm c i m s4 o n 啪u 曲d e v e l o p i n gl l s e ri 1 1 t e r f 犯e s ， m a l l y6 m c d o n sh a v eb e e np r o v i d e do ni n t 锄e t ，i n c l u d i n gd a t ab r o w s i l l g ，m a p m a l l a g e m e l l t ，d a t a b a s eq u e r y i n ga 1 1 dp o l l u t i o ne v a l u 岫g ，c t c f i i l a l l y ，t h ea p p l i c a t i o no fs p a t i a lv 耐a b i l 时a n “y s i so fs o i lh e a v ym e t a l sb a s e d o ng e o s t a t i s 廿c sh a sb e e i ld i s c i l s s e d n er e s u l t sw i l lp r o v i d es d e i l t i f i cb a s i sa i l d d e c i s i o ns u p p o r tf o rs o i lh e a v ym e t a lp o l l 嘶o np r e v e l l t i o n ，d i s 埘b u t i o no fa 咖c l 】l t l l r e a 1 1 dl a n dl l s ep l a l l i l i n gi nt 1 1 er e s e a r c ha r e a k e yw o r d s ：h e a v ym e t a lo fs o i l ，g e o s t a t i m c s ，s p a t i a lv a r i a b i l i t y ，w c b g i s ，w u q i l l g 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作著签名：赵w _ 1 6 年月弓1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：越嘲 t 一6 年3 月科日 第一章引言 第一章引言 第一节土壤重金属污染的研究 农田土壤作为农业生态环境的重要组成部分，承担着来自工业和生活污水、 固体废弃物、农药化肥及大气降尘和酸雨等各方面的约9 0 污染物。农田土壤 不仅对作物生长活动的效率有影响，而且对水质量和大气质量、甚至对整个生 物圈都会产生不可小视的影响。农田土壤环境污染的影响直接涉及到人类的各 种主要食物来源，与人类的生活和健康密切相关。因此，农田土壤环境污染的 研究，对保护人类环境来说具有十分重要的意义。 近年来，重金属对农田土壤环境的污染问题日益突出。农田土壤重金属污 染是指由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于 原有含量、并造成农业生态环境质量恶化的现象。重金属是指比重大于或等于 5 o g c m 3 的金属元素“1 。从生物化学特征上可分为两类，一类是对作物和人畜有 害的元素，如镉、铅、汞等；另一类是常量下对作物和人体有益，而过量时产 生危害，如铜、锌等0 3 。重金属不能被微生物分解，却能被土壤胶体所吸附，被 微生物所富集，有时甚至能转化为毒性更强的物质0 1 。本文中所指的土壤重金属 污染，都是针对农田中的土壤重金属污染而言。 1 1 1 土壤重金属污染及其来源 农田土壤重金属污染的定义比较复杂，归纳起来有三个层次：1 ) 农田土壤 中某重金属含量明显高于土壤背景值；2 ) 农田土壤中金属含量已经影响农作物 生长；3 ) 农田土壤中的重金属被植物吸收，通过食物链，影响人体健康。本文 不讨论重金属是否造成农田土壤污染，也不考虑农田土壤中重金属的形态，而 仅对农田土壤中的重金属含量进行测定，以模拟农田土壤中重金属的空间变异。 造成土壤重金属污染的原因有很多，按照污染物进入土壤的途径划分，土 壤重金属污染源可分为污水灌溉、固体废弃物的利用、农药和化肥、大气沉降 物等。 ( 1 ) 污水灌溉。污灌是指利用城市污水、工业废水或混合污水进行农田灌溉。 第一章引言 用这样的污水灌溉后，使一些灌区土壤中有毒有害物质有着明显的累积。天津 市北排污河附近地区，近年来由于直接引用污水灌溉，造成一些地方种植的蔬 菜中c d 和h g 的污染十分严重“1 。 ( 2 ) 固体废弃物的利用。固体废弃物包括工业废渣、污泥、城市垃圾等多种 来源，这些废物中含有一定量的重金属，能够造成土壤中重金属的污染。试验 结果显示，在施用过大量( 4 5 0 t h a ) 污水污泥的土壤上栽种的所有蔬菜作物中， 重金属的含量几乎提高了卜2 倍“1 ；广州市生菜中重金属p b 、c r 、h g 、c d 的含 量随垃圾施用量增加而增加，p b 在生菜的残留量超标1 3 2 5 倍，h g 超标6 9 倍，c r 超标3 6 倍，c d 超标2 5 倍”1 。 ( 3 ) 含重金属肥料的施用。含金属肥料的旌用使一些重金属元素进入土壤， 逐渐在土壤中富集，是土壤中重金属的重要来源之一“1 ，如化肥中的磷肥，往往 是重金属镉的重要来源。试验结果表明，磷肥的施用是菜地重金属尤其是镉含 量增加的一个重要原因n ，。 ( 4 ) 大气污染及汽车尾气的排放。气源重金属微粒是土壤重金属污染的途径 之一，它的构成主要是金属飘尘。一些工厂特别是冶炼厂排放的废气飘尘中一 般含有大量的镉、锌、铜等重金属元素，其影响的范围在主风向可达1 0 l ( i i l ，严 重污染范围约1 1 0o i i l 。1 。由于含铅汽油的使用，汽车尾气中含铅量可达2 0 一5 0 微 克升，行驶在公路上的汽车，其排放废气中的铅沉降造成公路两侧的土壤及生 长植物的铅污染“”“1 。有研究表明重金属污染在公路两侧5 8 0 m 范围内最严重， 污染带扩散范围约2 5 0m ”1 。 1 1 2 土壤重金属污染的特点 土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、累积性、不可逆转性和难治理性等 特点。土壤重金属污染不同于大气污染、水污染那样直观，它往往要通过对土 壤样品进行分析化验和农作物的残留检测，甚至通过研究对人畜健康状况的影 响才能确定，而且从遭受污染到产生恶果有一个相当长的滞后时间：重金属很 容易在土壤中不断积累而超标，同时也使土壤重金属污染具有很强的地域性； 重金属对土壤的污染基本上是一个不可逆转的过程，土壤重金属污染一旦发生， 仅仅依靠切断污染源的方法则往往很难恢复，有时要靠换土、淋洗土壤等方法 才能解决问题，其他治理技术可能见效较慢，且通常成本较高、治理周期较长， 第一牵引言 资精表鞠，壤中的獯金属只有缀少一部分随手譬物遣上部分的收获丽被移去”“。 重金属是土壤环境中一类对植物和人体具有严重危害的污染物。例如，幽土 壤中所食可给态的锦超过一定限量时，即可引起土壤铜污染，致使作物生长发 弯受爨严重影璃，麴承稻缀套荔蠢瑷荑建症获，摄系发弯受瓣，蓬撩萎缨露旗 死：人体摄入的铜过缀会引起低m 服、吐血等瘸症，严重者w 以致死。低浓度 的砷对植物生长有刺激作用“+ ”3 ，假摄入过量砷时，会阻碍作物中水分的输送， 造成作物糖黄“”；磷爨套积累瞧审毒作用，势瓣入有致癌作怒，3 徐确鲍凑性 远远赢子5 价砷的毒住，应弓l 起高度重视。 由于土壤重金属污染具有上述特点和危害，因此，国内外学者都十分关淀重 金属污染引起的土壤环境质量问鼷，对农作物及壤重金属污染进行了多方露 戆骚究。 第二节土壤空间变异研究进展 土壤空间变异的研究，可以为掇高珥闯信怠集精度，减少采样数莓秘降低 采样成本提供理论基础和方法指导“”，并可以快速、有效地采集和描述影响作 物生长环境的空间变辨信息“”2 “。 1 2 1土壤基本t 陂族的空间变界研究 土壤性质可以影响重金属在土壤中的空间分布，土壤性质的空闻变募研究首 先源予对土壤承分耱镊及其获态参数戆磅变，螽逐步扩震到主壤耪理链溪髑纯 学性质的研究，目的都是为了揭示土壤特性的窝间分布规律，用于指导生产实 际。 1 主壤瘩分特疆及凌态参数豹空润交：霉磷究 土壤水分特征及状态参数包括土壤水分含量、水力传导翠、水吸力、容霆及 湿度等。霖志栋等”根据田间实骏资料，对田间土壤的颗粒组成、容重、土壤 求吸力、含拳量移镶酾导瘩搴等避e 牙了涮定帮绞诗分辑，较一定精度帮鍪结隶 平的要求确定了取样数目：根据半方差和自相荧图分析了土壤特性的空闻结构 方向性和相关距离，应用克里格( k r i g i n g ) 法j 轾行了最优内插计算，并根据1 2 个入渗方程汝适用藏疆和入渗参数的空闻变异燃遴行了初步分授。史海滨笛池1 第一牵引言 运霜线瞧魏震统计理论，探讨了壤含永量在方稻上的交吴稔瘦，确定研究区 域的半方麓函数二维平面结构为带状各向异性套台结构模型，给出了土壤水分 区域估值合理取样数，将k r i g i n g 最优内插无偏估计法扩展为待估域的土壤水分 含量努廷绩诗，逶遵模凝聚粪分掇，绘裁了区域主壤瘩分含羹戆售患分毒强。 龚元石潲1 研究小区农阐含水量和容爨空问变异时，将分形理论与她统计学结台， 实现了对土壤特征值空间变异性的复杂程度的定嫩化，分析讨论了土壤指标在 不同空闻尺度上的分缨的变化特征。 2 壤物理性质的空间变异研究 土壤物理性质包括土壤颗粒组成、孔隙度、结构等性质。粱夺祥。”通过半方 差函鼗窝爨撩关函数分糖壤瞧耱影瘩搴、鹣粒、孔骧度等空阕变巽性，莱惩 k r i g i n g 滋对未采样点谶行估测，从而可以大大减少野外工作爨，提高了工佟效 率。l a r i s ap o s z d n y a k o v a 等。”利用c o k r i g i n g 法内电导率估测钠吸附比，效果 很好。j o s ea 。a m a d o r 等啪的研究绩祭表明，在厘米尺度上，壤物理性质( 如 容重、含窳量等) 交努较夺，雨纯攀往质( 翔鸯褫震、碳矿能嶷) 交巽较大。 m a it h a n hp h u n g 等饼1 研究了越南湄公河三角洲芦蒂平原上酸性硫酸盐土的窳间 变异，将土壤物理化学性质与自然植被、地下水位、微地形等联系起来分析， 不铰挺褰了清查夔效率，瑟显可戳鬟深入建了释土壤起源窝农效囊臻过程。 3 土壤化学性质的空间变异研究 对土壤化学性质的空间变异研究主要集中在土壤盐分、营养元素等方璇。张 有壹、豢耀东等汹- 嚣1 搽索了内蕴假设、半方差薮数潋及强i g i n g 矮蓬等理论弱麓， 对大比例尺区域土壤养分空间变异进行定量分析；白由路”1 采用g p s 技术对熬个 黄淮海平原定点采样，用地统计方法对土壤盐分进行研究，得到黄淮海平原的 盐渡分农的状况；李楚簿。”分掇了铵态氮、硝态氮等7 静营养元素指标，势健 计了这凡种元素在南戴、东话及全方位的半方差糊参数；郭翘东等潮基于g l s 和 地统计学研究了河北销遵化市0 2 0 c m 表层土壤中五种营养元豢的空间变弗规 律，深入揭示该区土壤盼空间结构；l e ec k 等。”研究小区农曝化学性质以及 产量空阗变异毪，缮至l 耽学缝爱与产餐豹稳互关系。 4 第一章引言 1 22 土壤重金属的空间变异研究 土壤重金属的空间变异研究一直是困扰土壤科学家的一个难题1 。土壤并非 一个匀质体，而是一个时空连续的变异体，具有高度的空间异质性1 。由于人 类活动或者自然变化而引起的土壤重金属时空变化，这些变化均能导致土壤重 金属时空性数据的复杂化。因此，对土壤重金属的空间分布及空问相关性作定 量化的描述相当的困难m ，。 1 传统统计学方法的应用 最初的研究依据传统统计学原理，按土壤质地将土壤在平面上的分布划分为 若干较为均一的区域，在垂直方向上划分为不同层次来描述土壤空间变异”1 。 传统的统计学方法不考虑测定参数和测定位置之间的关系，只根据空间不同 位置的测定数据，计算测定区域土壤重金属含量的统计学参数，以此考虑土壤 重金属含量的变异程度，在一定程度上取得了成功。然而，用这种方法只能估 计测定区域所考察土壤参数变异程度的强弱，而不能估计测定区域所考察土壤 参数的空间分布。此外，这种方法的基本假设缺乏理论依据，测定参数与其测 定位置空间独立的假设常常与实际情况不符合汹1 。在传统统计学对土壤重金属 含量的研究中，m o n t ec a r l o 模型为“点”模型向“面”模型的转换提供了一种 方法，但是若将此模型引用到大面积的范围则是一个难题”1 。 2 地统计学方法 2 0 世纪7 0 年代地统计学方法被引入到土壤研究中来，克服了应用传统的统 计方法在研究土壤性质空间变异性规律方面的不足，同时也大大推动了区域土 壤重金属空间变异研究的进展。目前，地统计学己经在需要进行时空变异分析 及空间插值的许多领域得到了广泛的应用。地统计学现己被证明是分析土壤重 金属空间分布特征及其变异规律最有效的方法之一“。 地统计学以区域化变量理论为基础，以半方差函数为基本工具的一种数学方 法“”。它建立在区域化变量、随机函数、平稳假设等概念的基础上。k r i g i n g 空 间插值方法是利用原始数据和半方差函数的结构性，对未采样点的区域化变量 进行无偏最优的一种插值方法，与一般的插值方法相比，其优点是最大限度的 利用了空间取样所提供的各种信息“”。王学军等“3 1 应用地统计学方法对北京东 郊污灌区典型地块8 种微量元素含量和土壤理化参数进行了空间结构分析结 第一章引言 果显示，元素在迁移过程中趋向于在排污口附近就近富集，各微量元素含量分 布的空间差异性较一般非灌溉农业土壤有所增大，且空间结构特征极为相似；张 朝生等“”采用地统计分析、空间自相关和分形3 种方法，研究了长江水系沉积 物中1 1 种重金属元素，发现其均有较显著的空间分布特征，表明地统计学方法 可以通过变异函数的变化揭示变量空问分布的结构和方向性特征，空间自相关 方法可通过自相关指标对变量空间自相关性的显著性进行检验。a r r o u a y s d 等 “”用地统计学方法研究了短距离土壤重金属，包括铅、铜和铬的空间变异，结 果表明如果采样方案不恰当，重金属含量的空间变异可能会掩盖其变化。徐尚 平等“”用因子克立格法( f a c t o r i a lk r i g i n ga n a l y s i s ) 分析了内蒙地区土壤 中1 0 种微量元素含量的空间结构特征，成功解决了影响微量元素含量的因子间 尺度不同的问题。a f a c c h i n e l l i 等“”对意大利皮埃蒙地区进行的研究表明，c r ， c o 和n i 区域性分布和在大范围内的变异主要受母岩控制，而c u ，z n ，p b 则是 受人类活动的影响；d a n i e l as a l v a g i om a n t a 等“”对意大利巴勒莫市郊土壤重 金属污染进行了地统计分析，结果表明各种交通工具和点污染源是造成巴勒莫 市郊表层土壤污染的主要原因。 第三节w e b g i s 及其开发进展 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r i i l a t i o ns y s t e m ，以下简称g i s ) 是二十世 纪6 0 年代发展起来的对空间信息进行分析与研究的技术“”。g i s 是计算机硬件、 软件、地理数据、计算分析模型和受过训练的人共同构成的系统，提供地理空 问数据的获取、存储、管理、分析、模拟和显示功能，以支持空间决策为目的， 解决复杂的空间领域问题1 。g i s 以空间数据库为基础，采用空间模型分析方法， 提供多种空间信息与非空间信息，目前己广泛应用于农业区域规划、土地管理、 自然资源综合开发、区域发展规划、环境保护、灾害预防、投资环境评价和决 策分析等领域5 “。 进入二十世纪9 0 年代后期，随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，各种 基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的应用开始在全球范围内兴起，在信息管理方面，许 多政府部门和企业开始采用w e b 技术与g i s 技术相结合，即所谓的w e b g i s 技术， 为信息的获取、发布和共享开拓了新的空间。 6 第一章引言 13 1w e b g i s 的概念与特点 w e b g i s 是指基于i n t e r n e t 平台、客户端软件采用w w w 协议运行在万维 网上的g i s 。它是利用互联网技术来扩展和完善g i s 的一项新技术，其核心是 在g i s 中嵌入h t t p 和t c p i p 标准的应用体系，实现互联网环境下的空间信 息管理等功能。”。它继承了传统g i s 的部分功能，侧重于地理信息与空间处理 的共享。 w e b g i s 用户可以直接通过计算机网络访问分布于不同地方的各种地理信息 ( 如地图、图像、数据集等) ，还可以直接进行各种地理信息的分析( 如地理分 析、报表生成等) ，而不用关心空间数据库的维护和管理”1 。 与传统地理信息系统相比，w e b g i s 能够提供了更广泛的客户访问范围，可 以充分利用网络资源，实现数据信息的多用户共享，减少客户端的投资，并能 维护服务器端数据库的安全，具有适应性强、易于获取最新信息、易于维护、 使用简单等特点m ，。 w e b g i s 在组成结构和应用技术等方面己与传统的g i s 技术有很大的不同， 传统的g i s 是将数据的属性信息与地理信息相结合，以数字化地图为平台直观 形象地表达对应的自然和社会经济等各种信息。而w e b g i s 则是以蕴含海量分类 信息的电子地图为载体，通过网络实现数据和应用的共享，实现基于地图的浏 览、查询、分析应用等功能旧“1 。 1 3 2w e b g i s 的发展现状 w e b g i s 是i n t e r n e t 技术应用于地理信息系统( g i s ) 开发的产物。g i s 通 过w w w 功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具，从w w w 的任意一个节点， i n t e r n e t 用户可以浏览w e b g i s 站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种 空间检索和空间分析。w e b g i s 不仅开拓了地理信息资源利用的新领域，而且为 g i s 信息的高度社会化共享提供了可能5 ”。 w e b g i s 作为数字地球的主要技术依托和载体，已经成为i t 领域十分重要的 研究方向。w e b g i s 也成为各大软件公司激烈竞争的焦点旧1 。随着w e b g i s 技 术的发展和应用的逐渐深入，g i s 厂商纷纷推出新的或更新已有的w e b g i s 系统 版本，而且更新的周期也越来越快。目前，国际上比较有代表性的系统平台有 e s r i 公司的a r c i m s 、a r c s e r v e r ， l a p i n f o 公司的m a p x t r e m e ，a u t o d e s k 公司的 第一章引言 m a p g u i d e 等，表1 1 对以上平台作了简单的比较说明。 w e b g i s 系统开发最初采用通用网关技术( c o m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ，简 称c g i ) ，以及相继发展起来的i d c 、a s p 、i s a p i 、n s a p i 等技术方法，后来产 生了被称为“插件”( p l u g i n ) 的应用技术。目前比较流行的技术，一是j a v a 语 言，包括j a v a 小程序( a p p l e t ) 和j a v a 虚拟机技术( v r m ) 等；二是采用a c t i v e x 控件及c o m 组件对象模型等网络开发技术。这几种技术各有优缺点汹“。目前 还没有一种能令人满意地用来解决w e b g i s 的所有问题，随着计算机技术的不 断发展，相信在不久后的将来，它们在保持各自优势的同时，也逐渐能弥补其 自身的弱点与不足。 表1 1 国外主要w e b g i s 平台比较 随着网络技术的提高与普及应用，网络已成为现代科技推广应用不可缺少 的工具，开放的i n t e r n e t 为w e b g i s 提供了广阔的社会应用前景。作为g i s 一 个非常重要的新兴前沿研究方向“”，w e b g i s 无论是在理论研究，还是在应用方 面都还处于发展阶段。借助良好的空间数据库技术和w e b g i s 技术，农业环境信 息的计算机管理也应向网络化方向发展，本文对基于w e b g i s 的农业环境信息系 统的设计与建立作了深入探讨，完成了农业环境监测管理数据库系统的建立和 农业环境污染信息网络发布平台的开发。 基于w e b g i s 的农业环境信息系统可为各级农业环境管理部门提供完整的基 础技术资料，进一步提高决策的实时性、科学性和有效性，有助于相关管理部 门对农业环境信息的深入掌握，提高农业环境信息资源的计算机管理水平。 第一章引言 第四节研究目的、内容和技术路线 14 1研究目的 以天津市武清区北部农产品商品基地为研究区域，利用地统计学原理和方 法，结合g i s 和g p s 技术，探索研究区域农田土壤中各种重金属的空间变异规律， 找出其间的相互关系；结合土壤重金属空间变异研究，充分利用w e b g i s 技术的 特点与优势，实现不同区域农业环境监测信息的网络化管理和发布，为政府部 门的决策管理提供支持。 1 4 2 研究内容 1 土壤重金属空间变异分析 对研究区进行野外采样调查，获取土壤样品，通过室内化学分析，测得土 壤样品中重金属的含量；应用统计分析方法分析土壤重金属含量数据的统计特 征及其分布规律，对于了解数据的统计学特征；应用地统计学方法，对土壤重 金属含量进行空间变异性分析；根据普通l ( r i g i n g 插值原理及半方差函数拟合参 数，进行空间变异插值，绘制研究区土壤重金属含量空间分布趋势图。 2 建立农业环境信息系统 以计算机网络为基础，以空间数据库为核心，设计并实现基于w e b g i s 的农 业环境信息系统，完成农业环境监测管理数据库系统的建立和基于w e b g i s 的农 业环境污染信息发布平台的开发。 本文拟解决的关键问题是：1 ) 土壤重金属空间变异函数理论模型的最优拟 合和空间变异插值：2 ) 农业环境监测管理数据库与网络发布平台的建立。 1 4 3 技术路线 本文的技术路线如图1 1 所示 第一章引言 图1 1 技术路线 第二章研究区域概况与土壤重金属数据采集 第二章研究区域概况与土壤重金属数据采集 第一节研究区域概况 2 11 研究区域地理位置 本文选择的研究区域位于天津市武清区的北部，属于武清农产品商品基地的 一部分。研究区域西与河北省廊坊市安次区接壤，北与北京市通州区、河北省 廊坊市香河县毗邻，地跨东经1 1 6 7 9 。一1 1 7 0 4 。，北纬3 9 5 0 。一3 9 7 0 。之 间，纵横幅度东西长2 1 3 9 千米，南北宽2 2 9 8 千米，面积2 5 3 3 lh i l l 2 ，如图2 1 所示。该区域属于著名的天津“武宝宁”污灌区的上游部分，选择其为研究区 域对研究天津城郊污灌区土壤重金属污染状况具有典型意义。 图21 研究区域与样点位置示意图 第二章研究区域概况与土壤重金属数据采集 2 12 研究区农业环境概况 1 地形 研究区处于华北平原东北部，海河流域下游。由于以下降为主的下沉运动及 河流冲积物的填充，形成了微度起伏的冲积平原。地面倾斜平缓，海拔高度不 大，河流冲积有一定规律，加之含沙量大，河流两侧沉积物堆积甚多，缓流处 含沙量小，地形相对低洼，使境内地势自西、北向东南方向倾斜，西北部海拔 约1 3 5 米，北部约1 l 米，东南部约2 米。 2 气候 研究区位于欧亚大陆东岸，北依燕山，东近渤海，主要受季风环流影响。 冬季受蒙古冷高压控制，盛行西北风，干燥寒冷；夏季主要受副热带高压影响， 多偏南风，湿润多雨。季节变化明显，介于大陆性气候和海洋性气候的过渡带 上，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。 研究区四季分明，春季干旱多风，冷暖多变；夏季温高湿大，雨热共济； 秋季天高云谈，风和日丽；冬季寒冷干燥，雨雪稀少。 研究区处于中纬度，冬季太阳高度角低，地面吸收太阳辐射热能少，气温 较低，夏季太阳高度角高，地面吸收太阳辐射热能多，气温高，春秋是过渡季 节，冷热适中。 研究区年平均气温1 1 6 ，年平均日照总时数2 7 0 5 小时，平均无霜期2 1 2 天，平均年降水量6 0 0 毫米左右，但季节分配不均，降水量主要集中在7 、8 、9 三个月。 3 水文 研究区处海河水系下游，河渠密如蛛网，坑塘洼淀星罗棋布。研究区内河 流较多，一级河道有北运河和北京排污河，二级河道有风河西支。诸河道自西 北部、北部缓缓向东南方向汇流入海。 ( 1 ) 北运河 北运河上源有潮河、白河、温榆河，北京市通县北关闸以下称北运河。南流 至天津市北郊区屈家店与永定河汇合，又东南流入市区，至大红桥有西来的子 牙河汇入，至金钢桥附近与南运河汇合而成海河干流，全长1 4 0 千米。北运河 第二章研究区域概况与土壤重金属数据采集 从大沙河乡大友垡村东入境，至北蔡村乡大王甫村西出境，纵贯研究区东部， 境内全长2 5 3 5 千米，河宽8 0 至1 2 0 米。流经村镇有大友垡、河西务、辛庄、 大盂庄、北蔡村。 ( 2 ) 北京排污河 1 9 7 1 年利用武清区内的港沟河、风河、龙风新河、筐儿港新引河、导水沟、 抗旱河6 条河道调整贯通而成。平时污水由北京市通县军屯闸泄入，汛期关闭 军屯间，污水流入北运河，导入青龙湾减河。系常年输水河道，并承泄各支流 河道来水，最后汇入永定新河，经北塘入海。 北京排污河由大沙河乡里老闸北1 0 0 0 米处入境，至大孟庄乡杨店村西南出 境，由研究区西北部流向东南部，境内长2 2 9 7 千米。流经村庄有里老、崔楼、 孝力、牛镇、耿庄、杨店等。 北京排污河接纳北京市混合污水斜穿研究区而过，使该区域形成了以北京 排污河为骨干的污水水系网，河流水质大大超过v 类标准旧3 。 ( 3 ) 风河西支 凤河西支是承泄北京地区客水的排沥河道，由利尚屯村西北入境，经前候 尚村西，向东南经新房子汇入北京排污河。境内长1 3 8 千米，河道宽5 5 米， 河道通过流量1 0 0 立方米秒。 经实地调研，由于研究区域内降水量不足，农业水资源严重缺乏，不能满 足农作物的生长需要，故长期以来一直引用北京排污河、北运河的水进行渠灌， 从而形成大面积污灌区，污灌农田主要分布在北京排污河、北运河两岸。长期 污灌使该区域农业环境受到一定程度的污染，农业受害现象时有发生，已经对 人体健康造成了危害。 4 植被 研究内自然植被原为暖温带落叶阔叶林，草原类型。随着农业开发，自然植 被逐渐被人工栽培的植被所代替，仅在农田隙地、河流、洼淀、沼泽、水塘、 古河道、沙地和盐碱地等处尚能见到一些野生植物，并发育着洼地、沼泽植被、 水生植被、沙生植被和盐生植被等类型。 人工植被分布于村落、河堤、路旁等地，其中乔木有小叶杨、毛白杨、大 青杨等；灌木主要有紫穗槐、簸箕槐、酸枣等；果木主要有梨、苹果、桃、杏、 李、枣等；农作物主要有小麦、玉米、水稻、棉花、黄豆、西瓜、甜瓜、西红 第二章研究区域概况与土壤重畿属数据采集 穗等；麓卉主要有茸零、黄杨、菊麓等。 5 土壤及土地利用 研究区建势低平，终承不畅，戆下东埋藏较浅( 一般为o 5 至3 米) ，蟪下水 参与了熬个成土过程，所以境内土壤多发育为潮主。随着遗势的离低交他，依 次分稚为普通潮土、烛化潮土。 境内成土母质主援是第四纪的松散沉积物组成。沙质沉积物缺乏养分，粘质 浣积裼紧实，壤震滋袄纺羼遮逶孛。 按成条件、土壤发育过程、发育程度、肥力状况和发展趋势等，将研究区 内土壤划为1 个土类( 潮土) ，2 个暇类( 普通潮土、盐化潮土) ，7 个土属( 如图 2 。2 掰示) 帮2 6 令土耱，磅究区内主壤大部分为罄通潮土。 嚣2 2 骚究区耩强 研究区内土壤按质地分为砂土、砂壤、轻壤、中壤和重壤5 类。壤质土包括 轻壤、中壤，是研究区内分布较广的土壤类型：砂性土包括砂土和砂壤，在东 4 第二章研究区域概况与土壤重金属数据采集 部、东南部和北部分布面积较大；重壤属于粘性土，主要分布在离河较近的河 间或交接平洼地中，在研究区的中部有小面积分布。研究区内土质疏松肥沃， 土层深厚，宜于农业生产。 土壤酸碱度直接影响土壤养分存在的状态、转化和有效性。研究区内耕层 土壤p h 值多在8 o 以上，壤质潮土为8 o ，砂性潮土为8 1 至8 8 ，粘性潮土 为8 2 至8 8 。 通过对s p c r r 遥感影像的解译，结果表明，研究区土地利用中耕地面积约为 2 2 3 5 6 h m 2 ，占研究区面积的8 8 2 6 ；水域面积约为3 0 0 h m 2 ，占研究区面积的1 1 8 ；城乡、工矿用地及居民地面积约为2 6 7 5 h m 2 ，占研究区面积的1 0 5 6 。 第二节土壤重金属数据采集 2 2 1样点布设原则与采样数目 研究区是天津市武清区重要的农产品商品基地，本次调查主要针对耕作面积 最大的粮食作物小麦用地和主要蔬菜基地土壤进行采样。综合考虑研究区 域行政区划、农田土壤环境及作物分布特点，坚持最优监测原则，并兼顾样点 的均匀性，优先在具有代表性、反映区域土壤环境质量的地区布点，对有污染 源的地区加密采样，以达到全面反映研究区域土壤质量的目的。 根据上述布点原则，本次调查共布设样点1 5 2 个，获取土壤样品1 5 2 个，样 点布设示意图如图2 1 所示。 2 2 2 土壤样品的采集与制备 按照农田土壤环境