耕地资源质量与土壤环境监测评价新方法

为适应自然资源管理向“数量-质量-生态”三位一体转变的新的形势要求，本书依托自然资源部野外科学观测研究基地“耕地质量-江苏东海、宜兴野外基地”，在国土资源部公益性行业科研专项、国家重点研发计划专项、国家自然科学基金项目和江苏省科技支撑计划等的支持下，基于土壤样点、空间预测和赋值方法综合优化下的县域耕地资源质量等级评价，基于大数据分析方法的省域耕地资源质量等级评价，基于大气-土壤-作物多介质系统监测的耕地污染风险评价和源解析，基于监测-模拟的城市地区土壤、大气多环芳烃分布变化、来源和风险预警，基于溪流溶解态有机质监测的土壤环境变化的效应评价，基于污染物湖泊沉积记录的资源环境保护效应评价等方面，对基于新方法的耕地资源质量与土壤环境监测评价进行了较系统的探索。本书可供自然资源、国土空间规划、经济管理、生态环境保护、农林、城市与区域规划等方面的科研、教学和管理人员以及有关企业事业单位的科技工作者参考，也可作为高校土地资源管理、自然地理、经济地理、城市规划、资源与环境科学等专业的教学研究参考资料。

序
第1章绪论1
1.1本书创作背景1
1.2本书主要内容8
参考文献11
第2章土壤样点、空间预测和赋值方法综合优化下的县域耕地资源质量等级评价14
2.1耕地质量评价方法完善研究概况14
2.1.1评价内容与指标体系的完善14
2.1.2耕地土壤属性预测方法的完善16
2.1.3评价样点空间抽样方法的完善18
2.2研究思路与基础数据19
2.2.1研究内容19
2.2.2研究技术路线20
2.2.3研究区概况21
2.2.4研究基础数据22
2.3样点疏密差异对土壤属性空间预测精度的影响及分区23
2.3.1基于不同来源样点的土壤属性预测总体精度23
2.3.2基于土壤属性均质单元的样点密度空间差异34
2.3.3土壤属性预测精度与样点密度的关系40
2.3.4研究区土壤样点的疏密性分区43
2.4样点稀缺区土壤属性空间分布的优化预测45
2.4.1优化预测的土壤-景观模型建立45
2.4.2研究区样点密集区土壤属性特征与景观因子的关系49
2.4.3基于土壤-景观模型的土壤属性空间分布预测51
2.4.4土壤-景观预测与地统计插值预测结果比较56
2.4.5样点稀缺区土壤属性提取及其分布特征60
2.5样点密集区参评土壤样点的数量及布局优化61
2.5.1样点数量及布局优化的空间抽样原理与智能优化算法61
2.5.2基于模拟退火算法的参评土壤样点数量及布局优化63
2.5.3考虑土壤属性空间异质性的模拟退火算法改进及运用70
2.5.4优选土壤样点的精度评价与来源分析77
2.6评价单元土壤属性数据赋值方法的优化选择80
2.6.1评价单元土壤属性数据赋值过程80
2.6.2不同土壤属性很优空间插值方法选择81
2.6.3评价单元土壤属性赋值方法优化选择87
2.7各优化方法综合运用的县域耕地质量评价92
2.7.1评价的方法体系92
2.7.2评价单元数据获取93
2.7.3耕地质量评价结果95
2.7.4评价精度分析96
2.8本章小结98
参考文献100
第3章运用大数据分析方法的省域耕地资源质量等级评价103
3.1大数据研究概况103
3.1.1大数据研究的兴起103
3.1.2大数据信息来源104
3.1.3大数据管理与云计算105
3.1.4大数据分析与机器学习研究106
3.2省域耕地资源质量等级评价内容及技术路线107
3.2.1省域耕地资源质量等级评价内容107
3.2.2省域耕地资源质量等级评价技术路线108
3.2.3江苏省概况110
3.3耕地资源质量基础大数据集和云计算环境构建110
3.3.1耕地资源质量的驱动因素与被驱动因素111
3.3.2研究基础大数据集的构建112
3.3.3大数据云计算环境的构建与数据集成117
3.4大数据深度学习的省域耕地资源等级评价121
3.4.1基本流程与数据处理122
3.4.2大数据耕地资源质量评价研究结果与精度127
3.4.3大数据耕地资源质量评价空间差异与影响因素132
3.4.4大数据深度学习方法在耕地资源质量评价中的应用效果评价134
3.5方法融合下的大数据耕地资源质量评价结果的精度效应136
3.5.1面向对象方法136
3.5.2深度学习与面向对象方法融合的耕地资源质量评价结果140
3.5.3深度学习与面向对象方法融合的耕地资源质量评价精度140
3.6本章小结143
参考文献145
第4章基于农田大气-土壤-作物多介质系统监测的耕地污染和风险评价149
4.1各介质重金属污染特征与风险概况149
4.1.1大气重金属污染特征与风险概况149
4.1.2土壤重金属污染特征与风险概况150
4.1.3作物重金属污染特征与风险概况151
4.2多介质系统监测的耕地污染和风险评价152
4.2.1耕地污染和风险评价对象与技术路线152
4.2.2蠡河流域概况153
4.2.3监测点布设与样品采集156
4.2.4样品的测试160
4.2.5数据分析和评价方法163
4.3大气降尘重金属污染特征和风险评价169
4.3.1大气降尘重金属时空分布特征169
4.3.2大气降尘重金属生态风险评价175
4.3.3大气降尘重金属健康风险评价178
4.4土壤重金属污染特征和风险评价180
4.4.1土壤基本理化性质180
4.4.2土壤重金属分布特征182
4.4.3土壤重金属生态风险评价190
4.4.4土壤重金属健康风险评价192
4.5作物重金属污染特征与风险评价195
4.5.1小麦重金属污染特征与风险评价195
4.5.2水稻重金属污染特征和风险评价202
4.5.3两种作物籽粒重金属污染特征和风险的比较207
4.6农田系统多介质重金属综合健康风险211
4.6.1饮用水重金属的健康风险211
4.6.2不同输入途径下重金属污染产生的健康风险比较213
4.6.3综合健康风险评价及空间分布214
4.7本章小结215
参考文献217
第5章多方法联用的农田大气-土壤-作物系统重金属污染源解析221
5.1农田系统重金属污染源解析研究概况221
5.1.1大气降尘重金属源解析221
5.1.2土壤重金属污染源解析221
5.1.3作物重金属污染源解析222
5.2农田各介质重金属污染源解析222
5.2.1拟解决的关键问题222
5.2.2研究内容与技术路线223
5.2.3研究材料223
5.2.4重金属污染源解析方法224
5.3大气降尘重金属污染源解析228
5.3.1相关分析与富集因子分析229
5.3.2PMF分析和Pb同位素分析230
5.3.3大气降尘重金属源解析方法联用探讨234
5.4土壤重金属污染源解析235
5.4.1定性源识别235
5.4.2定量源解析237
5.4.3土壤源解析方法联用探讨249
5.5作物重金属污染源解析251
5.5.1小麦籽粒元素Pb来源解析252
5.5.2水稻籽粒元素Pb来源解析254
5.5.3两种作物籽粒Pb污染源解析结果比较256
5.6本章小结257
参考文献258
第6章基于监测-模拟的城市地区土壤-大气多环芳烃分布变化、来源和风险预警262
6.1多环芳烃的来源、性质和分布262
6.1.1多环芳烃的来源262
6.1.2多环芳烃的性质262
6.1.3土壤多环芳烃的空间分布263
6.2多环芳烃分布、来源与预警的研究内容与方法264
6.2.1研究内容与技术路线264
6.2.2研究区概况266
6.2.3样品采集与测定266
6.3城市土壤-大气多环芳烃的空间分布与来源272
6.3.1城市土壤多环芳烃的污染水平与空间差异272
6.3.2城市大气PAHs时空分布特征278
6.3.3城市土壤-大气多环芳烃的来源解析282
6.4城市环境多环芳烃的多介质空间分布模拟286
6.4.1多环芳烃排放量估算287
6.4.2多介质逸度Ⅲ级模型及其参数288
6.4.3OC-Model与BC-Model模拟结果对比与选择295
6.4.4BC-Model模拟多环芳烃的空间分布299
6.5城市土壤多环芳烃累积变化的模拟重建与预测303
6.5.1多介质逸度Ⅳ级模型及其参数304
6.5.2城市土壤多环芳烃累积变化模拟重建与预测的方法307
6.5.31978～2013年城市土壤多环芳烃的累积变化与未来预测310
6.5.4城市土壤多环芳烃累积变化的时空特征313
6.6城市土壤多环芳烃累积的风险评估与预警314
6.6.1健康风险评估和预警的方法315
6.6.2城市土壤多环芳烃累积的健康风险评估318
6.6.3城市土壤多环芳烃累积的健康风险预警321
6.7本章小结322
参考文献323
第7章基于溪流溶解态有机质监测的土地利用、土壤环境变化的效应评价327
7.1溪流溶解态有机质性状及土地利用、土壤环境变化的影响327
7.1.1溪流有机质的生物地球化学功能327
7.1.2溪流溶解态有机质的来源327
7.1.3溪流溶解态有机质的组成328
7.1.4土地利用、土壤环境变化对溪流溶解态有机质性状的影响329
7.2溪流溶解态有机质检测效应评价研究内容与方法331
7.2.1研究内容与技术路线331
7.2.2研究材料与方法333
7.2.3样品测试分析335
7.2.4数据分析339
7.3流域溪流有机质陆源输入特征对土地利用、土壤环境变化的响应339
7.3.1陆源有机质输入估算模型的耦合339
7.3.2流域水体有机碳、氮陆源输入特征的空间变异347
7.3.3流域水体有机质陆源输入特征对土地利用、土壤环境变化的响应352
7.3.4典型溪流有机质陆源输入特征对土地利用、土壤环境变化的响应356
7.4典型溪流溶解态有机质性状对土地利用、土壤环境变化的响应359
7.4.1不同土地利用-土壤类型影响溪流中溶解态有机质输出含量的特征差异359
7.4.2不同土地利用-土壤类型影响溪流中溶解态有机质组成的特征差异367
7.4.3溪流溶解态有机质组成对土地利用、土壤环境变化的响应376
7.5本章小结381
参考文献382
第8章基于污染物湖泊沉积记录的资源环境保护的效应评价387
8.1湖泊沉积与污染物的变化记录387
8.1.1湖泊沉积物定年387
8.1.2湖泊沉积物中多环芳烃的累积变化388
8.1.3湖泊沉积物中重金属的累积变化389
8.2湖泊沉积物研究内容与方法390
8.2.1研究内容与技术路线390
8.2.2研究区概况391
8.2.3样品的采集与测定392
8.2.4数据分析和评价模拟的方法396
8.3西太湖沉积物中多环芳烃的历史变化与物源分析400
8.3.1西太湖沉积环境与沉积速率测算400
8.3.2西太湖多环芳烃的历史变化402
8.3.3多环芳烃吸附沉积的影响因素411
8.3.4西太湖多环芳烃的来源分析415
8.4西太湖沉积物中重金属的累积历史与来源解析418
8.4.1重金属沉积累积与人为通量的分离418
8.4.2基于大气降尘影响的物源分析421
8.4.3基于PMF模型的重金属来源解析429
8.4.4重金属与多环芳烃沉积变化和来源的对比分析433
8.5湖泊沉积污染物变化的模拟预测与资源环境保护的效应评价435
8.5.1湖泊沉积多环芳烃和重金属的风险变化435
8.5.2湖泊沉积污染物变化的模拟与预测438
8.5.3基于实测值与模拟值的资源环境保护效应分析444
8.6本章小结445
参考文献447
第9章研究结论450
9.1土壤样点、空间预测和赋值方法的优化尤其是综合运用，能够较好地提升区域耕地资源质量评价的结果精度450
9.2大数据分析可以有效开展省域大尺度耕地资源质量评价，综合提升耕地质量评价的效率、精度和精细化水平451
9.3基于农田大气-土壤-作物多介质系统监测和来源综合解析，可以有效揭示耕地系统重金属污染的综合风险及其来源452
9.4基于监测-模拟可较好地进行城市土壤多环芳烃累积的模拟预测，揭示其时空特征和健康风险454
9.5土地利用变化显著影响溪流溶解态有机质的来源和组成特征，基于溪流溶解态有机质监测可有效评价土壤环境变化的影响效应455
9.6利用湖泊沉积记录能够较好地重建模拟区域污染历史，评价资源环境保护的影响效应456
后记459