濕地生態系統地球化學調查尺度研究

關鍵詞：濕地；地球化學；調查尺度；空間變異；桃花江；湖南

0引言

濕地是陸地地面與水系統中間的過渡性生態系統，作為自然環境的重要組成部分，濕地在調節氣候、涵養水源、蓄洪防旱、控制土壤侵蝕、促淤造陸、凈化環境、維護生物多樣性和生態平衡等方面均具有十分重要的作用。濕地樣點是濕地水體屬性觀測信息、相關環境因子信息以及兩者之間關系信息的載體，是濕地生態系統地球化學調查與制圖的基礎。在各種尺度上，觀測樣點采樣策略對空間預測效果與數字化制圖輸出精度具有決定性影響。樣點數量與空間布局是開展地球化學調查的關鍵，其確實需全面權衡預測精度、采樣成本、作業效率等因素。本文中地球化學調查尺度主要研究對象為濕地表層沉積物。了解表層沉積物性質的時間與空間的變異性是進行表層沉積物科學化管理的基礎，以往的研究中學者們側重探索樣點數量變化對表層沉積物空間預測精度的影響，而忽略了樣點數量變化會導致樣點空間分布的變化這一客觀事實。

1研究區概況

研究區為位于桃江縣松木塘鎮境內的桃花江水庫及其匯水范圍，面積共165.6km2，位于資江一級支流桃花江的中上游，距桃江縣城31km，中心點坐標為北緯28°17'40\"、東經112°2'10\"（圖1）。研究區大地構造單元屬雪峰山弧形構造的南段，雪峰山余脈向洞庭湖平原過渡的環湖山丘地帶，區內地形以山地為主，最低處水庫水面高程為132m，最高南部侯家大山處海拔874m。

2研究方法

本文以表層沉積物環境質量評價體系中表層沉積物Cd、Hg、As、Pb、Cr等5項指標含量的空間分布和空間變異特征為研究對象，采用地統計學、空間自相關分析等方法，分析每種元素在不同調查尺度下的空間關系，建立不同尺度下表層沉積物各元素含量的空間半變異函數模型，比較不同采樣尺度下樣點空間分布對表層沉積物空間預測的影響，探索保持空間模式穩定下最節約調查成本的最優調查尺度，以達到優化表層沉積物樣點的空間分布格局的目的。

3樣品采集及測試

由于地球化學變量具有結構性，受地質因素的控制，在不同方向上變化率不同，具有不同的自相關特點。本文選取桃花江水庫入口和桃花江河堤下的表層沉積物為調查對象，根據水系分布及現場調查的河道表層沉積物類型，在研究區共采集表層沉積物樣本110件，共測試Cd、Hg、As、Pb、Cr 5項環境質量關鍵評價因子指標。其中I號濕地表層沉積物類型多為泥質，樣點沿河流流向布設，方位為南北及南東東，采樣間距為30m～1050m，共采集樣本42件；Ⅱ號濕地樣點以垂直于河流流向布設，西部表層沉積物多為泥質，東部多見碎屑、礫石沉積物，采樣間距為30m～2100m，共采集樣本29件（圖2）。

4結果分析

4.1表層沉積物重金屬描述性統計特征

采用經驗值判別：變異系數小于0.25，元素分布均勻；0.25≤變異系數lt;0.5，元素分布弱分異；0.5≤變異系數lt;0.75，元素分布中等分異；0.75≤變異系數lt;1.0，元素分布強分異；變異系數≥1，元素分布極強分異。表層沉積物重金屬元素空間變異統計值見表1，I號濕地表層沉積物中重金屬元素的變異系數呈現出Cd變異系數gt;As變異系數gt;Hg變異系數gt;Cr、Pb變異系數的總體變化特征，Cr、Hg、Pb為均勻分布，As分布中等分異，Cd為強分異分布。Ⅱ號濕地中As，Cd含量分布中等分異，Cr、Hg、Pb分布均勻。

偏度和峰度反映樣本的正態分布特點，偏度反映正態分布雙尾特征，峰度反映樣本的集中程度。由兩個以上地球化學作用疊加形成的復合地質體中，化學元素含量往往會偏離正態分布。從統計結果來看，I號及Ⅱ號濕地中As、Cd、Pb的偏度值均為正值，表明表層沉積物中這三種元素含量的分布峰為正偏，大多數異常值都分布在右側；Cr、Hg偏度值為負值，表明其含量的分布峰為負偏，大多數異常值都分布在左側。

4.2數據檢驗及轉換

本文采用SPSS軟件對元素含量進行kolmogorov-smirnov正態分布檢驗，檢驗結果顯示I號濕地Cr、Hg及Ⅱ號濕地As、Cd、Cr、Hg、Pb漸近顯著性（雙側）值均大于0.05，表明元素含量實測數據均服從正態分布；而I號濕地As、Cd、Pb含量不服從正態分布（表2）。

利用地統計學方法開展空間變異性研究中，對I號濕地As、Cd、Pb含量原始數據進行數據轉換以使其符合或近似符合正態分布。地質過程中，常量元素通常服從正態分布，微量元素通常服從對數正態分布，對比多種方法轉化結果，發現As、Pb適用對數轉化方法，而Cd卻更適用開平方根轉化方法，正態分布檢驗結果見表3、表4，本文認為數據轉化后的As、Cd、Pb基本滿足正態分布。

4.3全局空間自相關分析

全局性空間自相關反映了土壤元素在空間上分布的總體模式是聚集的還是分散的，本文采用GeoDa及GS+軟件對I號及Ⅱ號濕地進行Morads I指數分析及建立Lisa空間聚類圖。圖3為表層沉積物調查點各重金屬元素的Morads，值散點圖。第一、三象限代表表層沉積物樣點間空間正相關聯系，第二、四象限代表負的空間相關聯系。其中第一象限代表了表層沉積物重金屬含量高值采樣點為其他高值采樣點所包圍（高一高）；第二象限代表了表層沉積物重金屬含量低值采樣點為其他高值采樣點所包圍（低一高）；第三象限代表了表層沉積物重金屬含量低值采樣點為其他低值采樣點所包圍（低一低）；第四象限代表了重金屬含量高值采樣點為其他低值采樣點所包圍（高一低）。從I號濕地Moran's』值散點圖中可以看出，As、Cr采樣點多表現出“高一高”集聚類型和“低一低”集聚類型；Pb表現出“低一低”集聚類型；Cd、Hg在四個象限皆有分布，無明顯聚集特征。Ⅱ號濕地MoradsI值散點圖表明，As、Cd采樣點多表現出“高一高”集聚和“低一低”集聚類型，其他元素在四個象限皆有分布，無明顯聚集特征。

圖4為各元素的Lisa空間聚類分析圖，I號濕地西北側上游河流兩岸分布有3家錳礦開采企業，發現表層沉積物中Cd、Cr、Hg呈現沿西北側河流“高一高”集聚、As及Pb呈現沿西北側河流“低一低”集聚的特征。

5討論

5.1最優半變異函數模型

半方差函數是地統計學中關于樣品屬性空間變異性研究中重要的函數，其擬合產生的參數可以用來表示區域化變量在一定尺度上的空間變異和相關程度。基臺效應（Co/（Co+C》為塊金值（Co）與基臺值（Co+C）的比值，表示隨機部分引起的空間異質性占系統總變異的比例，比值高說明由隨機部分引起的空間變異較大，反之則說明由結構性因素（空間相關性）引起的空間變異性較大。

綜合I、Ⅱ號濕地數據特點，采用As、Cr、Cd、Hg、Pb五項元素指標進行尺度研究。從理論上來說，空間小于空間最大自相關距離的樣點存在信息冗余，點和點之間不是相互獨立的。本文采用GS+軟件構建半變異函數模型時，可以計算出研究區元素指標最大空間自相關距離，有效滯后距（Activelag Distance）為半方差計算采用的最大距離，該值依據實際采樣點間最大距離的1/2，通過計算，在I號濕地模型計算中該值為510m，Ⅱ號濕地模型計算中該值為1024m。在擬合過程中，采用GS+進行模型擬合及ArcGis交叉驗證，采取R2大于0.5，且基臺效應值小于0.75，殘差最小為原則得出最優模型。表5為I、Ⅱ號濕地表層沉積物中元素的多尺度最優模型參數。

由表5可知，I號濕地As、Hg、Pb基臺效應值介于0.319到0.463之間，表明系統具有中等空間相關性；I號濕地Cd及Ⅱ號濕地As、Cd、Pb基臺效應值介于0.004到0.215之間，表明系統具有強烈的空間相關性；除Cr、Hg外，各元素決定系數R2均大于0.5，殘差接近O，最優模型模擬效果較好。I號及Ⅱ號濕地Cr的模型殘差相對較大，且Ⅱ號濕地Cr、Hg含量由隨機部分引起的空間變異較大，模型擬合效果相對較差。

5.2最佳尺度分析

最佳尺度的選擇原則為：在數據空間存在自相關性的同時，優選擬合效果好，殘差小，且模型擬合精度高的尺度作為優選尺度。變程即最大相關距離，反映表層沉積物性質的空間變異特性，在變程外表層沉積物性質空間獨立，在變程內空間相關。在各元素指標的最優模型中，結合I、Ⅱ號濕地5項指標中變程（AO）的最小值作為最優采樣尺度。通過I、Ⅱ號濕地As、Cr、Cd、Hg、Pb的最優半變異函數模型進行分析，發現各元素最優模型中變程（AO）最小為98m。本文認為濕地區最優且最密采樣點距設定為98m較為合理。

6結論

（1）I號濕地中Cr采樣點多表現出“高一高”集聚類型和“低一低”集聚類型；Pb表現出“低一低”集聚類型。Ⅱ號濕地中As、Cd采樣點多表現出“高一高”和“低一低”集聚類型。

（2）I號濕地As、Hg、Pb基臺效應值介于0.319到0.463之間，表明系統具有中等空間相關性；I號濕地Cd及Ⅱ號濕地As、Cd、Pb基臺效應值介于0.004到0.215之間，表明系統具有強烈的空間相關性；除Cr外，各元素決定系數R2均大于0.5，殘差接近0，最優模型模擬效果較好。I號及Ⅱ號濕地Cr的模型殘差相對較大，且Ⅱ號濕地Cr、Hg含量由隨機部分引起的空間變異較大，模型擬合效果相對較差。

（3）研究區濕地表層沉積物調查點間距98m較為理想。