地统计学的应用.doc

地统计学在环境科学领域的应用 环境科学专业 摘 要 介绍了地统计学在土壤环境、水环境等环境科学领域应用的一些成果。这些成果表明,地统计学方法是污染物空间分布状况精确估值的有效方法。在此基础上,就地统计学在环境科学领域的应用前景进行了展望。 [关键词] 　地质统计学 环境科学 克立格法 地统计学又称空间信息统计学，起源于20世纪60年代,早期主要应用于研究地质学现象的空间结构和进行空间估值。其创始人Marheron将其简单定义为:随机函数在自然现象勘察及估计中的应用。从中可以看出,地统计学主要是利用随机函数对不确定的现象进行探索分析,并结合采样点提供的信息对未知点进行估计和模拟。地统计学最初主要用于采矿业和石油勘探中,但随着传统统计学方法在空间数据分析上的无能为力,越来越多涉及到空间分析的学科求助于地统计学的研究工具。如今,地统计学已经被广泛用于地理学、生态学、环境科学、土壤学等诸多领域的研究中。 1 地质统计学的产生和发展现状 20世纪50年代初期,南非矿山工程师D.G.Krige根据多年对南非金铀砾岩型金矿储量计算的经验,提出随样品空间位置不同,样品间相关性不同,应对每个样品赋子一定权值进行滑动加权平均来代替传统平均值对盘区块段金品位进行估计。20世纪60年代,法国著名统计学家G.Matheron 经过大量工作将Krige的成果理论化、系统化,提出“区域化变量”概念,创立了这门新的统计学分支学科。 经历了不到半个世纪的蓬勃发展,地统计学已经在需要评估空间和时间变异的许多领域得到广泛应用。形成了以法国统计学家G.Matheron为代表的“枫丹白露地质统计学派”和以美国统计学家A.G.Journel 为代表的“斯坦福地质统计学派”，发展了多种空间局部估计方法,如普通克立格法、协同克立格法、泛克立格法、析取克立格法、对数克立格法、随机立格法、因子克立格法、指示克立格法等，并渗透到多个学科拓宽了空间信息统计学的理论体系,使其不断应用于新的领域。目前，国内外学者已经研究开发出一批基于空间信息统计学计算方法的软件[1]。 2 在环境科学领域的应用进展 20世纪80年代以前,对于空间变异性的研究大多采用RAFisher所倡导的经典统计学,将采集的信息作为独立观测值———纯随机事件处理[2]。但是,随着人们认识水平和信息掌握程度的提高,这种方法逐渐显示出其不足。经过多年的努力,地质统计学首先被成功引入到土壤环境科学领域的研究中,并取得了许多成功应用的经验。 2. 1 在土壤环境研究中的应用 自然界土壤分布极为复杂,同一质地的土壤在同一平面或不同深度上并不完全均质,其他土壤物理特性如天然密度、粒径组成等在各点的值也并不相同,这些土壤特征在空间分布的非均一性就构成了土壤特性的空间变异性,使得土壤理化性质及污染物分布也具有复杂的空间变异性。 2.1.1　国外应用进展 1978年,Campbell在研究两个土壤制图单元中沙砾含量和pH值的空间变异性时,首先采用了地质统计学的方法。90年代以来,国外应用地质统计学方法对土壤养分空间变异性进行了大量研究,给出了土壤中一些有机质以及元素的空间相关距离,并对变异存在的尺度范围进行了探讨。近几年如Ardahanlioglu等利用块状克立格对土耳其某平原地区不同尺度下(30 cm ,60 cm ,90 cm) 钠盐土壤中可交换性钠、电导率、pH值以及硼的含量进行了分析,成功验证了这些指标并没有显著性的差异[1]。由于地质统计学方法能够有效刻画土壤多孔介质的空间变异性,因此,借助其可以很好地估计土壤中污染物的分布情况。近些年来,又成功地将其研究方法运用于土壤污染物分布空间变异性的研究中。例如Cattle等运用4 种克立格法对市区土壤中铅残留量的空间分布进行了分析,并指出多指标克立格法所做估计的精度是最的。Goovaerts ,Juang和McGrath等都使用地质统计学分析方法估计受污染土壤中重金属的含量[2]。 2.1.2　国内应用进展 地质统计学被引入中国后,许多学者也将地质统计学的理论和方法应用到土壤理化性质和土壤污染的研究中。如赵士鹏以钙元素为例使用3种克立格方法研究了地质统计学方法在土壤环境背景值制图工作中的应用,研究得到的等值线较为平滑,表明克立格法在绘制土壤性质等值线图的工作中非常有效；郑一等应用克立格法研究了天津地区表层土壤中多环芳烃的含量水平及其空间分布规律,发现区域土壤已经受到不同程度的多环芳烃污染,指出地质统计学方法有助于进行全面而细致的环境影响评价。 壤中的重金属污染是目前土壤污染治理的重要内容,克立格插值为土壤特性的空间预测提供了一种无偏最优估计方法,因此,中国越来越多的研究者开始利用地质统计学对受重金属污染的土壤进行克立格空间插值和制图。陈慧选等以砷为例对土壤重