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一种基于多尺度的 土壤重金属污染区域的检测方法

阅读：303发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，本发明通过生成的专题图更直接的展示了重金属污染的有效性，其输出的结果可以直观的监测目标区域内的生物毒性，因而既可以满足对当前污染状况调查的需求，也可以满足对未来风险预警的需求，从而为重金属污染的生态风险评价、控制、治理与修复等提供理论基础和科学依据，而且，本发明考虑了植物密度的不均匀性及其富集效应，因此采用了四分法布点来减少影响，同时，在对土壤垂直于地表纵深剖面的污染情况进行研究时，对剖面上的7层土壤进行取样，完善了对重金属有效态的提取。，下面是一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、区域尺度观测，具体包括以下步骤：
S11、采样前的准备工作：准备研究区域的地图，该地图包括但不仅限于行政区划图、土壤类型分布图、重金属元素分布图、地球化学图、城市点源污染分布图和监测点位分布图中的任意一种或多种；
S12、采样点的布设：将研究区域划分为多个采样布点基本单位，然后在每个采样布点基本单位内布设采样点，布设采样点的方法包括但不仅限于系统随机布点法和规格化方法；
S2、采样点尺度观测：分别在每个采样点处进行取样，具体包括普通取样和垂直取样：
S21、普通取样：先拨开覆盖在表层土壤最上层的树枝、碎石和杂草，用木铲垂直于地表，挖出 0 20cm的土壤剖面表层，取厚度大致相同的土壤薄片，观察土壤特征，除去大颗~
粒杂质后装入采样布袋中，扎口、编号；
S22、垂直取样：若要研究土壤垂直于地表纵深剖面的污染情况，需要进行钻孔取样，即在土壤采样点人工打钻2m深，根据需要分段采集不同深度的土壤样品；
S3、剖面尺度观测，具体包括以下方法：将采集到的样品进行装样和编号时，必须同时写两个标签，装样袋内外各一个标签，注明采样信息，采样信息包括但不仅限于采样地点、层次厚度、天气、时间和采集人；
S4、初步加工：对土壤样品进行初步加工；
S5、再次研磨：将土壤混合样再次研磨，过网筛后送实验室等待测试；
S6、实验室分析：对再次研磨后的土壤进行实验工作，分析测量土壤混合样品中的重金属含量；
S7、经过实验室分析后，可以获得每个剖面的土壤重金属分析及评价数据，采用XML描述每个剖面的土壤重金属分析及评价数据；
S8、生成专题图：采用软件将土壤重金所有剖面的分析及评价数据制成专题图。
2.根据权利要求1所述的一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，其特征在于：所述的布设采样点的方法采用四分法布点，即在每个采样布点基本单位内均布设有4个采样点，在实验室分析之前，对土壤样品进行初步加工的过程包括以下方法：将每个采样布点基本单位内的4个采样点采集的土壤样品进行混合，每个样品中取出大致相同重量的土壤样品取相同重量，均匀混合，组合成一个混合样，重新编号。
3.根据权利要求2所述的一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，其特征在于：所述的步骤S22在分段采集不同深度的土壤样品时，分别取距地表20cm、40cm、60cm、
80cm、100cm、150cm、200cm的土壤样品。
4.根据权利要求2所述的一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，其特征在于：所述的步骤S6对再次研磨后的土壤进行实验工作时所采用的测试仪器包括但不仅限于AFS-230、XGY-1011、ICP-MS和Excell-TJA。
5.根据权利要求1所述的一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，其特征在于：所述的重金属包括但不仅限于As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn。
6.根据权利要求1所述的一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，其特征在于：所述的网筛为200目尼龙网筛。
7.根据权利要求1所述的一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，其特征在于：所述的每个采样布点基本单位的面积均为1 km2。

说明书全文

一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于重金属污染防治领域，具体涉及一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法。

背景技术

[0002] 当前重金属污染的检测已经成为一个世界性的环境难题，重金属污染物(如Mn、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn等)的来源包括各种常见金属在各行各业的大量使用及其废弃物的未处理掩埋，90％的重金属最终进入了土壤，土壤一旦受到重金属的污染，难以修复和治理，同时也会引起水和大气环境质量的二次污染，一些工业发达国家已经为此付出了沉重的代价，并且重金属会在植物体内富集，并通过食物链输送到生物体内，诱发各种疾病，危害人们的生命安全，这在很大程度上制约了我国经济的长远发展，因此很有必要对土壤重金属污染问题进行评价和治理。

[0003] 目前业界对重金属污染程度的研究主要是基于土壤重金属的整体含量，并在此基础上对污染物的污染负荷进行了预测；但是，公知的是土壤并非均匀质体，成分复杂且不均一，是一个具有高度空间异质性的空间变异体，同时重金属在土壤中存在着多种形态，而不同形态重金属的生物有效性不同；而尺度的引入，恰恰能够解决这一技术问题。尺度根源为地球表层及过程的等级组织和复杂性，是自然界所固有的特征或规律。对地球系统认识的层次依赖于观测的尺度，因此在很多领域，都需要研究多尺度的问题。此外，研究尺度问题，亦根源于对科学问题的研究的两个大方面：既要理解微观的问题，又要有宏观的认知。深入的尺度问题研究还应该涵盖尺度效应，即不同尺度间的相互作用。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，以解决背景技术中指出的技术问题。

[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法，包括以下步骤：S1、区域尺度观测，具体包括以下步骤：
S11、采样前的准备工作：准备研究区域的地图，该地图包括但不仅限于行政区划图、土壤类型分布图、重金属元素分布图、地球化学图、城市点源污染分布图和监测点位分布图中的任意一种或多种；
S12、采样点的布设：将研究区域划分为多个采样布点基本单位，然后在每个采样布点基本单位内布设采样点，布设采样点的方法包括但不仅限于系统随机布点法和规格化方法；
S2、采样点尺度观测：分别在每个采样点处进行取样，具体包括普通取样和垂直取样：
S21、普通取样：先拨开覆盖在表层土壤最上层的树枝、碎石和杂草，用木铲垂直于地表，挖出 0 20cm的土壤剖面表层，取厚度大致相同的土壤薄片，观察土壤特征，除去大颗~
粒杂质后装入采样布袋中，扎口、编号；
S22、垂直取样：若要研究土壤垂直于地表纵深剖面的污染情况，需要进行钻孔取样，即在土壤采样点人工打钻2m深，根据需要分段采集不同深度的土壤样品；
S3、剖面尺度观测，具体包括以下方法：将采集到的样品进行装样和编号时，必须同时写两个标签，装样袋内外各一个标签，注明采样信息，采样信息包括但不仅限于采样地点、层次厚度、天气、时间和采集人；
S4、初步加工：对土壤样品进行初步加工；
S5、再次研磨：将土壤混合样再次研磨，过网筛后送实验室等待测试；
S6、实验室分析：对再次研磨后的土壤进行实验工作，分析测量土壤混合样品中的重金属含量；
S7、经过实验室分析后，可以获得每个剖面的土壤重金属分析及评价数据，采用XML描述每个剖面的土壤重金属分析及评价数据；
S8、生成专题图：采用软件将土壤重金所有剖面的分析及评价数据制成专题图。

[0006] 进一步的，所述的布设采样点的方法采用四分法布点，即在每个采样布点基本单位内均布设有4个采样点，在实验室分析之前，对土壤样品进行初步加工的过程包括以下方法：将每个采样布点基本单位内的4个采样点采集的土壤样品进行混合，每个样品中取出大致相同重量的土壤样品取相同重量，均匀混合，组合成一个混合样，重新编号。

[0007] 进一步的，所述的步骤S22在分段采集不同深度的土壤样品时，分别取距地表20cm、40cm、60cm、80cm、100cm、150cm、200cm的土壤样品。

[0008] 进一步的，所述的步骤S6对再次研磨后的土壤进行实验工作时所采用的测试仪器包括但不仅限于AFS-230、XGY-1011、ICP-MS和Excell-TJA。

[0009] 进一步的，所述的重金属包括但不仅限于As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn。

[0010] 进一步的，所述的网筛为200目尼龙网筛。

[0011] 进一步的，所述的每个采样布点基本单位的面积均为1 km2。

[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过生成的专题图更直接的展示了重金属污染的有效性，其输出的结果可以直观的检测目标区域内的生物毒性，因而既可以满足对当前污染状况调查的需求，也可以满足对未来风险预警的需求，从而为重金属污染的生态风险评价、控制、治理与修复等提供理论基础和科学依据，而且，本发明考虑了植物密度的不均匀性及其富集效应，因此采用了四分法布点来减少影响，同时，在对土壤垂直于地表纵深剖面的污染情况进行研究时，对剖面上的7层土壤进行取样，完善了对重金属多种有效态的提取。附图说明

[0013] 图1是一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法的流程示意图。

具体实施方式

[0014] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0015] 尺度是一个广泛使用的术语，在不同的领域有着不同的内涵。对于地学领域，尺度是理解地学中的各种过程和现象复杂性的关键。美国科学院地理信息科学院士Goodchild院士1997年从地理学的角度出发，将尺度的用法归纳成四种。南京师范大学刘学军教授也针对DEM的尺度问题进行了研究，李小文院士将其归纳为尺度理论的五个层次：（1）地理尺度（如局地、区域、全球等）；（2）采样尺度（如观测尺度、分辨率、精测点分布等等）；（3）结构尺度（建模与优化的操作尺度等）；（4）分析尺度（如最佳窗口尺度）；（5）表达尺度（涵盖（2）-（4），最终可能是制图尺度）。这样的归纳，概念上比较清晰、系统。之所以单列表达尺度，是考虑到如果表达尺度涵盖（2）-（4），尺度理论的清晰度会打折扣。

[0016] 尺度的存在，根源为地球表层及过程的等级组织和复杂性，是自然界所固有的特征或规律。对地球系统认识的层次依赖于观测的尺度，因此在很多领域，都需要研究多尺度的问题。此外，研究尺度问题，亦根源于对科学问题的研究的两个大方面：既要理解微观的问题，又要有宏观的认知。深入的尺度问题研究还应该涵盖尺度效应，即不同尺度间的相互作用。在土壤重金属污染研究中，也有学者对尺度问题进行了相应的研究，但是非常少。见诸文献的有，霍霄妮将尺度定义为空间采样网格的大小，通过地统计学方法分析了重金属空间结构的尺度效应。文中的L、M、S三个尺度反映采样密度不同，采样点数不同。钱振华提出集成了空间分析、地统计方法和空间数据库的GIS 是分析不同尺度农林生态环境因子的有效工具。文中的三个尺度指研究范围的大小，分别是：农场环境小尺度、地理生境中尺度、欧洲大陆大尺度。

[0017] 本发明将多尺度明确定义为“区域-采样点-剖面”的三尺度，既反映了土壤的观测尺度从“区域”的宏观到“剖面”的微观，又涵盖了分析尺度的从“区域”的专题图到“重金属元素”污染物微观量的检测。

[0018] 研究土壤重金属污染的基础是土壤样品，样品的采集和制备大致分为两个阶段，第一个阶段是野外作业，第二个阶段是实验室分析，为了便于描述土壤重金属污染分析技术的“区域-采样点-剖面”多尺度，下面从土壤样品的采集制备过程出发，逐尺度论述。

[0019] 针对土壤重金属污染研究，分析我们所获取到的数据，依据不同的观测尺度可以分为三种尺度，分别是：区域尺度、采样点尺度和剖面尺度。不同的观测尺度，主要反映研究目标和过程在不同层面上的特征信息。

[0020] 下面，按照土壤样品的采集及处理过程，如图1所示，详细描述这三个尺度。

[0021] 一、区域尺度观测，具体包括以下步骤：（1）采样前的准备工作：准备研究区域的地图，该地图包括但不仅限于行政区划图（1：5万或更小）、土壤类型分布图、重金属元素分布图、地球化学图、城市点源污染分布图和监测点位分布图中的任意一种或多种；
（2）采样点的布设：将研究区域划分为多个采样布点基本单位，本实施例中的每个采样布点基本单位的面积均为1 km2。在1 km2的范围内，尽可能选取具有相同使用功能的土壤类型。然后在每个采样布点基本单位内布设采样点，布设采样点的方法包括但不仅限于系统随机布点法和规格化方法；土壤重金属区域尺度的数据组织形式如下表所示。

[0022] 二、采样点尺度观测：分别在每个采样点处进行取样，具体包括普通取样和垂直取样：普通取样：先拨开覆盖在表层土壤最上层的树枝、碎石和杂草，用木铲垂直于地表，挖出 0 20cm的土壤剖面表层，取厚度大致相同的土壤薄片，观察土壤特征，除去大颗粒杂质~
后装入采样布袋中，扎口、编号；
垂直取样：若要研究土壤垂直于地表纵深剖面的污染情况，需要进行钻孔取样，即在土壤采样点人工打钻2m深，根据需要分段采集不同深度的土壤样品；通常取距地表20cm、
40cm、60cm、80cm、100cm、150cm、200cm的土壤样品。

[0023] 三、剖面尺度观测，具体包括以下方法：将采集到的样品进行装样和编号时，必须同时写两个标签，装样袋内外各一个标签，注明采样信息，采样信息包括但不仅限于采样地点、层次厚度、天气、时间和采集人；本实施例所采用的布设采样点的方法采用四分法布点，即在每个采样布点基本单位内均布设有4个采样点，在实验室分析之前，对土壤样品进行初步加工的过程包括以下方法：将每个采样布点基本单位内的4个采样点采集的土壤样品进行混合，每个样品中取出大致相同重量的土壤样品取相同重量，均匀混合，组合成一个混合样，重新编号。最后，将混合样送到土壤实验测试中心进行分析测定。由于重点分析测定土壤样品中的重金属含量，在样品采样、风干、研磨、过筛、运输、贮存等环节都要特别注意，不能接触金属器具，以防土壤样品被污染。最后，将土壤混合样再次研磨，过200目尼龙网筛，送检测室等待测试。由土壤实验测试中心专业人员进行实验工作，分析测量土壤混合样品中的8种重金属含量。常见的测试仪器有AFS-230、XGY-1011、ICP-MS和Excell-TJA。通常，为了保证数据正确性，在样品测试过程中，可以将每十个样品以密码形式加国家一级标准物质（GSS土壤系列）进行质量监控，由此确保分析数据的准确可靠。

[0024] 经过实验室分析后，可以获得每个剖面的土壤重金属分析及评价数据，通常包含8种金属，每种重金属包含全态值和7个形态值。7个形态值分别是：水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖质结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态。

[0025] “区域-采样点-剖面”的三尺度土壤重金属数据具有明显的非结构特性，为了便于数据传输和交换，可以采用XML语言描述。

[0026] 采用XML描述的“区域-采样点-剖面”的三尺度土壤重金属数据，在数据查询方面具有明显的优势。尤其是在网络传输环境下，这样的表示形式，对于数据交换，页面刷新有着结构化数据模型不可比拟的优点。故可以采用XML描述每个剖面的土壤重金属分析及评价数据。

[0027] 为了实现对土壤重金属污染评价的可视化表达，在平台开发中综合调用了Matlab、Surfer、Excel、Textnote等软件进行二次开发，这样可以将土壤重金属污染的分析及评价结果制成专题图。

[0028] 平台的专题图绘制是调用Surfer实现的。专题图分析的内容是重金属含量数据，也就是对所研究区域所采集土壤样本的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等八种重金属含量数据绘制专题图。

[0029] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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一种基于多尺度的土壤重金属污染区域的检测方法

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