CN109596378B - 一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法 - Google Patents

一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法 Download PDF

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Abstract

一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法，首先进行干湿沉降采集，布置采样点并放置采集器，每月一次湿沉降采集、两次干沉降采集，并分别检测全氮、铵态氮、硝态氮和可溶性有机氮，计算沉降通量；其次对研究区域的土地利用类型进行划分，并提取各土地利用类型的面积数据；之后得到干湿沉降的各个氮指标沉降通量与各土地利用类型面积的相关性，最终确定出适合研究区域中大气沉降监测采样点的最佳间隔尺度。本发明能够获得基于实际土地利用类型分布格局的、更为准确的采样点距离，最终，既能有效全面地监测各功能区的大气沉降，还避免了资源的浪费。

Description

一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法
技术领域
本发明属于大气沉降监测点布置方法技术领域，尤其涉及一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法。
背景技术
监测干、湿沉降是大气沉降研究工作的重点，获取有效的监测数据是大气环境研究的热点问题。目前关于大气沉降监测的研究主要集中于对大气沉降的监测方法上，随着科学技术的进步，野外采样技术、室内测定及源解析方法都得到了飞速发展。在目前的研究中，所常用的布点方法有：(1)功能区布点法。将监测区划分为工业区、商业区、农业区、居住区、工业和居住混合区、交通稠密区、清洁区等，再根据具体污染情况和人力、物力条件，在各功能区设置一定数量的采样点。这是我国城市空气监测布点早期采用的方法，但此方法仅能反映局部范围的污染，代表性差；(2)几何图形布点法。①网格布点法：将监测区域地面划分为若干均匀网状方格，采样点设在两条直线的交点处或方格中心。每个方格为正方形，可从地图上均匀描绘，方格实地面积视所测定区域大小、污染源强度、人口分布、监测目的和监测力量而定，一般是1～9km布一个点。若主导风向明确，下风向设点应多一些，一般约占采样点总数的60％。这种布点方法能较好的反应污染物的空间分布，但适用于有多个污染源，且污染源分布比较均匀的情况。②同心圆布点法：以污染群的中心画若干同心圆，再从同心圆画45°夹角的射线若干，放射线与同心圆圆周的交点即是采样点。此方法主要用于多个污染源构成的污染群，且大污染源较集中的地区。③扇形布点法：以点源为顶点，主导风向为轴线，在下风向地面上划出一个扇形区域作为布点范围，扇形角度一般为45°～90°，采样点设在距点源不同距离的若干弧线上，相邻两点与顶点连线的夹角一般取10°～20°。此方法适用于主导风向明显的地区，或孤立的高架点源。
综上所述，现有技术存在的问题是对于各生态***大气沉降监测的功能区布点法还未形成一个有针对性的、***的体系，特别是在监测点的布设距离问题上，仍没有一个较为精确的范围作为最佳监测尺度进行大气沉降样品的采集。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法，能够获得基于实际土地利用类型分布格局的、更为准确的采样点距离，最终，既能有效全面地监测各功能区的大气沉降，还避免了资源的浪费。
本发明采取的技术方案是：
一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法，包括以下步骤：
步骤一：干湿沉降采集
将研究区域划分为若干功能区，在每个功能区内均匀布置3～6个采样点作为初始监测点，选取初始监测点是在确定好研究区域并划分好功能区后，在地图上选择能均匀分布在功能区内的监测点(比如3个点)，保证所监测结果能代表整个区域，再通过实地调查，使监测点地点要符合沉降监测点放置环境要求且保证人员能方便安全地进行收集；每个采样点放置3～5个湿沉降采集器、3～5个干沉降采集器，分别进行湿沉降采集和干沉降采集，干、湿沉降采集器的数量要保证有3个以上的平行样品用于分析；
按照每月一次的频率进行湿沉降采集检测，而最终的湿沉降通量按一年的平均值为准，湿沉降采集器置于周围5m内无建筑物或植物遮蔽物的地面上，降雨前，打开湿沉降采集器的盖子，降雨结束后，量取收集到的雨样并测定湿沉降全氮(WTN)、铵态氮(WNH4 +-N)、硝态氮(WNO3 --N)和可溶性有机氮(WDON)，再计算湿沉降通量；具体为：收集每一场降雨，月底时进行混合，形成一个样品进行检测。
按照每月两次的频率进行干沉降采集检测，每次持续5天；干沉降采集器放置在地面之上1.5-6m处，周围无十一层楼及以上高度的高大建筑物或植物遮蔽物；在采样前向干沉降采集器的集尘缸内注入1000ml去离子水作为采集液并在采样期间保持水量维持不变，采样期间遇降水则停止采样，降水过后恢复采集，并记录每次干沉降采集的时间；采样结束后测定采集液的干沉降全氮(DTN)、铵态氮(DNH4 +-N)、硝态氮(DNO3 --N)和可溶性有机氮(DrON)，并计算干沉降通量；
步骤二：对研究区域的土地利用类型进行划分，并提取各土地利用类型的面积数据
获取研究区域在采样期间的遥感影像资料，并对资料进行几何校准，使像元匹配误差缩小到小于0.5个像元，再通过选择训练区、监督分类、分类后处理、人工修正的地理信息技术进行解释，之后，参考研究区域的统计年鉴以及土地利用分类标准的数据，将研究区域土地利用类型划分为若干类，再结合实地调查监测点周边的土地利用类型和空间分布，以采样点为圆心分别设置半径为1km、2km、3km、4km、5km的5种尺度范围的影响区，并提取各土地利用类型的面积数据；
步骤三：确定采样点的间隔尺度
将干沉降和湿沉降的各个氮沉降指标与各影响区中所有土地利用类型的面积分别做相关性分析，分别得到全氮、铵态氮、硝态氮和可溶性有机氮的干湿沉降通量与各土地利用类型面积在所有尺度影响区范围内的相关性，最终确定出适合研究区域中大气沉降监测采样点的最佳间隔尺度。
进一步的，步骤一所述的功能区分为集约化农区和普通农区。
进一步的，所述干沉降采集器的集尘缸直径0.105m、高0.145m，注入的采集液高度为10cm。
本发明的有益效果为：
本发明在传统功能区布点法的基础上，通过提取出各影响区的土地因子面积作自变量，氮沉降通量作因变量，构建回归方程，能够获得基于实际土地利用类型面积的、更为准确的采样点距离，最终，既能有效全面地监测各功能区的大气沉降，还避免了资源的浪费，为之后区域的土地利用结构及管理、作物施肥量和生态环境保护等提供依据。因此解决了传统功能区布点法仅能反映局部范围的污染，代表性差的缺点，且本方法适用于主要受非点源污染的区域，从而弥补了几何图形布点法在这些区域使用的缺陷。同时本方法简单易行，成本低，监测原理易懂、易普及和推广。
附图说明
图1为监测点1-5km半径影响区的提取。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明为农业生态***大气沉降监测点的布置方案，即采用功能区布点法，参照现有资料和在检测过程中遇到的实际问题，设置了试验方案以确定出适宜于川西平原地区的大气沉降监测点位布设方法，对于在农业区这种功能区的点位布设进行了较详细的说明。由于土地利用类型能间接反映人类活动，通过建立土地利用类型与大气沉降的关系，可以指示大气中氮磷等元素排放和沉降的来源，模拟预测大气沉降的空间分异。因此，在四川省崇州市设置采样点，集约化农区样点包括蔡场、燎原和桤泉；普通农区样点包括元通、廖街和怀远。收集大气氮沉降作为研究指标，以氮沉降的研究结果为标准来布设川西平原农业生态***大气沉降的监测点。
一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法，包括以下步骤：
(1)湿沉降的采集监测：2016年1月至2017年12月间，在布置的6个采样点同时开展湿沉降收集，每个样点放置3个湿沉降采集器，每月采集测定一次。湿沉降采集器是改进的“标准雨量计”，由直径为20cm的漏斗和容积为1L的聚乙烯塑料瓶组成，外套不锈钢桶防止太阳直射，减少蒸发。湿沉降采集器置于周围无高大建筑物或植物等遮蔽物的土壤表面。降雨前，人工打开湿沉降采集器的盖子；降雨结束后，用量筒量取收集到的雨量，最后将雨样带回实验室测定湿沉降全氮(WTN)、铵态氮(WNH4 +-N)、硝态氮(WNO3 --N)和可溶性有机氮(WDON)，并计算湿沉降通量(见表1)；
表1大气氮湿沉降年通量(kg N hm-2yr-1)
Figure BDA0001899302860000041
(2)干沉降的采集监测：实验时间同湿沉降，在6个样点同时开展干沉降收集，每个样点放置3个干沉降采集器，每月采集测定两次，每次连续5天。干沉降采集器为圆筒型玻璃集尘缸(直径0.105m，高0.145m)，外套PVC管防止太阳直射，减少蒸发，放在2层住宅楼楼顶，距地面5-6m，周围无高大建筑物或植物等遮蔽物。采样前向筒型玻璃集尘缸注入10cm高的去离子水作为收集液，采样过程中定时观察、补充去离子水以保证采集期间缸内收集液高度为10cm左右，采样期间如遇降雨即停止采样，雨停后重新进行干沉降收集，并记录每次干沉降采集时间。最后将雨样带回实验室测定干沉降全氮(DTN)、铵态氮(DNH4 +-N)、硝态氮(DNO3 --N)和可溶性有机氮(DrON)，并计算干沉降通量(见表2)；
表2大气氮干沉降年通量(kg N hm-2yr-1)
Figure BDA0001899302860000042
(3)土地利用数据收集：采用2016年8月获取的Landsat-8TM遥感影像(分辨率为30m)，对其进行几何校准，使像元匹配误差缩小到小于0.5个像元。通过选择训练区、监督分类、分类后处理、人工修正的步骤进行解译。并参考成都和崇州统计年鉴(2017年)以及土地利用分类标准的相关数据，将研究区域土地利用类型划分为10类：水田Rice field、旱地Dry land、园地Yard、设施农用地Agro-facility、建制镇Town、村庄Village、公路用地Highway、普通农区道路用地Countryroad、水域Water和林草地Forest。
通过实地调查河流两岸的土地利用类型和空间分布，结合应用ArcGIS 10.2地理信息***软件，设置以采样点为圆心，做半径为1、2、3、4和5km的影响区，并提取出每种尺度影响区下各土地利用类型的面积数据(km2)(见图1，表3)。
表3川西平原农业生态***大气沉降监测点不同半径影响区内土地利用类型面积(km2)
Figure BDA0001899302860000051
Figure BDA0001899302860000061
(4)影响区尺度反映了大气氮沉降的运移距离，受到排放源高度、风速、大气稳定性和空气阻力等的影响。由表4、表5可以看出，在本研究区域，随着影响区半径的增加，WTN沉降通量与村庄和公路用地面积、DTN沉降通量与设施农用地面积的相关系数均表现为先增后降，且在半径为4km时达到最大(P<0.05)；DTN沉降通量与旱地面积的相关系数逐渐增大，且在半径达到4km时显著(P<0.05)。随着影响区半径的增加，WNH4 +-N和DNH4 +-N沉降通量均与农业设施用地、建制镇和普通农区道路用地面积的相关系数变大，且当影响区半径大于3km时与农业设施用地相关性显著(P<0.05)。WNO3 --N、WDON和DNO3 --N的沉降通量与水田、旱地、村庄和公路用地面积均表现出显著性相关(P<0.05)，且在影响区半径为4-5km时相关系数最大。随着影响区半径的增加，ON通量与村庄和公路用地面积的相关系数表现为先增后降，且在半径为4km时相关系数最大(P<0.05)。可见，当影响区半径为4km时，不同氮沉降受到其关键性土地利用类型的显著影响，这暗示大气氮沉降主要受当地排放源即来自于4km范围内的排放源影响。
表4年氮湿沉降通量与1-5km影响区内土地利用面积的相关性分析
Figure BDA0001899302860000062
Figure BDA0001899302860000071
注：WTN,湿沉降全氮；WNH4 +-N,铵态氮湿沉降；WNO3 --N,硝态氮湿沉降；WDON,可溶性有机氮湿沉降.*表示在P＝0.05水平显著相关；**表示在P＝0.01水平极显著相关。
表5年氮干沉降通量与1-5km影响区内土地利用面积的相关性分析
Figure BDA0001899302860000072
注：DTN,全氮干沉降；DNH4 +-N,铵态氮干沉降；NO3 --N,硝态氮干沉降；DrON,有机氮干沉降.*表示在P＝0.05水平显著相关；**表示在P＝0.01水平极显著相关。
综上，可以看出使用本发明在确定适用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法中，所用到的工具或设备简单易获取，并通过与土地利用相结合、利用Arcgis等地理信息相关软件设置影响区的办法，科学合理地分析出研究区域大气氮沉降与不同半径影响区范围内关键性土地利用类型面积之间的关系，根据其相关性确定出在川西平原农业生态***中设置大气沉降监测点时，各监测点之间的距离为4km是最为合理的，不仅能有效全面地监测大气沉降，还能避免资源浪费。

Claims (3)

1.一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：干湿沉降采集
将研究区域划分为若干功能区，在每个功能区内均匀布置3～6个采样点作为初始监测点，每个采样点放置3～5个湿沉降采集器、3～5个干沉降采集器，分别进行湿沉降采集和干沉降采集；
按照每月一次的频率进行湿沉降采集检测，而最终的湿沉降通量按一年的平均值为准，湿沉降采集器置于周围5m内无建筑物或植物遮蔽物的地面上，降雨前，打开湿沉降采集器的盖子，降雨结束后，量取收集到的雨样并测定湿沉降全氮(WTN)、铵态氮
Figure FDA0002842458720000011
硝态氮
Figure FDA0002842458720000012
和可溶性有机氮(WDON)，再计算湿沉降通量；
按照每月两次的频率进行干沉降采集检测，每次持续5天；干沉降采集器放置在地面之上1.5-6m处，周围无十一层楼及以上高度的高大建筑物或植物遮蔽物；在采样前向干沉降采集器的集尘缸内注入1000ml去离子水作为采集液并在采样期间保持水量维持不变，采样期间遇降水则停止采样，降水过后恢复采集，并记录每次干沉降采集的时间；采样结束后测定采集液的干沉降全氮(DTN)、铵态氮
Figure FDA0002842458720000013
硝态氮
Figure FDA0002842458720000014
和可溶性有机氮(DrON)，并计算干沉降通量；
步骤二：对研究区域的土地利用类型进行划分，并提取各土地利用类型的面积数据
获取研究区域在采样期间的遥感影像资料，并对资料进行几何校准，使像元匹配误差缩小到小于0.5个像元，再通过选择训练区、监督分类、分类后处理、人工修正的地理信息技术进行解释，之后，参考研究区域的统计年鉴以及土地利用分类标准的数据，将研究区域土地利用类型划分为若干类，再结合实地调查监测点周边的土地利用类型和空间分布，以采样点为圆心分别设置半径为1km、2km、3km、4km、5km的5种尺度范围的影响区，并提取各土地利用类型的面积数据；
步骤三：确定采样点的间隔尺度
将干沉降和湿沉降的各个氮沉降指标与各影响区中所有土地利用类型的面积分别做相关性分析，分别得到全氮、铵态氮、硝态氮和可溶性有机氮的干湿沉降通量与各土地利用类型面积在所有尺度影响区范围内的相关性，最终确定出适合研究区域中大气沉降监测采样点的最佳间隔尺度为4km；
关于最佳隔尺度，是经过检测得到的，检测结果是：随着影响区半径的增加，WTN沉降通量与村庄和公路用地面积、DTN沉降通量与设施农用地面积的相关系数均表现为先增后降，且在半径为4km时达到最大；DTN沉降通量与旱地面积的相关系数逐渐增大，且在半径达到4km时显著；随着影响区半径的增加，
Figure FDA0002842458720000023
和
Figure FDA0002842458720000024
沉降通量均与农业设施用地、建制镇和普通农区道路用地面积的相关系数变大，且当影响区半径大于3km时与农业设施用地相关性显著；
Figure FDA0002842458720000021
WDON和
Figure FDA0002842458720000022
的沉降通量与水田、旱地、村庄和公路用地面积均表现出显著性相关，且在影响区半径为4-5km时相关系数最大；随着影响区半径的增加，ON通量与村庄和公路用地面积的相关系数表现为先增后降，且在半径为4km时相关系数最大，可见，当影响区半径为4km时，不同氮沉降受到其关键性土地利用类型的显著影响，这暗示大气氮沉降主要受当地排放源即来自于4km范围内的排放源影响。
2.如权利要求1所述的一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法，其特征在于，步骤一所述的功能区分为集约化农区和普通农区。
3.如权利要求1所述的一种用于川西平原农业生态***大气沉降监测点布置方法，其特征在于，所述干沉降采集器的集尘缸直径0.105m、高0.145m，注入的采集液高度为10cm。
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