矿冶城市土壤重金属源解析与景观分异研究

发布时间：2020-04-05 05:31

【摘要】：土壤是人类生存的重要自然资源,为人类生产生活提供了基础环境条件,同时许多污染物会通过土壤进行传输和累积。其中,重金属产生的危害尤为突出,会严重损害人类神经和身体机能健康。近年来,我国土壤重金属污染问题越来越突出,不断威胁人类健康与农产品安全,引起全社会对土壤重金属污染问题日益重视。有关土壤重金属的研究内容主要包括空间建模及预测、污染评价和源解析。目前,在进行土壤源解析时大多停留在定性阶段,难以准确评价各污染源对污染的贡献大小,给污染防治与管控带来了一定的困难。此外,当前的研究缺乏对土壤重金属来源分布的影响机制研究,特别是景观的分异作用。因此,本文选取一典型矿冶城市作为研究区,探究表层土壤中Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn的含量,应用地统计学方法分析土壤重金属空间分布特征,采用单因子污染评价法评估区域土壤重金属污染状况,还选取了主成分-多元线性回归法识别污染源类型并定量解析各污染源的污染贡献率,最后运用地理探测器寻找对土壤重金属分布有影响力的景观因子以及主要景观因子的影响范围或者类型,为该地土壤重金属防护与治理提供科学依据,实现生态可持续发展。本研究取得的主要结论如下:1.重金属含量的基本统计分析结果表明:Cd、Cu、Pb和Zn的平均值分别为1.14、175.45、102.77和256.73mg/kg,分别为背景值的6.71、5.71、3.85、3.07倍,表明这4种元素在表层土壤中有明显的富集。其中,Cd、Cu和Pb达到了严重污染的程度。Co、Cr、Mn和Ni的平均值为14.65、34.93、672.265和28.14 mg/kg,其样点最大值均超过了背景值,表明这4种元素在部分区域存在富集现象。从变异系数来看,Cd、Cu和Pb属于高度变异,区域性变异明显;Zn和Mn的变异系数分别为0.91和0.53,属中等变异;而Cr、Co和Ni属于弱变异,区域差异性相对较小。此外,Cd、Mn、Pb和Zn之间呈显著相关,相关系数在0.424~0.901之间;Co和Cu相关系数达到了0.631;Cr和Ni之间也成显著相关关系,可能受到同一污染源的影响。2.运用地统计学方法进行重金属含量空间分布预测的结果表明:从预测精度上来看,空间预测结果较好。从空间分布来看,Cd、Cu和Zn在研究区污染比较严重;Cr和Ni在研究区内比较清洁,只有局部区域存在污染。特别地,Cd、Mn、Pb和Zn在东南部的富集区域在采矿、冶炼用地区附近,由此推测这几种元素污染来自采矿、冶炼活动;Co和Cu在铜绿山古铜矿遗址附近明含量均比较高,说明Co和Cu受到铜矿开采污染影响的可能性比较大;Cr的相对高值区也出现在工业用地附近,其含量分布可能受人为活动的影响。3.单因子污染评价结果显示:Ni在本研究区呈清洁状态,Pb有部分区域出现了污染,而Co、Mn和Zn整体污染程度虽然较轻,但均有大部分区域处于尚清洁的临界状态,受到污染的风险程度很高。Cd、Cr和Cu污染程度较高,均出现了高度污染的区域,对土壤生态环境有较大的风险。值得注意的是,部分元素的评价结果与工业活动区域高度相似,说明长期的工业活动已经造成了重金属的明显累积。因此,有关部门需要对工业用地及附近区域进行长期土壤生态风险监管,保障人类生存的基础环境。4.应用主成分-多元线性回归法(PCA-MLR)源解析法分析出研究区有3个主要污染源,共解释了总方差的80.51%。因子1中Cd、Mn、Pb和Zn为高载荷因子,代表了综合采矿源。因子2载荷较高的重金属元素为Co和Cu,代表了铜矿开采-冶炼源。因子3为自然源,Cr和Ni是该成分的识别元素。综合矿产的开采与冶炼贡献总污染的45%,铜矿的开采与冶炼贡献了总污染的28.3%,自然因素的贡献率为26.7%。因此,研究区域内73.3%的污染是人为造成的,且都与采矿活动有关,说明长期的矿产开采与冶炼已经对区域土壤产生了很大的污染。5.距道路的距离、距工矿用地的距离和高程分别为综合采矿污染源、铜矿开采-冶炼污染源和自然源的的主要景观影响因子,q值为0.208、0.126、0.129。交互作用探测器的结果表明本研究所选取的景观因子两两组合均会产生非线性增强的交互作用,对污染源贡献率的解释力大于单环境因子。生态探测器的结果表明,只有距道路的距离与距工矿用地的距离、土地利用类型因子间对综合采矿污染源的影响存在显著差异。
【图文】：

技术路线图,土壤重金属,景观要素,污染源

华中农业大学 2019 届硕士研究生学位论文和为同类型区域研究提供实证参考。本研究的意义在于：（1）利用定量源解析模型在初步识别源类型的基础上，，定量计算了各污染源的贡献率大小，为污染源的定向防控提供了有效依据。(2)确立了土壤重金属与景观要素之间的关系以及各景观要素对土壤重金属分布差异的影响力大小，明确了影响土壤重金属空间分异的景观驱动机制。1.4 技术路线

采样点,土壤样品,盐酸,原子发射光谱法

图 2 研究区域与采样点Fig.2 Research area and sampling points属含量测定品自然风干后，剔除植物根、茎、叶及其他杂质，分别）和 100 目（0.149mm）尼龙网筛，用“四分法”分别取 10g2作为待分析土壤样品。称取 100 目 0.5g，用王水（盐酸与且盐酸与硝酸均为优级纯）放在电热板上加热消解，待消取下进行过滤定容，作为待测液。其中每个土壤样品设置来消除人为误差并提高精度。实验过程添加了空白对照，准物质 GBW-07403(GSS-3)进行质量控制。感耦合等离子体原子发射光谱法合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES），是原子发射光谱
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X53

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