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长沙城郊农田土壤铅镉的空间变异、影响因素与评价研究

刘琼峰  
【摘要】:城郊区在来自工业、农业、交通以及城市生活多重环境压力下,农田土壤重金属污染等环境质量恶化问题尤为复杂和严峻。城郊区农田土壤重金属的空间变异特征、影响因素、现状评价与风险评价研究是防控该区域农田土壤重金属污染生态风险的必要途径。本文以长沙城郊农田土壤重金属Pb、Cd为例开展相关研究。 根据长沙市流域的分布情况,采集长沙城郊区近郊、中郊、远郊18个乡镇513个农田土壤样点,测定了农田土壤重金属Pb、Cd的含量及主要土壤理化性状指标(pH值、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、缓效钾);以长沙市土地利用现状图为基础,在GIS平台下获取了土壤采样点的区位特征数据(土壤采样点离城镇的距离、离工矿建设用地的距离、离河流的距离、离农村居民点的距离)。采用ArcGIS缓冲分析、空间自相关分析和地统计分析模型等研究了长沙城郊农田土壤Pb、Cd的空间变异特征。采用传统回归模型(Ordinary least squares OLS)和地理加权回归模型(Geographically weighted regression GWR)分析比较了土壤Pb, Cd含量与影响因素(土壤理化特性、土壤区位特征)间的相关关系。运用单因子污染指数法对土壤Pb、Cd的质量状况进行了现状评价;采用Hakanson潜在生态危害指数法对农田土壤Pb、Cd进行了潜在生态风险评价;运用模糊综合评价法和层次分析法从农田土壤重金属Pb、Cd的含量、土壤理化特性、土壤区位特征三个方面选取评价指标,建立农田土壤重金属Pb、Cd的生态风险评价模型,对长沙城郊农田土壤Pb、Cd的生态风险进行分级和分区。 长沙城郊农田土壤Pb、Cd含量大部分处于Ⅰ级水平(背景状况),但两种元素均存在不同程度的累积,尤其是Cd的累积程度更为突出。土壤Pb、Cd的平均含量在20km以内、20-40km、40-60km的缓冲区由近至远均呈下降趋势,表明城市人类活动在一定空间距离内对城郊区农田土壤Pb、Cd含量有较大影响;土壤Pb、Cd在较大范围内存在空间相关性,Pb和Cd的空间变异是由结构性因素和随机性因素共同作用引起的。 土壤Pb、Cd的OLS模型和GWR模型估计结果表明,土壤Pb与Cd含量呈极显著正相关;土壤pH值、有机质、氮磷含量与土壤Pb、Cd含量的相关性显著;离城镇、河流、工矿建设用地的距离对于城郊农田土壤Pb、Cd含量也有一定影响,Pb、Cd的GWR模型拟合度较OLS模型高,残差不存在空间自相关,GWR模型在每个不同空间位置的采样点都有一组局部的参数估计来反映各影响因子与土壤Pb、Cd含量的相关程度,能更好地解释土壤Pb、Cd与影响因素变量的空间异质性。 Pb、Cd的单项累积指数和潜在生态危害系数均呈现出近郊远郊中郊的趋势,各区域土壤Cd的潜在生态危害趋势较土壤Pb更明显,城市近郊南北方向区域及远郊局部工矿聚集区是农田土壤Pb、Cd的累积程度和污染风险较高的区域。运用模糊综合评价法建立农田土壤Pb、Cd的生态风险评价模型,根据生态风险指数值(ERI)将生态风险等级划分为四级(Ⅰ级ERI0.70、Ⅱ级0.6ERI≤0.70、Ⅲ级0.4ERI≤0.60、Ⅳ级ERI0.40),22.9%的土壤样点生态风险指数为Ⅲ级和Ⅳ级水平,具有较高的生态风险,主要分布在河流、城镇、工矿建设用地和农村居民点的聚集区。根据各乡镇生态风险等级的差异,划分农田土壤重金属Pb、Cd的高、中、低生态风险区。 该研究可为定量分析区域土壤重金属含量的空间结构与影响因素提供参考,为长沙城郊农田土壤重金属污染生态风险的防控提供理论依据。土壤Pb、Cd的“高-高”集聚区(土壤Pb或Cd含量高的区域被Pb或Cd含量高的其他区域所包围,区域土壤Pb或Cd含量水平较高,且空间差异程度较小)和离城镇、河流、工矿建设用地较近的农田是Pb、Cd污染风险防控的重点区域。农田土壤重金属的生态风险评价与分级、分区是建立农田土壤重金属生态风险防控体系的必要手段,可为农田土壤的科学合理利用提供技术支撑。


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