基于PXRF的土壤重金属污染空间异质性分析 ——以南京市为例

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城市土壤受人类活动的频繁扰动,产生日趋严重的重金属污染,直接或间接影响城市环境质量以及人体健康。南京市人口密集,同时也是我国重要的工业基地,且矿产资源蕴藏丰富,因此易存在重金属污染问题。目前,关于南京市土壤重金属的研究大多侧重于局部区域或单一用地类型。为弄清整个南京市及各功能区表层土壤重金属污染状况及其空间异质性,本研究以南京市及其不同功能区(交通繁忙区、工业区、休闲区和农业区)表层土壤为研究对象,测定并评价研究区表层土壤中5种重金属(Cr、Ni、Cu、Zn、Pb)污染状况,借助地统计学理论分析其空间异质性,以期为南京市土壤重金属污染预防及防治提供依据。主要的研究结论如下:(1)南京市土壤重金属元素Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的污染状态存在差异性,其平均值分别为112.8mg/kg、39.2mg/kg、49.1mg/kg、126.3mg/kg、37.3mg/kg。以《土壤环境质量标准》(GB15618—2018)中的风险筛选值作参照标准,各金属含量超标率由高到低顺次为Pb>Cu>Zn>Cr>Ni,其中Pb超标率高达44.95%,污染尤为显著,主要集中在工业区和交通繁忙区,Ni元素仅存在休闲区的1个样点超出筛选值,几乎不存在污染水平。5种重金属表现为空间中等变异,说明样点间存在较大的离散性,受人为随机因素影响显著。(2)方向效应分析表明,基于研究区整体(南京市),5种重金属在0°、45°、90°、135°上属于各向同性。半变异结构分析显示,Cr、Cu、Zn、Pb的最优拟合模型均为指数模型,Ni为高斯模型。5种重金属的块金系数C0/C0+C值处于0.501~0.901范围内,Cr、Pb属于弱空间相关,Ni、Cu和Zn为中等空间相关性。(3)地统计模块揭示,南京市表层土壤(0~20cm)重金属含量呈现一定的空间异质性,5种重金属南北差异鲜明,均表现为北高南低,高值覆盖区域普遍集中于典型交通枢纽、工业集聚区(经济开发区、工业园等);不同功能区各重金属的空间分布特征存在较大差异,交通繁忙区的高值区集中于部分主城区,工业区各重金属含量呈现自北向南递减,高值区主要表现为格局形成较早的工业片区;此外,以污染源调研资料为分析基础,休闲区、农田区的高值覆盖区受周边环境(交通、工业集群)影响显著,与此同时,冶山铁矿虽转型旅游经济,但其带来的重金属遗留问题仍待解决,农田区的高值绝大部分出现在南京市边界交会处。不同行政区中,鼓楼区的重金属Cu、Zn,建邺区的重金属Cu、Pb、Zn,浦口区的重金属Cu、Ni、Pb和Zn,雨花台区的Pb、Zn及溧水区的重金属Pb、Zn均表现出相似的空间分布特征,呈现较高的空间相关性。(4)基于AHP赋权的模糊综合法对南京市土壤重金属污染进行综合评价,结果表明:南京市土壤状况大部分属于Ⅰ级,占样点总数的71.1%,56个样点属于Ⅱ级,占总样点的25.69%,7个样点属于Ⅲ级,占3.21%。4种功能区土壤状况属于Ⅰ级的样点百分比由高到低分别为农田区>休闲区>交通繁忙区>工业区,其中,工业区超半数样点(58.67%)属于污染类型(Ⅱ和Ⅲ级),污染较为严重,农田区Ⅰ级样点占比为91.44%,且各样点Ⅰ级隶属度绝大部分大于85%,表现为较清洁。11个行政区中清洁程度最高的为建邺区,除秦淮区和鼓楼区整体上属于轻度污染(Ⅱ级),其余行政区均整体上处于Ⅰ级水平,但Ⅲ级样点却均出现在整体清洁程度较高的雨花台区、栖霞区、浦口区、六合区和溧水区。(5)潜在生态风险评价表明,Pb是主要污染因子,达到较高生态风险,Ni、Cu为中等生态风险,Cr、Zn为低生态风险。南京市综合潜在生态危害指数RI的平均值为36.27,处于中等与较高生态风险的临界水平。各功能区RI风险级别整体为中等生态风险,其中交通繁忙区及工业区不存在低生态风险样点,污染较为严重。11个行政区整体上属于中等生态风险,RI值的空间分布特征与重金属含量、模糊综合评价等级的空间分布均相似,综合生态风险指数高值区受工业集群影响显著。
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