快速城市化地区耕地土壤重金属含量空间变异与来源分析

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随着我国工业化和城市化的快速发展,我国农业生态环境不断恶化,农产品重金属污染问题日益凸显。土壤重金属污染特征分析、环境评价及来源探析为防治和治理土壤重金属污染提供重要的理论基础,这在经济快速发展导致环境污染问题加剧的地区尤为必要。本文选取苏南快速城市化地区无锡市锡山区为研究区,对其耕地土壤重金属的污染情况和潜在生态风险系数进行了评价,并利用传统统计学方法和地统计学方法对锡山区耕地土壤重金属的含量特征、空间分异特征以及污染来源进行深入探讨,主要研究结论如下:(1)描述性统计分析表明锡山区耕地土壤中六种毒性元素的富集现象非常明显,变异程度为汞>镉>铅>锌>铜>砷,锡山区土壤中汞属于强变异,变异系数为84.20%,局部地区被严重污染。与无锡市土壤环境背景值以及国内其他城市和地区相比,锡山区土壤重金属含量偏高程度非常显著,土壤重金属污染的治理和防治工作显得尤为必要。(2)通过半变异函数对锡山区耕地土壤重金属空间变异特征分析,分析结果表明土壤中砷、汞的半方差函数理论模型符合指数函数模型,镉、铜、锌的半方差函数符合高斯模型。块金系数大小顺序为汞>镉>锌>铜>砷。其中,砷和铜的块金系数介于25%-75%之间,具有中等空间自相关性,空间变异受到结构性因子和随机性因子的共同作用。镉、汞和锌的块金系数大于75%,属于空间弱相关,受随机性因子的影响较为强烈。经济发达地区由于人类活动的长期影响造成了土壤中重金属元素的相对富集,人为因素对土壤产生的影响不可忽视。插值结果表明,锡山区耕地土壤重金属空间分布呈斑块状。砷含量较高地区主要在东港镇、安镇镇、羊尖镇的交界处及鹅湖镇的大部分地区;镉含量分布较分散,主要位于东北塘镇、鹅湖镇及安镇镇和羊尖镇的交界处;铜含量高值分布在鹅湖镇和安镇镇的南部;汞含量整体较高,由北向南逐渐增加,鹅湖镇含量最高,人口比较密集的东北塘镇和东亭街道内土壤汞含量也较高;铅含量高值区分布在鹅湖镇南部,锡北镇和东港镇富集较低,空间变异性较大;锌含量分布趋势不明显,高值和低值相互交错,对该区生态环境的危害较小。(3)采用内梅罗指数和潜在生态风险评价系数对锡山区耕地土壤重金属的污染状况进行评价可知:锡山区砷、铜和锌的单项污染指数均为安全-轻度污染级别,镉含量的污染指数处于清洁-中度污染之间,铅和汞元素在各个等级中均有分布。空间上,土壤重金属元素污染呈斑块状分布,不同地区的重金属污染程度不完全相同。汞单项污染指数的破碎度最大,重度污染地区在东南部的鹅湖镇。综合污染指数为轻度污染>警戒级>重度污染>中度污染>安全级,从北向南逐渐递增,与汞污染的分布特征类似。该区耕地土壤中砷、铜、铅、锌元素单一重金属生态风险指数处于轻微等级,汞元素生态风险指数值域范围最大。研究区潜在生态风险总体上处于中等等级。空间分布上,锡山区大部分地区处于轻微级别,生态风险较高处分散分布在羊尖镇、安镇镇和鹅湖镇,在鹅湖镇南部靠太湖地区存在强等级的生态危害区。研究区土壤环境质量对该区生态系统的潜在危害较为严重,需要立即采取有效措施进行监测和治理,防止生态环境的恶化对人类生活产生的不利影响。(4)通过相关分析、因子分析和聚类分析方法与锡山区土壤重金属的主要来源相结合,推断该地重金属污染受到自然因素(如土壤理化性质、土壤类型、地形地貌、土壤母质等)和人为因素(乡镇发展、交通运输、农业生产活动、土地利用方式等)的综合作用。研究结果表明,自然因素对土壤重金属富集影响在区域内差异较小,人为因素对快速工业化、城市化地区重金属污染的影响可能更为关键。研究区土壤中汞、铅、铜显著相关,可能来源于相同污染源,主要受彩印出版企业、交通运输、农业生产和生活废弃物排放等影响;砷、锌存在一定的相关性,区域内含量较低,主要受土壤母质等自然因素影响。
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