典型喀斯特流域土壤重金属分布关键影响因素诊断及源风险评估

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土壤重金属污染不仅对生态环境有不利影响,还能通过多种途径对人体产生危害。识别土壤重金属的影响因素和评价环境风险在土壤环境治理方面具有重要意义。而目前重金属影响因素的研究忽略了重金属的空间分布格局与环境类型变量因素的关系,以及因素之间非线性关系的影响。在风险评估时也忽视了来源产生的贡献。同时在喀斯特地区的独特地貌类型和特殊地质环境背景下,土壤重金属的分布及其影响因素可能存在一定的特殊性。基于此,本研究以普定县后寨河流域为研究区,分析了土壤重金属铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、铅(Pb)的空间分布特征,并评估了其污染情况。利用地理探测器(GDM)识别土壤重金属空间分布的关键影响因素及影响类型,界定重金属富集风险区。结合受体模型正矩阵因子法(PMF)和生态健康风险模型识别、量化不同土地利用方式下重金属污染源的生态健康风险,分析源分布对风险的影响。研究结果表明:(1)研究区内的重金属对农作物的生长和土壤生态环境的风险低,可以忽略。而在三种土地利用类型(农用地,建设用地,林地)下,6种重金属的最大值都出现在农用地中,说明农业活动可能是重金属的主要来源。富集情况表明,重金属富集的主要集中在农业用地。其中Cd在林地中的累积程度较大。Cu和Pb主要在建设用地和农业用地中累积。Zn的富集很大程度受人类活动的影响,如农业活动等。在空间上,重金属的高值区主要在研究区中部延伸至西北部元素Cr、Cu、Zn和Ni的分布主要在流域的中下游,元素Pb的高值区主要分布在研究区北部至西北蔓延,与土地利用的分布有着一定的联系。研究区的土壤重金属污染风险总体属于轻度至中度,且北部的污染指数和生态风险较高。其中元素Cd是生态风险的主要贡献元素,其贡献占比达到57%。说明潜在生态风险与元素Cd的控制源有一定联系。研究区东部存在的风险很大程度受此源的影响。(2)地理探测器(GDM)的运行结果显示,土地利用和距河流的距离是Cd的主要影响因素,同时土壤类型、坡度、NDVI和海拔也存在一定影响;除海拔和土壤类型外,土地利用和居民地对元素Cu和Zn也有一定影响,道路、土地利用和居民地也是元素Cr和Pb的主要影响因素,居民地对Ni有也具有一定的解释力。因此在对区域进行环境预防及保护的工作时可以更具针对性的关注存在这些环境因子的区域。因子交互结果显示河流和海拔之间的交互作用使解释Cd含量分布的能力提高了90%。对于其余5种重金属,尽管河流对其的影响程度最小,但是河流有利于提高对重金属含量分布的解释力。基于关键影响因素和环境类型界定了各元素的富集风险区。Cd风险区主要集中在研究区东部,其特征主要为:土类中石灰土高于黄壤,植被覆盖类型以草地与灌木为主,坡度大。其余5种重金属的风险区主要在中部延伸至西部。Pb元素风险区主要在建设用地附近,土壤类型黄壤为主。Cr,Ni,Cu和Zn的风险区靠近道路、居民区,DEM小、坡度小的区域,土类为黄壤,土地利用方式为水田。这些风险区的分布说明基于关键影响因素及其影响类型确定的区域具有为重金属风险提供指示的作用,能为防控措施的实施提供了重要依据。在进行重金属污染防治的同时应该优先关注这些区域。(3)确定土壤重金属的4类污染源,其中农业活动是主要源(33.72%),其次是交通排放源、自然资源和工业活动源。来源的生态风险评估结果显示,总体贡献占比最大的来源是自然源(40%)。在林地和农用地中,农业源的影响仅次于自然源,分别占25%,29%。生态风险与来源贡献分布表明,在研究区中部(潜在生态风险较高的区域),交通运输对生态风险的贡献占比最大。因此尽管总体上生态风险的主导因素是自然源,但是在风险较高的区域,以交通排放源的贡献为主。说明交通排放源是区域内在制定环境生态风险的防治政策时优先考虑的影响源。(4)虽然儿童的非致癌性和致癌性风险高于成人,但两组人群的健康风险来源贡献在不同的土地使用类型下呈现出相同的趋势。儿童更容易受到非致癌与致癌风险的影响。从整体上看,农业活动是致癌风险的主导因素,贡献占比为38%。工业活动是非致癌风险的第一大来源(36%),同时也是仅次于农业活动的第二大致癌风险的来源(27%)。这说明含有危险重金属(Cr等)的来源更有可能引起健康风险。在空间上,儿童的致癌风险高值区与非致癌风险区主要都集中在研究区北部。并且交通活动源对致癌风险的贡献也集中在中部和北部。因此,尽管从总体上看,农业活动是致癌风险的主要来源,工业活动为非致癌风险的主要来源。但存在非致癌风险的区域主要受交通活动影响。表明交通排放与农业活动是健康风险的主要来源,在预防与控制土壤重金属对人类的健康风险时,应主要关注这两类来源的影响。因此基于来源的生态健康风险分析可为制定从源头控制土壤重金属污染,和管理重点污染源的的措施提供重要依据。
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