南方典型区域耕地土壤镉污染空间分异的形成机制与风险预测
文献类型：学位论文
| 作者 | 陶欢 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 廖晓勇 |
| 关键词 | 土壤 稻米 镉 空间分异 主控因子 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 改革开放40多年来中国工业化和城镇化进程的迅猛发展，使得由工业高污染排放、农业污水灌溉和化肥农药过量投入、生活垃圾堆放等产生的含重金属废物通过各种途径直接或间接地进入到耕地土壤，造成严重的土壤重金属污染，继 而在全国多地引发农产品质量安全问题。从空间分布上看，中国耕地重金属污染 严重区域主要集中在南方酸性土壤稻田区，工矿企业周边农区，污水灌区和大中 城市郊区。而中国南方丘陵地区耕地分布破碎、地形条件复杂、耕作方式各异、 土壤重金属来源多样。复杂的自然和人文地理环境使得温室控制实验或大田定位 实验开展的耕地土壤污染治理方案难以向区域尺度推广应用。如何识别区域土壤重金属污染热点区的主控因子，并定量解析各主控因子间的交互作用关系和迁移路径机理是解决耕地重金属污染的根本；复杂环境下土壤-水稻系统中重金属元素的关系刻画是进行农业种植结构调整、保障粮食质量安全的关键。 本研究选择中国南方某农田重金属污染试点区，基于收集的修复治理区和对照区土壤和水稻样点，获取包括土壤-水稻镉含量、土壤理化性质，区域修复治理 措施数据和自然环境条件数据，将多元统计分析、空间统计、地理探测器、结构方程模型和贝叶斯网络模拟等方法相结合，在区域多尺度嵌套网格框架下系统探究了耕地土壤镉的空间分异特征和尺度效应、识别污染热点区分布、厘清并定量解析了土壤镉污染的主控因子和关键响应路径，研建了土壤-水稻系统中稻米镉在不同降雨情景下的超标风险预测网络模型。研究结果对南方破碎耕地区土壤安全生产提供决策支持，为其它稻米主产区的土壤环境质量评价及农作物安全生产 布局提供借鉴，从而提升稻米镉的安全预警水平。 现已取得的研究结果如下： （1）基于耕地面积分布构建的 4km、2km 和 1 km 多尺度嵌套网格布点法，可以提高破碎耕地分布地区的农田土壤污染调查的点位代表性和数据的重现性。多尺度嵌套抽样具有抑制异常值、降低标准差，同时其对于超标率的表征更加接近原始点位，因此在该尺度上能够更好地揭示区域土壤镉的空间分异特征。通过在该尺度上研究土壤镉污染的空间分异特征发现，该区域土壤镉含量的空间分布总体上呈现较强的空间聚集性（莫兰指数为 0.48**），呈现中部高而周边低的格局分布，高值区主要分布在研究区中部地区的湘江流域两岸农田、浏阳和株洲中部。 （2）单因子探测显示，研究区总体上土壤镉含量分布受人为因素要强于自然因素，其中工矿企业是研究区土壤镉污染分布的主导因素，解释力为 12.29%。 从交互探测结果来看，人为因素和自然因素对研究区的土壤镉污染分布的交互作 用属非线性增强型。主控人为因素中的工矿企业和畜禽养殖因素易于与其他要素 交互，主控自然因素中的流域密度和土壤母质因素易于与其他要素交互。工矿企 业和畜禽养殖交互叠加后得到对土壤镉污染分布的交互解释力最大（22%）。在4km、2km 和 1km 的嵌套网格尺度上，研究区 4 个热点区域土壤镉污染分布的主 控因素存在明显差异，分别呈现出工农业混合污染型、城镇化污染型、高地质背 景污染型和畜禽养殖污染型。 （3）空间结构方程模型的拟合结果较好地解释了工农业混合污染区土壤镉污染分布的影响机制。结果表明，区域“河流—矿山开采/工矿企业—土壤镉”是工农业混合污染区的关键影响路径，直接影响为 0.226，间接影响为 0.125，总体 效应为 0.351。工农业混合污染区湘江两岸的工矿企业布局、自然地理环境差异 比较大。湘江左岸地势低平，左岸区域组成了涟、涓两水向湘江河谷开口的湘乡 —湘潭盆地，其污染为农业型污染为主。而工矿企业主要分布在工农业混合污染 区右岸的株洲市区，该区域工业化水平在整个研究区域较高，而早期的粗放型工 业布局和生产使得区域遗留土壤污染问题严重。 （4）空间贝叶斯网络模型较好地刻画了区域土壤-水稻系统镉含量的复杂关系，早晚稻的刻画精度分别为 70%和 68%。 通过 GIS 技术将构建的土壤-水稻系 统贝叶斯网络模型推广至整个研究区域，并假定基线情景、发生洪水或干旱 3 个 情景模拟条件。基线情景显示研究区晚稻稻米镉的超标（0.2mg / kg）的风险为56.1%，要显著高于早稻稻米镉的超标风险45.1%，高约 11%。空间分布上，早稻稻米镉超标的概率风险大部分低于0.5，而晚稻稻米镉超标风险概率基本都高于0.5。不同降雨概率情景条件下区域晚稻稻米镉超标概率风险均要显著高于早稻。降水概率的增加，早稻和晚稻稻米镉的超标风险均有所降低。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 145 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/184615]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陶欢. 南方典型区域耕地土壤镉污染空间分异的形成机制与风险预测[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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