镉:土壤-大米-人-健康效应传播链建模及空间预报
文献类型：学位论文
| 作者 | 杨锦涛 |
| 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 | 王劲峰 ; 柏延臣 |
| 关键词 | 镉迁移链 时空过程建模 毒代动力学模型 空间尺度 空间分异性 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 镉是世界卫生组织重点关注的第Ι类致癌物质，名列我国土壤污染物的首位。大米摄入是镉暴露最主要的途径，频繁发生的大米镉污染事件造成的食品安全问题和公共卫生问题引起了研究者和管理者的广泛关注。大米镉暴露产生健康效应需要经历生产、流通、消费、暴露反应等环节，模拟镉的全生命周期迁移过程是研究者定量理解镉的环境暴露链和相关管理部门做出综合性应对策略的基础。然而，以往的研究大多关注镉在土壤-大米-人迁移链条中的单个或部分环节，忽略了镉迁移过程的系统性，缺乏对整个迁移链的定量表达。 本研究以土壤重金属监测数据、食物中化学元素监测数据、居民膳食结构数据、居民体质数据为材料，基于空间统计、系统动力学、作物栽培学、食品安全、环境健康、毒理学等学科知识构建了镉从土壤-大米-人迁移过程的动力学模型，应用该模型对水稻种植环境、大米镉分布、大米镉膳食暴露量以及相关健康效应的空间格局和时空动态特征做出估计和外推，并分析了空间格局背后的空间分异发生机制。主要研究结果如下： 土壤-大米环节：建立了能考虑土壤空间分异性的土壤空间预报模型。该模型基于案例区的土壤抽样数据绘制了土壤有机质、有效镉、pH值的专题地图，补全了土壤-大米-人模型的输入数据，交叉验证的均方根误差分别为9.40，0.09，0.53，相对误差分别为17.8%，28.2%，7.15%，符合土壤属性的实际分布。此外，基于土壤属性和大米镉的配对数据，训练得到了土壤-大米的非线性关系模型。该模型基于土壤属性分布预测了案例区大米镉含量的空间分布，预测值与实测值具有较高的一致性，交叉验证的R2为0.63，相对误差为39.41%。依据大米镉含量的空间分布以及国家食品安全标准划定了大米种植安全区，案例区内只有7.6%的农田生产出的大米镉含量不超标。研究表明：考虑空间分异性的土壤制图方法具有较高的可靠性，十分适用于水稻田的土壤属性制图。此外，基于大米镉含量划定大米安全种植区可作为农业部门指导稻米生产区划分的参考，为“从源头上消除镉大米”提供了新的思路。大米-人环节：基于水稻种植环境的土壤属性推断了大米镉含量的空间分布，发现案例区中大米镉含量的平均水平为0.28mg/kg，超过了国家食品安全标准中大米镉的最大允许值。当地居民食用自种大米的平均镉暴露量为35.34µg/kg/month，男性的镉暴露高于女性，分别为40.77µg/kg/month和29.91µg/kg/month，均超过了FAO和WHO共同制定的暂定允许摄入量（PTMI）25µg/kg/month，该地区的食品安全风险需得到重视。研究表明：通过作物的种植环境推断人群的镉暴露量可作为评估自给自足人群的食品安全风险的补充手段，为精细化的食品安全风险制图提供了新的方法。 镉暴露-健康效应环节：由于膳食镉暴露具有低浓度、长时间的特性，本文选用毒物代谢动力学模型模拟了案例区在持续低剂量膳食镉暴露情境下的尿镉时空动态过程，在大米镉暴露量不变的情形下，尿镉水平随着年龄的增加而增加，而增加速度随年龄的增加变缓。在大米镉浓度增加的情形下，尿镉水平随大米镉浓度的增加而增加。案例区中仅有约2.4%的人群尿镉水平低于WHO的推荐的安全值5.24µg/g肌酐，其中男性的平均尿镉水平低于女性，分别为7.78µg/g肌酐和9.47µg/g肌酐。研究表明：减少膳食镉暴露量可有效减少尿镉含量，进而降低镉暴露的健康风险。 在土壤-大米环节进行干预需要识别镉在土壤-大米系统中迁移的主控因子。通过建立能考虑混杂因素影响的空间分层贝叶斯模型，识别了不同尺度下大米镉的主控因子。在全局尺度下，主控因子为土壤有机质和土壤有效镉，前者对空间分异性的敏感程度高于后者。局部尺度下，不同地区主控因子不同，同一主控因子在不同地区的作用效果不同。例如，有效镉，土壤pH和有机质分别是64%，50%和25%的乡镇的主控因子。总体而言，当土壤pH≥6时，大米镉随pH增加而减少。而当土壤pH时，大米镉随pH的增加而增加但没有显著的统计学意义。研究表明：该模型能有效识别不同尺度下的主控因子，并能评估主控因子对空间异质性的敏感程度。环保部门可依据模型结果对空间异质性敏感的主控因子因地施策，而对空间异质性欠敏感的主控因子制定相对一致的应对策略。 在大米-人环节进行干预需要确定大米的流通格局和影响因素。基于中国各地的大米销售点的售卖信息，建立了中国大米的流通格局，并从供给侧和需求侧的视角分析了中国大米流通的驱动因素。黑龙江、吉林、湖南、湖北，是主要的大米输出省份，其中黑龙江的供应范围几乎覆盖了整个中国，而湖南、湖北主要供应其周边省份。北京、上海、西藏、青海是主要的大米输入省份，外地输入的大米占市售大米的份额都高于55%。第一产业从业人员数、耕地面积和常住人口分别解释了大米流通格局空间分异的75%,59%,48%。研究表明，北京、上海等人口密集的特大城市以及青海、西藏等非大米产区主导了大米的需求格局。耕地面积、第一产业从业人员数等大米生产要素决定了大米的供应格局，东北和华中地区是中国的主要供应区。 在大米-人环节进行干预还需要确定高风险人群和地区。基于大米镉监测数据评估了中国不同人群、地区和经济类型的大米镉暴露量。发现中国大米镉暴露量平均水平为6.1µg/kg/month，相比第5次膳食调查结果有所下降。大米镉暴露量在中国的18个生产省份间存在显著的空间异质性，湖南、广西、四川等南方省份的镉暴露较高，这些省份的贫困农村地区镉暴露超过了PTMI，尤其值得关注。黑龙江、吉林、辽宁等北方省份镉暴露量较低。此外，大米镉暴露量在大城市、中等城市、普通农村、贫困农村四种经济等级中依次递增，而收入水平却是依次递减。研究表明：环境中的镉正在进入到农业生产系统中，而低收入人群拥有更少获取清洁食物的机会，一旦食物生产环境受到污染，他们更容易遭受环境污染的危害。 土壤-大米-人是镉从环境中进入人体的最主要途径，本研究以空间统计学、系统论、毒理学、食品安全和环境卫生为理论基础，建立了镉在土壤-大米-人系统中的迁移过程和暴露风险推断模型，系统地识别镉迁移过程中的各部分和整体在人群、空间和时间上的分布特征。在理论上，本研究构建了一套探究镉迁移链的生物地球化学过程的方法体系，丰富了地理学时空过程和空间格局耦合建模的内容。在实际应用中，本研究为减少镉污染对粮食生产、食品安全、公共健康的不利影响提供系统性的参考和手段。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 92 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186919]  |
| 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 | 杨锦涛. 镉:土壤-大米-人-健康效应传播链建模及空间预报[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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