城镇化对京津冀城市群典型城市土壤中潜在有毒元素含量和分布的影响与驱动机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 王思雨 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 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 | 梁涛 |
| 关键词 | 土壤潜在有毒元素 城镇化 环境风险 空间分布 驱动路径 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 城镇化是中国经济发展的重要载体和经济增长的新动力。随着我国城镇化进 程的不断推进，人口快速增长，高强度的工业发展、频繁的土地开发与利用、密 集型的交通系统等因素导致土壤潜在有毒元素（Potential toxic elements, PTEs） 污染问题日渐严重，我国北京、上海等各大城市土壤也普遍存在不同程度的 PTEs 污染（砷（As）、镉（Cd）、铅（Pb）等）现象。为了明确城镇化进程人类活动因 素和自然因素在不同发展阶段如何影响土壤中潜在有毒元素的含量和空间分布， 本研究以京津冀（BTH）城市群地区典型城市土壤中 PTEs 为研究对象，基于实 地采样与实验分析、多源数据获取，结合地理信息数据分析手段，分析了城镇化 进程与土壤 PTEs 之间的关系、新型城镇化发展背景下土壤中 PTEs 污染的空间 分布与环境风险、不同城镇化发展阶段影响土壤中 PTEs 分布的主控要素、以及 高城镇化区域典型人类活动对土壤 PTEs 的含量和分布状态的驱动路径，以期为 促进城镇化与土壤健康的协调发展提供依据，本研究主要取得以下创新性结论： （1）从公开发表的文献中收集了京津冀城市群 2000-2021 年间土壤中 PTEs 的浓度数据，结果表明，表层土壤中 Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、As 的含量随时间增 加而增加。在 2016-2021 年期间，Pb、Cu 和 Ni 含量的平均值最高，分别为 55.78、 45.43 和 28.63 mg/kg。PTEs 积累引起的健康风险对不同人群的影响顺序为：儿 童>成年女性>成年男性，说明儿童的风险应该得到更多的关注。改进的 STIRPAT 模型证明，在京津冀样本中，土壤 PTEs 引起的致癌风险与经济发展之间具有环 境库兹涅兹曲线关系（EKC 效应）。 （2）由于交通的不断发展，传统的城市-城乡-农村梯度已不满足新型城镇化 背景下的区域划分。基于不同级别道路网构建的交通可达性网络是新型城镇化程 度的良好指标，可达性越高的地区土壤中 PTEs 含量也越高。Cd、As 和 Hg 的含 量超过了这些元素在地壳中的丰度，统计分析表明可达性梯度对潜在有毒元素 Cd 和 Hg 具有显著影响（p<0.05）。表层土壤（0-20 cm）中元素的平均值和变异 系数均高于底土（20-40 cm），表明城镇化过程中存在人为输入，对表土具有较大 干扰。高可达性区域 Cd、As、Hg 污染超标，莫兰指数表现出典型的 PTEs 空间 集聚格局，热点区域主要分布在高可达性区域。 （3）健康风险评估和蒙特卡洛风险模拟表明研究区土壤中元素的非致癌风 险和致癌风险均在可接受的水平内，考虑元素形态的健康风险要高于考虑元素总 量的风险，元素在一些点位对儿童具有一定的潜在致癌风险，主要分布在 4 个典 型城市的中心城区。将人口密度和每个点位代表的范围纳入考虑，具有潜在致癌 风险的点位将在研究区影响总人数约为 252048.6-756145.7 人，每个具有致癌风险的点位平均影响人数将达到约 2769.8-8309.3 人，影响范围远高于研究区 2022 年的人口密度（北京 2022 年：1331 人/km2）。这一结果强调了土壤中潜在有毒元 素风险的广泛影响，尤其是在城市中心区域。 （4）结合随机森林（RF）模型和地理探测器（GeoDetector）模型，对城镇 化过程中不同因素对元素污染的重要性进行排序。结果显示，各因素重要性排序 存在空间异质性。在低可达性地区，土壤中 PTEs 的污染和分布受多种复杂因素 的影响，包括土壤性质、地形条件和城镇化进程，其中工业活动是主要污染源。 在可达性较高的地区，城镇化因素的贡献主要通过交通活动、工业发展和人口密 度对 Cd、As 和 Hg 的污染和分布的影响而起作用。不同因素的交互作用对元素 污染的贡献大于单一因素，在可达性低的区域，地形因素、土壤性质因素和城镇 化因素互相交互影响 PTEs 的污染和分布，在可达性较高的区域，尽管地形因素 仍然起作用，但城镇化因素的影响更为显著。 （5）从时间-空间-PTEs 形态三个维度详细探究了不同居住区密度内人类活 动对土壤中元素的影响痕迹，结果表明城市发展时间、土壤深度和居住区密度在 统计学上都是影响土壤中 PTEs 含量和积累的显著因素（p<0.01）。共现相关性表 明居住区密度与 Pb 总量、形态以及土壤性质均有显著正相关（p<0.01），主成分 分析表明元素主要来源于交通和城市基建，污染源主要分布在高密度区，低密度 区主要污染源是工业源。偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）进一步揭示高密 度居住区主要污染源通过间接影响土壤性质和 PTEs 形态间接影响 PTEs 的含量 和分布状态而不是直接改变 PTEs 总量。这 3 条间接路径分别是污染活动→土壤 性质→PTEs 总量、污染活动→PTEs 形态→PTEs 总量、污染活动→土壤性质 →PTEs 形态→PTEs 总量，对于 Pb，污染活动主要影响的土壤性质是总碳（TC） 和有机碳（TOC）水平，主要元素形态是可移动部分；对于 Cu，污染活动主要影 响的土壤性质是 TC 和总氮（TN），主要元素形态是可移动部分。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 178 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209238]  |
| 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 | 王思雨. 城镇化对京津冀城市群典型城市土壤中潜在有毒元素含量和分布的影响与驱动机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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