区域土壤污染形成机制的关键方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陶欢 |
| 答辩日期 | 2024-08 |
| 文献子类 | 博士后出站报告 |
| 授予单位 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 廖晓勇 ; 贾小旭 |
| 关键词 | 城镇化 耕地 区域污染 过程 污染成因 演变特征 调控路径 |
| 学位名称 | 博士后 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 自工业革命起，地球上的土壤环境质量经历了快速的变化，人与土地之间的 冲突愈发明显，土壤问题持续发展变化。探究区域耕地土壤污染时空变异的驱动 机制与调控路径是建设美丽中国和实现区域耕地资源可持续利用的重要课题，也 是土壤学和环境地球科学研究的前沿问题。然而，以往研究多关注土壤污染物的 空间分布特征、污染来源解析和风险评估等方面，难以解释污染物在区域多介质 中的源径汇传输过程和驱动机制，且国际上尚缺乏统一的理论框架解释区域土壤 污染的形成过程及演变趋势。本文在梳理环境地理学、区域土壤环境质量与安全 学科体系中污染物关键土壤生物地球化学过程的基础上，借助复杂性科学相关理 论，探讨了区域耕地土壤污染的时空变异特征、形成机制、风险效应和调控路径 等问题。通过解析区域自然和人文要素对耕地土壤污染的形成机制和交互耦合关 系，系统阐明了区域耕地土壤污染的形成过程和作用机理，深度剖析了区域耕地 土壤污染的调控模式和技术路径。 为此，本文以典型区域土壤重金属和多环芳烃污染物为研究案例，重点围绕 区域土壤污染范围的精确识别、演化模拟和综合治理效果评估，从地理学的综合 视角出发，借鉴达尔文进化理论，综合运用时空数据分析方法、风险模型、机器 学习等手段，研究区域土壤污染边界划定方法，提高污染热点区识别的准确性； 构建区域土壤环境质量演化树模型，揭示土壤污染时空演变规律；评估区域土壤 重金属污染综合治理的效果和机制，提出防控对策。在综述区域土壤环境质量的 形成机制和调控路径基础上，本文构建了区域土壤环境质量演化树模型，应用演 化树模型探究了区域土壤环境质量改善的有效途径和技术方法。本研究可丰富与 发展稻田镉生物地球化学循环过程的理论认识和研究方法，为破解区域土壤污染 难题、提出区域土壤污染治理调控对策和制定断源方案提供理论和方法支撑。本 研究主要研究结果包括： 准确的土壤污染划定对确定需要进行整治的地点至关重要。然而，无论是低 估还是高估污染范围的判断都可能带来不同的风险：低估可能导致环境风险，而 高估可能导致财务风险。本研究提出了一种基于环境和财务风险（损失风险）的方法，以改善污染划定的性能。此外，评估了在过渡区域进行补充采样对污染划 定的影响。该方法在中国西南部河池市进行了演示，该地土壤受砷和镉污染。最 初，利用地统计仿真和 512 个初始土壤采样生成了两幅地图：条件变差系数（CCV） 和超过关键阈值的条件概率（CPT）。这两幅地图被整合以量化确立过渡区域的 不确定性，引导额外采样。在 189 个候选采样点中，我们选择了 100 个额外的点 以解决高不确定性。随后，采用最小化风险原则来划定污染边界。结果显示，初 始阶段的受污染区域被显着低估。在过渡区域进行额外采样改善了土壤污染划定 的性能。砷的召回率和 F1 得分表现指标分别显著提高了 6%和 7%。至于镉，召 回率和 F1 得分分别提高了 4%和 7%。增加 100 个额外样本分别将砷和镉的财务 风险降低了 13%和 11%。相比之下，增加的 100 个样本将砷和镉的环境风险分 别降低了 55%和 72%。研究表明，结合 CCV 和 CPT 进行额外采样有效地缓解了 划定受污染区域的风险，有助于更好地理解污染的边界和梯度。 快速城镇化使得资源环境和生态系统面临严峻的胁迫压力，导致区域土壤环 境质量日益恶化，影响区域人居环境和农产品质量安全。揭示城镇化过程中区域 土壤环境质量的演化规律是认知和理解土壤环境质量恶化的重要途径。然而，由 于土壤污染存在的“隐蔽性和时间滞后性、累积性和空间分异性、不可逆性和成 因复杂”等特征，目前尚缺少针对土壤环境质量演化过程中分异测度、归因及预 测的有效方法。本研究总结了现有地理演化树相关的理论，提出了城镇化驱动下 土壤环境质量演化存在类生命体进化过程的新构想，以此发展了土壤环境质量演 化树方法。土壤环境质量演化树借鉴生物学演化机制，构建类生命树结构的坐标 系统，能解析土壤环境质量的时空高维演化脉络和机理。土壤环境质量演化树方 法期望为探索城镇化过程中区域土壤环境质量的演化机制、演化类型、演化阶段 和演化状态提供统计分析手段和可视化工具，为推动城镇化驱动下土壤环境质量 的提升和双向调控提供理论依据与方法支撑。 全球水稻种植区农田土壤酸化严重、有机质含量降低，加上城镇化和工业化 排放的镉污染物通过不同的途径输入到农田土壤，造成严重的区域性土壤镉污染。 同时气候变化导致的季节性干旱和洪水等极端天气频发，进一步加剧土壤镉污染 向水稻籽粒富集，可随食物链累积到人体，影响人体健康。世界银行和各国政府 多部门曾投入大量资金用于农田土壤环境治理项目，以扭转重金属污染对耕地地力造成的损失。尽管我们在田间实验已经证实了综合治理措施的正向效果，并在 区域推广示范时假设综合治理措施的有效性，但综合治理措施对区域的土壤环境 质量改善和产量提升仍未得到明确证据或量化。导致综合治理措施对于大尺度土 地生产力和粮食质量安全的影响难以量化的主要原因是，存在许多影响区域综合 治理措施效果的混杂因素难以完全控制或解释，这些因素包括气候、农艺措施、 土壤环境。此外，大型治理项目的作用效果评估因耕地治理工程实施难和现场数 据收集成本高昂的问题而受到阻碍。本研究采用湘江流域 8 年 1,764,660 条调查 数据（土壤、水稻、气候和治理措施），结合机器学习和效益影响评估方法，以 评估湘江流域农田土壤污染治理项目对提升粮食质量安全的效果。我们发现，在 7 年工程实施期内，受污染耕地治理区域的土壤 pH 提高了 2%，土壤有效态镉呈 现下降趋势，稻米镉含量下降了 6%，表明较好的耕地重金属修复治理效果。我 们提供了关于“以农艺措施为主、分区分类治理和边生产边修复”的重金属污染 耕地安全利用技术模式在恢复耕地生产力和预防稻米镉超标方面有效性的实证 证据；不同规模等级、不同时间尺度、和空间异质性多视角的结果表明综合治理 技术可纳入未来全球水稻种植区受重金属污染耕地的修复方案。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 141 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209403]  |
| 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. 区域土壤污染形成机制的关键方法研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院地理科学与资源研究所. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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