浙江省兰溪市耕地土壤重金属空间预测、环境风险及安全利用分区

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耕地土壤重金属含量直接影响农作物的生长和产量,并进一步影响食品质量和人体健康。研究耕地土壤重金属含量的空间分布、环境风险及安全利用分区,对区域农业生产和保障食品安全具有重要意义。本研究选取浙江省兰溪市为研究区,基于网格采样法采集了777个耕地表层(0-20 cm)土壤样品。采用地统计学方法分析土壤重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)元素含量的空间变异特征和空间分布特征;通过构建多元线性回归模型、普通克里格模型、回归克里格模型以及随机森林回归模型对兰溪市耕地土壤重金属含量进行空间预测并比较四种模型的预测精度;结合热点分析与指示克里格进一步探索耕地土壤重金属的环境风险;最后采用土壤综合质量影响指数评价土壤重金属污染程度,基于土壤污染评价对耕地进行安全利用分区,针对不同等级利用区提出保障耕地安全利用的建议和对策。本研究的主要结论如下:(1)研究区耕地土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素的平均含量由大到小排列顺序为:Zn(74.69 mg/kg)>Cr(41.83 mg/kg)>Pb(31.89 mg/kg)>Cu(20.80 mg/kg)>Ni(15.44 mg/kg)>As(7.53 mg/kg)>Cd(0.22 mg/kg)>Hg(0.12 mg/kg)。8种土壤重金属平均含量均未超过中国农田土壤污染风险筛选值,但其中Cd、Cu、Hg、Ni和Zn元素的平均含量均高于金衢盆地和浙江省的相应土壤元素背景值,呈现不同程度的富集。As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn元素具有中等强度空间自相关性,Cr、Ni元素的空间自相关性很弱。As、Cr、Cu、Ni、Hg元素含量高值主要分布在兰溪市的中部与西部地区;Cd、Pb、Zn元素含量高值主要分布在灵洞乡、上华街道和云山街道。(2)通过比较不同模型的预测结果可知,普通克里格和多元线性回归模型仅能反映区域耕地土壤重金属含量分布的总体趋势,难以反映局部变异情况,预测精度相对较低;回归克里格和随机森林模型则能较好的反映局部空间变异情况,随机森林预测图效果更为精密。通过不同模型的预测精度对比可知,As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn元素的随机森林模型预测精度最高,R~2分别为0.59、0.52、0.58、0.47、0.48、0.41。Cu元素的普通克里格模型预测精度最高,R~2为0.37。Ni元素的回归克里格模型预测精度最高,R~2为0.48。(3)热点分析与指示克里格插值结果表明,热点的分布与中风险以上的环境风险区域一致。As元素的热点主要分布在上华街道南部、女埠街道南部、香溪镇南部;Cd、Pb和Zn元素的热点主要分布在灵洞乡、上华街道北部和云山街道;Cr、Cu和Ni元素的热点主要分布在研究区的西部以及香溪镇北部;Hg元素的热点主要分布在赤溪街道、游埠镇、永昌街道等。(4)研究区约75%耕地面积存在利用风险,主要为中低等级风险,高风险区域面积较小。对于安全和基本安全利用区域,应实施保护策略。低风险利用区域和中风险利用区域应分别采取动态监测和预警防控策略,高风险区域应采取限制农业利用策略。
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