城郊农用地重金属含量影响因子回归及空间预测

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准确了解城郊农用地土壤重金属分布情况及各污染来源因素对于防范城市化进程中对周边农用地土壤环境造成的风险、科学规划产业布局及维护人体健康安全具有重大意义。本文以南方某县城郊区域农用地作为研究区域,研究区面积约为122.08 km~2,区域范围内工业企业数量较多,南北地区人为活动差异明显,共采集样品86个,对土壤五种重金属(Cd、Pb、Zn、Cr、Ni)及土壤p H进行测试分析,同时对研究区可能存在影响重金属空间分布的环境因子(土壤p H、高程、河流水系、交通道路、四类工业企业、居民点)进行空间量化表达。基于上述数据,本文系统的研究了重金属的含量分布、空间结构特征并综合多元统计法、PMF等源解析方法及地理探测器对重金属主要来源和影响因子进行了分析研判,从而利用与重金属空间分布具有显著相关的环境因子作为辅助变量结合地理加权回归克里金(GWRK)进行定量回归预测更为准确的描述研究区重金属的空间分布特征。本研究结论如下:(1)研究区农用地土壤五种重金属(Cd、Pb、Zn、Cr、Ni)的平均值分别为2.08、110.02、191.79、88.41、27.96 mg/kg,中位值分别为1.76、90.25、168.50、88.10、27.95 mg/kg,变异系数分别为53.03、52.29、36.40、15.87、16.08%。Cd、Pb、Zn其平均值及中位值远高于当地土壤环境背景值。Cr未有超过当地土壤环境背景值的点位,Ni平均值略高于当地土壤环境背景值。该城郊区农用地土壤重金属Cd、Pb、Zn明显富集,具有城郊区土壤污染的典型特征。综合莫兰指数及半方差函数模型计算结果,发现研究区Cd、Pb、Zn、Cr具有局部的空间异质性;Ni无局部的空间异质性,且Cd、Pb、Zn、Cr、Ni均具有一定的空间结构性与随机性,Cd、Pb、Zn、Cr可以采用地理加权回归模型与克里金插值进行预测估计,Ni元素则不适用于地理加权回归模型拟合。(2)根据源解析模型、环境影响因子不同梯度下的重金属含量统计分析并结合地理探测器模型结果判断:Cd、Pb、Zn空间分布受工业企业、交通运输活动及高程影响,具体环境影响因子重要性排序为:Cd:电气机械行业企业>金属制品行业企业>有色冶炼加工行业企业>高程>其他行业企业>道路。Pb:电气机械行业企业>金属制品行业企业>高程>道路>有色冶炼加工行业企业>其他行业企业。Zn:电气机械行业企业>金属制品行业企业>高程>有色冶炼加工行业企业>其他行业企业>道路。Cr的空间分布只受地势(高程)影响;Ni的空间分布与研究所选环境影响因素无明显关系。土壤p H未对五种土壤重金属空间分布产生明显影响。(3)利用对重金属空间分布具有明显影响作用的环境因子作为辅助变量并基于地理加权回归克里金(GWRK)、普通多元线性回归克里金(MLRK)、普通克里金(OK)三种组合插值方法构建Cd、Pb、Zn空间分布预测模型进行精度对比,Cd的GWRK模型(R~2=0.521;K=1.005)预测精度优于MLRK(R~2=0.421;K=1.230)及OK(R~2=0.376;K=1.328)法;Pb的GWRK模型(R~2=0.551;K=2340.096)预测精度优于MLRK(R~2=0.310;K=3294.829)及OK(R~2=0.203;K=3880.793)法;Zn的GWRK模型(R~2=0.628;K=3652.677)预测精度优于MLRK(R~2=0.557;K=4059.093)及OK(R~2=0.485;K=4807.313),GWRK法对于Cd、Pb、Zn分布预测拟合精度均最佳。在利用三种预测模型对研究区全部86个样点进行Cd、Pb、Zn空间分布制图发现,GWRK法预测范围最为接近实际含量,减小了普通克里金固有的平滑效应,空间预测分布图更为符合实际。
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