黑土区小流域土壤重金属景观异质性格局及其驱动机制

Heavy metal pollution relate to soil environmental safety, agricultural products’ quality, and agricultural and socioeconomic sustainable development, so the academic community and relevant government departments pay great attention to this issue. Finding out the spatial heterogeneity rule of soil heavy metal is the key to pollution control. Current researches focus on the soil heavy metal source analysis, or pay more attention on its spatial pattern and the natural driving factors, unilaterally analyzing its character of "source" or "pool" and neglecting their intrinsic correlation. Taking a mollisol watershed locating in the northeastern rust belt, haigou watershed, as the study area, this project will explore the soil heavy metal pollution pattern caused by exogenous elements to understand its potential pollution situation; reveal the spatial pattern of soil heavy metal and its main control factors to recognize its “pool” character; excavate the intrinsic relationship between “source” and “pool” by source apportionment. Watershed is a complex system integrating social-economy and natural process. It could reveal the occurrence and development regularity of soil heavy metal pollution comprehensively when taking watershed to expound the spatial heterogeneity of soil heavy metal. Thus, this project could provide decision support for soil heavy metal pollution control and possess better theoretical research value and practical significance.

土壤重金属污染关乎土壤环境安全、农产品质量安全及农业和社会经济可持续发展，受到学术界及政府部门的高度关注。摸清土壤重金属空间异质性规律是对其实施污染管控的关键。当前研究或关注土壤重金属源解析，或集中其空间格局与自然驱动因子，单方面剖析其“源”或“汇”的特征，而缺乏对土壤重金属“源”与”汇”内在关联关系的剖析。本立项拟以东北老工业基地黑土区海沟河小流域为研究区，探究小流域外源调控因子作用下土壤重金属致污格局，辨识其潜在“源”的特征；揭示不同尺度土壤重金属空间分异格局及其主控因素，明晰其“汇”的规律；结合重金属源贡献空间格局挖掘其“源”与“汇”内在关联关系。流域是集社会经济及自然过程于一体的复合型系统，以流域为单元研究土壤重金属空间异质性规律可全方位揭示土壤重金属污染发生与发展规律，进而为黑土区小流域土壤重金属污染综合管控区划提供决策支撑，具有较强的理论研究价值与实践意义。

土壤重金属污染关乎土壤环境安全、农产品质量安全及农业和社会经济可持续发展，受到学术界及政府部门的高度关注。摸清重金属空间分异规律与主控因素，探究其空间格局特征与驱动机制是实施黑土区土壤环境管控与修复、促进黑土资源可持续利用的重要依据。本研究重点探究黑土区小流域土壤重金属累积特征、潜在生态风险与人体健康风险，揭示土壤重金属污染水平；利用统计学与地统计学剖析土壤重金属空间分布规律及主控因素，发掘土壤重金属空间模拟精度高的插值方法，提高其空间预测制图精度；借助相关性分析、主成分与绝对主成分分析、正定矩阵因子分解模型等，定性定量刻画土壤重金属污染来源及各源贡献率大小，深入剖析重金属污染格局的形成机制。研究结果表明，贝叶斯（BME）面点数据“软插值”在一定程度上可更好模拟土壤微观要素的空间展布，为后续土壤精准制图提供科学的决策依据；研究区土壤重金属有一定的累积，43.38%点位达到中度污染水平，Cd和Hg潜在生态风险指数较高，Cr对成人和儿童致癌风险和非致癌风险均超过US_EPA所规定的可以接受的水平，存在一定的健康隐患；各重金属因为来源不同，在不同用地类型（林-旱-水）之间高低值分布不均，在水土运营动力及重力作用下土壤重金属倾向由高处向低洼缓坡处运移，但Hg、As、Ni 却集中在>20°区域，表明三种重金属受外力作用显著；主成分分析/绝对主成分分数（PCA/APCS）及正定矩阵因子分解（PMF）模型来源解析表明，As和Cr主要来源于工业粉尘大气沉降，Cu和Zn主要来源于农业化肥农药施用，Ni主要来源于工业废气，部分Zn来源于交通，Hg则主要来源于冬季采暖煤燃料的燃烧，Cd和Pb则主要来源于成土母质，属于自然源。研究对于黑土区土壤重金属修复、土壤质量提升、精准施肥等管控措施提供决策支持，因此具有较强的实践指导意义。