城市快速扩张背景下城乡交错区土壤重金属的空间分布特征及影响因素分析

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0995

中国农学通报 ›› 2022, Vol. 38 ›› Issue (17): 103-109.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0995

所属专题：生物技术；土壤重金属污染；资源与环境

• 资源·环境·生态·土壤·气象 • 上一篇下一篇

城市快速扩张背景下城乡交错区土壤重金属的空间分布特征及影响因素分析

郭佳¹(), 靳少非²^,³, 王库²^,³()

¹福州大学数字中国研究院（福建）,福州 350108
²闽江学院地理与海洋学院地理科学系,福州 350108
³自然资源部东南生态脆弱区监测治理工程技术创新中心,福州 350108

收稿日期:2021-10-19 修回日期:2021-12-08 出版日期:2022-06-15 发布日期:2022-07-08
通讯作者: 王库
作者简介:郭佳,女,1998年出生,福建龙岩人,硕士研究生,研究方向：3S技术应用。通信地址：350108 福建省福州市福州大学城乌龙江北大道2号数字中国研究院,E-mail： 1228122724@qq.com。
基金资助:
国家自然科学基金“基于混合地理权重回归的土壤性质空间预测模型研究”(41271232);自然资源部东南生态脆弱区监测治理工程技术创新中心“香根草在生态修复与浅层滑坡灾害治理中的应用研究与示范”(KY-090000-04-2021-009)

Spatial Distribution Characteristics and the Impact Factors of Heavy Metals in Peri-urban Soils Under the Background of Fast Urbanization

GUO Jia¹(), JIN Shaofei²^,³, WANG Ku²^,³()

¹Academy of Digital China (Fujian), Fuzhou University, Fuzhou 350108
²Department of Geographic Sciences, School of Geography and Oceanography, Minjiang University, Fuzhou 350108
³Technology Innovation Center for Monitoring and Restoration Engineering of Ecological Fragile Zone in Southeast China, MNR, Fuzhou 350108

Received:2021-10-19 Revised:2021-12-08 Online:2022-06-15 Published:2022-07-08
Contact: WANG Ku

摘要/Abstract

摘要：

为揭示快速城市化对于城乡交错区土壤质量的影响,以福州市典型城乡交错区为对象,通过分析134个土壤样点中5种重金属元素(Cr、Mn、Cu、Pb、Zn)的含量,采用地统计学的方法研究城乡交错区土壤重金属空间分布特征,应用潜在生态危害指数开展土壤重金属污染评价,并用随机森林模型对其影响因素进行分析。结果表明：5种重金属元素在土壤中的空间变异较大,最大值在空间上不具叠加性。土壤中5种重金属元素潜在生态危害指数的平均值排序依次为：Pb>Cu>Cr>Mn>Zn,Pb和Cu的潜在生态危害指数最高,达到了强生态风险的程度。通过随机森林模型筛选出土壤中5种重金属的影响因素相对重要性,不同重金属受制的影响因素差异较大。研究结果为城市扩张过程中的土壤保护与利用提供参考建议。

关键词: 土壤重金属, 地统计学, 空间分布特征, 污染评价, 城乡交错区

Abstract:

To reveal the effects of rapid urbanization on soil quality in peri-urban areas in Fuzhou, spatial distribution of five heavy metals (Cr, Mn, Cu, Pb and Zn) in these areas were analyzed from 134 soil samples by geostatistic method. The potential ecological risk index was used to evaluate the pollution degree of soil heavy metal, and the impact factors were analyzed by the random forest model. The results showed that great variations were found among the five heavy metals on spatial distribution pattern. The maximum value of each heavy metal was not accordant in space. The average value of the potential ecological hazard index of the five heavy metals was in the order of Pb > Cu > Cr > Mn > Zn. Pb and Cu had the highest value of potential ecological risk index, which reached the degree of strong ecological risk. The relative importance of the impact factors of the five heavy metals in soil was screened by random forest model, and the impact factors were various for the five heavy metals. The results could provide a scientific basis for soil conservation and utilization in urban expansion process.

Key words: soil heavy metal, geostatistics, spatial distribution characteristics, pollution evaluation, peri-urban areas

中图分类号:

S159

郭佳, 靳少非, 王库. 城市快速扩张背景下城乡交错区土壤重金属的空间分布特征及影响因素分析[J]. 中国农学通报, 2022, 38(17): 103-109.

GUO Jia, JIN Shaofei, WANG Ku. Spatial Distribution Characteristics and the Impact Factors of Heavy Metals in Peri-urban Soils Under the Background of Fast Urbanization[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2022, 38(17): 103-109.

图/表 7

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元素	Cr	Mn	Cu	Pb	Zn
最小值	22.2	36	12	28.3	23.5
最大值	497	1623	147	246	393
均值	67.1	555.5	49.1	80	124.3
标准差	40.2	285.3	25.6	31.9	51.1
变异系数	59.9%	51.4%	52.2%	39.9%	41.1%

元素	Cr	Mn	Cu	Pb	Zn
最小值	22.2	36	12	28.3	23.5
最大值	497	1623	147	246	393
均值	67.1	555.5	49.1	80	124.3
标准差	40.2	285.3	25.6	31.9	51.1
变异系数	59.9%	51.4%	52.2%	39.9%	41.1%

元素	Cr	Mn	Cu	Pb	Zn
菜地	65.1	545.7	51.2	77.2	135.3
草地	62.7	660.3	49.0	86.8	112.0
旱地	65.5	685.0	59.2	92.9	163.5
荒草地	64.0	615.0	34.4	74.4	137.3
林地	76.6	445.9	54.4	82.2	97.8
疏林地	70.0	505.0	73.5	95.3	144.0
水田	63.5	684.5	43.2	78.0	137.9
园地	61.8	565.9	43.6	75.0	137.6

元素	Cr	Mn	Cu	Pb	Zn
菜地	65.1	545.7	51.2	77.2	135.3
草地	62.7	660.3	49.0	86.8	112.0
旱地	65.5	685.0	59.2	92.9	163.5
荒草地	64.0	615.0	34.4	74.4	137.3
林地	76.6	445.9	54.4	82.2	97.8
疏林地	70.0	505.0	73.5	95.3	144.0
水田	63.5	684.5	43.2	78.0	137.9
园地	61.8	565.9	43.6	75.0	137.6

元素	块金值(Co)	基台值(C₀+C)	块金效应[Co/(Co+C)]	变程	决定系数(R²)	残差平方和(RSS)	最合适模型
Cr	0.1	221.7	0.05%	1.1E-02	0.853	7.2E+03	指数模型
Mn	40000.0	80140.0	49.9%	2.2E-02	0.808	3.3E+08	指数模型
Cu	1.0E-04	5.8E-02	0.17%	8.1E-03	0.819	5.3E-04	指数模型
Pb	9.3E-03	2.7E-02	35.0%	9.1E-02	0.870	9.6E-06	指数模型
Zn	1065.0	2217.0	48.0%	2.8E-02	0.772	3.1E+05	球面模型

城市快速扩张背景下城乡交错区土壤重金属的空间分布特征及影响因素分析

Spatial Distribution Characteristics and the Impact Factors of Heavy Metals in Peri-urban Soils Under the Background of Fast Urbanization

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元素	最小值	最大值	平均值	潜在生态危害单项指数(E_i)各水平所占比例/%
元素	最小值	最大值	平均值	E_i<5	5≤E_i<10	10≤E_i<20	20≤E_i<40	E_i≥40
Cr	1.1	5.0	3.1	99.2	0.7	0.0	0.0	0.0
Mn	0.1	4.8	2.0	100.0	0.0	0.0	0.0	0.0
Cu	2.8	34.0	11.4	8.2	46.3	35.1	10.4	0.0
Pb	6.0	21.5	10.3	0.0	30.4	68.0	1.6	0.0
Zn	0.3	2.9	1.5	100.0	0.0	0.0	0.0	0.0

元素	最小值	最大值	平均值	潜在生态危害单项指数(E_i)各水平所占比例/%
元素	最小值	最大值	平均值	E_i<5	5≤E_i<10	10≤E_i<20	20≤E_i<40	E_i≥40
Cr	1.1	5.0	3.1	99.2	0.7	0.0	0.0	0.0
Mn	0.1	4.8	2.0	100.0	0.0	0.0	0.0	0.0
Cu	2.8	34.0	11.4	8.2	46.3	35.1	10.4	0.0
Pb	6.0	21.5	10.3	0.0	30.4	68.0	1.6	0.0
Zn	0.3	2.9	1.5	100.0	0.0	0.0	0.0	0.0