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上海城市土壤重金属空间变异结构和分布特征

作　者: 章立佳
导　师: 柳云龙
学　校: 上海师范大学
专　业: 自然地理学
关键词: 城市土壤重金属空间变异结构污染评价磁学诊断
分类号: X53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着区域社会经济的快速发展,城市土壤重金属的积累与污染问题日益凸显,直接关系到土壤质量和人类生存质量,研究城市或者郊区土壤重金属的分布状况可为保护生态环境和建设宜居环境提供一定的理论依据。为揭示城市化、工业化等人为活动对土壤环境质量的影响,本文选择能反映上海“城-郊-乡”梯度差异的城市样带,采用地统计学方法对表层土壤样品Cu、Zn、Pb、Cr、Mn5种重金属的空间变异结构和分布特征进行了尺度效应分析和梯度差异分析,对土壤重金属污染状况做出评价,得出主要结论如下:1.研究样带内5种土壤重金属元素空间分析结果表明,土壤Cu、Cr、Mn、Pb、Zn均属中等变异性,土壤Pb变异系数最大。5种重金属元素在一定范围内均存在空间相关性,其中Mn有明显的空间自相关,Zn为中等程度空间相关, Cu、Cr、Pb空间相关性弱,说明Cu、Cr、Pb以随机变异为主,受人类活动的影响和干扰大。在样带范围内土壤Cu呈条带状分布,由中心城区向郊区递减。Cr、Mn呈岛状分布,由中心向四周辐射状递减。Pb、Zn空间分布表现出条带状和岛状分布相结合的特点。2.土壤重金属污染状况分析表明,土壤Cr、Zn、Pb污染相对严重,Cr、Zn、Pb和Mn样点超标率均在45%以上,其中Cr的超标率达到86.2%。土壤Cr、Zn、Pb、Mn和Cu之间均具有极显著的相关性,土壤重金属之间表现为复合污染或者具有同源性。利用单因子指数法和内梅罗综合指数法评价土壤重金属污染程度。样带区内,Cu、Pb、Zn都体现出从市区到郊区污染程度减轻的规律,污染程度由高到低均为:徐汇区、闵行区、奉贤区。研究区内复合污染指数P综在0.78～5.08之间,75.7%的样点综合污染指数在1～2之间,属于轻度污染。5%的样点综合污染指数大于2,属于中度以上污染。土壤重金属污染程度总体上体现“城-郊-乡”的梯度差异,也反映了工业区分布、城市交通、废弃物排放等对城市土壤重金属分布的影响。3.不同研究尺度下城市土壤重金属含量各项统计特征值和变异系数均存在明显差异。样带尺度上土壤Mn、Cr呈正态分布,Cu、Pb、Zn含量服从对数正态分布。而校园和区级尺度下五种土壤重金属均符合正态分布。样带尺度上,土壤Mn有明显空间自相关,土壤Cr、Zn、Pb、Cu空间相关性很弱。区级尺度上,土壤Cr、Zn、Cu有强烈的空间相关性,土壤Pb有明显空间自相关,土壤Mn空间相关性很弱。校园尺度上,土壤Pb有强烈空间相关性,土壤Zn有明显空间自相关,土壤Cr、Cu、Mn空间相关性很弱。4.不同尺度重金属空间变异结构表现出不同变异规律。校园尺度和区级尺度下土壤重金属均存在较好的空间结构,样带级尺度下的五种重金属中的三种(Cu、Pb和Zn)在空间分布上呈纯块金形式,样本之间体现出随机性和独立性,未能有效揭示土壤重金属元素的空间变异结构。不同研究尺度下城市土壤重金属含量的空间分布特征有明显的差异。样带尺度上,土壤Cu、Pb、Zn的分布总体上比较相似,呈岛状与条带状相结合的特点,土壤Cr、Mn呈岛状分布。区级尺度上土壤Cu、Cr、Zn的空间分布特征呈岛状,土壤Pb、Mn含量的空间分布总体上呈条带状分布。校园尺度上,土壤Cu、Cr、Mn呈条带状分布,土壤Zn、Pb呈岛状分布。工业生产活动、企业废弃物排放和交通业发展是影响土壤重金属污染的重要因素。5.对“城-郊-乡”梯度上土壤重金属污染的比较分析表明,徐汇区内土壤Cu、Cr、Zn具有强烈的空间相关性,土壤Pb具有明显的空间自相关,土壤Mn的空间相关性很弱;闵行区内土壤Mn具有明显空间自相关,土壤Cr、Cu、Pb、Zn在闵行区内以随机变异为主,空间相关性很弱;奉贤区内土壤Cu、Pb、Zn具有强烈的空间相关性,土壤Mn具有明显空间自相关性,土壤Cr表现出中等程度的空间相关性。从徐汇区、闵行区到奉贤区,由中心城区到远郊,随着城市化水平降低、人为干扰强度的减弱,土壤Cu、Pb、Zn的变异程度在减弱,影响其空间分布特征的结构性因素在增强。在城郊结合部,随着城市化、工业化的快速推进,随机因素特别是强化的人为活动干扰引起土壤重金属污染的空间结构产生强烈的变异。6.半方差函数分析表明,徐汇区土壤Cu、Pb、Zn符合球状模型,土壤Cr符合指数模型,土壤Mn符合线性模型;闵行区内土壤Mn符合指数模型,土壤Cr符合线性模型,土壤Cu、Pb、Zn的半方差拟合模型均为线性模型,表现为纯块金形式;奉贤区内,土壤Mn符合球状模型,土壤Cr和Pb符合线性模型,土壤Cu符合高斯模型,土壤Zn符合指数模型。作为完全城市化地区的徐汇区和以农业用地为主的奉贤区,土壤Cu、Cr、Mn、Pb、Zn总体上均表现出明显的空间相关性,而作为城郊结合部的闵行区,受到强烈的人为活动影响和干扰,土壤Cu、Cr、Pb、Zn均表现出样点之间较强的随机性和独立性,空间相关性很弱。徐汇区内土壤Cu、Cr、Zn的空间分布特征呈岛状,土壤Pb、Mn含量的空间分布总体上呈条带状分布;闵行区内土壤Cr、Mn、Pb、Zn的空间分布特征呈多岛状,土壤Cu含量表现为岛状与条带状相结合、由西北向东南方向递减的分布特征;奉贤区内土壤Cu和Zn呈条带状与岛状相结合的分布特征,土壤Cr、Mn、Pb均呈条带状,由北向南递减。城市化程度、工业园区的分布、企业废弃物排放和交通污染源是影响土壤重金属形成此分布现状的重要因素。7.研究区域内土壤磁化率均值由大到小分别为徐汇69.31×10-8 m3/kg,闵行50.90×10-8m3/kg,奉贤37.48×10-8 m3/kg。由徐汇、闵行到奉贤,土壤低频质量磁化率由中心城区向城市远郊递减。样带和闵行境内土壤磁化率与土壤Cu、Zn、Pb、Cr之间均具有显著相关性。土壤重金属综合污染指数与土壤磁化率呈显著正相关,说明城市土壤磁化率与土壤重金属污染程度密切相关,可作为土壤重金属污染程度的定量指标。

全文目录

中文摘要  5-8
Abstract  8-16
第一章综述  16-35
  1.1 研究背景和研究意义  16-18
  1.2 城市土壤的定义及其基本特性  18-19
  1.3 国内外研究现状  19-27
    1.3.1 城市土壤重金属含量的空间分布  19-21
    1.3.2 城市土壤重金属污染  21-23
    1.3.3 城市土壤重金属污染的来源  23-25
    1.3.4 城市土壤重金属污染评价  25-26
    1.3.5 土壤重金属磁学诊断  26-27
  1.4 地统计学方法的理论基础  27-31
    1.4.1 区域化变量  28
    1.4.2 半方差图  28-29
    1.4.3 克里格插值方法  29-31
  1.5 国内外研究不足  31-32
  1.6 研究目标与研究内容  32-34
    1.6.1 研究目标  32
    1.6.2 研究内容  32-34
  1.7 拟采取的技术路线  34-35
第二章上海城市样带土壤重金属空间变异特征及污染评价  35-44
  2.1 研究区概况  36-37
  2.2 样品采集与分析  37-38
    2.2.1 土壤样品采集  37
    2.2.2 样品处理与分析方法  37-38
  2.3 结果与分析  38-43
    2.3.1 土壤重金属污染的总体特征  38-39
    2.3.2 土壤重金属污染空间变异结构分析  39-40
    2.3.3 土壤重金属的空间分布格局  40-41
    2.3.4 土壤重金属污染状况  41-43
  2.4 结论  43-44
第三章不同研究尺度下城市土壤重金属空间变异特征研究  44-59
  3.1 材料与方法  45-47
    3.1.1 研究区概况  45
    3.1.2 土壤样品采集  45-46
    3.1.3 土壤样品处理与分析方法  46
    3.1.4 土壤样品合理取样数的确定  46-47
  3.2 结果与分析  47-57
    3.2.1 不同研究尺度下土壤重金属含量的统计特征值  47-49
    3.2.2 不同研究尺度下土壤重金属含量的空间结构分析  49-52
    3.2.3 不同研究尺度下土壤重金属采样合理取样数  52-53
    3.2.4 不同研究尺度下土壤重金属含量的空间分布特征  53-57
  3.3 结论  57-59
第四章 “城-郊-乡”梯度样带土壤重金属空间分布特征  59-73
  4.1 材料与方法  59-61
    4.1.1 研究区概况  59-60
    4.1.2 土壤样品采集  60-61
    4.1.3 土壤样品处理与分析方法  61
  4.2 结果与分析  61-71
    4.2.1 城市化程度不同的地区土壤重金属含量的统计特征  61-63
    4.2.2 城市化程度不同的地区土壤重金属的空间结构分析  63-67
    4.2.3 城市化程度不同的地区土壤重金属采样合理取样数  67
    4.2.4 城市化程度不同的地区土壤重金属的空间分布特征  67-71
  4.3 结论  71-73
第五章城市样带土壤重金属污染的磁诊断  73-83
  5.1 材料与方法  74-76
    5.1.1 土壤样品采集  74
    5.1.2 土壤样品处理与分析方法  74-75
    5.1.3 土壤污染评价方法  75-76
  5.2 结果与分析  76-81
    5.2.1 样带土壤重金属元素的污染状况  76-79
    5.2.2 样带土壤磁性特征  79-80
    5.2.3 城市土壤重金属污染状况与土壤磁化率的关系  80-81
  5.3 结论  81-83
第六章结论与展望  83-87
  6.1 主要结论  83-86
    6.1.1 上海城市样带土壤重金属空间变异特征  83
    6.1.2 不同研究尺度下城市土壤重金属空间变异特征  83-84
    6.1.3 “城-郊-乡”梯度样带土壤重金属空间分布特征分析  84-85
    6.1.4 城市样带土壤重金属污染评价及磁诊断  85-86
  6.2 展望  86-87
参考文献  87-92
致谢  92-94
发表论文以及参加课题  94

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