【某高质量农田地区表层土壤重金属富集的影响因素分析2700字】

PAGE21某高质量农田地区表层土壤重金属富集的影响因素分析首先对重金属含量数据进行趋势对应分析(DCA)以确定合适的分析方法。本文中最大排序轴的梯度长度为1.37小于3，适用于线性模型中的RDA。因此，本研究采用RDA来研究重金属与环境因子的关系。RDA结果通过了蒙特卡罗置换检验，对排序轴1和所有轴的检验得到的P值均小于0.05，说明冗余分析的结果在5%的显著性水平下是可信的(表3-4)。环境因子对响应变量的累计解释量为65.13%。其中，排序轴和排序轴2对土壤重金属的解释量分别为54.06%和6.24%(图3-3)。前两轴累计解释量达到60.3%，重金属与环境因子关系变化累积解释量高达91.9%，说明前两个排序轴可以充分反映土壤重金属含量与18个影响因子之间的变化关系。表3-SEQ表_3-\*ARABIC4重金属与环境因子冗余分析Table3-4SummaryoftheRDAresultsforsoilheavymetalinrelationtonaturalandanthropogenicinfluencingfactors统计轴1轴2轴3轴4特征值0.54060.06240.0250.0233累计解释量54.0659.062.865.13因子相关度0.92340.56630.59870.5919因子相关累积解释量82.3991.995.7199.26图3-SEQ图_3-\*ARABIC1研究区土壤重金属含量空间分布图Fig.3-1Mapofthedistributionofheavymetalconcentrationsinthesurfacesoil根据18个环境因子与RDA排序轴的相关性可知，Fe、Al、Mn、Ba、CIA、黏粒含量、CEC和pH与排序轴1的相关性最强(表3-5)。一般研究认为，铁、铝、锰氧化物，尤其是锰氧化物对于重金属阳离子具有很强的吸附能力(NachtegaalandSparks,2004)。而且土壤pH、CEC、SOM和土壤粘粒通常与土壤重金属含量呈正向相关，碱性环境和土壤有机质、土壤粘粒是吸附重金属的重要因素(Duanetal.,2015;Fernandezetal.,2016)。所以，排序轴1主要代表重金属富集的自然因素。距道路和工厂距离、高程和坡度与排序轴2的相关性较高。作为土壤重金属的重要来源之一，交通排放在道路两侧附近通常具有较高的重金属含量。与Qiaoetal.(2019)的研究结果一致，其发现距离道路远近是影响珠三角某区土壤重金属含量的主要因素。高程和坡度等地形因素也对重金属含量具有一定影响，如Dingetal.(2016b)研究湖南郴州某矿区重金属发现，在低海拔地区，土壤重金属浓度略有下降，然后随着海拔的升高而显著增加。在高海拔地区，重金属浓度随海拔的升高先降低后升高，然后降低。因此，排序轴2代表人类活动和地形等影响因子。表3-SEQ表_3-\*ARABIC5环境因子与RDA排序轴的相关性Table3-5CorrelationcoefficientsbetweeninfluencingfactorsandRDAordinationaxes解释变量轴1轴2轴3轴4解释变量轴1轴2轴3轴4Fe0.830.100.05-0.09人口密度0.110.090.070.11Al0.780.09-0.04-0.01Ba-0.400.00-0.100.14Mn0.560.050.07-0.18CIA0.440.000.11-0.10母岩类型0.650.10-0.150.01Clay0.390.060.120.22土地覆被0.10-0.120.140.15pH0.340.02-0.260.19距道路距离-0.090.300.030.10OM0.410.02-0.15-0.11距工厂距离-0.03-0.210.020.15EC0.12-0.13-0.040.27高程-0.240.220.210.00CEC0.470.00-0.220.28坡度-0.260.18-0.010.02NDVI-0.240.090.04-0.19土壤重金属与环境因子的排序如图3-2a所示。环境因子与重金属之间的夹角可以表示两者的相关性，当夹角为锐角时表示它们之间呈正相关，钝角为负相关，越接近90度则相关性越低。环境因子线段的长短则表示它对重金属的影响大小，越长则该环境因子对重金属元素含量的解释度越高。Fe、Al、clay、CIA、OM、pH与Cd、Pb、Hg、As、Zn、Cu含量箭头方向夹角均较小，与它们之间的相关性均为显著正相关(表3-6)。Fe、Al和母岩类型的线段最长，与重金属的平均相关系数为0.66，表明它们对6种重金属元素具有非常重要的正面影响。Ba则对Cd、Pb、Hg、As、Zn、Cu有比较重要的负面作用(P<0.01)。EC和土地覆被对Cr和Ni具有一定正向作用，但相关系数较小且不显著。距道路和工厂距离对8种元素均有较强的负面作用。坡度、人口密度、NDVI与多数元素的关系不明显。综上，母岩背景、风化作用和土壤理化性质作用对Cd、Pb、Hg、As、Zn和Cu影响较大，而地形、NDVI和人类活动控的影响较低。土壤样本RDA分布具有较好的母岩聚集特征(图3-2b)。碳酸盐岩发育土壤样品主要分布在排序轴1右侧附近，而碎屑岩、中酸性岩发育土壤样品主要沿排序轴2分布，且集中于排序轴1左侧。说明成土母岩性质差异很大程度影响了土壤重金属分布。同时发现，Fe、Al、Mn、CIA、clay、OM、pH和CEC等自然环境因子与碳酸盐岩发育土壤样品位于同一区域，表明自然因素是碳酸盐岩发育土壤重金属富集的主要原因。相反，影响碎屑岩、第四系沉积岩、中酸性岩发育土壤重金属分布的因子较为复杂，不仅受风化成土过程影响，同时受到人类活动和地形等多种因素制约。图3-SEQ图_3-\*ARABIC2研究区土壤重金属含量(a)和样本(b)与环境因子RDA排序图Fig.3-2RDAshowingtheconcentration(a)andsamples(b)ofPTEsinthesurfacesoilexplainedbythefactorofnaturalenvironmentalandhumanactivities表3-SEQ表_3-\*ARABIC6环境因子与重金属含量之间的相关性Table3-6CorrelationanalysisbetweeninfluencingfactorsandheavymetalsinsoilCrNiCuZnAsCdHgPbFe0.1620.1290.746**0.784**0.552**0.672**0.716**0.795**Al0.1640.1810.737**0.795**0.489**0.646**0.704**0.696**Mn0.1600.1740.639**0.708**0.421**0.704**0.563**0.805**母岩0.0870.0580.563**0.723**0.356**0.719**0.703**0.644**土地覆被0.0990.106-0.0220.0350.1280.188*-0.0510.034距道路距离-0.262**-0.265**-0.530**-0.462**-0.238*-0.541**-0.512**-0.481**距工厂距离0.027-0.042-0.105-0.173-0.215*-0.222*-0.100-0.344**高程-0.202*-0.204*-0.195*-0.308**0.132-0.384**-0.377**-0.254**坡度-0.139-0.155-0.190*-0.214*-0.038-0.363**-0.201*-0.248**人口密度-0.164-0.1380.1120.189*0.189*0.225*0.0520.123Ba-0.158-0.103-0.476**-0.409**-0.364**-0.317**-0.531**-0.410**CIA0.1580.1030.476**0.409**0.364**0.317**0.531**0.410**土壤粘粒0.0050.0180.385**0.330**0.331**0.204*0.366**0.268**pH0.0050.0750.248**0.467**0.0890.549**0.187*0.311**OM0.1310.1090.351**0.465**0.225*0.623**0.505**0.511**EC0.0080.0560.0310.1090.0240.181-0.055-0.065CEC0.0800.1310.244**0.396**0.0000.383**0.0880.202*NDVI-0.177-0.173-0.198*-0.278**-0.070-0.232*-0.174-0.133*表示0.05水平的显著性；**表示0.01水平的显著性为量化不同环境因子类别对土壤重金属含量的贡献度，本文根据环境因子特征差异，将15个因子划分为母岩风化组(Fe、Al、Mn、Ba、CIA、母岩类型)、土壤理化性质组(土壤粘粒含量、OM、pH、CEC、EC)和人类活动组(土地覆被、人口密度、距工厂和道路距离)3个环境因素组，通过协变量方差分解，分离出不同环境因素组的单独贡献量以及交互作用贡献量。由于NDVI和地形因子的解释量低，所以暂不做考虑。结果表明(表3-7)，三组解释变量解释了土壤重金属含量的59%。其中，母岩背景与风化组解释重金属含量分布的26.5%，贡献度为44.8%。人类活动因素组的解释量最低，贡献度不足3%。土壤理化性质因素组单独解释量仅2%，但在母岩背景与风化因素组的交互作用下解释量提高为25.6%，贡献度达41.5%。由此可知，母岩背景和风化作用是影响研究区土壤重金属富集分布的主要因素。表3-SEQ表_3-\*ARABIC7环境因子组对土壤重金属的解释量Table3-7EffectsofdifferentinfluencingfactorgroupsonPTEscontentinsoil因子组解释量(%)贡献量(%)地质背景和风化作用(PMBW)26.544.8土壤理化性质(SPCP)5.208.80人类活动(HA)1.302.20PMBW&SPCP25.641.5SPCP&HA0.100.20PMBW&HA0.100.20PMBW&SPCP&HA0.200.30总解释量59.0100利用MonteCarlo随机置换对18个影响因子的重要性进行排序(表3-8)。除人口密度、EC、土地覆被、与道路距离外，其他因子均通过显著性检验(P<0.01)。其中，Fe、Al表现出极高的解释度，分别为47.1%，42.1%；其次为Mn(22%)；CIA、OM、clay和Ba的解释度均大于10%；pH、CEC、距工厂距离、NDVI、高程和坡度解释度较低；而人口密度、EC、土地覆被和距工厂距离影响微弱，仅1%左右。综上所述，在无显著人为污染的岩溶地质高背景区，母岩风化是控制该地区土壤中重金属发生分布的主要因素。表3-SEQ表_3-\*ARABIC8环境因子对土壤重金属富集的重要性排序Table3-8ImportancerankingofnaturalandhumanactivitiesfactorsonPTEsi