基于Meta分析的山东省土壤重金属污染特征及风险评价研究

作     者：金昭 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕建树

授予年度：2024年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 120405[管理学-土地资源管理] 0713[理学-生态学] 

主      题：土壤重金属 Meta分析 污染特征 风险评价 山东省 

摘      要：土壤是陆地生态系统的重要组成部分,也是维系人类生存发展不可或缺的自然资源。在社会经济迅速发展的背景下,人为排放污染物不断增多,土壤污染形势日益严峻。其中,重金属污染物因其生态毒性、潜伏性和难降解性而备受重视,土壤重金属污染已成为土壤环境研究的重点问题。摸清土壤重金属污染现状并探明其风险等级是落实土壤重金属污染防治和风险管控工作的重要基础。小尺度土壤污染调查结果的空间普适性较弱,且时间尺度上的研究相对欠缺;而大尺度或多时间序列的土壤采样工作成本较高,难以在短期内完成。Meta分析能够整合多个小尺度区域及时间序列的土壤采样数据,是实现大尺度土壤污染研究的有效手段。 山东省是我国重要的工农业大省,工农业生产排放量较大,人地关系紧张,土壤环境不容乐观。鉴于此,本研究以山东省As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb及Zn共8种土壤重金属为例,基于Meta分析理论与方法,对省域尺度土壤重金属含量状况、来源贡献、时空特征、生态风险以及人体健康风险开展系统性研究,以期为山东省土壤重金属污染及风险防控工作提供科学参考。本研究按照Meta分析的流程,通过制定科学合理的文献搜集和数据提取策略,获取了于2002～2022年间发表的173篇文献,从中提取了土壤重金属含量数据共计1729条,对应土壤采样点位309个,构建土壤重金属数据集并以此开展了一系列研究。首先,通过描述性统计分析,掌握山东省土壤重金属含量状况,进而利用随机效应模型计算土壤重金属含量的效应值,阐明山东省土壤重金属来源贡献,并进行发表性偏倚检验。其次,结合空间自相关分析、一元线性回归分析以及标准差椭圆模型,刻画土壤重金属空间分布格局,理清其时间变化趋势,同时揭示其时空动态发展特征。最后,基于潜在生态风险指数法,划分土壤重金属生态风险等级,揭示生态风险的时空分布格局;同时,基于山东省历年人口年龄结构和性别比例数据,利用人体健康风险评估模型,完成多性别-年龄段人群的土壤重金属人体健康风险评价及其时空分布规律探讨。本研究主要结论如下: （1）山东省土壤As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb及Zn的平均含量分别为:8.904、0.189、61.94、31.38、0.097、30.04、28.92以及84.39 mg kg,建设用地各土壤重金属平均含量均超过农用地;山东省土壤Cu含量处于国内较高水平,其余元素含量则处于中等或中等偏上水平。农业活动显著促进了山东省农用地土壤As、Cd、Cu、Hg、Ni及Zn的富集,其中,设施农用地土壤重金属富集受农业活动的影响最显著;而工矿业活动、交通运输及城市建设等则促进了建设用地土壤Cd、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的富集,且对交通用地土壤重金属富集的贡献最显著。农用地土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni和Pb及建设用地土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb及Zn的Egger’s回归系数（p）均超过0.01,说明不存在明显的文献发表性偏倚,Meta分析的结果相对稳健。 （2）山东省8种土壤重金属的全局莫兰指数（Moran’s I）介于0.063～0.442,呈现显著的空间自相关特性;重金属含量的高值区域集中于经济发达的地区或重要工农业城市,主要包括东部和中部的青岛市、济南市、淄博市以及济宁市等,相比之下,山东省西北部和南部区域土壤重金属污染程度普遍较低,说明工农业生产、交通运输等多种人类活动是控制山东省土壤重金属空间分异的重要因素。2002～2022年间,As、Cr、Hg、Ni和Pb的平均含量总体呈现上升趋势,暗示其污染水平有所上升,而Cd、Cu以及Zn的平均含量总体呈现下降趋势,暗示其污染程度可能减缓;2002～2022年间,山东省土壤重金属的污染中心主要位于山东省中部地区,在空间上主要表现为东西向延展,另外,随着时间推移,重金属污染范围存在一定程度的波动,其中,As的污染范围呈现先减小后增大的趋势,而其余7种元素的污染范围则先增加后减小。 （3）山东省土壤重金属在总体上呈现轻微生态风险,生态风险主要由Cd和Hg构成,建设用地中单个土壤重金属平均生态风险水平更高,而其他用地土壤重金属整体平均生态风险最强;2002～2022年间,山东省土壤重金属生态风险总体上呈现增强趋势,表现为极强生态风险的点位见于市北区、黄岛区和东昌府区。山东省各性别-年龄段人群的土壤重金属总非致癌风险指数（THI）介于5.07E-02～2.74E-01之间,低于安全阈值（THI=1）,即不存在非致癌风险,而总致癌风险指数（TCR）则在1.84E-05～5.73E-05之间,介于安全阈值上下限（1E-06～1E-04）,说明致癌风险处于可接受范围之内;女性面临的健康风险强度普遍超过同年龄段男性,同时,0～14岁人群的非致癌及致癌风险均为最高;农用地土壤重金属非致癌风险最强,而其他用地土