城市土地利用演变过程中典型污染物的累积机制与风险预测

The temporal and spatial variation of soil pollution in the process of rapid urbanization is a frontier scientific problem. The complex and ever changing land use in urban areas affects dynamically the accumulation and exposure risks of soil pollutants. In this project, the highly urbanized city of Shanghai and the Chang-Zhu-Tan area, which is undergoing rapid urbanization, are selected as research areas. Remote sensing technology and spatial statistical methods are adopted to study the input/output fluxes and exposure characteristics of the typical pollutants (cadmium and polycyclic aromatic hydrocarbons) in the soils, and to clarify the effects of land use pattern and evolution on the accumulation rates, spatial distributions and exposure risks of the pollutants in the soils. Based on the ArcGIS software, the land use change model - the soil pollutant accumulation process model - the exposure risk assessment model are coupled to predict regional soil contamination and exposure risk. Then, we simulated the temporal and spatial changes of soil pollutant contents and their corresponding exposure risks in the study area, and clarified the key factors that affecting formation and distribution of the risks, providing scientific basis for the prevention and control of soil pollution in urban and suburban areas.

快速城市化过程中土壤污染格局的时空变化是一个前沿科学问题。城市土地利用格局复杂且多变，动态影响土壤污染物的累积特征及暴露风险。本研究选取城市化程度较高的上海市和正在快速城市化的长株潭城市群为对象，结合遥感技术和空间统计方法，研究城市土壤典型污染物（镉和多环芳烃）的输入输出通量和暴露特征，阐明土地利用格局和演变过程对土壤中污染物的累积速率、空间分布及暴露风险的影响机制；基于ArcGIS平台，整合土地利用变化预测模型-土壤污染物累积过程模型-暴露风险评价模型，建立区域土壤典型污染物风险预测方法；模拟研究区土壤污染物含量及其暴露风险的时空动态变化，阐明快速城市化过程中土壤污染物暴露风险形成和分布的关键影响因子，为我国城市及郊区土壤污染风险防控提供科学依据。

城市土地利用格局复杂且多变，动态影响土壤污染物的累积特征及暴露风险。本研究选取城市化程度较高的上海市和正在快速城市化的长株潭城市群为对象，结合数据整合分析、遥感技术和空间统计方法，研究城市土壤典型污染物（重金属和多环芳烃）累积特征及影响因素，阐明土地利用类型和演变过程对土壤污染物的累积速率、空间分布及暴露风险的影响机制；基于ArcGIS平台，建立区域土壤典型污染物风险评估方法，阐明区域土壤污染物暴露风险形成和分布机制；结合土壤污染物累积过程模型，预测研究区土壤污染物含量及其环境容量的时空变化，识别关键影响因子。结果表明我国城市土壤重金属与多环芳烃含量主要受到城市产业结构、能源利用效率、工业和交通规模的影响。长株潭区域土壤重金属和多环芳烃含量空间异质性强，其含量分布受到土地利用类型、大气环境质量、人口和道路密度等影响，高含量主要分布在城区和工业区。监测结果表明土壤重金属主要来源于大气沉降输入，城市企业聚集区大气沉降输入通量较高，而冶炼企业周边灌溉水年输入通量相对较高。上海市土壤重金属和多环芳烃含量随着绿地建成历史增长而增加，新建绿地多环芳烃、Cd、Zn、Cr含量年均增长速率较高，而建成15年绿地中土壤Pb和Cu含量年均增长速率较高，反映出上海市重工业逐渐退出，城市建设和交通活动加剧的演变特征。对不同人群的问卷调查结果表明绿地维护工人、路边环卫工人和郊区儿童具有最高的暴露风险，可以作为各类土地利用下的敏感风险受体。长株潭地区土壤重金属和多环芳烃健康风险整体较低，局部区域存在高风险。模拟结果表明城市土壤PHE和BaP含量逐渐积累，大气沉降是主要输入途径，降解和挥发是主要输出途径。长株潭地区土壤Cd的动态环境容量整体沿着湘江向四周呈现逐渐增加的趋势，pH低且PUF高的地区，其土壤环境容量更大。模型的敏感参数为C0、t、ρ，易控参数为Kd和PUF。研究结果可以为我国城市区域土壤污染风险防控提供科学依据。