太原市城区周边土壤污染特征分析及等级评价_李晓婷.docx

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1、 山西大学 2015 届硕士学位论文 太原市城区周边土壤污染 特征分析及等级评价 二一五年六月 Thesis for Masters degree， Shanxi University， 2015 Soil Contamination Characteristic and Assessment in Suburb of Taiyuan City Student Name Xiao-ting Li Supervisor Major Specialty Associate Prof Yong Liu Ecology Regional Ecology Department Research Dura

2、tion Institute of Loess Plateau 2012.09-2015.06 June, 2015 本论文得到以下项目资助 : 国家自然科学基金 “ 基于支持向量机的土地生态风险评价研究 ” 。 This dissertation was supported by： The Assessment of Land Ecological Risk Based on Support Vector Machine 目录 中文摘要 . I ABSTRACT . Ill n-m mit . i u 选题背景 . 1 U.l 土壤污染 . 1 1.1.2我国土壤污染现状 . 1 1.2研究

3、意义与目的 . 2 1.3 3 外研究进展 . 3 1.3.1 土壤重金属污染 . 3 1.3.2 土壤有机氯农药污染 . 4 1.3.3 土壤多环芳烃污染 . 5 1.3.4 土壤其他污染 . 5 1.4研究内容及技术路线 . 6 1.4.1主要研究内容 . 6 1.4.2技术路线图 . 7 第二章研究区概况及采样方法 . 9 2.1研究区概况 . 9 2.2采样方法 . 10 第三章重金属污染特征分析 . 13 3.1样品检测 . 13 3.1.1样品前处理 . 13 3丄 2仪器分析 . 14 3.1.3质量控制 . 14 3.2研究方法 . 14 3.2.1统计分析 . 14 3.2.

4、2单因子指数和综合污染指数 . 14 3.2.3景观指数 . 16 3.3描述性统计分析 . 17 3.4相关性分析 . 18 3.5单因子指数和综合污染指数评价 . 20 3.6空间格局分析 . 23 3.6.1斑块结构特征 . 23 3.6.2形状结构特征 . 24 3.6.3景观水平上的空间格局特征 . 25 3.7本章小结 . 26 第四章有机氯农药污染特征分析 . 29 4.1样品检测 . 29 4,1.1样品预处理 . 29 4.1.2上机检测 . 30 4.1.3质量控制 . 32 4.2统计分析 . 32 4.3 HCH 和 DDT 的异构体分析 . 32 4.4不同地区土壤有

5、机氯农药含量的比较分析 . 34 4.5本章小结 . 36 第五章多环芳烃污染特征分析 . 37 5.1样品检测 . .37 5.1.1上机检测 . 37 5.1.2质量控制 . 39 5.2统计分丰斤 . 39 5.3污染物组成特征 . 39 5.4不同地区土壤多环芳烃比较分析 . 41 5.5本章小结 . 42 第六章基于随机森林模型的土壤污染评价 . 43 6.1评价方法 . 43 6.1.1随机森林模型的算法 . 43 6.1.2随机森林模型的泛化误差 . 44 6.2评价标准 . 44 6.2.1重金属污染的评价标准 . 44 6,2.2多环芳烃和有机氯农药污染的评价标准 . 45

6、6.3评舰胃 . 45 6.4评价结果分析 . 46 6.4.1重金属污染评价 . 46 6.4.2有机氯农药污染评价 . 48 6.4.3多环芳烃污染评价 . 51 6.4.4 土壤综合污染评价 . 53 6.5本章小结 . 56 第七章结论与展望 . 57 7.1结论 . 57 7.2展望 . 58 参考文献 . 61 攻读学位期间取得的研究成果 . 69 Sft M . 70 个人简况及联系方式 . 71 . 咐 . 72 学位论文使用授权声明 . 73 Contents Chinese Abstract. . . I ABSTRACT . Ill Chapter I Introduct

7、ion . 1 1.1 Research backgroud . 1 1.1.1 Soil pollution . 1 1.1.2 Status of soil pollution in China . 1 1.2 Research purpose and meaning . 2 1.3 Research situation of domestic and foreign . 3 1.3.1 Soil heavy metals . 3 1.3.2 Soil OCPs . 4 1.3.3 Soil MHs . 5 1.3.4 Others . 5 1.4 Research contents an

8、d technology flowchart . 6 1.4.1 Research contents . 6 1.4.2 Technology flowchart . 7 Chapter 2 Research area and sampling method . 9 2.1 Research area . 9 2.2 Sampling method . 10 Chapter 3 Pollution characteristic analysis of soil heavy metals . . 13 3.1 Determination of samples . 13 3.1.1 Sample

9、pretreatment . . . 13 3.1.2 Instrumental analysis . 14 3.1.3 Quality Control . 14 3.2 Research methods . 14 3.2.1 Statistical Analysis . 14 3.2.2 Single factor index and comprehensive pollution index . 14 3.2.3 Landscape index . 16 3.3 Descriptive statistical analysis . 17 3.4 Correlation analysis .

10、 18 3.5 Assessment based on Single factor index and Nemerow composite index . 20 3.6 Analysis of the spatial pattern . 23 3.6.1 Plaque structure characteristics . 23 3.6.2 Shape structure characteristic analysis . 24 3.6.3 Spatial distribution features on landscape level . 25 3.7 Summary . . 26 Chap

11、ter 4 Pollution characteristic analysis of soil OCPs . 29 4.1 Determination of samples . 29 4.1.1 Sample pretreatment . 29 4.1.2 Instrumental analysis . 30 4.1.3 Quality Control . 32 4.2 Statistical analysis . 32 4.3 Analysis of the isomers of HCH and DDT . 32 4.4 Comparative analysis of soil OCPs i

12、n different regions . 34 4.5 Summary . 36 Chapter 5 Pollution characteristic analysis of soil PAHs . 37 5.1 Determination of samples . 37 5.1.1 Instrumental analysis . 37 5.1.2 Quality Control . 39 5.2 Statistical analysis . 39 5.3 Analysis of pollutant composition characteristics . 39 5.4 Comparati

13、ve analysis of soil PAHs in different regions . 41 5.5 Summary . 42 Chapter 6 Soil pollution assessment based on RF . 43 6.1 Research methods . . . 43 6.1.1 Classification arithmetic of Random Forests . 43 6.1.2 OOB errors of Random Forests. 44 6.2 Assessment standards . 44 6.2.1 Assessment standard

14、s of soil heavy metals . 44 6.2.2 Assessment standards of soil OCPs and PAHs . . . 45 6.3 Evaluation process . 45 6.4 Assessment results . 46 6.4.1 Assessment results of soil heavy metals . 46 6.4.2 Assessment results of soil OCPs . 48 6.4.3 Assessment results of soil PAHs . 51 6.4.4 Assessment resu

15、lts of soil comprehensive pollution . 52 6.5 Summary . . . . 56 Chapter 7 Conclusions and prospects . 57 7.1 Conclusions . 57 7.2 Prospects . 58 References . * . 61 Research achievements . 69 Acknowledgments . 70 Personal profiles . 71 Letter of commitment . 隸 . 72 Authorization statement . 73 中 文 摘

16、 要 近几十年随着我国社会和经济的高速发展，土壤污染问题变得越来越严重，对 农产品质量、大气质量、水的质量和人类身体健康都造成了很大的威胁。本文以 2013 年在太原市城区周边采集得到的 171 个土壤样品的重金属、有机氯农药 （ OCPs)和 多环芳烃（ PAHs)的实测值为数据来源，对土壤污染状况进行研究。在对各污染元 素的含量进行统计分析的基础上，用相关分析、单因子指数、内梅罗综合污染指数、 景观指数对重金属的污染特征进行分析；对有机氯农药和多环芳烃的异构体组成特 征进行分析，并对比太原市与其他地区的污染程度；采用随机森林模型，对重金属、 有机氯农药和多环芳经及综合污染程度分别进行评价。

17、得到的主要研究结果有： (1) 太原市城区周边土壤中重金属元素含量介于山西省元素背景值和国家土壤 标准二级标准值之间，而有机氯农药和多环芳烃的含量均介于国家土壤一级和二级 标准之间。太原市城区周边土壤污染较轻，不是非常严重。 (2) 8种重金属元素中， Hg 元素的变异系数最大，为 1.04;而变异系数最小的 As元素也达到了 0.33,可见太原市城区周边土壤中各重金属元素含量的空间差异性 较大。 (3) 对重金属元素的单因子污染指数和内梅罗综合污染指数进行计算和分析发 现：Cd 和 Hg 元素的污染比较严重，单因子污染指数分别达到了 2.4 和 4.72,综合 污染 指数的平均值也达到了 3

18、.59,可见太原市城区周边的土壤重金属污染较为严重。 (4) 通过景观指数对土壤重金属污染空间分布情况进行分析，发现太原市城区 周边的土壤重金属污染大部分属于轻度和中度污染，且不同等级的斑块连通性较好， 空间差异性较大。 (5) OCPs 总量的中位数为 70.43 pg/kg,变异系数达到了 1.05。对土壤中有机 氯农药的各异构体进行分析发现： a-HCH、 p-HCH、 Y-HCH 和 S-HCH 分别占总 HCH 的 13.88%、 51.95%、 11.47%和 14.79%; (DDD+DDE)/DDT 比值均值为 0.75。 (6) 16种多环芳烃的总和的平均值为 3574.12

19、 pg/kg。 各多环芳烃有机物的变异 系数都在 1 以上，二氢危、蒽和芘三种化合物的变异系数分别达到了 2.35、 2.05 和 2.04。对其物质组成进行发现分析发现，致癌性化合物在 PAHs 总量中所占的比例较 大，且污染多来自于化石燃料的不完全燃烧。 (7) 用随机森林算法对土壤污染进行评价，结果显示 171 个土样中重金属污染 评价等级属于 1、 2、 3、 4的样点分别占总样点的 4.68/ 。、 87.13%、 8.19%和 0%，可 见大部分属于 2级污染。其中 31 个土壤样品中重金属、有机氯农药污染和多环芳烃 污染等级属于 1、 2、 3、 4的样品个数分别为 3、 21和

20、 1， 21、 8以及 18, 6、 0 和 2， 1、 2和 9。由此可见， 31 个样点中多环芳烃污染相对于有机氯农药污染较为严重， 并且两种污染严重的样点均集中在太原市西部的化工企业聚集区。 关键词：重金属；有机氯农药；多环芳烃；随机森林模型 ABSTRACT In recent years, with the rapid development of our society and economy, the problem of soil pollution is becoming more and more serious. It is a great thieat to agric

21、ultural product quality, atmosphere, ecosystems and human health. This paper investigated the pollution situation based on the measured values of soil heavy metals, Organic chlorine pesticides (OCPs) and Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from 171 soil samples collected in suburb area of Taiyua

22、n City in 2013. Firstly, statistical characterization of each pollution index was explored. Then, correlation analysis, single factor index, Nemerow comprehensive pollution index and landscape index were applied to analyze the characteristics of soil heavy metals. At the same time, the composition c

23、haracteristics of isomers of OCPs and PAHs were analyzed. Comparing the soil organic pollution level of Taiyuan with other regions, Random Forest (RJF) model was used to assess the contamination status of soil heavy metals, OCPs, and PAHs and their comprehensive pollution status. The results were as follows: (1) The contents of soil heavy metals were higher than their corresponding background values in Shanxi, while belonged to the seco