謝賢健，韓光中

基于普通克里格和投影尋蹤模型的城市土壤重金屬污染評價

謝賢健，韓光中*

內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000

作為城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，城市土壤對城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，隨著人類活動加劇，重金屬元素成為城市土壤中具有重大影響的有毒污染物，尤其是鉛（Pb）、鎘（Cd）、銅（Cu）及其復(fù)合物在城市土壤污染中較為突出。為了探討城市土壤中重金屬的含量及污染空間分布特征，為城市環(huán)境治理和環(huán)境保護(hù)提供客觀依據(jù)，以內(nèi)江市城區(qū)為例，采集了203個表層土壤樣本，利用單因子污染指數(shù)法、GIS技術(shù)結(jié)合投影尋蹤模型評估了研究區(qū)不同土地利用方式下表層土壤鉛（Pb）、鎘（Cd）、銅（Cu）、鋅（Zn）的污染特征及其空間污染程度。結(jié)果表明：（1）與國家二級標(biāo)準(zhǔn)限定值比較，鎘元素的富集程度最大，鋅元素次之，銅元素富集程度最小，鉛元素?zé)o富集；（2）4種元素變異系數(shù)屬于高度變異，其含量均受到人類活動的強(qiáng)烈影響；（3）土壤重金屬綜合污染指數(shù)均值表現(xiàn)為公共用地＞商業(yè)用地＞住宅用地＞工礦用地＞農(nóng)業(yè)用地＞交通用地；（4）內(nèi)江市城市土壤重金屬污染程度的克里格插值評價等級為較清潔、輕污染，在空間展布上二者的面積比例為1.2∶1，內(nèi)江市重金屬綜合污染水平較輕。投影尋蹤模型為涉及多因素的城市土壤重金屬污染評價提供了新思路。

普通克里格；投影尋蹤；重金屬；污染評價

城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著城市化進(jìn)程的加快，大量重金屬污染物通過工業(yè)三廢、交通污染和城市生活垃圾排放等方式進(jìn)入到城市土壤環(huán)境中，給區(qū)域土壤資源的保護(hù)、利用與管理帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)（Tong et al.，2000；Li，2001；Imperato et al.，2003）。研究者將汞、鎘、鉛、鉻、砷、鋅、銅、鎳合稱為重金屬環(huán)境污染元素（米艷華等，2016；鄒素敏等，2017；姚利等，2017），尤其以鉛、鎘、銅及其復(fù)合污染最為突出，是城市和工業(yè)發(fā)展過程中產(chǎn)生的典型的“污染元素”（王學(xué)松等，2006）。土壤中的重金屬會導(dǎo)致大氣污染、地表水污染，地下水污染等生態(tài)環(huán)境問題，而且可以通過多種途徑進(jìn)入到人體中，對人體神經(jīng)系統(tǒng)、免疫功能等產(chǎn)生非致癌影響，同時部分重金屬元素還具有強(qiáng)致癌性，因此，城市土壤重金屬的健康風(fēng)險已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

目前，研究者對城市環(huán)境中土壤重金屬的污染水平進(jìn)行初步的研究，并取得了一些有意義的結(jié)果。常用的評價方法包括單因子指數(shù)評價法（徐福銀等，2014）、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（張勝幫等，2015）、模糊綜合評價法（陳桂忠，2015）、地質(zhì)累積指數(shù)法（史貴濤等，2006）、潛在生態(tài)危害指數(shù)法（劉勇等，2011）、綜合指數(shù)評價法（張建東等，2007）、灰色聚類法（付建平等，2012）等。在進(jìn)行土壤重金屬污染水平評價時涉及到的因素很多，且因素之間互相關(guān)聯(lián)，不同因素的信息部分會發(fā)生交叉和重疊，從而影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性；加之不同因素之間對土壤質(zhì)量影響的權(quán)重難以確定，同時，影響土壤重金屬污染水平的各因素通常為非線性相關(guān)，研究者在評價過程中往往帶有一定的主觀性，因此上述評價方法在土壤環(huán)境評價中的應(yīng)用受到一定的限制（劉慧卿等，2005）。投影尋蹤技術(shù)以數(shù)據(jù)的線性投影為基礎(chǔ)，尋找線性投影中的非線性結(jié)構(gòu)，將高維數(shù)據(jù)通過線性組合的方法轉(zhuǎn)換為低維數(shù)據(jù)，在低維數(shù)據(jù)上對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以避免線性回歸不能反映實際非線性情況的矛盾，以及在評價過程中如何確定不同因素權(quán)重的問題（付強(qiáng)等，2007；金菊良等，2004；侯秀玲等，2012）。本研究擬以四川省內(nèi)江市作為研究區(qū)域，基于遺傳算法的投影尋蹤模型結(jié)合GIS空間分析技術(shù)對研究區(qū)城市土壤的重金屬污染進(jìn)行綜合評價，探討土壤中重金屬的含量及污染空間分布特征，以期為研究區(qū)城市環(huán)境治理和環(huán)境保護(hù)提供客觀依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)江市城區(qū)位于四川盆地中南部，地處沱江中游，地理坐標(biāo)：105°6′～105°48′E，29°34′～29°36′N。地形以丘陵為主；氣候為典型的中亞熱帶季風(fēng)氣候；土壤以紫色土為主；地質(zhì)構(gòu)造上位于揚子準(zhǔn)地臺四川臺坳川中臺拱的自貢臺凹北部，威遠(yuǎn)背斜北東傾末端與自流井背斜北東傾末端間的向斜部位，屬于四川沉降帶中部；城區(qū)巖性以中侏羅紀(jì)的紫色泥巖為主（內(nèi)江市國土資源局，2012）。內(nèi)江市城區(qū)西聯(lián)資中縣和榮縣，東接隆昌縣，是成都和重慶之間的交通要道。內(nèi)江市受成都和重慶經(jīng)濟(jì)輻射較強(qiáng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)位條件，近年來，內(nèi)江市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，成為川南城市群的重要組成部分。

2 樣品采集和處理

2.1 樣品采集

利用GIS軟件，將內(nèi)江市城區(qū)比例尺為1∶500的土地邊界圖（研究區(qū)面積11.17 km2）矢量化，同時按照 250 m×250 m的規(guī)格將地圖劃分成規(guī)則網(wǎng)格。采樣時，在每個網(wǎng)格點內(nèi)結(jié)合具體地形和土地利用方式，按照對角線法在0～15 cm土層進(jìn)行采樣，并利用GPS記錄采樣點地理位置；每個網(wǎng)格對角線上取3個土樣混合成1個樣品，去掉雜草、石塊、垃圾等，按照4分法取樣并裝入聚乙烯塑料袋內(nèi)，共計203個土樣（圖1）。所有樣品采集于2014年7月—2014年8月完成；樣品的理化分析于2014年9月—2015年9月完成。

2.2 樣品處理

將室外采集的土樣進(jìn)行自然風(fēng)干，然后用 100目尼龍篩過篩，制好的土樣裝入聚乙烯塑料袋。稱取0.2000 g樣品置于聚四氟乙烯塑料坩堝中，加幾滴蒸餾水濕潤，然后加入10 mL HNO3-HClO4混酸（體積比為1∶1），15 mL HF，低溫加熱至冒白煙，再加5 mL HNO3，加熱至白煙冒盡，冷卻后，加入5 mL 2 mol?L-1HCl溶解，轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶定容、過濾、待測；鉛、鎘、銅、鋅的測定利用石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17141—1997），儀器為美國瓦里安公司生產(chǎn)的 SpectrAA-220Z型石墨爐原子吸收分光光度計；pH值利用美國奧豪斯公司生產(chǎn)的STARTER 3100臺式酸度計測定，讀數(shù)保留到0.1。

3 評價方法

采用單因子污染指數(shù)和投影尋蹤綜合評價模型評價不同土地利用方式下土壤重金屬污染程度。

圖1 研究區(qū)及采樣點分布圖Fig. 1 The distribution map of sampling point

3.1 單因子污染指數(shù)

單因子評價用來評估主要重金屬的污染程度，用污染指數(shù)表示，即重金屬實測值與評價標(biāo)準(zhǔn)相除消除量綱得到污染指數(shù)（徐福銀等，2014）：

式中，Pi為i重金屬元素的污染指數(shù)；Ci為重金屬含量實測值；Si為土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值（本研究中203個供試土壤樣品經(jīng)測定：6.5＜pH＜7.5）。土壤重金屬污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土壤重金屬污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard for classification of soil heavy metal pollution

3.2 投影尋蹤模型計算理論

投影尋蹤是將高維數(shù)據(jù)向低維空間投影，通過分析低維空間的投影特性來研究高維數(shù)據(jù)的特征，從而找到反映數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征的最優(yōu)投影，是處理多指標(biāo)問題的統(tǒng)計方法（付強(qiáng)等，2007）。其具體思路是將影響問題的多因素指標(biāo)通過投影尋蹤分析得到反映其綜合指標(biāo)特性的最優(yōu)投影特征值，然后建立投影特征值與因變量的一一對應(yīng)關(guān)系。通過分析一維的投影值對樣本進(jìn)行更加合理的分級和評價。其原理如下：

設(shè)等級評價表中各指標(biāo)值的樣本集為｛xij︱i=1, …, n; j=1,…, m｝，其中，xij是第i個樣本的第j個指標(biāo)值，建立投影尋蹤評價模型的步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：即對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，消除各指標(biāo)值的量綱和統(tǒng)一各指標(biāo)值的變化范圍。

對于數(shù)值越大，評價越優(yōu)的指標(biāo)：

對于數(shù)值越小，評價越優(yōu)的指標(biāo)：

式中，xij是標(biāo)準(zhǔn)化前的數(shù)據(jù)樣本值，xi?j是標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)樣本值，xjmax為第j指標(biāo)的最大值。

（2）構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)：把m維數(shù)據(jù)綜合成某一方向的一維投影值，并要求投影值散布特征為局部投影點盡可能密集，整體上各個點團(tuán)之間盡可能散開。

用m維的單位向量a（a1, a2, …, am）表示某一投影方向，樣本i在該方向上的投影值可表示為：

設(shè) S(a)為投影值的標(biāo)準(zhǔn)差，D(a)為投影值的局部密度（投影值投影在局部時的聚集程度），則投影指標(biāo)函數(shù)可以表示為：

（3）估計最佳投影方向Q(a)值與投影方向a有關(guān)，當(dāng)Q(a)取最大值時的a方向是最能反映數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征的方向。所以，可以通過求解投影指標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題來估計最佳投影方向，即求解：

可以利用遺傳算法來解決該優(yōu)化問題。

（4）等級評價：得到近似最佳投影方向后，計算各經(jīng)驗等級樣本點的投影值，根據(jù)各經(jīng)驗等級及其對應(yīng)的投影值建立基于投影值的等級評價方法，并將待評價樣本進(jìn)行歸一化處理后計算其投影值，利用投影值等級評價方法得到評價樣本所屬等級。

3.3 污染水平空間變異特征

土壤樣點重金屬含量的常規(guī)統(tǒng)計、單因子指數(shù)及綜合指數(shù)法評價僅能反映采樣區(qū)域局部受污的情況，而不能整體體現(xiàn)區(qū)域土壤受污染的程度，因此，本文在上述評價的基礎(chǔ)上，采用 Kriging插值繪制研究區(qū)土壤鎘污染分布的連續(xù)表面，并對其進(jìn)行分級評價。Kriging插值是一種最佳空間局部估計方法，其作為地統(tǒng)計學(xué)的主要分析方法，綜合考慮變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，可以根據(jù)采樣點的監(jiān)測數(shù)據(jù)、采樣點的相互位置關(guān)系及變差函數(shù)模型，估測研究區(qū)域內(nèi)污染物的污染水平空間展布特征。在ArcGIS 9.3平臺上，土壤重金屬的投影尋蹤特征值的半方差分別用球狀、指數(shù)和高斯等理論模型進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合誤差大小選出最適模型，然后用普通克立格法（Ordinary Kriging）內(nèi)插獲得污染水平空間變異分布圖。

4 結(jié)果與分析

4.1 土壤重金屬含量的統(tǒng)計特征

由表2可知，4種重金屬鉛、鎘、銅、鋅的平均含量分別為 58.88、0.82、74.69、179.75 mg?kg-1，除鎘外，其余3種元素均值均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限定值；從最大值來看，除鉛外，其余3種元素均超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限定值，分別是國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限定值的7.8、5.5、3.8倍，說明鎘、銅、鋅在研究區(qū)局部土壤中存在明顯的富集；從超出國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限定值百分率來看，鎘元素的富集程度最大，鋅元素次之，銅元素富集程度最小。變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）作為表征數(shù)據(jù)離散程度的指標(biāo)，可以比較不同量綱的數(shù)據(jù)；對變異程度進(jìn)行分級：高度變異（CV＞0.36）、中度變異（0.16＜CV＜0.36）、低度變異（CV＜0.16）。4 種元素變異系數(shù)值均大于0.36，屬于高度變異，說明研究區(qū)土壤重金屬含量受到人類活動的強(qiáng)烈影響。

表2 土壤重金屬常規(guī)統(tǒng)計Table 2 Basic statistical characteristics of soil heavy metal

4.2 不同土地利用類型土壤重金屬單因子污染指數(shù)

利用單因子指數(shù)法計算城區(qū)不同土地利用類型土壤重金屬單因子污染指數(shù)，根據(jù)單因子污染指數(shù)可知4種元素所在的污染等級，進(jìn)一步統(tǒng)計得到

4種元素污染等級的累計百分比，結(jié)果見圖2。

圖2 4種元素污染等級的累計百分比Fig. 2 Cumulative percentage of pollution levels of the 4 elements

由圖2可知，所有樣點鉛元素的單因子污染指數(shù)均小于1，污染程度為清潔。鎘元素有34.98%的樣點單因子污染指數(shù)小于 1，污染程度為清潔；40.89%的樣點單因子污染指數(shù)介于1～2，屬于輕度污染；16.75%的樣點單因子污染指數(shù)介于2～3，屬于中度污染；7.39%的樣點單因子污染指數(shù)大于3，屬于重度污染。銅元素有91.63%的樣點單因子污染指數(shù)小于1，污染程度為清潔；7.39%的樣點受到輕度污染；不到 1%的樣點為中度或重度污染。鋅元素有80.30%的樣點污染程度為清潔，18.23%的樣點為輕度污染，1.5%的樣點為中度或重度污染。總體來看，研究區(qū)土壤鎘元素污染程度最重，鋅元素次之，銅元素第三，鉛元素最輕。

從4種元素在不同土地利用類型中分布的最大值、最小值及平均值統(tǒng)計來看，土壤重金屬單因子污染指數(shù)中，只有鎘元素的平均值大于 1，表現(xiàn)為輕度污染；鉛、銅、鋅的單因子污染指數(shù)均值都小于 1，在不同土地類型的土壤中均未出現(xiàn)污染。從極大值來看，除鉛外，鎘、銅、鋅在不同的土地利用方式中極大值均大于 1，尤其是鎘元素在不同土地利用方式中某些區(qū)域均達(dá)到了中度或重度污染；而住宅用地尤為嚴(yán)重，鎘、銅、鋅在局部區(qū)域均出現(xiàn)了重度污染。住宅用地個別地點土壤發(fā)生重金屬污染，很有可能是由于小區(qū)居民將含鎘銅鋅的裝飾材料和管材、鎘銅鋅電池等日常生活用品和廢棄包裝物堆放在居住區(qū)所致。

4.3 重金屬污染投影尋蹤等級評價模型

4.3.1 重金屬污染等級表

根據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)——土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995》，分別對應(yīng)4種元素污染等級的臨界值，依據(jù)臨界值對評價指標(biāo)的污染級別進(jìn)行劃分，構(gòu)建重金屬污染的指標(biāo)體系和分級標(biāo)準(zhǔn)表（表3）。

表3 重金屬污染分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of heavy metal pollution

4.3.2 模型計算

利用式（2）對各評價指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，然后利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DPS 9.5軟件，計算最優(yōu)投影方向，根據(jù)該投影方向利用式（4）計算各經(jīng)驗等級樣本點的投影特征值（表4）。

表4 各重金屬分級標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理及投影特征值Table 4 Normalized treatment and projection value of each heavy metal

4.3.3 等級評價

根據(jù)各經(jīng)驗等級及其對應(yīng)的投影值建立基于投影值的等級評價方法，并將待評價樣本進(jìn)行歸一化處理后計算其投影值，利用投影值等級評價方法得到評價樣本所屬等級（表5）。

4.3.4 土壤重金屬污染程度評價

根據(jù)式（2），將實驗獲取的鉛、鎘、銅、鋅樣點的重金屬含量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行歸一化處理，然后進(jìn)行投影尋蹤計算得到203個待評樣本的投影值，即重金屬綜合污染指數(shù)，統(tǒng)計得到基于投影尋蹤模型的不同土地利用方式下土壤重金屬污染綜合指數(shù)分級（表6）。

表5 基于投影特征值的重金屬污染等級分級Table 5 Classification of heavy metal pollution levels based on the projection characteristic value

由表6可知，內(nèi)江市城市土壤重金屬綜合污染指數(shù)的平均值介于 0.595～0.720，污染等級為較清潔、輕污染，整體污染水平較輕。土壤重金屬綜合污染程度表現(xiàn)為公共用地＞商業(yè)用地＞住宅用地＞工礦用地＞農(nóng)業(yè)用地＞交通用地。具體來看，所有樣點均未到達(dá)重污染，只有住宅用地1個樣點為中污染水平。公共用地、商業(yè)用地、住宅用地輕污染及以上級別樣點數(shù)達(dá)到了50%以上，采樣點主要位于城區(qū)商業(yè)密集、交通流量大、人口密度高的區(qū)域，土壤受到人為影響較大，在人為垃圾、汽車尾氣排放等因素的綜合影響下，這些土地利用方式下的土壤重金屬污染較為嚴(yán)重。工礦用地輕污染樣點比例較少，采樣點主要位于天德制藥廠、華風(fēng)車業(yè)公司、水盛化工機(jī)械廠附近，這些區(qū)域工業(yè)活動產(chǎn)生的醫(yī)藥廢棄物和機(jī)械廢棄物被直接堆放在固定區(qū)域，重金屬進(jìn)入土壤導(dǎo)致局部區(qū)域受到較為嚴(yán)重的污染。交通用地輕污染樣點數(shù)比例達(dá)到41.77%，其采樣點主要來自于交通用地附近的綠化帶，受到人為管護(hù)的影響，雖然不存在生活垃圾等人為引入影響，但在汽車尾氣的影響下，該土地利用方式下的土壤也受到了一定程度的污染。農(nóng)業(yè)用地輕污染樣點數(shù)比例達(dá)到48.84%，輕污染比例達(dá)到較高水平，可能的原因為農(nóng)田長期使用有機(jī)化肥和農(nóng)藥，導(dǎo)致土壤中重金屬含量增高，污染加重。

4.4 土壤重金屬污染水平的空間特征

4.4.1 土壤重金屬污染投影特征值半方差函數(shù)擬合比較

基于ArcGIS 9.3軟件平臺，計算不同間距的變異函數(shù)，利用目前較為成熟的指數(shù)、球狀和高斯 3種模型進(jìn)行污染綜合指數(shù)插值，根據(jù)插值結(jié)果預(yù)測誤差（標(biāo)準(zhǔn)平均值、均方根預(yù)測誤差、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差），挑選出較為合理的方法（李婷等，2011）。在ArcGIS 9.3中對研究區(qū)采樣點土壤重金屬污染的投影特征值進(jìn)行分析，得到3個模型的預(yù)測誤差（表7）。

根據(jù)插值結(jié)果預(yù)測誤差標(biāo)準(zhǔn)，平均值最接近于0，均方根預(yù)測誤差最小，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差最接近于均方根預(yù)測誤差，標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差最接近于 1來選取模型，由表7可知，研究區(qū)土壤重金屬的污染水平空間預(yù)測以高斯模型的模擬結(jié)果最佳。

根據(jù)表7，長軸和短軸的變程比值為2.24，長軸方位角為 83°，說明污染綜合指數(shù)在空間上有明顯的各向異性，空間變異特征主要反映在北—南方位。高斯模型中塊金值為正值，說明存在著采樣誤差、測定和短距離的變異引起的各種正基底效應(yīng)。按照變量空間相關(guān)性程度的分級標(biāo)準(zhǔn)（謝賢健，2014；鐘曉蘭等，2007），高斯模型中的塊基比為0.721，說明重金屬污染具有中等程度的空間相關(guān)性，重金屬污染受到結(jié)構(gòu)性（非人為因數(shù)）和隨機(jī)性因素（人為因數(shù)）共同作用的影響，如土地利用、土壤母質(zhì)等因子。

4.4.2 重金屬污染程度空間特征分布

在GIS技術(shù)支持下，建立研究區(qū)鉛、鎘、銅、鋅的待評數(shù)據(jù)庫，并將待評數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)行投影尋蹤計算得到數(shù)據(jù)庫中每一待評樣本的投影值。采用統(tǒng)計軟件SPSS 11.5單一樣本K-S檢驗方法對投影值進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計，結(jié)果表明，投影值呈對數(shù)正態(tài)分布。因此，投影值可以作為插值數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值。根據(jù)半方差函數(shù)擬合結(jié)果，利用高斯模型模擬得到研究區(qū)污染指數(shù)空間分布圖（圖 3），基于污染指數(shù)值（即投影特征值）的重金屬污染等級分級（表 5）得到土壤重金屬污染程度的空間分布圖（圖4）。

表6 綜合污染指數(shù)分級Table 6 Classification of comprehensive pollution index

表7 克里格插值預(yù)測誤差Table 7 Prediction error of Kriging

圖3 污染指數(shù)空間分布圖Fig. 3 Spatial distribution of pollution index

圖4 土壤重金屬污染程度空間分布圖Fig. 4 Spatial distribution of soil heavy metal pollution

根據(jù)插值的評價結(jié)果可知，內(nèi)江市城市土壤重金屬污染的程度等級為較清潔、輕污染，和基于投影尋蹤模型計算得到的203個土壤樣點的綜合污染指數(shù)的分級在不同土地利用方式下分布的比例相一致，同時，也與平均指數(shù)所處分級相一致。進(jìn)一步統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，較清潔、輕污染的面積比例為1.2∶1；說明內(nèi)江市城市土壤重金屬污染程度主要為輕污染級別以下，污染水平較輕。從輕污染區(qū)域來看，沱江以北的區(qū)域，主要分布在漢安小區(qū)以南至西雅圖、廣匯住宅區(qū)一帶，這些以住宅用地為主要土地利用類型的區(qū)域交錯分布了較大面積的商業(yè)用地，從而導(dǎo)致污染等級較高；沱江以南的區(qū)域，主要分布在鐵路機(jī)械學(xué)校、內(nèi)江火車站、宏生石油機(jī)械公司一帶，市中區(qū)財政局、翔龍中學(xué)一帶，及內(nèi)江市林業(yè)局附近，這些區(qū)域人口集中、工業(yè)聚集度較大，且區(qū)域交織分布住宅用地從而造成一定的污染。為了進(jìn)一步驗證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，以較清潔和輕污染投影特征值的污染等級分級標(biāo)準(zhǔn)值0.604作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將 203個待評樣本的投影特征值與土壤重金屬污染程度空間分布圖層進(jìn)行疊加分析、統(tǒng)計，結(jié)果顯示，41.58%投影特征值小于0.604的待評樣本，10.39%投影特征值大于 0.604的待評樣本分布在較清潔區(qū)域；5.84%投影特征值小于 0.604的待評樣本，41.18%投影特征值大于0.604的待評樣本分布在輕污染區(qū)域。分析結(jié)果表明，利用投影尋蹤模型計算出的重金屬綜合污染指數(shù)，結(jié)合GIS模擬得到的研究區(qū)土壤重金屬污染程度的空間分布圖基本能夠反映出研究區(qū)重金屬污染的空間水平分布。

5 結(jié)論

（1）除鎘外，本研究區(qū)鉛、銅、鋅均值均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限定值；從極大值來看，局部區(qū)域鎘、銅、鋅的含量為國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限定值的7.8、5.5、3.8倍，鎘、銅、鋅在研究區(qū)局部土壤中存在明顯的富集；從變異系數(shù)來看，研究區(qū)土壤重金屬含量受到人類活動的強(qiáng)烈影響。就土壤重金屬單因子污染指數(shù)來看，僅鎘元素的平均值大于1，污染等級為輕度污染；鉛、銅、鋅的單因子污染指數(shù)均值均小于 1，未出現(xiàn)污染；從樣點單因子污染指數(shù)所占污染等級的百分比來看，研究區(qū)土壤鎘元素污染程度最重，鋅元素次之，銅元素第三，鉛元素最輕。

（2）利用投影尋蹤模型，計算得到203個樣點土壤重金屬污染綜合指數(shù)，平均值介于0.595～0.720，污染等級為較清潔、輕污染，整體污染水平較輕；土壤重金屬綜合污染程度表現(xiàn)為公共用地＞商業(yè)用地＞住宅用地＞工礦用地＞農(nóng)業(yè)用地＞交通用地。

（3）普通克里格插值分析表明，內(nèi)江市城市土壤重金屬污染具有中等程度的空間相關(guān)性變異，變異特征主要反映在北—南方位，污染的程度等級為較清潔、輕污染，二者的面積比例為1.2∶1；說明內(nèi)江市城市土壤重金屬污染主要為輕污染級別以下，污染水平較輕。在較清潔區(qū)，41.58%待評樣本綜合污染指數(shù)小于 0.604；在輕污染區(qū)，41.18%待評樣本綜合污染指數(shù)大于 0.604；表明基于投影尋蹤模型并結(jié)合GIS模擬得到的研究區(qū)土壤重金屬污染程度的空間分布圖基本能夠反映出研究區(qū)重金屬污染的空間水平分布。

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Abstract: As an important component of the urban ecological environment, it is great of significance for urban soil to the sustainable development of a city. However, with the increasing human activities, heavy metals have become significant impact toxic pollutants to the soil in a city. Especially, cadmium (Cd), lead(Pb), copper (Cu) and its complex are more prominent in urban soil pollution.Therefore, in order to explore the content and spatial distribution characteristics of heavy metal pollution in the urban soil, and provide an objective basis for environmental management and environmental protection, in this study, taking Neijiang City as an example, lead (Pb), cadmium (Cd), copper (Cu) and zinc (Zn) of 203 surface soil samples of different land use types are evaluated pollution characteristics and their spatial pollution levels based on ordinary Kriging and Projection Pursuit Model as well as method of single factor pollution index. The results are as follows: (1) The order of enrichment degree was Cd＞Zn＞Cu, and the Pb was not enriched comparing with the grade-two standard values of national environmental quality standards for soils. (2) The variation coefficient of 4 kind of soil heavy metal elements was highly variable, the content of soil heavy metal was strongly affected by human activities. (3) The order of comprehensive pollution degree of ordinary Kriging was public land＞commercial land＞residential land ＞ industrial and mining land＞agricultural land＞traffic land. (4) The pollution grade levels of soil heavy metal in Neijiang City were relatively cleaning，light pollution. The area ratio of spatial distribution between relatively cleaning and slight pollution area was 1.2∶1. In general, the comprehensive pollution level of in Neijiang was lighter. Therefore, the Projection Pursuit Model can provide a new idea for involving multiple factors of heavy metal pollution evaluation on soil.

Key words: ordinary Kriging; Projection Pursuit Model; soil heavy metal; pollution evaluation

Evaluation of Soil Heavy Metal Pollution in Neijiang City Based on Ordinary Kriging and Projection Pursuit Model

XIE Xianjian, HAN Guangzhong

School of Geography and Resources Science of Neijiang Normal University, Neijiang 641000, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.018

X53

A

1674-5906（2017）09-1584-07

謝賢健, 韓光中. 2017. 基于普通克里格和投影尋蹤模型的城市土壤重金屬污染評價[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 26(9):1584-1590.

XIE Xianjian, HAN Guangzhong. 2017. Evaluation of soil heavy metal pollution in Neijiang city based on ordinary Kriging and Projection Pursuit Model [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1584-1590.

國家自然科學(xué)基金項目（41401235）；四川省教育廳重點項目（16ZA0312）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（X201505）

謝賢健（1978年生），男，教授，博士，主要研究方向為水土保持理論及技術(shù)研究。E-mail: xxj007-14@tom.com*通信作者：韓光中（1981年生），男，副教授，博士，主要從事土壤發(fā)生與土壤退化研究。E-mail: hanguangzhong@163.com

2016-10-07