于靖靖，師華定,2*，王明浩,3，劉孝陽(yáng),2

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院土壤與固廢環(huán)境研究所，北京 100012 2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心，北京 100012 3.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084

土壤作為植物生長(zhǎng)和生物生產(chǎn)的媒介，是人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，維持著地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡.研究表明，工業(yè)化和城市化導(dǎo)致了土壤中重金屬污染程度的加劇[1]，土壤中重金屬含量的升高會(huì)對(duì)人類和動(dòng)物造成威脅[2-4].重金屬元素中Cd(鎘)的生物毒性最強(qiáng)，其在環(huán)境中生物有效性高、遷移能力強(qiáng)，有毒有害，容易通過直接吸入灰塵或植物富集進(jìn)入食物鏈[5-9].因此，土壤重金屬污染問題尤其是土壤Cd污染日益受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[10-14].根據(jù)原環(huán)境保護(hù)部和原國(guó)土資源部于2014年聯(lián)合發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[15]，我國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，土壤總點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，其中Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%.有研究[16-18]表明，在工業(yè)和城市快速發(fā)展地區(qū)的人為影響因素中，汽車尾氣排放、工業(yè)廢物、大氣灰塵和氣溶膠的沉積等是重金屬污染的重要來(lái)源.因此，研究土壤中重金屬的空間分布和主要來(lái)源，對(duì)于識(shí)別污染熱點(diǎn)區(qū)域和評(píng)估潛在污染源具有重要意義.

土壤重金屬污染源識(shí)別需要借助多元統(tǒng)計(jì)分析方法，如主成分分析(FCA)法、因子分析(FA)法、聚類分析、化學(xué)質(zhì)量平衡(CMB)法、富集因子分析法、相關(guān)分析法、計(jì)算機(jī)成圖法、同位素示蹤技術(shù)等[19-21].Reza等[22]利用多元統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)分析法識(shí)別印度東北部礦區(qū)附近土壤重金屬污染源的結(jié)果表明，Cd和Pb來(lái)源于人為因素，特別是煤礦開采活動(dòng)，而Ni和Cr來(lái)源于自然因素或人為因素；ZHANG等[23]運(yùn)用主成分分析法、皮爾遜相關(guān)系數(shù)法研究黃河灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重金屬同源性的結(jié)果表明，交通運(yùn)輸、農(nóng)村居民點(diǎn)和水體是土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni污染的主要來(lái)源，其中交通運(yùn)輸是最重要的因素；Cicchella等[24]利用GeoDA和ArcGIS軟件繪制各元素和關(guān)聯(lián)因子的分布圖，利用污染因子和污染程度對(duì)土壤污染進(jìn)行分析，結(jié)果表明，土壤污染具有不同的人為來(lái)源，Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Zn等元素污染主要出現(xiàn)在城市和工業(yè)地區(qū)，并在交通水平較高的道路附近出現(xiàn)，而其他元素(Co、Ni、Se、Tl、V)的含量與背景值有較大的一致性；謝偉城等[25]采用鉛同位素地球化學(xué)示蹤法對(duì)湘江長(zhǎng)潭株段河床沉積物重金屬進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)沙、湘潭段沉積物重金屬的人為源比例小于67%，株洲段沉積物重金屬的人為源比例達(dá)70%.然而，現(xiàn)有研究大多只是對(duì)整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬的潛在污染源進(jìn)行定性研究，缺乏在顯著影響區(qū)域更精細(xì)地把不同污染源的貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量化.因此，了解掌握污染分布、識(shí)別與定量污染來(lái)源是污染防控工作的前提.

雙變量局部莫蘭指數(shù)方法(bivariate local Moran′s I)通過指數(shù)的計(jì)算對(duì)空間內(nèi)兩種要素作比較，并通過聚類分布圖直觀展示兩種要素間的空間相關(guān)性.周俊馳[26]采用局部莫蘭指數(shù)對(duì)研究區(qū)耕地土壤重金屬進(jìn)行分析，識(shí)別出研究區(qū)內(nèi)鉛鋅礦及鎢礦主要產(chǎn)區(qū)——高龍鎮(zhèn)是重金屬Cd、As、Hg的高值聚集區(qū)，說(shuō)明這3種重金屬在耕地土壤中的富集與工礦開采排放關(guān)系密切.賀祥等[27]基于廣義加性模型(GAM)分析南京市PM2.5濃度影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn)，SO2、CO、NO2等影響因素的模型擬合度較優(yōu)，模型解釋度較高.這表明雙變量局部莫蘭指數(shù)方法與GAM結(jié)合的方法可以很好地應(yīng)用于土壤重金屬污染來(lái)源的解析工作.

該研究利用雙變量局部莫蘭指數(shù)方法，首先確定研究區(qū)土壤中w(Cd)與不同行業(yè)類型密度的熱點(diǎn)區(qū)，再利用GAM在熱點(diǎn)區(qū)內(nèi)定量分析各行業(yè)類型對(duì)土壤w(Cd)的貢獻(xiàn)率，以期為區(qū)域企業(yè)管理、重點(diǎn)污染源監(jiān)管提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省是享譽(yù)全國(guó)的有色金屬之鄉(xiāng)，大多數(shù)有色金屬和稀有金屬礦藏的開采和冶煉主要分布在湘江流域內(nèi)，湘江水系土壤重金屬污染區(qū)域主要集中在郴州、衡陽(yáng)和株洲3個(gè)江段[28-30].該研究選取位于湖南省南部郴州市的湘江流域內(nèi)頭山、大河灘兩個(gè)子流域?yàn)檠芯繀^(qū)，包括桂東縣、汝城縣、資興市、永興縣、蘇仙區(qū)、永興縣、北湖區(qū)，東界江西贛州市，南鄰廣東韶關(guān)市，西接湖南永州市，北連湖南衡陽(yáng)市、株洲市，素稱湖南省的“南大門”.研究區(qū)地理位置為112°37′E～114°15′E、25°16′N～26°21′N，地處南嶺山脈與羅霄山脈交錯(cuò)處，長(zhǎng)江水系與珠江水系分流的地帶，境內(nèi)以山丘為主，地貌復(fù)雜多樣，地勢(shì)整體上呈東南高、西北低的特征.郴州市屬于湘江支流(耒水、春陵水等)的上游，礦產(chǎn)資源豐富，被譽(yù)為“世界有色金屬博物館”.《2018年湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示，郴州市擁有工業(yè)企業(yè)1 076個(gè)，其中重工業(yè)713個(gè)，排全省第三.《2018年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，湖南省10種有色金屬產(chǎn)量為55.6×104t，比2017年下降5.6%；鐵礦石原礦量為56.0×104t，比2017年增長(zhǎng)21%.湖南省僅縣屬以上21個(gè)礦山的廢水排放量就高達(dá) 2 375×104m3/a，廢水排放量較大，且郴州境內(nèi)河流中大多數(shù)金屬元素含量均超過GB 8978—1996《中華人民共和國(guó)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的地面水或工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，如w(Cd)超過排放標(biāo)準(zhǔn)1.2～9倍[31-33]，工礦企業(yè)廢水排放是導(dǎo)致土壤重金屬污染的主要原因.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過查閱《2017年中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》《2017年湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》以及實(shí)地信息采集等方式核實(shí)并收集研究區(qū)相關(guān)污染企業(yè)數(shù)據(jù).2018年5—9月，在對(duì)研究區(qū)內(nèi)自然環(huán)境與工業(yè)污染源、污染物排放、人口狀況等社會(huì)環(huán)境調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)布點(diǎn)法，借助2 km×2 km的網(wǎng)格在研究區(qū)內(nèi)均勻布點(diǎn)共計(jì)2 638個(gè)(見圖1).在每個(gè)采樣點(diǎn)用梅花形采樣法對(duì)土壤樣品進(jìn)行采集，在1.07×104km區(qū)域內(nèi)，用不銹鋼鏟取5～6個(gè)表層(0～20 cm)土壤的子樣品，充分混合，四分法后剩余約2 kg封裝帶回.將采集的土壤樣品自然風(fēng)干后碾碎、過篩，采用HCl-HNO3-HF微波密閉消解技術(shù)進(jìn)行土壤樣品的消解，用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)測(cè)定土壤中w(Cd).在采集土壤樣品時(shí)，注意記錄每個(gè)土壤樣品的編號(hào)、采樣地點(diǎn)、采樣經(jīng)緯度以及周邊污染企業(yè)等信息.

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Map of sampling points in the research area

1.3 研究方法

1.3.1莫蘭指數(shù)

空間自相關(guān)是鄰近要素在空間上存在相近或相似的規(guī)律，主要通過空間自相關(guān)指標(biāo)來(lái)測(cè)度.空間自相關(guān)的測(cè)度指標(biāo)有很多，通常以莫蘭指數(shù)(Moran′s I)的應(yīng)用最為廣泛[34-35]，它分為全局莫蘭指數(shù)和局部莫蘭指數(shù)兩種，全局莫蘭指數(shù)可以指出區(qū)域?qū)傩灾档姆植际蔷奂?、離散或者隨機(jī)分布模式；局部莫蘭指數(shù)高值表明有相似變量值的面積單元在空間上聚集，低值表明不相似變量的面積單元在空間上聚集.具體計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

(3)

同時(shí)，對(duì)計(jì)算所得到的莫蘭指數(shù)，利用Z分布進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)公式：

(4)

(5)

VarI=E(I2)-E2(I)

(6)

式中，E(I)為莫蘭指數(shù)的期望值，E(I2)為莫蘭指數(shù)方差的期望值.全局莫蘭指數(shù)值介于-1～1之間，大于0為正相關(guān)，小于0為負(fù)相關(guān)，絕對(duì)值越大表明空間自相關(guān)性越強(qiáng)，空間聚集越明顯；相反，則空間自相關(guān)性越弱，空間分布越隨機(jī).局部莫蘭指數(shù)所得到的空間聚類包括高-高、低-低、高-低、低-高4種類型.在土壤重金屬污染中，高-高空間聚類可視為區(qū)域熱點(diǎn).

1.3.2廣義加性模型

廣義加性模型(GAM)是廣義線性模型的推廣[36-37]，該模型不需預(yù)先設(shè)定模型的參數(shù)，可在原始數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)選擇合適的多項(xiàng)式，對(duì)響應(yīng)變量和多個(gè)解釋變量進(jìn)行非線性擬合，適用于各種分布函數(shù)(如高斯分布、二項(xiàng)式分布、泊松分布、卡方分布等)[37].其表達(dá)式一般可表示為

(7)

式中：g(μ)為響應(yīng)變量的連接函數(shù)；E[Y]為響應(yīng)變量Y的數(shù)學(xué)期望；a為常數(shù)截距；f1，f2，…，fm為連接解釋變量的平滑函數(shù)，一般采用樣條平滑法、局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑法、薄板平滑樣條法；xi為解釋變量.分析結(jié)果中用edf、P、方差解釋率參數(shù)來(lái)表征模型的擬合優(yōu)度，其中edf為估計(jì)自由度，用來(lái)判斷響應(yīng)變量與各解釋變量是否屬于線性關(guān)系；P為分析結(jié)果的顯著性水平，評(píng)估各解釋變量對(duì)響應(yīng)變量影響的相關(guān)性；方差解釋率表征模型對(duì)因變量總體變化的解釋率.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中w(Cd)的分布

分析樣點(diǎn)數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)土壤中w(Cd)為0.032～14.01 mg/kg，平均值為0.63 mg/kg，中位值為0.31 mg/kg，二者均高于湖南省土壤背景值(0.08 mg/kg)[38]，表明土壤中w(Cd)可能受到人為活動(dòng)的影響.峰度可表征數(shù)據(jù)集的平坦度，研究區(qū)土壤中w(Cd)的峰度(273.43)較高，表明數(shù)據(jù)分布較集中.偏度可表征數(shù)據(jù)的正態(tài)性，研究區(qū)土壤中w(Cd)的偏度(12.78)大于0，表明數(shù)據(jù)是右偏分布，即存在較多極端高值.

對(duì)土壤中w(Cd)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，并用Surfer 11制作w(Cd)的等值線圖(見圖2)，結(jié)果顯示，土壤中w(Cd)高值區(qū)主要分布在該流域西部的蘇仙區(qū)、北湖區(qū)、永興縣，低值區(qū)主要分布在桂東縣和汝城縣東部.

圖2 研究區(qū)土壤中w(Cd)的等值面分布Fig.2 Contour map of soil Cd content in the research area

2.2 土壤中w(Cd)與企業(yè)分布的相關(guān)性

以研究區(qū)內(nèi)478家污染企業(yè)分布與 2 638 個(gè)土壤重金屬樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用空間分析方法對(duì)污染企業(yè)密度與土壤重金屬污染的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間相關(guān)分析，并基于不同區(qū)域的空間關(guān)系類型信息進(jìn)行污染源空間分布特征的判斷.獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，在ArcGIS 10.5中進(jìn)行企業(yè)空間分布的核密度分析，將核密度值和采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成覆蓋整個(gè)研究區(qū)的1 km×1 km格網(wǎng)數(shù)據(jù)，在GeoDa軟件中進(jìn)行雙變量空間相關(guān)性分析，從而判斷污染源與土壤w(Cd)在空間分布上的協(xié)同特征.

圖3 研究區(qū)重點(diǎn)污染企業(yè)分布Fig.3 Distribution map of key polluting enterprises in the research area

按照GB/T 4754—2017《國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類》將研究區(qū)內(nèi)478家(見圖3)污染企業(yè)分為4種重點(diǎn)行業(yè)，其中采選業(yè)(黑色金屬礦采選業(yè)、有色金屬礦采選業(yè))269個(gè)，冶煉和壓延加工業(yè)(黑色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、有色金屬冶煉和壓延加工業(yè))132個(gè)，化學(xué)品制造業(yè)(化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè))34個(gè)，其他行業(yè)(廢棄資源綜合利用業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)、生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)等)43個(gè).通過GeoDa軟件分別計(jì)算全部企業(yè)及4種重點(diǎn)行業(yè)的全局莫蘭指數(shù)(見表1).由表1可見，研究區(qū)全部企業(yè)及4種重點(diǎn)行業(yè)的全局莫蘭指數(shù)均為正，其中全部企業(yè)的空間相關(guān)性在P<0.05 水平下顯著，其他4種重點(diǎn)行業(yè)的空間相關(guān)性均在P<0.001 水平下顯著.不同行業(yè)類別的空間相關(guān)性存在一定差異，但研究區(qū)4種重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)分布的全局莫蘭指數(shù)均較高，說(shuō)明不同行業(yè)企業(yè)在區(qū)域內(nèi)的分布集聚性較強(qiáng).研究區(qū)全部企業(yè)的全局莫蘭指數(shù)比單個(gè)行業(yè)的全局莫蘭指數(shù)低，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)478家企業(yè)分布較離散，總體來(lái)看沒有形成顯著的集聚區(qū)；但區(qū)域內(nèi)單個(gè)行業(yè)的企業(yè)呈現(xiàn)顯著的集聚分布特征，尤其是冶煉與壓延加工業(yè)，其集聚性最為明顯，這主要受資源稟賦、地形條件、交通等的影響.

表1 研究區(qū)不同行業(yè)類型的全局莫蘭指數(shù)Table 1 Global Moran Index for different industry types in the research area

為進(jìn)一步分析重點(diǎn)污染行業(yè)對(duì)土壤中w(Cd)的影響，采用Bivariate Local Moran′s I方法進(jìn)行局部莫蘭指數(shù)分析，分別繪制土壤w(Cd)與行業(yè)總體及4種重點(diǎn)污染行業(yè)的空間相關(guān)性聚類分布結(jié)果(見圖4、5)，共分為5類，分別是土壤w(Cd)高值與企業(yè)密度高值聚類(H-H)、土壤w(Cd)低值與企業(yè)密度低值聚類(L-L)、土壤w(Cd)低值與企業(yè)密度高值聚類(L-H)、土壤w(Cd)高值與企業(yè)密度低值聚類(H-L)和無(wú)聚類.分析結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)行業(yè)總體及4種重點(diǎn)污染行業(yè)均與土壤w(Cd)呈顯著相關(guān).

土壤w(Cd)與行業(yè)總體及4種重點(diǎn)行業(yè)之間均表現(xiàn)出較強(qiáng)的H-H聚類趨勢(shì)，主要分布在研究區(qū)中西部，說(shuō)明該區(qū)域重點(diǎn)污染企業(yè)密度較高，環(huán)境污染比較嚴(yán)重，可能與該區(qū)域相關(guān)污染企業(yè)的不規(guī)范生產(chǎn)與未經(jīng)處理的工業(yè)廢水排放有關(guān)，同時(shí)該區(qū)域位于河流走向的下游，土壤重金屬Cd隨著河流的遷移作用而在此處富集.宋杰[39]研究表明，湘江流域的長(zhǎng)期工業(yè)活動(dòng)，使上游河岸沉積物各深度剖面中Cd、Pb、As、Cr等元素的含量都低于下游剖面.聚類結(jié)果為L(zhǎng)-L類型的區(qū)域主要集中在研究區(qū)東北部，說(shuō)明該區(qū)域污染程度低，企業(yè)密度低，總體上產(chǎn)業(yè)發(fā)展從產(chǎn)生環(huán)境污染到出現(xiàn)環(huán)境問題，會(huì)滯后很長(zhǎng)時(shí)間，存在較為顯著的滯后性.

聚類結(jié)果為L(zhǎng)-H類型同樣只在采選業(yè)、冶煉和壓延加工業(yè)中存在，在采選業(yè)中主要分布在研究區(qū)東南部，在冶煉和壓延加工業(yè)中主要分布在研究區(qū)北部和東南部，且在H-H聚類結(jié)果的外圍，該區(qū)域環(huán)境污染不明顯，但隨著產(chǎn)業(yè)聚集度的升高，有可能是以后污染的高速增長(zhǎng)區(qū)，而且該區(qū)域位于湘江流域上游，即使存在較高密度的企業(yè)，但該企業(yè)違規(guī)排放的污染物并沒有對(duì)土壤重金屬Cd產(chǎn)生明顯影響，或者污染物隨著河流的遷移作用并未在該區(qū)域積累.聚類結(jié)果為H-L類型只在采選業(yè)、冶煉和壓延加工業(yè)中存在，主要集中在研究區(qū)西北部和中部，該區(qū)域重金屬污染嚴(yán)重，但企業(yè)密度較低，可能是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤母質(zhì)等其他環(huán)境因素造成的污染，也有可能是河流上游污染企業(yè)違規(guī)排放的污染物在此處匯集[30]，如曾清如等[40]研究發(fā)現(xiàn)，湖南省東河與西河流域非污染土壤中w(Cd)、w(As)遠(yuǎn)高于湖南省同類土壤的背景值，屬于高背景區(qū)，其成因還需進(jìn)一步確認(rèn).

注：“無(wú)”表示土壤w(Cd)與企業(yè)密度之間無(wú)聚類；“H-H”表示土壤w(Cd)高值與企業(yè)密度高值聚類；“L-L”表示土壤w(Cd)低值與企業(yè)密度低值聚類；“L-H”表示土壤w(Cd)低值與企業(yè)密度高值聚類；“H-L”表示土壤w(Cd)高值與企業(yè)密度低值聚類.下同.圖4 研究區(qū)土壤中w(Cd)與行業(yè)總體密度聚類分析結(jié)果Fig.4 Cluster analysis results of soil Cd content and total firm density in the research area

圖5 研究區(qū)土壤中w(Cd)與各類行業(yè)密度聚類分析結(jié)果Fig.5 Cluster analysis results of soil Cd content and various industry densities in the research area

2.3 土壤重金屬Cd污染源識(shí)別

以土壤w(Cd)作為響應(yīng)變量，以不同行業(yè)的企業(yè)密度作為解釋變量，建立GAM相應(yīng)關(guān)系模型，采用R 3.5.3軟件中mgcv軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

根據(jù)局部莫蘭指數(shù)相關(guān)性分析可知，聚類結(jié)果為H-H類型的區(qū)域是企業(yè)污染顯著影響區(qū).為進(jìn)一步明確4種重點(diǎn)行業(yè)與土壤Cd污染的相關(guān)性，選取4種重點(diǎn)行業(yè)聚類結(jié)果都是H-H類型的區(qū)域，每種行業(yè)選定126個(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù).將采選業(yè)行業(yè)密度、冶煉和壓延加工業(yè)行業(yè)密度、化學(xué)品制造業(yè)行業(yè)密度、其他行業(yè)密度4個(gè)影響因素作為解釋變量，w(Cd)作為響應(yīng)變量，采用樣條平滑函數(shù)對(duì)單個(gè)解釋變量構(gòu)建GAM，并分析每個(gè)解釋變量對(duì)響應(yīng)變量的顯著性影響及方差解釋率(見表2).結(jié)果表明，其他行業(yè)密度與土壤w(Cd)呈顯著相關(guān)(P<0.01)，而其他3個(gè)變量與土壤w(Cd)均呈極顯著相關(guān)(P<0.001)，表明各影響因素單獨(dú)作為w(Cd)解釋變量時(shí)均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與采用局部莫蘭指數(shù)進(jìn)行分析的結(jié)果相同；采選業(yè)行業(yè)密度、冶煉和壓延加工業(yè)行業(yè)密度、化學(xué)制品制造業(yè)行業(yè)密度對(duì)w(Cd)影響的模型解釋率(46.2%～51.2%)較高，表明這3個(gè)影響因素與w(Cd)構(gòu)建模型的擬合度最優(yōu)；其他行業(yè)密度對(duì)w(Cd)的解釋率(19.3%)較低，表明其他行業(yè)密度單獨(dú)對(duì)w(Cd)構(gòu)建模型的擬合優(yōu)度較差，模型對(duì)w(Cd)的解釋能力也較差，但它通過了顯著性檢驗(yàn)，同樣具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表2 土壤中w(Cd)與各影響因素的GAM分析結(jié)果Table 2 GAM model analysis results of soil Cd content and influencing factors

注：*** 表示在0.001水平下變量是顯著的；** 表示在0.01水平下變量是顯著的.

edf=1表明解釋變量與響應(yīng)變量w(Cd)呈線性關(guān)系，edf>1表明解釋變量與響應(yīng)變量w(Cd)間呈非線性關(guān)系，其值越大，意味著非線性影響能力越強(qiáng).該研究結(jié)果(見表2)表明，4種解釋變量均與土壤w(Cd)具有非常顯著的非線性關(guān)系，所以土壤w(Cd) 受這4種解釋變量的復(fù)雜非線性綜合影響.

GAM可以較好地分析受企業(yè)影響區(qū)域內(nèi)不同行業(yè)污染企業(yè)對(duì)w(Cd)的影響程度.分析結(jié)果顯示，在企業(yè)污染顯著影響區(qū)內(nèi)4種重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)密度對(duì)土壤w(Cd)空間分布影響排序?yàn)椴蛇x業(yè)>化學(xué)品制造業(yè)>冶煉和壓延加工業(yè)>其他行業(yè)，這種排序反映了不同行業(yè)類型的企業(yè)對(duì)土壤w(Cd)的影響程度，對(duì)于受企業(yè)影響區(qū)內(nèi)的土壤Cd污染，采選業(yè)是其主要污染來(lái)源.眾所周知，在金屬采選過程中產(chǎn)生的廢水、廢渣、廢氣及大量堆積的尾礦庫(kù)，重金屬會(huì)在生物地球化學(xué)作用下被釋放和遷移，從而對(duì)周邊土壤、河流以及大氣環(huán)境等造成污染[41-42].LIU等[43]對(duì)郴州市鉛鋅礦尾礦庫(kù)潰壩區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行緊急處理后，部分土壤仍受到Cd、As、Pb、Cu等重金屬的嚴(yán)重污染.魏本杰等[44]研究表明，湘江流域某冶煉廠周邊土壤已受到重金屬污染，其中Cd污染程度最高，Zn、Hg、Pb也存在一定污染.湖南省有色金屬礦藏豐富，且主要分布在湘江中下游的長(zhǎng)沙、株洲、湘潭、衡陽(yáng)與郴州五城市及周邊地區(qū)，隨著金屬采礦、冶煉活動(dòng)影響的進(jìn)一步加劇，湘江中下游己成為湖南省河流沿岸土壤重金屬污染問題最突出的地區(qū)，這與筆者所得土壤Cd污染與采礦、冶煉活動(dòng)關(guān)系密切的研究結(jié)果相類似.

該研究首先對(duì)整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)土壤Cd的潛在污染源進(jìn)行定性研究，然后在污染熱點(diǎn)區(qū)域不同污染源的貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量分析.土壤中Cd污染成因復(fù)雜，陳秀端等[45]通過絕對(duì)主成分分?jǐn)?shù)/多元線性回歸與地統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法定量解析土壤中多種重金屬的主要來(lái)源為自然源、交通源、化石燃料燃燒源.秦治恒等[46]基于空間位置利用空間自相關(guān)方法，發(fā)現(xiàn)湘江流域土壤中w(Cd)分布與相關(guān)污染企業(yè)的位置存在很高的相關(guān)性.對(duì)比可知，Bivariate local Moran′s I與GAM結(jié)合的方法可以達(dá)到明確土壤中w(Cd)高值分布區(qū)域，并進(jìn)一步定量解析相關(guān)污染重點(diǎn)企業(yè)對(duì)土壤中w(Cd)的影響，從而有針對(duì)性地提出區(qū)域企業(yè)管理、重點(diǎn)污染源監(jiān)管及土壤環(huán)境治理策略.

3 結(jié)論

a) 湘江子流域內(nèi)行業(yè)企業(yè)受地理環(huán)境、資源分布、人文環(huán)境的影響而呈現(xiàn)聚集分布，而重點(diǎn)污染企業(yè)對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤重金屬Cd污染的影響也呈局部區(qū)域性特征.

b) 研究區(qū)土壤中w(Cd)分布受企業(yè)影響顯著，在企業(yè)集聚的區(qū)域，土壤w(Cd)較高.

c) 采選業(yè)、化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)、冶煉和壓延加工業(yè)、其他行業(yè)4種行業(yè)類型對(duì)土壤重金屬Cd污染影響程度不同，其中采選業(yè)對(duì)土壤重金屬Cd污染影響最突出，企業(yè)密度的方差解釋率為51.2%.