張 敏，陳 海，史琴琴，張 行，劉 迪，趙 巖

（西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安710127）

土壤重金屬是一種隱蔽性強(qiáng)、危害持久的污染物[1]。2014 年我國發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，農(nóng)田土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%。據(jù)估算，目前我國受重金屬污染的農(nóng)田土壤面積約2×107hm2，每年受重金屬污染的糧食多達(dá)1.2×107t，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2×1010元[2]，農(nóng)田土壤重金屬污染的研究已經(jīng)成為當(dāng)前地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及生物科學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。耕層土壤重金屬的積累受周邊環(huán)境的交互影響，過量的重金屬累積會(huì)對(duì)土壤環(huán)境以及人體健康造成危害，因此，研究耕地土壤重金屬空間分布及其影響因素對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，已有學(xué)者對(duì)農(nóng)田土壤重金屬空間分布進(jìn)行了相關(guān)研究，主要關(guān)注礦區(qū)[3-4]、工業(yè)區(qū)[5]、交通干道[6-7]、污灌區(qū)[8-9]以及城區(qū)周邊農(nóng)田[10]等。這些農(nóng)田受人類活動(dòng)影響較大且有明確的污染源，土壤重金屬的空間分布與污染源的位置有很強(qiáng)的相關(guān)性。自然條件和人為活動(dòng)均復(fù)雜的區(qū)域，土壤重金屬的空間分布特征較復(fù)雜[11-12]。影響土壤重金屬分布的因素可分為自然因素[13]（地形、成土母質(zhì)、土壤類型等）和人為因素[14-15]（工業(yè)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、生活垃圾等）兩類。目前研究多側(cè)重于單一因素對(duì)重金屬的影響，尤其關(guān)注人為因素對(duì)重金屬空間分布的影響，如工業(yè)活動(dòng)[16]、交通[17]、污水灌溉[18]、農(nóng)業(yè)面源污染[19]等。而針對(duì)土壤重金屬分布受多種因素交互影響的農(nóng)田，分析其影響因素交互作用的研究還不多見。地理探測(cè)器可探測(cè)變量之間潛在的空間相關(guān)關(guān)系，得到不同影響因子及其交互作用對(duì)于重金屬分布的解釋力，從而更加全面客觀地分析土壤重金屬空間分布的特征和機(jī)理[20]。雖已有學(xué)者將其引入土壤重金屬的研究中[21-22]，但對(duì)影響土壤重金屬空間分布的機(jī)理解釋尚淺，因此，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與地理探測(cè)器的結(jié)合，將更有助于闡明土壤重金屬空間分布與影響因子之間的內(nèi)在聯(lián)系。

綜上，本文以典型黃土丘陵溝壑區(qū)陜西省米脂縣高渠鄉(xiāng)的耕地土壤為研究對(duì)象，首先通過地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析土壤重金屬的空間變異特征；其次，結(jié)合地理探測(cè)器與方差分析，綜合考慮地形和農(nóng)戶種植方式的影響，定量探測(cè)重金屬含量與影響因子的相關(guān)關(guān)系，以期為黃土丘陵溝壑區(qū)耕層土壤重金屬的污染預(yù)防和農(nóng)戶合理耕種提供科學(xué)依據(jù)，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和生態(tài)環(huán)境治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省米脂縣高渠鄉(xiāng)（110°08′～110°13′E，37°47′～38°53′N），地處無定河中游，黃土高原腹地，總面積72.4 km2，下轄20個(gè)行政村（圖1）。該地地表破碎，水土流失嚴(yán)重，地貌主要以峁、墚、溝、川為主，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)[23]。海拔900～1200 m，夏季降水較為集中。土壤類型以黃綿土為主，土壤色淺發(fā)黃，土質(zhì)疏松、綿軟，具有濕陷性[24]，且具有良好的透水性和可耕性。當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕歷史久遠(yuǎn)，作物多以玉米、紅蔥、馬鈴薯、果樹、雜糧等為主。2018 年該鄉(xiāng)種植面積約12 km2，其中，種植類型包括雜糧（4 km2）、玉米（3.12 km2）、紅蔥（1.71 km2）、果樹（1.59 km2）、馬鈴薯（1.54 km2）。目前，該鄉(xiāng)是紅蔥種植及果樹栽種的典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)。以該鄉(xiāng)耕層土壤作為研究對(duì)象，為結(jié)合自然和社會(huì)因素探討土壤重金屬的空間分布與影響機(jī)理提供了良好的平臺(tái)。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Distribution of sampling points in the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 土壤樣品數(shù)據(jù)

2018 年7—8 月課題組對(duì)高渠鄉(xiāng)耕層土壤（0～20 cm）進(jìn)行采樣，共采集90個(gè)土壤樣品?？紤]到采樣結(jié)果的差異性，依據(jù)不同種植類型和地形設(shè)置樣點(diǎn)位置，保證采集到不同地形和種植方式下的土壤樣品。此外，在實(shí)地采樣中，樣點(diǎn)盡量布設(shè)在地塊中間位置，以保證樣點(diǎn)的代表性。樣點(diǎn)分布位置如圖1所示。

采樣過程中，參照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（NY∕T 395—2000），采用五點(diǎn)混合采樣法，每個(gè)子樣點(diǎn)采集表層土壤約200 g，將其充分混合后裝入樣品袋內(nèi)，同時(shí)記錄該樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)、高程、種植類型以及周圍環(huán)境情況。將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，之后將土樣內(nèi)的植物根系、木棍、生物殘?bào)w等碎屑物剔除，研磨后過0.15 mm 尼龍篩，裝袋制成待測(cè)樣品。

本次實(shí)驗(yàn)使用X 熒光元素分析儀（英文簡稱XRF，型號(hào)Niton XL 3t，美國NITON 公司）對(duì)重金屬元素含量進(jìn)行測(cè)定，為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)土壤樣品設(shè)置3 組平行實(shí)驗(yàn)，最終求取平均值作為該樣品中各重金屬的含量，且測(cè)定過程中使用國家標(biāo)準(zhǔn)樣品（GBW07307）進(jìn)行校準(zhǔn)。已有學(xué)者使用XRF 測(cè)量方法與常規(guī)方法測(cè)定土壤中Cu、Zn、Pb、As 和Cr 等重金屬，測(cè)試結(jié)果較一致，相對(duì)偏差在0.044%～13.7%[25]，說明XRF法能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的重金屬元素測(cè)定。

1.2.2 影響因子數(shù)據(jù)

行政邊界、道路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自于2009 年米脂縣第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫，并基于2018 年當(dāng)?shù)剡b感影像數(shù)據(jù)和實(shí)際調(diào)研，對(duì)其進(jìn)行了完善；DEM 數(shù)據(jù)來自于中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云（http：∕∕www.gscloud.cn∕），分辨率為30 m，通過GPS測(cè)點(diǎn)和重采樣技術(shù)，得到高渠鄉(xiāng)10 m×10 m 的DEM 數(shù)據(jù)；坡度、坡向、地形起伏度、地形濕度指數(shù)和地形部位指數(shù)數(shù)據(jù)是基于DEM 數(shù)據(jù)通過SimDTA 軟件計(jì)算得出；種植類型、地塊面積數(shù)據(jù)源于2018 年課題組對(duì)該鄉(xiāng)農(nóng)戶耕地權(quán)屬地塊實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 地統(tǒng)計(jì)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)以半方差函數(shù)描述變量的空間相關(guān)性[26]，可以分析變量的隨機(jī)性及結(jié)構(gòu)性，反映區(qū)域內(nèi)土壤中各距離重金屬觀測(cè)值的變化。公式如下：

式中：r（h）為半方差函數(shù)；h 為兩個(gè)樣本點(diǎn)的分隔距離；Z（xi）和Z（xi+h）分別為區(qū)域化變量Z（x）在xi和xi+h 處的實(shí)測(cè)值；N（h）是以h 為間距的所有觀測(cè)點(diǎn)的成對(duì)數(shù)目。

1.3.2 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器是探測(cè)空間分異性，以及揭示其背后驅(qū)動(dòng)力的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[27]。地理探測(cè)器包含四個(gè)探測(cè)器：分異及因子探測(cè)、交互作用探測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)探測(cè)和生態(tài)探測(cè)。分異及因子探測(cè)器公式如下：

式中：q 為影響因子對(duì)于某重金屬空間分異性的解釋力，值域?yàn)閇0，1]，q 值越大，表明某影響因子對(duì)某重金屬空間分布的解釋力越強(qiáng)；L 為重金屬含量或各影響因素的分類數(shù)；Nh和N 分別為類h 和全區(qū)的樣點(diǎn)量；σ2h和σ2分別為類h和全區(qū)的方差。

交互作用探測(cè)器：能夠識(shí)別不同影響因子之間的交互作用，即評(píng)估兩個(gè)影響因素共同作用相對(duì)單因子對(duì)重金屬空間分布的解釋力是增加、減弱或者是相互獨(dú)立的。

本文運(yùn)用因子探測(cè)與交互探測(cè)分析分別分析地形和種植方式對(duì)土壤重金屬空間分布的影響及二者的交互影響。各影響因子及分級(jí)如表1 所示。地形因素的選取及分級(jí)依據(jù)參考文獻(xiàn)[28-31]，種植方式的分級(jí)及依據(jù)參考實(shí)地調(diào)研及文獻(xiàn)[32]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)特征分析

運(yùn)用SPSS 22 對(duì)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，計(jì)算樣品中重金屬含量的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

高渠鄉(xiāng)農(nóng)田土壤中Pb、As、Cu、Cr、Ni、Zn 元素的平均含量分別為16.33、10.52、30.41、101.61、57.99、55.23 mg·kg-1，均未超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值；As、Cu、Cr、Ni 元素含量雖未超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但相較于黃綿土背景值，超出樣本率分別達(dá)到23%、100%、100%、100%，說明土壤中的As、Cu、Cr、Ni 雖沒有達(dá)到污染水平，但在長期人類活動(dòng)干擾下有一定程度的積累；Pb、Zn 元素均未超過黃綿土的土壤背景值。本研究樣品數(shù)據(jù)中各元素的含量均沒有超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，說明重金屬元素對(duì)研究區(qū)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)低，但Ni 元素的含量相對(duì)背景值含量普遍較高，可能對(duì)當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)生潛在危害。

變異系數(shù)可以表明樣點(diǎn)重金屬含量的平均空間變異程度，高渠鄉(xiāng)農(nóng)田土壤Pb、As、Cu、Cr、Ni、Zn元素的變異程度由強(qiáng)到弱依次為Cu＞As＞Ni＞Cr＞Pb＞Zn，其中，As和Cu 元素的變異系數(shù)在10%～100%之間，為中等變異，Pb、Cr、Ni、Zn的變異系數(shù)小于10%，為弱變異。

2.2 土壤重金屬空間變異分析

基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，采用普通克里金插值法得到高渠鄉(xiāng)農(nóng)田土壤重金屬含量的空間分布圖。為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合地統(tǒng)計(jì)學(xué)正態(tài)分布的要求，首先，將重金屬數(shù)據(jù)在SPSS軟件中做K-S（Kolmogorov-smirnov）檢驗(yàn)，結(jié)果表明（表2）Pb、As、Cu、Cr、Ni、Zn（P（K-S）＞0.05）均呈近似正態(tài)分布。

2.2.1 半方差函數(shù)分析

利用GS+軟件確定重金屬的最佳半方差函數(shù)理論模型，不同重金屬擬合的最佳半方差函數(shù)理論模型、相關(guān)參數(shù)如表3 所示。所有元素的決定系數(shù)均大于0.541，殘差RSS 也相對(duì)較小，說明擬合的理論模型符合地統(tǒng)計(jì)分析要求。

塊金系數(shù)表示在總變異中隨機(jī)因素引起的變異所占的比例，用塊金值和基臺(tái)值的比值表示，若塊金系數(shù)小于0.25，說明重金屬的空間差異主要由結(jié)構(gòu)性因素決定，如成土母質(zhì)、地形等自然因素，重金屬的空間相關(guān)性較強(qiáng)；若塊金系數(shù)大于0.25 小于0.75，說明重金屬既受到結(jié)構(gòu)性因素的影響，又受到的隨機(jī)性因素的影響，有中等程度的空間相關(guān)性；若塊金系數(shù)大于0.75，說明隨機(jī)因素引起重金屬在空間上的差異較大，具有較小的空間相關(guān)性。由表3 可知，本研究區(qū)中Pb、Zn 主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，As、Cu、Cr、Ni 受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響；各重金屬均表現(xiàn)出小尺度（變程均小于1 km）的空間異質(zhì)性。

2.2.2 土壤重金屬空間格局分析

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中普通克里金插值法對(duì)高渠鄉(xiāng)土壤重金屬區(qū)域化變量進(jìn)行估計(jì)，其中標(biāo)準(zhǔn)平均值（Mean standard error，MSE）越接近0，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差（Root mean square standardized error，RMSSE）越接近1，精度越高。由表3 可知，各重金屬元素在擬合的半方差函數(shù)模型下預(yù)測(cè)精度較好，反映出研究區(qū)耕地土壤重金屬空間分布情況（圖2）。

由圖2 可知，各重金屬表現(xiàn)出不同程度的聚集，從整體空間特征上看，Pb和Cr的分布具有相似性，高值區(qū)比較分散，主要分布在中部以及東南部區(qū)域，根據(jù)調(diào)研材料，該區(qū)域分布有規(guī)模較大的養(yǎng)殖場(chǎng)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣在農(nóng)田中大量投入農(nóng)家肥。As、Cu 和Ni 在空間分布上有相似性，As 和Cu 均在高渠鄉(xiāng)西北部有高值出現(xiàn)，該區(qū)高程較高，有大面積果園種植；Ni 含量呈中間低兩側(cè)高的空間分布，在溝道交匯處含量較低。Zn 含量空間分布相對(duì)比較分散，高值區(qū)域主要出現(xiàn)在北部和西部，西南部為低值區(qū)。

表2 高渠鄉(xiāng)農(nóng)田土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)（n=90）Table 2 Descriptive statistics of heavy metals in farmland soil of Gaoqu Township（n=90）

表1 各影響因子及分級(jí)依據(jù)Table 1 Impact factors and grading

從重金屬含量等級(jí)范圍看，各重金屬含量主要處于第Ⅱ范圍內(nèi)，且主要分布在海拔1015～1094 m、坡度5°～15°之間的地形上。其中，Pb 含量在第Ⅱ等級(jí)的面積占69.75%，主要分布在劉渠、井家溝、李謝鹼等村；As 含量在第Ⅱ等級(jí)的面積占59.91%，主要分布在姜新莊、馬家溝、陳家溝等村；Cu 含量主要處于第Ⅰ、Ⅱ等級(jí)，占93.42%，高西溝、高渠和馬家溝等村含量較高；Cr 含量在第Ⅱ等級(jí)的面積占71.73%，主要分布于折家坪、姜新莊和馮渠等村；Ni含量在第Ⅱ等級(jí)的面積占53.82%，主要分布在馬蹄坬、李謝鹼和高家鹼等村；Zn 元素含量主要處于第Ⅱ、Ⅲ等級(jí)，占96.62%，主要分布在陳家溝、高廟山和李郝山等村。

表3 重金屬含量的半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)Table 3 Semi-variogram function theoretical model，relevant parameters and verification results of heavy metals

圖2 高渠鄉(xiāng)農(nóng)田土壤重金屬含量空間分布圖Figure 2 Spatial distribution of heavy metals’content in farmland soil of Gaoqu Township

2.3 土壤重金屬空間分布的影響因素分析

2.3.1 土壤重金屬空間分布影響因子探測(cè)

各地形因子對(duì)土壤重金屬的探測(cè)結(jié)果如表4，由各影響因子對(duì)重金屬空間分布的解釋力大小判斷，各重金屬均受到地形與種植方式的影響，且各影響因子對(duì)重金屬的影響程度不同。其中，地形因子中坡向?qū)Ω髦亟饘俚挠绊懢^大，其中，對(duì)As 和Zn 的影響達(dá)到了顯著水平；地形起伏度、地形部位指數(shù)和坡度對(duì)各重金屬影響均較??；其余各地形因子對(duì)各重金屬的影響差異較大，表現(xiàn)為高程對(duì)Cr和Zn的影響較大，且對(duì)Cr 的影響達(dá)到顯著水平；地形濕度指數(shù)對(duì)Cr 和Ni影響較大，對(duì)其他各重金屬的影響均較小。對(duì)于種植方式，除Pb 外，種植類型對(duì)各重金屬的影響均較大，其中，對(duì)Cr和Zn的影響達(dá)到顯著水平；地塊距道路距離對(duì)各重金屬的影響差異較大，其中對(duì)As 和Ni 的影響達(dá)到了顯著水平；地塊面積對(duì)Ni 的影響較大，對(duì)其他各重金屬的影響均較小。

2.3.2 地形對(duì)土壤重金屬分布的影響

為了進(jìn)一步揭示不同地形條件下各重金屬的分布情況，對(duì)各地形條件下土壤重金屬的含量通過SPSS 軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5，地形因子與重金屬含量的關(guān)系既存在空間相關(guān)性，也存在線性相關(guān)性，分析結(jié)果有一定的一致性。具體表現(xiàn)為，Cr 在不同的高程下存在顯著差異，結(jié)合探測(cè)結(jié)果，Cr 與高程既存在空間相關(guān)性又存在線性相關(guān)性，Cr 含量在高海拔處含量最低，海拔主要通過影響土壤侵蝕和種植活動(dòng)來影響土壤中重金屬的遷移情況，高海拔區(qū)域土壤侵蝕較嚴(yán)重，且耕地多分布在中低海拔處，重金屬隨土壤遷移，在中低海拔區(qū)域積累。

半陽坡土壤中Cr 的含量顯著高于半陰坡與陰坡，其余元素組間差異不明顯。地形濕度指數(shù)從空間角度對(duì)Cr、Ni 元素的解釋力較強(qiáng)，組間差異也處于顯著水平，表現(xiàn)為地形濕度指數(shù)在第一和第二等級(jí)差異不明顯，在第三等級(jí)含量顯著高，兩元素表現(xiàn)出相似的規(guī)律。地形濕度指數(shù)反映土壤中的水分，指數(shù)越高土壤水分越大，Cr 和Ni 元素容易在土壤含水量較高的區(qū)域積累，對(duì)水的吸附性較強(qiáng)。

2.3.3 種植方式對(duì)土壤重金屬分布的影響

各重金屬在不同種植方式下的方差分析結(jié)果見表6。不同種植類型間各重金屬（除Cr 外）含量均存在顯著差異，As 元素在果樹地的含量高于其他地類，其中，顯著高于玉米地和紅蔥地，可能與果樹地噴灑含As 農(nóng)藥有關(guān)。不同的地塊面積Ni 含量有顯著差異，其中，中地塊的Ni 含量顯著低于小地塊和大地塊。Ni 元素可能來自農(nóng)家肥、化石燃料燃燒等，對(duì)于當(dāng)?shù)氐姆N植戶來說，地塊面積的大小影響其生產(chǎn)管理的決策，一般對(duì)于地塊面積較小的耕地，農(nóng)戶管理不完善，施肥和用藥量變化幅度較大，用量不規(guī)范；而面積較大的地塊，農(nóng)藥化肥的種類較多，用量較大，因此表現(xiàn)為小地塊和大地塊中Ni 元素含量較高。距道路的不同距離范圍間Ni 元素有顯著差異，表現(xiàn)為距離道路越遠(yuǎn)，Ni 含量越低，距道路的遠(yuǎn)近反映農(nóng)戶管理地塊的便利程度，距離道路越近農(nóng)戶生產(chǎn)投入越便利，生產(chǎn)投入會(huì)相應(yīng)增多，同時(shí)，也受到鄰近機(jī)動(dòng)車尾氣排放等交通污染的影響。

表4 地形因子及種植方式對(duì)土壤重金屬空間分布的解釋力q值Table 4 Interpretation q of the spatial distribution of soil heavy metals by topographic factors

表5 不同地形條件下土壤重金屬的平均含量及標(biāo)準(zhǔn)差（mg·kg-1）Table 5 Average value of soil heavy metal content under different topographic conditions（mg·kg-1）

表6 不同種植方式下土壤重金屬的平均含量及標(biāo)準(zhǔn)差（mg·kg-1）Table 6 Average content of heavy metals in soil under different planting conditions（mg·kg-1）

2.3.4 地形和種植方式對(duì)土壤重金屬分布的交互影響對(duì)地形因子與種植因子進(jìn)行交互探測(cè)，根據(jù)兩種因子之間交互作用對(duì)土壤重金屬空間分布的解釋力大小判斷，相對(duì)單因子，兩因子的交互影響力增強(qiáng)。最高影響因子及交互影響力結(jié)果如表7 所示。地形因子對(duì)各重金屬交互影響力均大于種植方式的交互影響力，說明地形對(duì)于各重金屬空間分布的影響大于種植方式差異的影響，該結(jié)論與空間相關(guān)性分析結(jié)果基本一致。其中，對(duì)于地形因子，坡向與地形起伏度對(duì)Pb和Ni元素的交互影響力最大（0.272 9、0.303 6），高程與坡向?qū)s、Cu 和Zn 的交互影響力最大（0.336 9、0.341 1、0.373 7），坡向和地形部位對(duì)Cr 的交互影響力最大（0.320 1），其空間解釋力均相對(duì)單個(gè)地形因子解釋力增加。對(duì)于種植方式，種植因子中種植類型與距道路距離對(duì)Pb 的交互影響力最大（0.119 9），種植類型與地塊面積對(duì)As、Cu、Cr、Ni和Zn的交互影響力最大（0.237 3、0.199 6、0.262 6、0.214 4、0.271 4），其空間解釋力均大于單個(gè)種植因子的解釋力。而地形和種植方式的交互探測(cè)結(jié)果顯示，坡向與種植類型的交互影響對(duì)各重金屬的空間分布影響均最大，且地形與種植方式間因子的兩兩交互均大于地形因子與種植方式內(nèi)部因子的交互作用，說明地形和種植方式的交互作用更能揭示研究區(qū)土壤重金屬的空間分布情況，以坡向和種植類型的交互影響表現(xiàn)最強(qiáng)烈。

3 討論

地形變化影響土壤侵蝕和土壤內(nèi)部的水熱環(huán)境，進(jìn)而影響重金屬的遷移和轉(zhuǎn)化。基于長期耕作習(xí)慣，農(nóng)戶不同的種植方式對(duì)應(yīng)于不同的施用化肥與農(nóng)藥的管理方式，且農(nóng)戶根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境對(duì)種植類型進(jìn)行調(diào)整[32]，土壤重金屬的積累因此產(chǎn)生空間差異。根據(jù)因子探測(cè)結(jié)果和交互探測(cè)結(jié)果，地形與種植方式的交互影響比單一因子的解釋力均提升較多，說明只考慮單因子的影響不能全面揭示區(qū)域土壤重金屬的空間分異，地形和種植方式的相互作用制約著土壤重金屬的空間變異性。

坡向與種植類型對(duì)于各重金屬空間差異的解釋力最強(qiáng)，控制坡向或種植類型不變，即以陽坡為例，對(duì)比不同種植類型的耕地中各重金屬含量的差異（表8）。其中，種植果樹的土壤中As、Cu 含量較高，可能與果樹噴灑含As農(nóng)藥及殺菌劑波爾多液有關(guān)[34-35]；而種植洋芋的土壤中Cu、Zn含量較高，可能與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣在洋芋地施用磷肥和有機(jī)肥有關(guān)[36]；Cr元素主要來源于雞糞、牛糞、羊糞、堆肥等農(nóng)家肥[37]，種植紅蔥、果樹和玉米的土壤中Cr 含量較高，可能與大量施用農(nóng)家肥相關(guān)。

以種植玉米的區(qū)域?yàn)槔瑢?duì)比分析不同坡向各重金屬含量的差異（表9）。其中，As含量在不同坡向上表現(xiàn)出顯著差異，陰坡As含量大于陽坡，該結(jié)論與祝修高[38]研究結(jié)果一致。坡向主要通過影響光照條件，進(jìn)而影響土壤的水熱環(huán)境，從而影響植物的生長狀況，說明As 受土壤水熱環(huán)境影響較大，土壤蒸發(fā)嚴(yán)重，則對(duì)As 的吸附能力變差。而Cr 元素在陰坡含量小于陽坡，與As受土壤水熱環(huán)境變化規(guī)律相反。

地理探測(cè)器可以從空間角度分析土壤重金屬與地形因子和種植方式的空間相關(guān)性，方差分析從傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析不同地形和種植方式下土壤重金屬的差異，從空間統(tǒng)計(jì)和線性統(tǒng)計(jì)來看，結(jié)果既有一致性也有差異性。地形因子與種植方式對(duì)于各重金屬的影響以空間相關(guān)性表現(xiàn)更顯著，因而，在分析土壤重金屬空間差異的影響因素時(shí)只根據(jù)線性統(tǒng)計(jì)分析是片面的，缺乏空間位置特征的考慮，通常會(huì)忽略一些因素。

表7 土壤重金屬的最高影響力因子及解釋力Table 7 The highest influence factor and explanatory power of heavy metals in soil

表8 不同種植類型的土壤中各重金屬平均含量（mg·kg-1）Table 8 Differences in heavy metal contents in soils of different planting types（mg·kg-1）

表9 不同坡向的土壤中各重金屬平均含量（mg·kg-1）Table 9 Average content of heavy metals in soils with different slope directions（mg·kg-1）

本文旨在分析高渠鄉(xiāng)耕地土壤重金屬空間分布特征，以及定量化分析主要影響因子之間的交互作用，為了解黃土丘陵溝壑區(qū)土壤重金屬空間分布特征提供了案例支撐，對(duì)研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)估、可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防具有理論意義和實(shí)踐價(jià)值。通過研究分析可知，在種植管理過程中，農(nóng)戶對(duì)耕地質(zhì)量的認(rèn)知將會(huì)影響農(nóng)戶對(duì)生產(chǎn)資料的投入、種植類型以及有機(jī)廢物的處理。為了促進(jìn)黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步考慮農(nóng)戶對(duì)耕地質(zhì)量的認(rèn)知，同時(shí)，深入探討土壤理化性質(zhì)及作物生長習(xí)性等對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)土壤重金屬的空間分布特征的影響，將是未來研究的重點(diǎn)方向之一。

4 結(jié)論

（1）描述性分析表明，高渠鄉(xiāng)農(nóng)田土壤中六種重金屬元素含量均未超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品生長、質(zhì)量安全與土壤生態(tài)環(huán)境危害較小；而As、Cu、Cr、Ni元素含量在其成土母質(zhì)的基礎(chǔ)上有所積累，其中，Ni 含量相對(duì)土壤背景值較高，可能對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品和土壤環(huán)境產(chǎn)生潛在危害。

（2）從空間相關(guān)性來看，Pb、Zn 元素有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，以結(jié)構(gòu)性變異為主，As、Cu、Cr、Ni 元素具有中等程度的空間相關(guān)性，既受到結(jié)構(gòu)性因素影響，也受隨機(jī)性因素干擾；從空間分布格局來看，重金屬在空間分布上有一定程度的聚集，局部有高值或低值區(qū)出現(xiàn)，且在大面積果園種植區(qū)As 和Cu 的含量較高，而規(guī)模較大的養(yǎng)殖場(chǎng)處Cr與Pb的含量也較高。

（3）單因子對(duì)各重金屬空間分布的影響程度不同，其中，Cr 受地形影響在陰坡及中低海拔處積累，且Cr和Ni均受地形濕度影響較大，As 和Ni分別在不同的種植方式下差異顯著。交互作用顯示雙因子交互作用較單因子解釋力加強(qiáng)，且地形對(duì)各重金屬的影響大于種植方式的影響，坡向與種植類型的交互作用對(duì)各重金屬的空間分布解釋力最強(qiáng)。