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(lèi)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(lèi)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(guò)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(wèn)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(lè)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(chē)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(lèi)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(kāi)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(guò)指數(shù)的計(jì)算對(duì)空間內(nèi)兩種要素作比較，并通過(guò)聚類(lèi)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(kāi)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(lèi)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(lèi)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(kāi)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(chēng)湖南省的“南大門(mén)”.研究區(qū)地理位置為112°37′E～114°15′E、25°16′N(xiāo)～26°21′N(xiāo)，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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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㈦x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(lèi)包括高-高、低-低、高-低、低-高4種類(lèi)型.在土壤重金屬污染中，高-高空間聚類(lèi)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(jiàn)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(lèi)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(lèi)》將研究區(qū)內(nèi)478家(見(jiàn)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(guò)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(jiàn)表1).由表1可見(jiàn)，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(lèi)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(méi)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(lèi)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(lèi)分布結(jié)果(見(jiàn)圖4、5)，共分為5類(lèi)，分別是土壤w(Cd)高值與企業(yè)密度高值聚類(lèi)(H-H)、土壤w(Cd)低值與企業(yè)密度低值聚類(lèi)(L-L)、土壤w(Cd)低值與企業(yè)密度高值聚類(lèi)(L-H)、土壤w(Cd)高值與企業(yè)密度低值聚類(lèi)(H-L)和無(wú)聚類(lèi).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(lèi)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(lèi)結(jié)果為L(zhǎng)-L類(lèi)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(wèn)題，會(huì)滯后很長(zhǎng)時(shí)間，存在較為顯著的滯后性.

聚類(lèi)結(jié)果為L(zhǎng)-H類(lèi)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(lèi)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(méi)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(lèi)結(jié)果為H-L類(lèi)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(lèi)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(lèi)；“H-H”表示土壤w(Cd)高值與企業(yè)密度高值聚類(lèi)；“L-L”表示土壤w(Cd)低值與企業(yè)密度低值聚類(lèi)；“L-H”表示土壤w(Cd)低值與企業(yè)密度高值聚類(lèi)；“H-L”表示土壤w(Cd)高值與企業(yè)密度低值聚類(lèi).下同.圖4 研究區(qū)土壤中w(Cd)與行業(yè)總體密度聚類(lèi)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(lèi)行業(yè)密度聚類(lèi)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(lèi)結(jié)果為H-H類(lèi)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(lèi)結(jié)果都是H-H類(lèi)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(lèi)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(guò)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(wèn)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(lèi)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(guò)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(lèi)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%.