區(qū)域土壤Cr含量空間分布影響因子及尺度效應(yīng)研究

李秀霞，吳 騰

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

環(huán)境中的鉻元素(Cr)與人體健康和動(dòng)植物生長關(guān)系密切，一方面，Cr是生物體所必需的微量元素之一[1]，另一方面，超量Cr元素具有明顯“三致”(致突變、致癌、致畸)作用，因此Cr是工業(yè)污染的重要指標(biāo)之一[2]。而土壤是一個(gè)包含固、液、氣三相的開放的生物地球化學(xué)系統(tǒng)，因此土壤中的Cr與環(huán)境中的Cr有著密切聯(lián)系。土壤中Cr含量與自然條件和人類活動(dòng)有著密切聯(lián)系。一方面，土壤本身就含有一定量重金屬元素，關(guān)于土壤重金屬元素的自然背景值已有相關(guān)調(diào)查結(jié)果[3]；另一方面，人類活動(dòng)如工業(yè)生產(chǎn)排放會導(dǎo)致土壤重金屬含量增加。有研究[4]發(fā)現(xiàn)城市區(qū)域土壤表層重金屬污染的空間格局與人口密度特征、環(huán)境要素、交通條件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與布局以及土地利用等內(nèi)外部約束因素的空間分異特征密切相關(guān)。由于土地利用是控制土壤重金屬累積和空間分布的重要因子[5]，關(guān)于兩者的關(guān)系國內(nèi)外已有較多研究成果[6]。但由于空間變量分布特征的定量化表征存在困難，目前大部分研究對土地利用類型與土壤重金屬含量的空間分布相關(guān)度為定性分析[7]，為此，筆者在前期研究中結(jié)合信息學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)理論，建立了定量化研究手段，揭示了土地利用類型與土壤重金屬污染之間的空間相關(guān)性[7]。

另外，土壤屬性具有空間變異特性[8]，研究數(shù)據(jù)的尺度因子影響著土壤屬性評估結(jié)果[9]。有研究表明，土壤特性空間變異是尺度的函數(shù)[10-11]，在不同尺度下，同一變量的自相關(guān)程度相差很大[12]，且隨著采樣間距加大，半方差函數(shù)的隨機(jī)成分也在不斷增加，更小尺度下的結(jié)構(gòu)特征將被掩蓋。目前土壤特性的空間尺度效應(yīng)已廣泛應(yīng)用在土壤養(yǎng)分、水分、鹽分和水土流失等方面研究[13-16]，但在土壤重金屬污染研究中的應(yīng)用還比較少[17]。研究土壤重金屬影響因子的空間尺度效應(yīng)，有利于明確各尺度上影響土壤重金屬分布的關(guān)鍵因子。

筆者收集了南京江寧經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)土壤Cr含量、土地利用類型、土壤類型、數(shù)字高程模型(DEM)等數(shù)據(jù)資料，系統(tǒng)研究了整個(gè)開發(fā)區(qū)、牛首山流域和牛首山支流流域3級空間尺度條件下，土壤Cr含量與土地利用類型、土壤類型、高程和坡度之間的空間相關(guān)度，進(jìn)而分析各影響因子的空間尺度效應(yīng)。研究結(jié)果有助于確定各空間尺度上影響土壤Cr含量分布的關(guān)鍵因子，為區(qū)域重金屬污染防治方案和治理決策提供參考。

1 研究區(qū)域概況

南京市江寧區(qū)位于長江下游南岸，介于北緯30°38′～32°13′、東經(jīng)118°31′～119°04′之間，總面積為1 572.96 km2。江寧經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)位于江寧區(qū)中部，為國家級開發(fā)區(qū)，面積為348.7 km2，區(qū)內(nèi)有秦淮河(長江支流)由南向北貫穿而過。開發(fā)區(qū)內(nèi)總城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積占區(qū)域總面積的26.13%，城鎮(zhèn)建設(shè)用地中工業(yè)用地面積占34.7%，居住用地和公共設(shè)施用地面積占34.4%，其余用地主要為道路廣場用地和城市綠地；非建設(shè)用地類型主要為農(nóng)田和山體林地，僅有極少量未利用地，說明該區(qū)域廣泛受到人類活動(dòng)影響。隨著開發(fā)區(qū)工業(yè)化和農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展加快，區(qū)內(nèi)土壤污染因素增多，土壤環(huán)境質(zhì)量受到威脅，其中，Cr為該區(qū)域典型的土壤重金屬污染物之一。據(jù)研究[7]，該區(qū)域土壤Cr含量平均值為81.4 mg·kg-1，明顯超過該區(qū)域土壤Cr背景含量(59 mg·kg-1)，其中，土壤Cr含量較高的區(qū)域集中在東部和西部的農(nóng)田用地，其次為北部和南部的工業(yè)用地以及北部的城鎮(zhèn)居住用地，山體林地等區(qū)域土壤Cr含量相對較低，說明區(qū)域土壤Cr含量分布受農(nóng)業(yè)用地、工業(yè)用地和城鎮(zhèn)居住用地的影響較大。

牛首山河是秦淮河的一級支流，流向自西南向東北，總長約8 km，在石家垾村匯入秦淮河，流域面積約36.28 km2。牛首山河支流自佛城西路由西向東，后自河海大學(xué)南門處向南，在江南青年城小區(qū)東北側(cè)匯入牛首山河，總長約1.4 km，流域面積約5.20 km2。研究區(qū)3級空間尺度的空間關(guān)系見圖1。

圖1 研究區(qū)域3級空間尺度關(guān)系

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1數(shù)據(jù)來源

收集了江寧經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)土地利用現(xiàn)狀資料，包括2013—2019年土壤Cr含量監(jiān)測數(shù)據(jù)、區(qū)域土壤類型數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)。其中，土地利用現(xiàn)狀資料來自規(guī)劃部門提供的土地利用現(xiàn)狀圖(2013年)，涉及開發(fā)區(qū)范圍16種土地利用類型，根據(jù)現(xiàn)場勘查及2013年衛(wèi)星圖片，該圖基本能反映該區(qū)域當(dāng)時(shí)的土地利用空間分異情況。土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)主要來自《江寧經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)總體發(fā)展規(guī)劃(2012—2030)環(huán)境影響報(bào)告書》和部分建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)報(bào)告，共收集52個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位(圖1)數(shù)據(jù)，點(diǎn)位較均勻地分布在開發(fā)區(qū)及其周邊[7]。土壤類型數(shù)據(jù)來自1995年南京市土壤類型分布數(shù)據(jù)(https:∥www.databox.store/)，該數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)的土壤發(fā)生分類系統(tǒng)，共分為12個(gè)土綱61個(gè)土類227個(gè)亞類，柵格為500 m×500 m。DEM數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/)，柵格為30 m×30 m。

2.1.2數(shù)據(jù)處理

空間插值：采用ArcGIS 10.3軟件平臺空間分析模塊進(jìn)行反距離加權(quán)插值，獲取開發(fā)區(qū)土壤Cr含量分布圖層，柵格為30 m×30 m。區(qū)域土壤Cr含量分布見圖2。

數(shù)據(jù)裁切：采用ArcGIS 10.3軟件平臺數(shù)據(jù)處理功能，對南京市土壤類型圖和區(qū)域DEM圖進(jìn)行裁切，得到江寧經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)土壤類型圖和DEM圖。

數(shù)據(jù)提?。翰捎肁rcGIS 10.3軟件平臺表面分析工具，基于DEM數(shù)據(jù)獲取坡度圖層。區(qū)域DEM、坡度和土壤類型見圖3～5。

圖2 土壤Cr含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of Cr content in soil

圖3 區(qū)域DEMFig.3 DEM of the study area

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：采用ArcGIS 10.3軟件平臺將上述步驟獲取的Cr含量、土地利用、土壤類型、DEM和坡度5個(gè)柵格圖層轉(zhuǎn)換為矢量圖層。矢量圖層由大量邊界相接、大小不一的圖斑組成，數(shù)據(jù)處理過程中圖層信息被存儲在圖斑圖及其屬性表中，所有因子都相同的一塊區(qū)域?qū)?yīng)著一個(gè)斑塊，例如在土壤類型圖中，同一個(gè)圖斑所代表的小區(qū)域具有相同的土壤類型。

圖4 區(qū)域坡度

圖5 區(qū)域土壤類型Fig.5 Soil types of the study area

圖層疊加：將以上5個(gè)矢量圖層作為輸入圖層，采用ArcGIS 10.3軟件進(jìn)行空間疊加(intersect)，輸入圖層的圖斑邊界互相求交和切割，輸出圖層將根據(jù)切割的弧段重建拓?fù)潢P(guān)系，從而獲得一張更為細(xì)碎的圖斑矢量圖。輸出圖層中某個(gè)圖斑所代表的小區(qū)域具有相同的Cr含量、土地利用類型、土壤類型、DEM和坡度。開發(fā)區(qū)范圍內(nèi)，輸出圖層由495 781 個(gè)圖斑組成，圖斑平均面積為73.2 m2。再經(jīng)牛首山河流域邊界及牛首山河支流流域邊界裁切，獲得2個(gè)圖斑圖，圖斑個(gè)數(shù)分別為63 608個(gè)和10 030個(gè)。小流域尺度圖斑圖示例見圖6。

2.2 研究方法

2.2.1空間相關(guān)性的信息熵分析方法[7]

筆者在前期研究中通過引入信息熵概念，建立任意2個(gè)變量空間分布相關(guān)度的研究方法，可不受變量是否是定性或定量的限制。空間某一變量X的信息熵計(jì)算公式為

(1)

式(1)中，X為隨機(jī)變量的整體；p(xi)為發(fā)生事件xi的概率；n為可能發(fā)生的事件(狀態(tài))總數(shù)；a一般取值為2。當(dāng)兩個(gè)信源X和Y為二維隨機(jī)變量時(shí)，它們的聯(lián)合分布概率為p(xi,yj)(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)，則X和Y的聯(lián)合信息熵H(X，Y)計(jì)算公式[18]為

(2)

H(X，Y)/[H(X)+H(Y)]可反映變量X與Y之間的相關(guān)性，為了使用方便，用指標(biāo)K來描述X和Y之間的相關(guān)度，其計(jì)算公式[19]為

(3)

K值范圍為[0，1]，K越大，說明兩者之間的相關(guān)程度越高[20]。當(dāng)K=0時(shí)，表示X和Y不相關(guān)；當(dāng)K>0時(shí)，表示X和Y具有相關(guān)性。采用指標(biāo)K表征研究區(qū)域土地利用類型、土壤類型、高程、坡度等影響因素與土壤Cr含量之間的空間相關(guān)性。

圖6 牛首山河支流流域圖斑圖

2.2.2影響因子空間尺度效應(yīng)研究方法

基于對各級空間尺度上影響因子與土壤Cr含量的空間相關(guān)性，可通過比較分析某一環(huán)境因子在不同空間尺度與土壤Cr含量的空間相關(guān)性，獲得其在不同空間尺度上對土壤Cr含量影響的變化規(guī)律；通過比較某一空間尺度上不同影響因子與土壤Cr含量的空間相關(guān)性，獲得該尺度上影響土壤重金屬污染的關(guān)鍵因子。假設(shè)有m級空間尺度，每級尺度上研究n個(gè)影響因子，尺度效應(yīng)研究方法見圖7。

Fi第i個(gè)影響因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

采用信息熵方法計(jì)算Cr含量與影響因子土地利用類型、土壤類型、高程、坡度的空間相關(guān)性系數(shù)K，其中，江寧經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)尺度上Cr含量與土地利用類型之間的空間相關(guān)度已在前期研究中確定，為0.13[7]。

根據(jù)信息熵算法，為了獲得兩個(gè)變量的聯(lián)合分布熵，首先需要統(tǒng)計(jì)3級空間尺度上土壤Cr含量分布概率P(xi)、各影響因子的分布概率P(yi)以及它們之間的聯(lián)合分布概率P(xi，yi)，此處僅給出牛首山河流域尺度土壤Cr含量與高程之間的聯(lián)合分布概率矩陣作為示例(表1)。

按式(1)～(3)計(jì)算，得到3級尺度上各影響因子與土壤Cr含量間的空間相關(guān)度K，3級尺度上各因子K值見圖8，某因子在不同尺度上的K值變化見圖9。由計(jì)算結(jié)果可見，3級尺度上各因子與土壤Cr含量的空間相關(guān)度K值均大于0，說明各因子與Cr含量空間分布均存在一定相關(guān)性。

3.2 結(jié)果分析

由圖8可知，研究區(qū)域3級空間尺度上影響因子與土壤Cr含量空間相關(guān)性排序依次為：在大尺度(江寧開發(fā)區(qū))上，土地利用類型>土壤類型>高程>坡度；在中尺度(牛首山河流域)上，高程>坡度>土壤類型>土地利用類型；在小尺度(牛首山河支流流域)上，高程>土壤類型>坡度>土地利用類型。以上排序說明在不同空間尺度上，相同環(huán)境因子對土壤Cr含量的影響不是一成不變的，甚至?xí)霈F(xiàn)關(guān)鍵影響因子發(fā)生變化的情況。如土地利用類型在大尺度上是影響土壤Cr含量的關(guān)鍵因子，而在中、小尺度上則變成非關(guān)鍵因子。

表1 土壤Cr含量與高程之間的聯(lián)合分布概率矩陣

圖8 3級空間尺度上各影響因子的K值Fig.8 K value of the factors on three-level scale

圖9 影響因子K值在不同空間尺度上的變化

由圖9可知，在研究區(qū)域空間尺度由小到大的過程中，土地利用類型與土壤Cr含量的相關(guān)性呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。兩者在大尺度上的空間相關(guān)性最大，小尺度次之，中尺度則最小。因此，在大尺度上，土地利用類型對土壤Cr含量空間分布的影響更大，可通過優(yōu)化土地利用類型達(dá)到較好的土壤重金屬污染防治效果。

在研究區(qū)域空間尺度由小到大的過程中，土壤類型與土壤Cr含量的空間相關(guān)性幾乎呈直線下降趨勢。究其原因，土壤類型在小尺度上統(tǒng)計(jì)為2種，平均每2.6 km2分布有1種土壤類型；中尺度上統(tǒng)計(jì)為3種，平均每12.1 km2分布有1種土壤類型；大尺度上統(tǒng)計(jì)為5種，平均每69.74 km2分布有1種土壤類型，即隨著空間尺度增大，土壤類型空間分異性呈逐漸降低趨勢，因此其與土壤Cr含量空間分異的相關(guān)性也隨之降低。

在研究區(qū)域空間尺度由小到大的過程中，高程與土壤Cr含量的相關(guān)性呈先升高后下降趨勢。兩者在中尺度上相關(guān)性最高，小尺度次之，大尺度最低。通常將高程作為描述宏觀地形的指標(biāo)，但由于該指標(biāo)本身具有很強(qiáng)的空間尺度效應(yīng)，在不同地圖比例尺上得到的高程范圍不同，因此高程既能用于描述宏觀地形，也能很好地反映微觀地形，其在不同空間尺度上都應(yīng)該加以考慮。已有研究[21]也表明，高程、坡度等地形因子對土壤重金屬的空間分布影響不可忽視。

在研究區(qū)空間尺度由小到大的過程中，坡度與土壤Cr含量的相關(guān)性變化趨勢與高程相似，亦呈先升高后下降趨勢。坡度與高程一樣具有空間尺度效應(yīng)，因此在不同空間尺度上都應(yīng)該加以考慮。

4 討論

4.1 土壤Cr污染的影響因素

筆者選取研究區(qū)域土地利用類型、土壤類型、高程和坡度4個(gè)因子進(jìn)行土壤Cr含量相關(guān)性分析，其中，土地利用類型可用于表征人類活動(dòng)的影響，土壤類型、高程和坡度可用于表征天然因素的影響。筆者計(jì)算結(jié)果也表明土壤Cr含量與以上因子均存在相關(guān)性，且某個(gè)尺度上因子相關(guān)性的大小可為該區(qū)域土壤重金屬污染評估工作提供支撐，比如可重點(diǎn)篩選影響較大的因子參與評估。

筆者選取的4個(gè)因子均為與當(dāng)?shù)厝祟惢顒?dòng)和天然條件密切相關(guān)的下墊面影響因子，未考慮大氣降塵等來自大氣環(huán)境的污染影響。同一區(qū)域大氣降塵和表層土壤中重金屬的污染特征能夠反映重金屬污染物在大氣-土壤系統(tǒng)中的遷移、傳輸和擴(kuò)散規(guī)律[22]，但考慮到大氣降塵具有一定隨機(jī)性，而降塵中的重金屬在土壤中的累積過程相對漫長，只有長時(shí)間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)才具有代表性，但相關(guān)數(shù)據(jù)獲取也較困難。在數(shù)據(jù)具備的條件下，下一步研究將進(jìn)一步考慮大氣降塵、降水等來自大氣環(huán)境的影響，并將其與下墊面因素做比較分析。

4.2 土壤重金屬污染影響因素的尺度效應(yīng)

在研究區(qū)域空間尺度由小到大的過程中，各因子與土壤Cr含量的空間相關(guān)性也發(fā)生變化，說明對尺度效應(yīng)的研究是有必要的，也是有實(shí)際意義的。就研究區(qū)而言，在較大尺度上，土地利用類型是關(guān)鍵因子，土壤重金屬累積與土地利用類型關(guān)系密切，這與現(xiàn)有研究結(jié)果[23]呈現(xiàn)的規(guī)律相符；在中尺度上，地形因子坡度和高程的影響凸顯，該現(xiàn)象也在其他區(qū)域出現(xiàn)，劉波[24]研究認(rèn)為地形因子影響多數(shù)土壤重金屬的空間分布，張敏等[25]研究表明黃土丘陵溝壑區(qū)地形因子對各重金屬分布的影響大于種植方式；在小尺度上，高程和土壤類型影響較大。需要指出的是，筆者分析結(jié)果是在一定的樣本空間范圍上得到的，地理特征的空間異質(zhì)性具有一定隨機(jī)性，在某一尺度上得出的結(jié)論不能無差別地適用于另一尺度的研究中[26]，因此對其他區(qū)域或空間尺度的適用性還有待考證。但在區(qū)域土壤重金屬評估研究中，針對某一區(qū)域而言，只有首先篩選出適于該尺度的關(guān)鍵影響因子，并了解各因子在該尺度上的影響權(quán)重，其評估結(jié)果才是可靠的。

4.3 空間尺度劃分的合理性

尺度是人類主觀建立的用于觀察、測量、分析、模擬和調(diào)控各種自然過程的空間或時(shí)間單位[27]。因此，尺度的劃分具有一定主觀性，理論上可以對其進(jìn)行無限分割，但實(shí)際操作時(shí)人們往往僅選取幾個(gè)有明顯差異的尺度進(jìn)行研究。筆者人為地將江寧經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)劃分為3級空間尺度，分別代表>100～1 000 km2尺度(區(qū)域尺度)、>10～100 km2尺度(小流域尺度)和0～10 km2尺度(地塊尺度)。一方面，空間尺度劃分在面積上有明顯量級跳躍，體現(xiàn)了空間尺度的變化；另一方面，不同尺度上各因子對土壤重金屬含量分布的影響呈現(xiàn)不同規(guī)律，說明筆者對空間尺度的劃分具有實(shí)際意義。

5 結(jié)論

(1)通過信息熵方法研究各級空間尺度上各因子與區(qū)域土壤Cr含量的空間相關(guān)性，結(jié)果表明：在大尺度(江寧開發(fā)區(qū))上，土地利用類型>土壤類型>高程>坡度；在中尺度(牛首山河流域)上，高程>坡度>土壤類型>土地利用類型；在小尺度(牛首山河支流流域)上，高程>土壤類型>坡度>土地利用類型。以上規(guī)律可為開展區(qū)域土壤重金屬評估提供有力支撐。

(2)在研究區(qū)域空間尺度由小到大的過程中，在大尺度上，土地利用類型對土壤Cr含量空間分布的影響更大；影響因子的空間分異性降低會導(dǎo)致其與土壤Cr含量的空間相關(guān)性降低；高程、坡度指標(biāo)自身具有尺度效應(yīng)，在不同空間尺度上都應(yīng)該加以考慮。

(3)該研究對影響因子與土壤Cr含量的空間相關(guān)性分析結(jié)果是在一定的樣本空間范圍上得到的，對其他區(qū)域的適用性還有待考證。但該研究方法可為其他區(qū)域開展類似研究提供有價(jià)值的參考。