较大范围的土壤重金属污染不仅会威胁人类的生命健康和生活水平，还会影响动植物的安全。因此，确定土壤中重金属的来源对于土壤污染防治具有重要意义。但由于土壤重金属污染受到工业生产、农业活动、交通运输和大气沉降等多种因素的共同影响，具有复杂的空间分布特征，也就是说，土壤重金属污染既具有小尺度上的细节空间分布特征，又具有大尺度上的宏观分布特征，这些分布特征相互叠加，形成嵌套的空间分布特征。因此，解析不同尺度上土壤重金属污染的来源及影响因素，对于在不同尺度上有效修复和防治土壤污染具有重要意义。

但由于受人力、物力和财力的影响，已有研究中的采样数量有限，采样间隔没有明显差异，极大限制了在不同尺度上解析土壤重金属污染来源的研究，尤其是在市级以上范围内。因此，在这种嵌套分布结构中，每个单独的结构对总的嵌套结构的贡献率是多少？在每个单独的结构中，土壤污染的主要影响因素是什么？在土壤污染防治中应该重点关注哪些因素？这些问题仍然难以回答，这对于土壤污染的分类分级防治具有较大挑战。

图1 随机森林定量识别（a）大尺度和（b）小尺度土壤重金属污染影响因素（以As为例）

鉴于此，北京市科学技术研究院资源环境研究所副研究员乔鹏炜博士等以市级范围为研究区，根据采样间隔特点，以研究区内的大尺度（采样间隔约在公里级别）和小尺度（采样间隔约在，米~百米级别）为研究对象，分析了两个尺度上土壤重金属污染的空间分布特征，解析了两种尺度叠加形成的嵌套结构的特点，并基于随机森林（图1）及正矩阵分解法（图2和图3）定量识别两个尺度上土壤污染的主要影响因素。

图2 正矩阵分解法定量识别（a）大尺度和（b）小尺度土壤重金属污染影响因素

研究发现，不同尺度上土壤重金属空间分布的影响因素存在明显差别。在大尺度上，As、Cd、Cr（以及Ni）、Cu（以及Pb、Zn）的空间分布分别主要受居民服务业、工业生产、农业生产和人口密度的影响；在小尺度上， Cr（以及Cu、Ni、Zn）、As、Cd（以及Pb）的空间分布主要受与企业的距离、人口密度、与道路的距离的影响。该结果为两个尺度上土壤污染防治提供了明确的支撑。

图3 正矩阵分解因素与各变量之间的回归模拟结果（a~d为大尺度，i~iii为小尺度）

此外，明确不同尺度对土壤重金属嵌套结构的贡献程度，对于土壤污染防治决策的制定较为重要。研究发现，对于均质性较强的污染物，如Cr和Ni，大尺度空间分布结构对嵌套结构的影响较大，而异质性较强的污染物，如Cd，小尺度空间分布结构的贡献较大。因此，对于Cr和Ni的防治应关注大范围、长距离的传输，而Cd应关注短距离、污染源周边的扩散。该结果对于高效、精准、经济的防治土壤污染提供了理论支撑。

本研究得到北京市自然科学基金面上项目和北科院“北科萌芽计划”项目资助，并以“Influencing factors identification and the nested structure analysis of heavy metals in soils in entire city and surrounding the multiple pollution sources”为题发表于中科院一区Top期刊Journal of Hazardous Materials（影响因子14.224, 2023, 449: 130961）。乔鹏炜为本论文的第一作者和通讯作者。

（乔鹏炜 文/摄）

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