1.引言

土壤中重金属残余过量会造成一些自然灾害并危害人类健康。例如，过量的锌(Zn)会降低土壤酶活性，也会减少土壤中的细菌数量，进而会降低农业产量[1]。小麦最容易受到土壤中过量锌的不利影响。铅(Pb)是另一种毒性最大的重金属，它会影响我们的脑细胞，尤其是儿童的脑细胞[2]。

国内外的土壤学家、环境保护者、统计学家和环境科学专家对土壤重金属的空间分析进行了大量的研究。目前，进行土壤重金属的空间分析的方法分为三类：地质统计插补、非地质统计插补和组合插补，主要依赖于利用地理样本进行空间插值[3]。虽然已有众多空间分析方法应用于土壤重金属空间特征分析，且取得了不错的效果，但这些研究在以下几个方面还有一定的局限性。

1) 土壤重金属空间分析的研究思路基本相似，大多使用多种空间插值技术中的一种来生成简单连续的表面图，从而描述土壤重金属浓度的空间分布并分析评估土壤重金属的潜在来源(以地统计学插值法为主)，空间分析方法过于单一。

2) 大多研究在插值时只使用了样本浓度值和位置，并未包含导致重金属空间浓度变化的协变量，研究要素的完整性有待提高。

3) 大多研究集中在农田、耕地[4] [5]，矿区等工业区[6] [7] [8] [9]。很少有研究兼顾所有功能区，将完整城市作为研究区，进行整体研究。

4) 大多数学者对城市重金属的研究主要集中在大城市[10] [11] [12] [13] [14]，如北京、上海、香港、曼谷和巴勒莫，对中小城市的关注度较少。

针对以上四点考虑，本文拟对佛罗里达西北部彭萨科拉大都市区采用随机森林方法且考虑协变量因素开展所有功能区土壤重金属空间分析。本文选择的研究区分布有为数不少的污染性企业，且2010年曾发生原油泄漏重大污染事件，但至今州、县政府相关部门并未对当地土壤重金属进行调查分析，因此，开展该项工作有助于当地土壤重金属污染防治。

2.研究区概况

如图1，研究区位于佛罗里达州沿海平原的狭长地带，处于北纬30°18'至31°，西经86°38'至87°38'之间，幅员面积约为3310 Km2。研究区地势整体平坦，仅在桑塔罗萨县西部高地处呈缓坡状，缓坡西向西南。在东北部、东部和东南部，它是平缓地倾斜到倾斜。研究区的海拔高度较低，西北部、南部和中部的地势几乎与海平面平齐，海拔高度从海平面到海拔0.762 m 不等。区内的海拔最高点为阳光山丘(Sunny Hill)，高度为62.484 m。土壤是该研究区主要自然资源之一，主要由松散的沙子、淤泥和粘土组成，海湾沿岸低地的土壤的排水性质由好到差，呈水平分布。

研究区南部靠近墨西哥湾，沙滩海岸线约为70.81 Km，海湾水湾共9 个，河流及划行航道共7 个。其中彭萨科拉地区的海湾是墨西哥湾沿岸最深的海湾；位于两县交界的埃斯堪比亚河是该地区最大的河流。研究区内的河流大多向南或向西南流，如塘溪，金水溪，朱尼伯河、黑水河、黄河，东河等。如图1 所示，整个研究区被无数的河流切割，南部的低洼地区相对未被分割的、几乎水平的平原组成。低洼地区由平坦的森林和混合的硬木沼泽组成。

Figure 1.Study area图1.研究区位置示意图

3.数据和方法

工业及生活废水也可能导致重金属释放到土壤中[15] [16]，虽然废水中的金属浓度较低，但长期灌溉会导致重金属在土壤中积累。本文研究区内最为常见的商业污染源为干洗店。为了清理污渍，干洗店会用大量的干洗溶剂去清洗衣物，而干洗店主要的清洁剂是在石油中提取出来的。大量清洁剂的使用会产生重金属污染，排放到水体及土壤中。干洗店在清洗结束后会集中晾晒衣物，这一过程会将残留在干洗衣物上的化学物挥发到空气中，形成的污染又可沉降到土壤表层。综上分析，污水排放点、干洗店站点是影响土壤重金属的变量之一，因此本文选择污水排放点、干洗店站点为空间分析变量。

城市地区最常见的重金属来源不仅包括工业活动，还包括车辆交通和道路基础设施[17] [18] [19] [20]。交通重金属排放也是土壤生态系统污染的重要来源。周卫红等(2017)人在研究中发现工业源、交通源和农业源是土壤中重金属浓度的首要原因[21]。日常的通勤机动车排放出大量含有重金属的尾气，含四乙基铅汽油燃烧排放的铅，在空气沉降作用下，重金属颗粒下沉在地表，造成土壤重金属污染，增加了城市和乡村地区主要道路附近土壤中铅的含量。汽车轮胎(磨损)添加剂中含有的重金属元素如锌(Zn)和镉(Cr)，同样加剧了道路附近的土壤污染。还有研究发现(Zhang et al., 2012)，土壤中Zn、Pb 含量与交通流量显著相关，虽然这一发现和实际情况比较符合，但由于不同时间段内，道路上的机动车流量是不同的，难以计算和控制，此方面的研究尚不多见[22]。本文收集到了研究区年均日交通量(AADT)，从而将其作为土壤重金属来源的协变量之一，用于模型检测分析。