基于SPSS的數(shù)理統(tǒng)計方法在海洋重金屬環(huán)境背景值計算中的應(yīng)用

王秋璐，周燕遐，陳斐，東成

（國家海洋信息中心, 天津, 300171）

基于SPSS的數(shù)理統(tǒng)計方法在海洋重金屬環(huán)境背景值計算中的應(yīng)用

王秋璐，周燕遐，陳斐，東成

（國家海洋信息中心, 天津, 300171）

討論并計算了海水中重金屬的含量值域?；赟PSS的主成分分析方法，將Cu，Pb，Zn, Cr，Hg，As，Cd7類重金屬構(gòu)成3個主成分，再通過主成分權(quán)重值作圖劃分調(diào)查海域的環(huán)境統(tǒng)計單元。對重金屬進(jìn)行異常值判定和分布類型檢驗，最終得到重金屬的環(huán)境背景值。

SPSS數(shù)理統(tǒng)計；環(huán)境背景值；態(tài)性檢驗；環(huán)境統(tǒng)計單元

Abstract: The concentrations of dissolved heave metal in the surface water of the China sea are studied.Based on SPSS statistical analysis, the statistical cells are divided, determining abnormal value and deciding the probability distribution type, and the background values of the elements are obtained in the end.

Keywordss: SPSS statistical analysis; background values; normality test; environmental statistics element

環(huán)境境背景值是指在目前的環(huán)境條件下，相對清潔區(qū)內(nèi)(人類活動影響相對較小的地區(qū))化學(xué)元素的含量及能量值[1]。海水中的重金屬元素，因為其含量相對較低，來源多樣化，測量技術(shù)和手段要求精密等，其值域一直是研究的熱點。這樣，確定海水中重金屬元素環(huán)境背景值對研究環(huán)境變遷，金屬元素在環(huán)境中遷移規(guī)律與環(huán)境質(zhì)量評價和人為增量預(yù)測具有重要意義。

本文運用SPSS軟件中的數(shù)理統(tǒng)計方法，確定調(diào)查海域的環(huán)境統(tǒng)計單元，劃分重金屬元素的主成分，并進(jìn)行異常值判定和態(tài)性檢驗，最終得到重金屬的環(huán)境背景值范圍。

1 樣品采集與分析方法

于 2007年秋季對中國近岸海域表層海水重金屬進(jìn)行調(diào)查分析，主要按照《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB 12763.4，GB 12763.5和GB 12763.6）和《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378）中的方法要求，對7類重金屬：銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、As（砷）、鉻（Cr），汞（Hg）進(jìn)行采樣和分析。共得到7類重金屬各245個樣品值。

2 調(diào)查海域環(huán)境統(tǒng)計單元的劃分

在數(shù)據(jù)處理中，各環(huán)境區(qū)域所獲得的數(shù)據(jù)就構(gòu)成了數(shù)據(jù)處理的基本環(huán)境統(tǒng)計單元。中國近岸海域各類重金屬分布主要呈現(xiàn)近岸含量較高，外海含量較低的特點，但是各類重金屬在不同省份又有其特殊性。這樣本文應(yīng)用SPSS數(shù)理統(tǒng)計方法對7類重金屬進(jìn)行主成分分析，得到3類主成分，利用主成分權(quán)重值繪圖，劃分出背景值的環(huán)境統(tǒng)計單元。

2.1 主成分的確定

根據(jù)SPSS分析累計貢獻(xiàn)率達(dá)到的百分比值確定主成分，結(jié)果見表1：

表1 總方差解釋Tab.1 Total Variance Explained

累計貢獻(xiàn)率達(dá)到73%以上得到3個主成分，其含義是指這3個主成分包含的信息占原始變量總信息的73%。這樣7個重金屬元素就被劃分在了3類主成分信息中[2]，見表2：

表2 主成分組成Tab.2 The principal component matrix

結(jié)果表明，Cu，Pb，Cd，Zn構(gòu)成了主成分1；As，Cr組成了主成分2；主成分3是Hg。

2.2 環(huán)境統(tǒng)計單元劃分

這樣根據(jù)主成分 1和 2得到的權(quán)重值，繪制X-Y平面圖，見圖1，2。

圖1：橫坐標(biāo)表示主成分1的權(quán)重值；縱坐標(biāo)表示主成分2的權(quán)重值。

圖2：是圖1權(quán)重值的局部放大，坐標(biāo)點名稱為對應(yīng)海域點。

從圖1中可以看到LN海域在橫坐標(biāo)中（即主成分1）權(quán)重值正貢獻(xiàn)明顯；GX，SD海域在縱坐標(biāo)（主成分2）權(quán)重值正貢獻(xiàn)明顯；結(jié)合圖1和2可以觀察到，其他海域基本上都集中在橫、縱坐標(biāo)中心原點附近，只有少數(shù)個別貢獻(xiàn)值偏離較大。這樣可以有針對性地得到環(huán)境統(tǒng)計單元（以下簡稱：“統(tǒng)計單元”）A，B，C，D，E。見表3：

圖1 主成分1，2 權(quán)重值X-Y圖Fig.1 X-Y Figure of component 1,2

圖2 主成分1，2權(quán)重值局部放大圖Fig.2 X-Y Figure of component 1,2(zoom out )

表3 環(huán)境統(tǒng)計單元的區(qū)分Tab.3 the environmentsl statistic unit

3 異常值的判定

由于非標(biāo)準(zhǔn)化的布點，采樣，運輸，保存及分析測試等都會造成離群的樣品值，所以要先進(jìn)行異常值的檢驗，保持原有的分布情況，更有利于真實地得到環(huán)境背景值范圍。這里根據(jù)先前劃分的統(tǒng)計單元，運用常規(guī)的Grubbs法和X±3S法，判定異常值。結(jié)果見表4。

表4 海水重金屬濃度異常值判定Tab.4 Determinant of heavy metal abnormity

4 環(huán)境背景值的確定

在環(huán)境背景值的計算中，通常由樣本的均值或幾何均值來集中反映區(qū)域環(huán)境內(nèi)各要素背景含量的集中趨勢和宏觀特征；用樣本的標(biāo)準(zhǔn)差和幾何標(biāo)準(zhǔn)差來反映元素背景含量分布的隨機(jī)性和離散性等微觀特征，兩者結(jié)合則給出了在一定置信度下的背景值區(qū)間。

4.1 各金屬元素概率分布類型的判定

首先必須確定出各金屬元素所服從的分布類型—即態(tài)性檢驗，這里我們選用兩種方法：當(dāng)樣本容量 3≤n≤50，采用夏皮洛一威爾克檢驗（W 檢驗）；當(dāng)n≥50時，采用偏度和峰度檢驗[3]。對各個環(huán)境統(tǒng)計單元的各元素含量概率分布類型進(jìn)行綜合判定（置信度選為0.01）。判定結(jié)果見表。

表5 海水重金屬元素的態(tài)性檢驗Tab.5 Tests of heavy metal Normality

4.2 各元素環(huán)境背景值域

根據(jù)不同的態(tài)性分布，計算各金屬元素的環(huán)境背景值，確定方法一般為：正態(tài)和對數(shù)正態(tài)類型采用平均值和幾何平均值法；偏態(tài)分布采用求累計頻率作圖法，取10%和90%的對應(yīng)值范圍[4]。計算結(jié)果見表6：

表6 重金屬環(huán)境背景值Tab.6 Heavy metal background value

5 結(jié) 論

1）在SPSS軟件的支持下，運用主成分分析方法進(jìn)行海水重金屬元素的評價分析，根據(jù)主成分及各評價海域的綜合權(quán)重得分結(jié)果，劃分背景值的環(huán)境統(tǒng)計單元。這樣，統(tǒng)計單元為之后判定異常值和確定背景值范圍提供了更為可靠的依據(jù)。

2）本文通過計算中國近岸海域表層溶解態(tài)重金屬的環(huán)境背景值，利用統(tǒng)計分析得到其濃度的分布狀態(tài)，這為今后進(jìn)一步年研究及評價中國近岸海水水質(zhì)污染狀況提供了參考依據(jù)。

[1]繆天威，王惠琪，鄭春江.環(huán)境背景值研究 [J].中國環(huán)境科學(xué), 1990, 10: 255-262.

[2]李哲強(qiáng)，侯美英，白云鵬.基于SPSS的主成分分析在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用 [J].海河水利, 2008, 3: 49-52.

[3]劉娟.葫蘆山灣沉積物中重金屬集散特征及環(huán)境背景值鮑永恩 [J].海洋環(huán)境科學(xué), 1995, 14: 1-7.

[4]樊麗芳, 陳植華.地下水環(huán)境背景值的確定 [J].西部探礦工程, 2004, 98: 90-92.

Research of the background values of marine heavy metals by SPSS statistical analysis

WANG Qiu-lu, ZHOU Yan-xia, CHEN Fei, DONG Cheng

(National Marine Data and Information Center, Tianjin, 300171, China)

X824

A

1001-6932(2011)01-0100-04

2010-03-17；收修改稿日期：2010-06-29

王秋璐（1982-），女，碩士，助理工程師。主要從事海洋生態(tài)化學(xué)數(shù)據(jù)處理方面研究。電子郵箱：shelleyqing@hotmail.com。