阿里表層土壤元素相關(guān)分析

劉玉梅　張建國　吉云松　王英利　陶菲　馬薇

摘要 通過野外布點采樣，獲得涉及西藏阿里地區(qū)6個縣的90個表層土壤樣品，在室內(nèi)分析13種土壤元素含量，通過相關(guān)分析和因子分析方法分析這13種土壤元素的相互關(guān)系和富集、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。結(jié)果表明，阿里表層土壤中過渡元素間大多數(shù)具有顯著相關(guān)性；影響阿里土壤元素含量的主要因素為自然因素；人類活動對該區(qū)的表層土壤元素含量雖有一定影響，但強度不大。

關(guān)鍵詞 土壤；元素；相關(guān)分析；因子分析；阿里

中圖分類號 X153.6；X131.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-070-04

土壤是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基本要素之一，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。土壤中的元素含量不僅取決于成土母質(zhì)的化學(xué)組成，而且取決于諸成土因素（氣候、生物、地形、時間、人類活動）的綜合作用和元素的地球化學(xué)過程，即元素的淋溶、遷移、沉積與積累[2]。土壤中的不同元素由于在地球化學(xué)過程中所受影響因素的相似性而表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。在土壤環(huán)境研究中，探討化學(xué)元素的相互關(guān)系及變化規(guī)律，并揭示其主要影響因素具有重要意義。這對于確定一個地區(qū)的土壤元素來源、進行土壤環(huán)境化學(xué)與質(zhì)量評價、保護土壤環(huán)境以及合理利用和規(guī)劃土地資源具有重要的實用價值。

隨著社會的進步與經(jīng)濟的快速發(fā)展，當(dāng)今世界人類活動的影響已波及全球，地球上絕大部分地區(qū)都不同程度地受到工業(yè)污染的影響。阿里地處我國青藏高原，由于受環(huán)境、交通和社會歷史發(fā)展條件的限制，自然資源開發(fā)利用程度較低，大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境基本上保持在原生狀態(tài)，是地球上受人類活動影響和污染較小的地區(qū)之一。通過對阿里土壤元素含量的調(diào)查，摸清阿里土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不僅可以指導(dǎo)阿里工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理布局，提高環(huán)境監(jiān)督管理工作的針對性，而且可為阿里乃至全球土壤環(huán)境污染狀態(tài)和發(fā)展態(tài)勢的評價提供重要的參照值。筆者通過野外布點采樣，獲得涉及阿里地區(qū)6個縣的90個土壤樣品，在室內(nèi)分析13種土壤元素含量，通過相關(guān)分析和因子分析方法分析阿里表層土壤13種土壤元素的相互關(guān)系及富集、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 阿里位于中國西南邊陲、青藏高原西部、西藏自治區(qū)西部。地理坐標為78°23′40″～86°11′51″ E，29°40′40″～35°42′55″ N。東起唐古拉山以西的雜美山，與那曲地區(qū)相連；東南與岡底斯山中段的日喀則市仲巴、薩嘎、昂仁縣接壤；北倚昆侖山脈南麓，與新疆喀什、和田地區(qū)相鄰；西南連接喜馬拉雅山西段，與克什米爾及印度、尼泊爾毗鄰[3]。阿里是中國西藏自治區(qū)的一個地區(qū)級行政區(qū)，下轄札達、葛爾、日土、普蘭、措勤、改則、革吉七縣，是世界上人口密度最小的地區(qū)之一。由于遠離海洋，深處內(nèi)陸，干旱少雨，阿里成為西藏最干旱的地區(qū)。南部、中部和北部分別為阿里山地干旱半荒漠、荒漠生物氣候帶和昆侖高寒干旱半荒漠、荒漠生物氣候帶[4]。阿里地勢高，平均海拔在4 500 m以上，素有“世界屋脊”的屋脊之稱。喜馬拉雅山脈和岡底斯山脈在此相聚，形成獨特的高原自然風(fēng)貌，使阿里有“萬山之祖”之稱，再加上雅魯藏布江、印度河、恒河等三大河流發(fā)源于此地，故阿里又有“百川之源”的美譽[3]。境內(nèi)高山、寬谷與湖盆為主要地貌類型。按照地貌類型組合的區(qū)域差異，阿里地區(qū)可分三大地貌區(qū)，即北部高原湖盆區(qū)、中部高山寬谷區(qū)和南部高山峽谷區(qū)[5]。在不同地貌部位分別分布著重力堆積物、殘積物、坡積物、洪積物、沖積物、湖積物和風(fēng)積物等成土母質(zhì)類型。土壤類型主要為高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、高山荒漠土、亞高山草原土、亞高山荒漠土、寒原鹽土、草甸土、沼澤土等[5]。

1.2 樣品采集 在研究區(qū)布設(shè)90個采樣點（圖1）。由于圖1比例尺較小，部分樣點在圖上由于重疊未能完全顯示出來。在每個采樣點中心區(qū)域50 m×50 m的范圍內(nèi)用蛇形法布設(shè)10個分樣點采集土樣，采樣深度0～20 cm。最后，將各分點樣品等質(zhì)量混勻后用四分法棄取，保留5 kg土壤的土樣用于室內(nèi)分析。

1.3 樣品分析測試 該研究的土壤樣品由國土資源部成都礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心分析測試，共測試13種土壤元素，包括第四周期的過渡元素V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn，第五周期過渡元素Cd，第六周期的過渡元素Hg和金屬元素Pb，第四周期類金屬元素As和非金屬元素Se，第二周期鹵族元素F。As、Hg、Se用原子熒光光度計（AFS2202）測定，檢出限分別為1、0.005和0.01 mg/kg；F用離子選擇電極（PXS-215）測定，檢出限為100 mg/kg；Cd用ICP質(zhì)譜儀（X series Ⅱ）測定，檢出限為0.03 mg/kg；Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、V、Mn、Co用X熒光光譜儀（ADVANTXP+）測定，檢出限分別為1、2、4、2、5、5、10、1 mg/kg。使用SPSS17.0軟件，對測試結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析處理。

1.4 研究方法

1.4.1 相關(guān)系數(shù)法。

相關(guān)系數(shù)法就是通過計算元素間的相關(guān)系數(shù)，確切、具體、定量地說明元素間的相關(guān)程度。土壤第k個元素和第j個元素的相關(guān)系數(shù)表達式為：

式中，k、j分別為第k、j個元素；n為參加統(tǒng)計的樣品數(shù)目；xik為第k個元素第i個樣品的值；xk為第k個元素所有樣品平均值；j為第j個元素所有樣品的平均值[6]。相關(guān)系數(shù)rkj變動范圍是-1≤rkj≤1。|rkj|越靠近1，說明兩元素線性相關(guān)越密切；|rkj|越靠近0，說明兩元素線性相關(guān)密切程度越弱。

1.4.2 因子分析法。

因子分析法是將多個具有錯綜復(fù)雜關(guān)系的因子（樣品或變量）歸結(jié)為數(shù)量較少的幾個綜合因子的一種多元統(tǒng)計方法。其目的在于對大批觀察數(shù)據(jù)，用比較少數(shù)的有代表性的因子，來說明由多個變量所提供的信息，使原來在高維空間中考察的問題轉(zhuǎn)變?yōu)樵谳^低維空間中考察，使問題得到簡化[7]。該方法通過分析原始變量的相關(guān)矩陣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，找出由原始變量的線性組合并起主導(dǎo)作用的獨立新因子。這些獨立新因子保留了原始變量的絕大部分相關(guān)信息和變異性，可以用來表達所有觀察數(shù)據(jù)，也給可觀察原來因子與新因子的關(guān)系，從而解釋新因子的專業(yè)含義[7]。每個新因子實質(zhì)上在一定程度上代表反映地學(xué)變量間綜合關(guān)系的一種地學(xué)作用，有助于人們從眾多地學(xué)觀測數(shù)據(jù)進行分析和解釋。

因子分析把每個原始變量分解成公共因子部分和特殊因子部分。設(shè)分析的原始變量為Xi（i=1，2，…，p），則

式中，F(xiàn)j為公共因子，j=1，2，…，m（m≤p）；εi為影響Xi的特殊因子，指原始變量不能被因子變量所解釋的部分，i=1，2，…，p；aij為因子載荷，表示第i個變量與第j個公因子的相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)）（i=1，2，…，p；j=1，2，…，m）。實際上，也可以把aij理解為第i個變量在第j個公因子上的權(quán)重[8-9]。

在因子分析的數(shù)學(xué)模型中，通過正交的方差最大旋轉(zhuǎn)法使每個主因子只與最少個數(shù)的變量有相關(guān)關(guān)系，使足夠多的因子負荷均很小。變量或因子的重要程度都是以其方差大小來衡量的。因子旋轉(zhuǎn)后每個變量因子負荷代表著在系統(tǒng)中作用或重要性程度，以各個變量目標因子載荷平方與因子方差貢獻率乘積作為變量的權(quán)重，構(gòu)成一個判別元素來源的綜合指標[10]。顯然，每個公因子應(yīng)該表示與它相關(guān)關(guān)系比較密切的那些變量的組合，具有地學(xué)成因上的意義[9]。

因子分析的一般步驟如下：首先對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，然后計算數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)陣，并求出其特征值和特征向量，之后用方差最大法進行正交變換，使因子載荷兩極分化且旋轉(zhuǎn)后的因子仍然正交，最后確定因子個數(shù)，計算因子得分，進行統(tǒng)計分析[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中元素的相關(guān)系數(shù)法研究結(jié)果 對阿里表層土壤樣品的分析數(shù)據(jù)剔除異常值后，按照式（1）對13個元素間的相關(guān)系數(shù)進行計算。由表1可知，在顯著性水平a=0.05有36對元素相關(guān)，在顯著水平a=0.01有27對元素相關(guān)，顯著相關(guān)元素間全為正相關(guān)。

大多數(shù)過渡元素間具相關(guān)關(guān)系，例如a=0.05時，V與 Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Hg相關(guān)，Cr與V、Mn、Co、Ni相關(guān)，Mn與V 、Cr、Co、Ni、Cu、Zn相關(guān)，Co與V、Cr、Mn、Ni、Cu相關(guān)，Ni與V、Cr、Mn、Co相關(guān)，Cu與V、Mn、Co、Zn、Cd、Hg相關(guān)，Zn與V、Mn、Cu、Cd、Hg相關(guān)，Cd與Cu、Zn、Hg相關(guān)，Hg與V、Cu、Zn、Cd相關(guān)。同時，在這13種元素中，相關(guān)系數(shù)大于0.6的都為過渡元素對，例如Ni和Cr的相關(guān)系數(shù)為0.993，Ni和Co的相關(guān)系數(shù)為0.725，Cr和Co的相關(guān)系數(shù)為0.698，Cu和V的相關(guān)系數(shù)為0.779，Cu和Zn的相關(guān)系數(shù)為0.642，Cu和Mn的相關(guān)系數(shù)為0.614，Mn和V的相關(guān)系數(shù)為0.686，Mn和Zn的相關(guān)系數(shù)為0.651，Zn和V的相關(guān)系數(shù)為0.624。過渡元素多相關(guān)的結(jié)論與夏增祿等[11]

對喀喇昆侖山-西昆侖山地區(qū)土壤元素的自然含量特征的研究相似，說明電子結(jié)構(gòu)、電離勢、電價、離子半徑類似的元素在土壤的表生地球化學(xué)上具有許多共同的性質(zhì)。

Ni、Cr、Co之間相關(guān)性很強，說明這3種元素的來源和影響因素相似。Cu、V、Zn、Mn之間的相關(guān)性也很強，說明這4種元素的來源和影響因素也相似。Pb除了與鹵族元素F和類金屬As相關(guān)外，也與過渡元素Zn、Mn、Cd相關(guān)。以往的研究也表明，Pb的表生地球化學(xué)過程與過渡元素相近，這可能是其與部分過渡元素相關(guān)的原因[11]；而a=0.01時，As只與Hg和Pb相關(guān)，Cd只與Pb和Zn相關(guān)，Se只與Cu和F相關(guān)。

2.2 土壤中元素的因子分析法研究結(jié)果 因子分析可以有效地分析土壤元素間的相互關(guān)系和來源。為此，對阿里表層土壤13種元素原始數(shù)據(jù)進行因子分析，得到4個主因子。由表2可知，4個主因子的累積貢獻率達73.304%，且旋轉(zhuǎn)前后總的累計貢獻率沒有發(fā)生變化。這表明4個主因子就可提供73.304%的原始資料的的信息，而且旋轉(zhuǎn)前后總的信息量沒有丟失。從旋轉(zhuǎn)之后的情況來看，超過20%的主因子有2個，主因子3和主因子4的方差貢獻率分別為17.615%和 11.614%。這說明影響西藏阿里土壤元素來源的主要因素是主因子F1和主因子 F2。

因子分析的主要目的是將具有相近的因子荷載的各個變量置于一個公因子之下。正交方差最大旋轉(zhuǎn)使每個主因子只與最少個數(shù)的變量有相關(guān)關(guān)系，而使足夠多的因子負荷均很小，以便對因子的意義做出更合理的解釋。變量與某一個因子的聯(lián)系系數(shù)絕對值（載荷）越大，則該因子與變量關(guān)系越近[10]。由表3和表4可知，該次因子分析在旋轉(zhuǎn)前后因子載荷的變量結(jié)果基本一致。

由表4可知，V、Mn、Cu、Zn四元素在主因子F1上有較高的正荷載。這說明主因子F1的構(gòu)成以這4種元素為主。究其原因，可能是由于V、Mn、Cu、Zn同屬第四周期過渡

元素，它們具有近似的基本化學(xué)性質(zhì)，使得它們在表生環(huán)境中的地球化學(xué)性質(zhì)和行為相似。在這4種元素中，Cu、Zn為親銅元素，Mn、V為親鐵元素。所以，F(xiàn)1主因子的特點反映過渡元素中親銅、親鐵元素的共生組合關(guān)系。由此可知，V、Mn、Cu、Zn等元素間具有顯著的相關(guān)性，說明就這一點而言，因子分析的結(jié)果與相關(guān)分析的結(jié)果一致。Mn等元素通常作為土壤自然源標識元素，所以主因子F1也可被視為“天然源因子”。該組元素主要體現(xiàn)土壤在地質(zhì)—地理因素控制下的自身組成特征，所受人為因素的影響小[12]。

Ni、Cr、Co 3個元素在主因子F2上有很高的荷載，說明主因子F2的構(gòu)成以這3個元素為主，F(xiàn)2反映Ni、Cr、Co之間的共生關(guān)系。這也與相關(guān)分析的結(jié)果相一致，例如Ni和Cr的相關(guān)系數(shù)為0.993，為所有元素間相關(guān)系數(shù)最高者，Ni和Co的相關(guān)系數(shù)高達0.725，Cr和Co的相關(guān)系數(shù)為0.698。Ni、Cr、Co在元素周期表中同屬第四周期的親鐵元素，也是相容元素，傾向于富集在結(jié)晶相，使得這3種元素在土壤中的來源和遷移很相似。所以，主因子F2反映的是影響土壤元素遷移富集的因素。

主因子F3中以As、Hg、Pb、Cd和F為主。As、Hg、Pb、Cd等具有顯著的生物毒性。它們的來源除了受土壤的成土母質(zhì)本身和成土過程的影響外，也與人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有很大關(guān)系。As、Hg、Pb、Cd和F多來自農(nóng)藥，所以F3因子反映人類活動對該區(qū)土壤的影響。

主因子F4以Se為主。相關(guān)分析也表明，Se與其他元素的相關(guān)性最差，說明阿里土壤中Se的含量成因有與其他元素不一樣的特征。

3 結(jié)論

（1）相關(guān)分析表明，阿里土壤中過渡元素間大多數(shù)具有顯著相關(guān)性。這說明元素的電子結(jié)構(gòu)、電離勢、電價、離子半徑以及在土壤的表生地球化學(xué)過程相似的元素相關(guān)性強。Ni、Cr、Co之間的強相關(guān)性和Cu、V、Zn、Mn之間的相關(guān)性證明這一點。

（2）主因子F1和主因子F2的方差貢獻率均超過了20%。這可以解釋為因子1和因子2可能是西藏阿里土壤元素來源的主要影響因素，表明影響阿里土壤元素分布的主要因素為自然因素。同時，主因子F3的方差貢獻率為17615%，說明人類活動對該區(qū)的土壤有一定影響，但強度不大。

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