基于成分分析法判斷土壤重金屬來源

曹司旺　董亞杰　徐叢笑

摘 要 隨著工農業(yè)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染已經成為威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素?；谕寥缹W知識，在主成分分析中綜合運用土壤基本理化性質和土壤重金屬數據對土壤重金屬的主要來源進行分析，討論不同采樣方案對主成分分析結果的影響。

關鍵詞 成分分析法 土壤 重金屬

中圖分類號：TD265.3 文獻標識碼：A

0引言

土壤重金屬研究已經成為地理科學、土壤科學和環(huán)境科學的研究熱點之一，是評價區(qū)域環(huán)境質量的重要指標。土壤性質的主要影響因素是自然地質背景和人類活動，而其中重金屬污染的主要驅動因素則是人類活動，如汽車尾氣排放、工業(yè)污染、化肥和農藥的施用，以及來源于灰塵和氣溶膠等大氣顆粒物的沉降。重金屬直接影響土壤的物理和化學性質，抑制土壤微生物活動，阻礙營養(yǎng)鹽的有效供給；同時，也可以通過人類吸入灰塵和攝取食物，進而威脅人類健康。另外，土壤中的重金屬不會因自然退化過程發(fā)生遷移和降解，而是有可能在土壤中產生長時間的積累。本文以阜新交錯區(qū)和郊區(qū)的研究為例闡明基于土壤學知識的主成分分析的應用。

1采樣和分析

選擇0～20cm農業(yè)土壤進行研究。阜新交錯區(qū)采樣130個，其中水稻田30個，菜地80個、撂荒地20個。郊區(qū)采樣50個，其中菜地21個，糧田29個。土樣帶回后在室溫自然風干、磨碎，依次過10、60、100目尼龍篩，密封貯存于塑料袋備用。交錯區(qū)分析了土壤全量Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和土壤粘粒（< 0.002mm）含量、土壤CEC、有機質、全量氮、磷、鉀和速效態(tài)氮、磷、鉀。郊區(qū)土壤分析項目包括土壤重金屬As、Hg、Pb、Cr、Cd和土壤pH、有機質、CEC、全氮、速效氮、速效磷、緩效鉀、速效鉀。

2基于土壤學知識的成分分析法

阜新市交錯區(qū)土壤受到強烈的工農業(yè)活動的影響，土壤重金屬含量呈現強烈的變異性。但僅對這些元素進行主成分分析難以判斷它們變異的主要來源是自然因素、土地利用還是工業(yè)活動。該地區(qū)菜地土壤全磷含量變化非常有規(guī)律，即隨著種植蔬菜年限的增加土壤全磷含量持續(xù)升高。如果能夠判斷土壤重金屬變異與磷含量變異的相關性，則無疑可以說明土地利用方式對重金屬含量影響的程度。另外，土壤全鉀、粘粒含量等則與土地利用方式無關。如果重金屬與全鉀和粘粒含量受共同因素的影響較明顯，則說明這些重金屬含量變異主要來源于自然因素的影響。主成分主要與土壤全磷和速效磷含量有關，說明它主要反映了土地利用因素的影響；主成分上全鉀和粘粒含量的載荷最大，說明它反映了與土壤發(fā)生有關的自然因素。而Cu、Zn、Cr、Pb和Cd共同受主成分2決定，該主成分與影響土壤發(fā)生的自然因素和影響土壤磷累積的農業(yè)土地利用因素是無關的，但可以與當地四散分布的工業(yè)活動聯系起來，尤其是金屬加工廠、鋼鐵廠和電鍍廠等。該結論說明了無錫城鄉(xiāng)交錯區(qū)土壤重金屬含量的變異主要是工業(yè)活動引起的。

阜新市郊區(qū)土壤重金屬來源分析。與背景值相比，該區(qū)只有土壤Pb、Cr含量有明顯的異常。對Cd、Hg、As而言，僅憑背景值比較還不能下結論，因為背景值本身變異也較大。用主成分分析發(fā)現土壤緩效鉀、土壤CEC、土壤Cd在主成分有較大的正載荷。因為當地鉀含量仍受土壤母質類型等影響，主成分可以命名為土壤自然本底性質。主成分主要與土壤有機質、土壤全氮和堿解氮有關，而與土壤重金屬關系不大。主成分與土壤基本性質和養(yǎng)分含量關系不大，但與土壤Pb關系最密切，Cr、As在主成分上也有較大的正載荷。因此該主成分可能主要體現了外源污染因素，如大氣沉降、工業(yè)污染物點源排放等的影響。主成分上土壤速效鉀、速效磷的載荷較大，該主成分可以歸結為土地利用方式不同（糧田和菜地）導致的施肥量的差異。在主成分上載荷最大的重金屬是Hg，其次是As，說明土壤Hg的變異受種菜影響最大，土壤As一定程度上也受到種菜的影響。另外，本研究發(fā)現阜新市北部出現Hg、As高值區(qū)與該地區(qū)較長的蔬菜種植歷史比較吻合。這可確定Cd主要體現自然背景，同時發(fā)現不僅Pb、Cr的含量受到污染因素影響，Hg、As也存在污染趨勢，并對Pb、Cr、Hg、As的來源能進一步甄別。

3結語

在工業(yè)發(fā)達的交錯區(qū)，土壤重金屬表現出明顯的含量異常，而且主成分分析表明，其含量變異均是由工業(yè)活動控制的。而工業(yè)欠發(fā)達的郊區(qū)，土壤重金屬含量低，主成分分析顯示某些重金屬含量仍受自然過程控制。研究表明，從土壤學的基本知識出發(fā)，而不僅僅是從重金屬元素的地球化學聯系出發(fā)，把土壤重金屬含量和土壤基本理化性質所反映的信息綜合起來進行主成分分析有助于解釋土壤重金屬污染來源，而且這解決了因土壤重金屬元素較少而無法進行主成分分析的問題。但是作為一種統(tǒng)計分析手段，主成分分析結果的可靠性與采樣的代表性關系很大。在交錯區(qū)不同土壤采樣密度下，均勻的取樣方法均能夠代表區(qū)域的整體特征，主成分分析結果較穩(wěn)定。而不均勻的取樣對區(qū)域整體特征的反映有較大的差異，分析結果也不穩(wěn)定。建議：土壤學者在應用主成分分析判斷土壤重金屬來源時，應從土壤學專業(yè)的角度出發(fā)挖掘數據反映的信息，充分應用自己的專業(yè)背景知識；在應用主成分分析方法時，對所采樣本的代表性也應充分注意，否則會得到不切實際的結論。

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