基于SPSS的土壤抵抗鎘污染性能分析

高雅倩　梁賢挺　黃廣振　鄭文吉

[摘 要]本文基于spss對湖北黃石市22個(gè)土壤樣品的8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了因子分析和聚類分析。結(jié)果表明，因子分析提取的兩個(gè)公共因子方差貢獻(xiàn)率79.694%的信息量，兩個(gè)公共因子分別代表了土壤綜合物化性質(zhì)及總鎘含量對土壤抵抗鎘污染性能的影響。利用主因子得分進(jìn)行聚類分析，將樣品分成了對鎘污染抵抗性能高，對鎘污染抵抗性能中等，人類活動(dòng)因素導(dǎo)致鎘污染三類。

[關(guān)鍵詞]spss；黃石；土壤；鎘污染；抵抗性能；因子分析；聚類

[中圖分類號(hào)]S152.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 研究目的及意義

湖北黃石市的金屬冶煉業(yè)較發(fā)達(dá)，金屬冶煉廠的廢水、降雨對鎘渣的淋濾都可能造成土壤的鎘污染。本文基于spss對黃石市土壤樣品的物化指標(biāo)及總鎘含量進(jìn)行分析，探討了研究區(qū)土壤對于鎘污染的抵抗性能，對規(guī)劃利用當(dāng)?shù)赝恋?，減少土壤鎘污染有重要意義。

2 研究區(qū)概況

黃石市位于湖北省東南部，長江中游南岸，是我國中部地區(qū)重要的原材料工業(yè)基地和國務(wù)院批準(zhǔn)的沿江開放城市。黃石地形東北高，西南低，屬低山丘陵與山間谷地相間的地貌。本區(qū)土壤主要以碎屑巖、花崗巖、碳酸鹽發(fā)育而來。潮土為境內(nèi)主要分布的土壤類型，成土母質(zhì)為第四系全新世沖積物及沉積物，土層深厚、結(jié)構(gòu)疏松。

3 研究方法

3.1 指標(biāo)選擇

土壤對鎘污染的抵抗性能是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室難以觀測的因子，已有研究表明，土壤中粘粒和粉粒與土壤對鎘的吸附具有相關(guān)性，即土壤的機(jī)械組成，即砂粒、粉粒、粘粒含量與土壤對鎘的吸附性有關(guān)；土壤的陽離子交換量越高，負(fù)電荷量越高，能夠通過靜電吸引的鎘離子也越多。土壤的pH值影響鎘的溶解，pH較低，即酸性條件下，鎘會(huì)發(fā)生溶解；土壤的有機(jī)質(zhì)主要成分為腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)對重金屬有強(qiáng)烈的吸附和絡(luò)合作用；土壤的含水量與土壤同外界進(jìn)行物質(zhì)交換的能力直接相關(guān)；土壤中已經(jīng)存在的鎘降低了土壤容納鎘的能力。綜上所述，土壤對鎘污染的抵抗性能與土壤的砂粒、粉粒、粘粒含量、陽離子交換量、pH、有機(jī)質(zhì)含量、含水量、總鎘含量相關(guān)，可以考慮用這些可以觀測的指標(biāo)對土壤對鎘污染的抵抗性能進(jìn)行描述。本研究數(shù)據(jù)來源于碩士學(xué)位論文，《土-水-作物系統(tǒng)中鎘的分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)-以湖北黃石為例》。

3.2 分析方法

因子分析是根據(jù)相關(guān)性大小把原始變量進(jìn)行分組，使得同組內(nèi)的變量之間相關(guān)性高，而不同組的變量之間的相關(guān)性低。每組變量代表一個(gè)基本結(jié)構(gòu)（即公共因子），并用一個(gè)不可觀測的綜合變量來表示。對于所研究的某一具體問題，原始變量分解為兩部分之和。一部分是少數(shù)幾個(gè)不可觀測的公共因子的線性函數(shù)，另一部分是與公共因子無關(guān)的特殊因子。

因子分析的另一個(gè)作用是分類。因此，本文利用樣品的公共因子的得分值進(jìn)行聚類分析，進(jìn)一步分析同類樣品的性質(zhì)。聚類分析的實(shí)質(zhì)是建立一種分類方法，將一批樣本數(shù)據(jù)按照它們在性質(zhì)上的密切程度在沒有先驗(yàn)知識(shí)的情況下自動(dòng)進(jìn)行分類。

4 因子分析

4.1 指標(biāo)變量之間的相關(guān)性分析

從下表1可以看出，本次樣品指標(biāo)KMO統(tǒng)計(jì)量是0.686，大于0.05，且Bartlett球面檢驗(yàn)值為314.835，卡方統(tǒng)計(jì)量的顯著性水平Sig為0.000，小于0.05，說明所選取的8個(gè)指標(biāo)適合作因子分析。

表1 KMO和Bartletts測試

Kaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy. .686

Bartletts Test of Sphericity Approx.Chi-Square 314.835

df 28

Sig. .000

4.2 因子分析的因子提取及碎石圖

對公共因子的選擇，采用了主成分分析法，提取特征值大于1的公共因子，并按最大方差旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn)，得到的結(jié)果如下表所示。從及總方差分解表（表2）可以看出，使用主成分方法提取出特征值大于1的公因子有2個(gè)，累計(jì)方差解釋率為79.694%。一般情況下，統(tǒng)計(jì)學(xué)提取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的公共因子，但是由于指標(biāo)全部為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，存在一定的誤差，結(jié)合實(shí)際情況，認(rèn)為前兩個(gè)公共成分已經(jīng)包含了指標(biāo)的絕大部分信息。因此，提取到前兩個(gè)公共因子。

4.3 旋轉(zhuǎn)前后的因子載荷

旋轉(zhuǎn)后因子載荷絕對值更加趨于1或0，更能清晰地反映出公共因子的含義。由旋轉(zhuǎn)后的因子載荷可以看出，公共因子f1為反映土壤的物化性質(zhì)的因子，它反映了土壤物化性質(zhì)對于其抵抗鎘污染的影響。X2、X5的f1載荷為負(fù)，砂粒含量越大，pH越大土壤越不容易受到鎘污染，因此可以推斷出f1越小，土壤對鎘污染的抵抗能力越強(qiáng)。公共因子f2在X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7上的載荷絕對值都較小，而在X8上的載荷絕對值特別大，為0.931，f2為反映土壤本底的總鎘含量的因子，f2反映了土壤本底的總鎘含量對其抵抗鎘污染的影響，總鎘含量越小，f2越小，土壤還能容納鎘污染物的量就越大，抵抗鎘污染的能力就越強(qiáng)。

4.4 因子得分

根據(jù)因子得分矩陣可建立因子得分函數(shù)：

f1=-0.151x5+0.075x7+0.216x3+0.153x4+0.203x2+0.137x6-0.21x1-0.131x8

f2=-0.081x5+0.236x7-0.261x3+0.114x4-0.11x2+0.16x6+0.146x1+0.842x8

根據(jù)因子得分函數(shù)計(jì)算各樣品的因子得分如表4所示。

5 系統(tǒng)聚類

因子f1，f2分別從不同的角度反映了土壤的特征對于其抵抗鎘污染的性能，利用f2，f1的得分進(jìn)行聚類分析，將具有共性的土壤進(jìn)行歸類，有助于合理分配土地利用類型，同時(shí)也可以為城市的規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)。

本次聚類采用系統(tǒng)聚類法，距離選用歐式距離，聚類方法選用最遠(yuǎn)距離法。聚類結(jié)果如表5所示。

聚類分析表明，第1類樣品的f1得分均較高，而f2得分均較低，這類土壤容易受到鎘污染，但對鎘污染還有一定的緩沖能力。因此這類土壤上，若進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能用含鎘的污水灌溉，也不宜成為金屬冶煉廠選址

第2類樣品f1得分較低，但是f2得分較高，表明其雖不易受到鎘污染，但目前其鎘含量背景值較高，已經(jīng)受到一定程度的污染。為了食品安全，保證農(nóng)作物中鎘含量不超標(biāo)，不宜在這類土壤上種植農(nóng)作物。

第3類樣品f1，f2得分都較低，表明這類土壤的物化性質(zhì)決定其不易受到鎘污染，同時(shí)目前鎘含量背景值較低，可以容納鎘污染的量較大，這類土壤對鎘污染的抵抗性能較強(qiáng)如果考慮建設(shè)冶煉廠，可以在這類土壤上選址。

6 結(jié)論

本文采用因子分析和系統(tǒng)聚類法分析了湖北黃石市22個(gè)土壤樣品的8項(xiàng)指標(biāo)，表征了研究區(qū)土壤對鎘污染的抵抗性能。通過因子分析，提取了兩個(gè)公共因子分別代表了土壤綜合物化性質(zhì)及總鎘含量對土壤抵抗鎘污染性能的影響。利用主因子得分對樣品進(jìn)行聚類分析，將樣品分成了對鎘污染抵抗性能高，對鎘污染抵抗性能中等，人類活動(dòng)因素導(dǎo)致鎘污染三類。本研究為研究區(qū)土壤環(huán)境保護(hù)與治理提供了科學(xué)依據(jù)。

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