基于最小數(shù)據(jù)集的高寒高海拔礦區(qū)土壤質(zhì)量評價

袁程昱，李發(fā)永*，胡雪菲，尤永軍，李國玉

(1.塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

礦產(chǎn)資源是一種重要的非可再生自然資源，為國民經(jīng)濟建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。但其開采過程對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，也間接影響了人類的生活健康[1]。現(xiàn)階段對礦區(qū)土壤污染的分析已經(jīng)成為了研究熱點，其中對土壤進(jìn)行質(zhì)量評價具有重要意義。可以針對研究區(qū)域土壤篩選適合的評價指標(biāo)，對土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，以較好地反應(yīng)土壤質(zhì)量狀況，為研究區(qū)域的環(huán)境治理提供理論依據(jù)[2-3]。但由于不同地區(qū)土壤理化性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的異質(zhì)性和可變性，所選用的評價參數(shù)都不盡相同。因此，土壤質(zhì)量評價需要根據(jù)研究區(qū)域的地理位置和環(huán)境特征篩選合適的土壤評價參數(shù)[4-5]。高寒高海拔地區(qū)由于氣候的多變性和生態(tài)環(huán)境的脆弱性，采礦活動對土壤質(zhì)量的影響會更大。因此，需要分析其土壤質(zhì)量狀況，為評估環(huán)境可持續(xù)性提供參考[6]。

目前，已經(jīng)有許多研究提出了各種綜合評價方法，其中土壤質(zhì)量指數(shù)法較為常用，通過公式計算將土壤物理、化學(xué)和生物指標(biāo)綜合成一個指數(shù)[7]。由于土壤指標(biāo)數(shù)量較多且相互關(guān)聯(lián)，需要篩選出最合適的評價指標(biāo)，因此許多研究選擇在最大限度包含所有土壤指標(biāo)相關(guān)信息和減少數(shù)據(jù)冗余的前提下采用最小數(shù)據(jù)集(Minimum Data Set，MDS)進(jìn)行評價指標(biāo)的篩選。因此，本研究選取礦區(qū)土壤的主要理化參數(shù)進(jìn)行檢測，通過主成分分析法篩選出適宜的評價指標(biāo)，建立最小數(shù)據(jù)集，分析礦區(qū)土壤質(zhì)量狀況，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究礦區(qū)位于新疆西天山中部，地理位置為北緯43°8′14"～43°22′8"，東經(jīng)84°57′21"～84°57′21"。礦區(qū)擁有約12 km2的大型鐵礦床，總資源儲量423萬t，礦石主要成分為磁鐵礦。礦區(qū)采用露天開采，礦山的服務(wù)期為10年。研究區(qū)域土壤類型為高山草甸土，平均海拔3 500 m以上，屬于寒溫帶大陸性氣候，主要以降雨降雪天氣為主，年氣溫變化為-30～16 ℃，年降雨量為576 mm，主要集中在6—8月，年蒸發(fā)量為425 mm，平均濕度為43%。風(fēng)向主要為東北偏東，最大風(fēng)速為12 m/s。溝谷兩側(cè)山嶺常年積雪，夏季會形成季節(jié)性融水[8]。

1.2 土壤樣品的采集

于2018年7月進(jìn)行土壤樣品的采集。根據(jù)礦區(qū)點位分布共設(shè)置工人生活區(qū)(以下簡稱生活區(qū))、草甸放牧區(qū)-1(以下簡稱“草甸區(qū)-1”)、草甸放牧區(qū)-2(以下簡稱“草甸區(qū)-2”)、尾礦區(qū)、采礦區(qū)和凍融區(qū)6個采樣區(qū)域，各點位海拔高度分別為2 780，3 037，3 337，3 471，3 545，3 652，每個采樣點的面積為30 m×50 m，樣品主要采集0～20 cm土層的土壤。在每個采樣點隨機收集3個重復(fù)的土壤樣品，每個土壤樣品放在便攜式冰箱(4 ℃)的密封塑料袋中，用于土壤理化參數(shù)的測定。研究區(qū)域與采樣點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域與采樣點分布

1.3 土壤理化指標(biāo)的測定

根據(jù)研究區(qū)域土壤特征選取了總氮、總碳、總磷、有效磷、有機碳、pH、生物量和重金屬(As，Cd，Cu，Ni，Pb，Zn，Cr，F(xiàn)e，Al，Ca)進(jìn)行檢測。土壤的總氮和總碳用元素分析儀(Vario MAX CNS，Elementar，德國)測定。土壤總磷采用鉬藍(lán)比色法測定。有效磷采用銻鉬比色法測定[9]。土壤有機碳通過重鉻酸鉀法測定[10]。使用pH計(PHS-3C，中國上海)在1∶5(土∶水)的懸浮液中測定土壤的pH值。根據(jù)Jiang等[11]的方法，將隨機樣方中的所有植物烘干，測定生物量。重金屬元素使用HF-HNO3-HClO4消解法對土壤進(jìn)行消解，再采用等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS；Agilent 7500，安捷倫，日本)測定重金屬元素含量。所有試劑均購自國藥化學(xué)試劑有限公司。

1.4 土壤理化指標(biāo)的測定

1.4.1最小數(shù)據(jù)集的建立

最小數(shù)據(jù)集(MDS)由Larson等[12-13]提出，是土壤質(zhì)量指數(shù)評價法中常用于篩選評價指標(biāo)的方法之一。

1)對標(biāo)準(zhǔn)化處理后的土壤理化指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)。將特征值≥1的主成分篩選出來進(jìn)行下一步分析，并且將一個主成分上載荷≥0.5的參數(shù)劃分為一組。如果指標(biāo)的所有載荷均<0.5，則將該指標(biāo)劃分到載荷值最高的一組。

2)計算各指標(biāo)的矢量常模值(Norm值)。Norm值常用于評價指標(biāo)的篩選。Norm值越大，則說明該指標(biāo)對主成分的代表性越高，包含的綜合信息也越多[14]。Norm值的計算公式如下：

(1)

式(1)中，Nik是第i個指標(biāo)在特征值≥1的前k個主成分上的綜合載荷；uik是第i個指標(biāo)在第k個主成分上的載荷；λk是第k個主成分的特征值。

3)選取各主成分中載荷值在最高載荷值10%范圍內(nèi)的指標(biāo)。當(dāng)一個主成分中保留了多個指標(biāo)時，通過Pearson相關(guān)性分析確定指標(biāo)冗余度[15]。若相關(guān)性高，則只選取Norm值最高的進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；若相關(guān)性低，則將各指標(biāo)均選入最小數(shù)據(jù)集?？紤]到本研究區(qū)域指標(biāo)變化較大，選擇相關(guān)系數(shù)大于0.4的為高相關(guān)性[16]。

1.4.2土壤質(zhì)量指數(shù)

由于各指標(biāo)的單位都不相同，不具有可比性，需要將所有指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，通常使用隸屬函數(shù)公式：

(2)

式(2)中，Xi為指標(biāo)測定值；Xmin和Xmax為第i個指標(biāo)的最小值和最大值。

計算最小數(shù)據(jù)集中所有指標(biāo)的權(quán)重，以表示各指標(biāo)對特定土壤的重要性，各指標(biāo)的權(quán)重為其公因子方差占所有公因子方差之和的比值，指標(biāo)的權(quán)重值越高說明其對土壤質(zhì)量的影響更大[17]。將所有指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)后，根據(jù)主成分分析結(jié)果，計算不同數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)：

(3)

式(3)中，SQI是土壤質(zhì)量指數(shù)；Wi是第i個指標(biāo)的權(quán)重；Qi是第i個指標(biāo)的隸屬度值；n是評價指標(biāo)數(shù)量。土壤質(zhì)量指數(shù)越高說明土壤質(zhì)量和土壤功能越好[15]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和標(biāo)準(zhǔn)化，采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗、主成分分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤的理化指標(biāo)統(tǒng)計

礦區(qū)土壤的理化指標(biāo)統(tǒng)計見表1。由表1可知，總氮和總碳含量變化較大，變異系數(shù)分別為48.29%和50.96%，主要是礦區(qū)土壤中富含的重金屬元素影響了土壤的礦化速率和微生物活性，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量較低[18]。土壤整體呈酸性，主要是由于礦區(qū)礦石的大量堆積和氧化及土壤母質(zhì)的不同[19-20]。變異系數(shù)常用于反映不同重金屬元素含量的分布情況，當(dāng)變異系數(shù)越大，說明受人為來源的影響越大，反之則表明主要受自然來源的影響[21-22]。總氮、總碳、有效磷、生物量、Cd和Ca的變異系數(shù)較大，說明受到采礦活動的影響較大。由K-S檢驗結(jié)果可知，碳氮比、有效磷、pH、有機碳和Ca服從正態(tài)分布(P>0.05)。

表1 礦區(qū)土壤的理化指標(biāo)統(tǒng)計

2.2 建立最小數(shù)據(jù)集

主成分分析法是一種通過降維技術(shù)將多個相互關(guān)聯(lián)的變量轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個不相關(guān)的主成分的統(tǒng)計方法。本研究依據(jù)礦區(qū)土壤特征，選取進(jìn)行檢測的理化指標(biāo)有As，Cd，Cu，Ni，Pb，Zn，Cr，F(xiàn)e，Al，Ca、總氮、總碳、總磷、碳氮比、有效磷、pH值、有機碳和生物量。經(jīng)KMO檢驗(0.552)和Bartlett檢驗(P<0.01)發(fā)現(xiàn)，土壤各指標(biāo)數(shù)據(jù)適合進(jìn)行主成分分析。土壤的理化指標(biāo)主成分分析見表2。由表2可知，土壤理化指標(biāo)中特征值>1的主成分有5個，分別為5.56，3.03，2.59，1.31和1.23，5個主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到76.24%，表明這些主成分對反映土壤質(zhì)量狀況有較好的代表性。土壤質(zhì)量指標(biāo)在各主成分上的載荷及Norm值見表3。由表3可知，主成分1包含的指標(biāo)是有機碳、As，Cd，Al，pH，總磷和Cu，主成分2包含的指標(biāo)是Ni，Cr和Fe，主成分3包含的指標(biāo)是Pb，Zn和Ca，主成分4包含的指標(biāo)有總氮和總碳，主成分5包含的指標(biāo)是碳氮比、生物量和有效磷。表3顯示評價指標(biāo)中的Ca、總氮、總碳、有效磷、生物量、Cd的變異系數(shù)較大，表明主要是采礦活動導(dǎo)致了這些參數(shù)含量的變化。

表2 土壤的理化指標(biāo)主成分分析

根據(jù)最小數(shù)據(jù)集篩選方法，主成分1(PC1)的7個評價指標(biāo)中滿足篩選條件的是有機碳和As，相關(guān)性分析顯示As和有機碳為極顯著相關(guān)(R2=0.727，P<0.01)，而有機碳的Norm值較高，因此選擇有機碳進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；主成分2的3個評價指標(biāo)中滿足篩選條件的只有Cr，因此選取Cr進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集作為評價指標(biāo)；主成分3的3個評價指標(biāo)中滿足選取條件的只有Ca，因此主成分3選取Ca進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；主成分4的2個評價因子均滿足了最小數(shù)據(jù)集篩選條件，但相關(guān)性分析顯示總氮和總碳為極顯著相關(guān)(R2=0.982，P<0.01)，其中總碳的Norm值較高，因此選取總碳進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；主成分5的3個評價因子中滿足條件的指標(biāo)只有生物量，因此主成分5選取生物量進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。綜上所述，確定進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的評價指標(biāo)是有機碳、Cr，Ca、總碳和生物量。

表3 土壤質(zhì)量指標(biāo)在各主成分上的載荷及Norm值

2.3 土壤質(zhì)量評價

最小數(shù)據(jù)集構(gòu)建完成后，將篩選出的所有評價指標(biāo)重新進(jìn)行主成分分析。土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬函數(shù)、公因子方差和權(quán)重見表4。由表4可知，礦區(qū)各采樣點的土壤質(zhì)量指數(shù)比較結(jié)果為生活區(qū)>凍融區(qū)>草甸區(qū)-2>草甸區(qū)-1>尾礦區(qū)>采礦區(qū)，表明采礦區(qū)的土壤受重金屬污染程度最高，也就意味著采礦區(qū)的土壤質(zhì)量最差。

表4 土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬函數(shù)、公因子方差和權(quán)重

有研究表明，采礦活動對土壤生態(tài)環(huán)境的破壞是巨大且難以恢復(fù)的，同時也是土壤環(huán)境分析中最常見的污染源之一[23]。最小數(shù)據(jù)集中評價指標(biāo)的計算分析顯示，對土壤質(zhì)量變化影響較大的參數(shù)是有機碳和總碳。土壤有機碳能顯著地改善土壤質(zhì)量，促進(jìn)土壤生物活性，同時還能調(diào)節(jié)土壤對水分、養(yǎng)分和能量的儲存能力，在評價土壤質(zhì)量的研究中能提供重要的衡量依據(jù)[24]。Cr和Ca都是生物生長時必需的元素，但Cr是土壤中的微量元素，超過土壤負(fù)荷值就會產(chǎn)生危害，而Ca在土壤中廣泛分布，儲存形式主要以碳酸鹽為主。土壤生物量是評估土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，對土壤生態(tài)環(huán)境的生長代謝具有調(diào)控作用，生物量的增加不僅能增長生物群落的功能多樣性，還能促進(jìn)土壤的自我調(diào)節(jié)和修復(fù)能力[25]。

目前，已經(jīng)有許多研究將土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行篩選來構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集適用于在區(qū)域范圍內(nèi)來進(jìn)行土壤質(zhì)量評價[26]。本研究通過主成分分析構(gòu)建了最小數(shù)據(jù)集，結(jié)合隸屬函數(shù)值計算了土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)以反映土壤質(zhì)量狀況。根據(jù)表4可知，礦區(qū)各采樣點的土壤質(zhì)量狀況比較結(jié)果為生活區(qū)>凍融區(qū)>草甸區(qū)-2>草甸區(qū)-1>尾礦區(qū)>采礦區(qū)。結(jié)果表明，生活區(qū)和凍融區(qū)土壤污染狀況較輕，土壤質(zhì)量狀況較好，而尾礦區(qū)和采礦區(qū)土壤受土壤重金屬污染影響較大，土壤質(zhì)量狀況較差。此外，由于礦區(qū)的開采時間較短，目前土壤污染程度還較輕，尤其是生活區(qū)和凍融區(qū)的土壤受采礦活動的影響還不明顯，礦區(qū)土壤質(zhì)量的變化仍需要長期的持續(xù)關(guān)注和檢測分析，同時根據(jù)土壤質(zhì)量變化實時調(diào)整適宜的評價參數(shù)和方法，為今后對礦區(qū)土壤的研究和受污染土壤的修復(fù)措施提供理論指導(dǎo)。

3 結(jié)論

礦區(qū)土壤理化指標(biāo)的檢測分析表明，總氮、總碳、有效磷、生物量、Cd和Ca的變異系數(shù)較大，受到采礦活動的影響較明顯。通過主成分分析、構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集和計算土壤質(zhì)量指數(shù)，最終確定有機碳、Cr，Ca、總碳和生物量為最終的土壤質(zhì)量評價指標(biāo)，礦區(qū)各點位的土壤質(zhì)量評價結(jié)果表明，生活區(qū)和凍融區(qū)的土壤質(zhì)量(0.557和0.524)優(yōu)于尾礦區(qū)和采礦區(qū)(0.430和0.397)?？紤]到高寒高海拔的環(huán)境特殊性和受污染的狀況，篩選出了適宜的評價指標(biāo)，反映了礦區(qū)土壤的質(zhì)量現(xiàn)狀，目前總體上土壤質(zhì)量較好，受重金屬污染程度較輕。今后仍需要持續(xù)的關(guān)注和研究，為之后對礦區(qū)的綜合治理和土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。