基于因子分析法和最小數(shù)據(jù)集的五大連池火山礦泥質(zhì)量評價

曾 穎，吳 婧，王希英，方振興

黑龍江省科學(xué)院 自然與生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150040

0 前言

火山礦泥是一種特殊的土壤，由火山活動期間噴發(fā)的火山灰經(jīng)地表徑流或風(fēng)的搬運作用，沉積到周邊的沼澤或低洼地帶中，在物理、化學(xué)、生物作用及氧化還原條件下，與該地區(qū)的原始沉積物以及水共同形成為沉積層，通過吸附、富集、離子交換、遷移而形成的形成具有較高醫(yī)療價值的礦產(chǎn)資源.其中含有多種有益于人體的微量元素、礦物質(zhì)及微生物，已被證實在治療皮膚病、關(guān)節(jié)炎、脫發(fā)等方面具有非常顯著的療效，在美容化工行業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用［1-5］.鑒于目前尚無判定火山礦泥的國家標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量評價方法，還處在依賴感官經(jīng)驗進(jìn)行定性分類階段，導(dǎo)致這種于嚴(yán)苛條件下歷經(jīng)數(shù)百年形成的珍稀資源無法得到妥善的保護(hù)和高效開發(fā)，急需建立一種針對火山礦泥的定量化質(zhì)量評價方法.

當(dāng)前關(guān)于土壤質(zhì)量評價的方法有很多，但并沒有形成固定統(tǒng)一的方式，因為評價土壤質(zhì)量必須要聯(lián)系土壤自身功能、生態(tài)類型、所處地域的土地利用方式等方面因素，充分考慮其多樣性和變異性的特點，選擇適用性的質(zhì)量評價方法，并進(jìn)行驗證和對比［6-11］.因子分析法是使用較為廣泛和成熟的一種多元統(tǒng)計方法，能夠在變量群中找到隱藏的具有一定代表性的因子，實現(xiàn)用少數(shù)幾個因子去描述眾多指標(biāo)或因素之間的聯(lián)系［12-13］.而最小數(shù)據(jù)集法能夠通過減少指標(biāo)數(shù)量達(dá)到以較少的工作時間和成本來發(fā)現(xiàn)問題和解決問題.這兩種方法常被用來進(jìn)行土壤養(yǎng)分及質(zhì)量評價［14-18］.

本文借助傳統(tǒng)定性火山礦泥辨認(rèn)方法，從物理和化學(xué)等方面選取數(shù)據(jù)指標(biāo)，采用因子分析法及最小數(shù)據(jù)集理論構(gòu)建火山礦泥質(zhì)量評價方法，并對五大連池自然保護(hù)區(qū)內(nèi)火山礦泥進(jìn)行質(zhì)量評價，旨在為火山礦泥的合理開發(fā)利用及生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

五大連池自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省中北部，行政區(qū)劃隸屬黑河市管轄.地理坐標(biāo)為東經(jīng)125°57′—126°31′，北緯48°33′—48°53′，面積約1 060 km2.屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季嚴(yán)寒漫長，夏季涼爽短促.年平均氣溫為0.5℃，年平均降雨量為514.3 mm/a，年平均相對濕度為69.2%.全年多西北風(fēng).結(jié)冰期為10月初至翌年5月初，無霜期為121 d，最大凍結(jié)深度2.47 m.區(qū)內(nèi)擁有世界上保存最完整、分布最集中、品類最齊全、狀貌最典型的新老期火山地質(zhì)地貌，被譽為“中國火山博物館”.區(qū)內(nèi)有規(guī)律地分布著14座火山，位于西部的有藥泉山、筆架山、老黑山、火燒山、臥虎山和南、北格拉球山；分布在東面的是東、西龍門山，東、西焦德布山及莫拉布山、尾山、小孤山.其中老黑山和火燒山噴發(fā)于1719—1721年，其余12座形成于1～2 Ma的地質(zhì)時期.火山噴發(fā)后形成地質(zhì)、地貌、礦產(chǎn)等資源，每年吸引眾多游客，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價值.火山噴發(fā)后形成的火山礦泥經(jīng)過當(dāng)?shù)厝罕姅?shù)療養(yǎng)員長期實踐中總結(jié)出臨床經(jīng)驗，采用敷礦泥、日光浴并結(jié)合礦水浸浴、礦泉飲用等綜合療法，對皮膚科與各種脫發(fā)等癥有較為顯著的療效［19-21］.以火山礦泥為原料制成的火山礦泥護(hù)膚品已經(jīng)成為當(dāng)?shù)芈眯械奶厣唐?，成為?dāng)?shù)芈糜谓?jīng)濟(jì)的重要組成部分.五大連池火山礦泥是不可再生資源，必須科學(xué)合理地開發(fā)才能最大限度地發(fā)揮獨一無二的生態(tài)及醫(yī)用價值.

2 樣品采集及測定方法

通過查閱相關(guān)資料，在過往研究基礎(chǔ)及野外調(diào)研的基礎(chǔ)上，于2020年7—11月在五大連池14座火山周邊開展火山礦泥樣品采集工作.通過分析五大連池火山礦泥的形成條件可知，其主要賦存于火山周邊不規(guī)則分散的濕地中.以每塊濕地為單元按照網(wǎng)格法布設(shè)采樣點位，根據(jù)實際情況的可操作性，適當(dāng)調(diào)整位置，采樣數(shù)量由每塊濕地的面積確定.采用直壓式半圓槽鉆，通過人力砸入取樣.取出的樣品現(xiàn)場記錄坐標(biāo)、高程及環(huán)境信息，測定溫度、含水量、顏色、質(zhì)地等感官指標(biāo)，將樣品封入鋁袋.樣品自然風(fēng)干后，研磨過篩以供測定.采樣深度為表層土下40～100 cm.本次采樣點共計75個，采樣位置如圖1所示.

圖1 采樣點分布圖（據(jù)文獻(xiàn)［3］修改）Fig.1 Distribution sketch map of sampling sites（Modified from Reference［3］）

對Al、Ba、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Ni、Cr、Ti采用火焰原子吸收法測定，Cu、Cd、Pb采用石墨爐原子吸收法測定，V、Li、La、Sc采用電感耦合等離子發(fā)散光譜法（ICP－AES）測定.總有機碳（TOC）采用島津總有機碳測定儀測定，pH值采用電位法測定，含水量采用強盛土壤水分測定儀測定，石英由X射線衍射儀測定，黏粒、粉粒、砂粒由激光粒度分析儀測定并計算而成.對每個土樣所測指標(biāo)進(jìn)行3次平行測定，結(jié)果取其平均值.

3 研究方法

因子分析法和最小數(shù)據(jù)集通過SPSS 22.0軟件實現(xiàn).具體研究步驟如下.

3.1 偏相關(guān)度KMO檢驗

借助傳統(tǒng)定性火山礦泥辨認(rèn)方法，從物理和化學(xué)等方面選取25項指標(biāo)（Al、Ba、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Ni、Cr、Cu、Cd、Pb、V、Ti、Li、La、Sc、TOC、pH、含水量、石英，黏粒、粉粒、砂粒）進(jìn)行偏相關(guān)度KMO檢驗.結(jié)果顯示，KMO值為0.731，P＜0.001，說明指標(biāo)之間存在相關(guān)性，適合進(jìn)行因子分析.

3.2 因子分析

對25項指標(biāo)做描述統(tǒng)計（見表1），開展因子分析.其中特征值≤1的主成分為6個，且累積解釋的總方差達(dá)到75.931%，表明前6個主成分能解釋大部分火山礦泥的質(zhì)量性質(zhì)（見表2）.

表1 火山礦泥指標(biāo)描述性統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics of volcano mud indexes

3.3 Norm值計算

在特征值≥1的主成分變量中篩選出指標(biāo)載荷大于0.5的變量并分為一組，如果一個指標(biāo)在兩個主變量中皆因子載荷值≥0.5，則將其歸入指標(biāo)相關(guān)性較低的那一組.分別計算各組指標(biāo)的Norm值，選取每組中Norm值與該組中最大Norm值相差10%范圍內(nèi)的指標(biāo).然后對每組指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行檢查（見表3）.若相關(guān)性≥0.5，選擇Norm值最大的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集，如果一個指標(biāo)與同組內(nèi)其他指標(biāo)不具有相關(guān)性或相關(guān)性比較低，也要進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集.最后，對進(jìn)入該數(shù)據(jù)集的指標(biāo)再次進(jìn)行相關(guān)性分析，將相關(guān)性較高的冗余指標(biāo)全面去除，并將變異系數(shù)小于10%的不敏感指標(biāo)徹底去除.Norm值越高，則代表著該指標(biāo)的綜合載荷值越高，所包含、覆蓋、表達(dá)的信息越多［16］.Norm值的計算公式如下：

式中，Nik表示第i個指標(biāo)在特征值≥1的前k個主成分上的綜合載荷的Norm值；Uik表示第i個指標(biāo)在第k個主成分的載荷；λk為第k個主成分的特征值.由表2和表3數(shù)據(jù)可知，最終確定為評價火山礦泥質(zhì)量的評價指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集為V、Al、含水量、黏粒.

表2 火山礦泥指標(biāo)載荷矩陣、公因子方差和Norm值Table 2 Loading matrix，common factor variance and Norm values of volcano mud indexes

表3 火山礦泥指標(biāo)相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of volcano mud indexes

3.4 權(quán)重值計算

將最小數(shù)據(jù)集進(jìn)行主成分分析，得到各個指標(biāo)的公因子方差，用于計算各指標(biāo)的權(quán)重（見表4）.權(quán)重等于各指標(biāo)的公因子方差占所有指標(biāo)公因子方差之和的比例［19］.

表4 火山礦泥指標(biāo)權(quán)重Table 4 Weights of volcano mud indexes

3.5 火山礦泥質(zhì)量指數(shù)計算

得到各指標(biāo)的評分和權(quán)重后，根據(jù)如下方程計算火山礦泥質(zhì)量指數(shù)（QI）：

式中，Si代表指標(biāo)得分，n為指標(biāo)數(shù)量，Wi代表指標(biāo)權(quán)重值.QI值越高，表示火山礦泥質(zhì)量更好.根據(jù)研究區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn)資料及課題組累積成果，將五大連池火山礦泥分為4個等級.分類范圍為：Ⅰ級礦泥（QI≥0.75），Ⅱ級礦泥（0.5≤QI＜0.75），Ⅲ級礦泥（0.25≤QI＜0.5），Ⅳ級礦泥（QI＜0.25）.計算每座火山周邊火山礦泥的質(zhì)量綜合指數(shù)平均值、等級及對應(yīng)的火山礦泥面積，結(jié)果見表5.

表5 五大連池火山礦泥質(zhì)量指數(shù)平均值、等級及儲量Table 5 Average quality index，grade and reserves of Wudalianchi volcano mud

4 結(jié)果與討論

由表5可知，五大連池風(fēng)景區(qū)14座火山中臥虎山、小孤山和筆架山的周圍濕地已經(jīng)完全被開墾為農(nóng)田和工地、養(yǎng)殖場等，未發(fā)現(xiàn)火山礦泥.藥泉山、老黑山、火燒山的火山礦泥質(zhì)量最好，為Ⅰ級礦泥，占總礦泥儲量的49.69%；東西焦德布山、西龍門山、尾山的火山礦泥較好，為Ⅱ級礦泥，占總礦泥儲量的21.58%；莫拉布山、南北格拉球山的火山礦泥質(zhì)量一般，為Ⅲ級礦泥，占總礦泥儲量的20.72%；東龍門山的火山礦泥質(zhì)量較差，為Ⅳ級礦泥，占總礦泥儲量的8.01%.

結(jié)合圖1可知，五大連池火山礦泥質(zhì)量等級空間分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，以新期火山（老黑山和火燒山）周邊的火山礦泥質(zhì)量最優(yōu).以其為中心，向外延伸，質(zhì)量逐漸降低，且西部火山周邊的火山礦泥質(zhì)量整體優(yōu)于東部.優(yōu)質(zhì)礦泥賦存濕地均毗鄰礦水區(qū)或地表堰塞湖，且集中位于五大連池風(fēng)景區(qū)核心景點附近，生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好，遠(yuǎn)離農(nóng)田，為優(yōu)質(zhì)火山礦泥的形成提供了有利條件.Ⅰ級火山礦泥所占比例最高，接近總儲量的一半，這部分是五大連池火山礦泥的精華，目前大部分已經(jīng)被隔離管控.建議進(jìn)一步建設(shè)火山礦泥保護(hù)區(qū)及衛(wèi)生防護(hù)區(qū)，防止人類活動的干擾，攔截污染的進(jìn)入，并加大科研投入，實現(xiàn)珍稀資源的高值化利用.Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級火山礦泥約占五大連池火山礦泥總儲量的一半，目前均未被列入監(jiān)管，賦存火山礦泥的濕地已經(jīng)受到不同程度的破壞，出現(xiàn)退化現(xiàn)象.這部分火山礦泥資源價值被低估，具有巨大開發(fā)潛力.建議相關(guān)部門給予重視，制定可操作的管控措施，確保這部分火山礦泥資源能夠被科學(xué)、有序、合理地開發(fā)和利用.此外，目前尚有很多可能賦存火山礦泥的研究區(qū)域未被調(diào)查，迫切需要相關(guān)部門組織力量開展勘探工作，盡早發(fā)現(xiàn)并保護(hù)好這種珍貴的礦產(chǎn)資源.

5 結(jié)論

1）采用因子分析法和最小數(shù)據(jù)集法篩選出火山礦泥質(zhì)量評價指標(biāo)為V、Al、含水量、黏粒.

2）通過計算火山礦泥質(zhì)量指數(shù)，將五大連池火山礦泥分為4個等級，其中Ⅰ級礦泥的儲量面積最大，約占總儲量的一半.火山礦泥質(zhì)量等級空間分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，新期火山（老黑山和火燒山）周邊的火山礦泥質(zhì)量最優(yōu).以其為中心，向外延伸，質(zhì)量逐漸降低，且西部火山周邊的火山礦泥質(zhì)量整體優(yōu)于東部.

3）因子分析法和最小數(shù)據(jù)集法減少了人為主觀因素的影響，客觀性、科學(xué)性和規(guī)范性強，易于推廣，適合在火山礦泥質(zhì)量評價中應(yīng)用.