主成分分析法在澴河流域孝南段土壤污染源解析中的應(yīng)用

李銳穎，陳彥美*，董雨曼，潘 潔

（1.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊(duì)，湖北 孝感 430200）

土壤污染源的解析方法是根據(jù)大氣污染源的解析方法發(fā)展而來的[1]。早在20世紀(jì)70年代，就建立了以污染區(qū)域?yàn)檠芯繉ο蟮氖荏w模型：即根據(jù)測量樣品的物理化學(xué)性質(zhì)來分析污染物的含量，從而定性判斷出污染物的來源并定量計算出污染源的貢獻(xiàn)率[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的受體模型主要包括化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB）、主成分分析法（PCA）、因子分析法（FA）、正定矩陣因子分解法（PMF）等[3-5]。其中，主成分分析法可以對高維的變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳簡化和綜合，從而可以客觀地確定各個指標(biāo)的權(quán)數(shù)，以避免主觀隨意性[6]。

本文以澴河流域孝南段為研究區(qū)域，并在土壤取樣測試及污染源調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用主成分分析法進(jìn)行污染物來源解析，以期為澴河 流域孝南地區(qū)土壤污染防治提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)闈缀恿饔蛐⒛蠀^(qū)，隸屬湖北省孝感市，屬于亞熱帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖濕潤。全年以東南風(fēng)為主導(dǎo)，年平均氣溫在16 ℃左右。孝感市境內(nèi)有5級以上河流216條，地形東北高西南低，以平原湖區(qū)為主。地貌主要由平原、丘崗兩種類型。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析測試

本次采樣共34個，其中表層及深層樣品各17個，取樣點(diǎn)如圖1所示。取樣深度分別為表層土壤0～20 cm，深層土壤20～40 cm。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過200目尼龍篩。采用離子選擇性電極法測定pH值；采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定Cu、Pb、Zn、Cd、Ni；采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定Cr；采用原子熒光光譜法測定As、Hg；采用鉬銻抗比色法測定P；采用碳氮分析儀測定N；采用分光光度法測定氟化物、氯化物和硫化物；采用離子色譜法測定全鹽量。同時，對所有測試樣品進(jìn)行隨機(jī)抽樣檢查和異常點(diǎn)檢查所得結(jié)果誤差均控制在小于0.5%的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布

2.2 主成分分析法

主成分分析法是一種統(tǒng)計過程，是利用正交變換將一組相關(guān)變量的觀察值轉(zhuǎn)換為一組不相關(guān)變量的值，同時，能夠根據(jù)實(shí)際從中選取較少的總量和變量反映原來變量信息的統(tǒng)計，可通過降維的方法，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 分析結(jié)果

布設(shè)的土壤監(jiān)測點(diǎn)分別記為HTB（表層土）1～17、HTS（深層土）1～17，結(jié)果顯示HTB15、HTS15的Pb均大于篩選值；HTB15、HTB16的Cr（VI）大于篩選值，HTS14、HTS15、HTS16的Cr（VI）大于管控值；HTB12和HTS12的Cu、HTB12的Ni以及所有樣點(diǎn)的Hg含量均超過國家一級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 污染物來源分析

3.2.1 表層土壤

表層土壤各主成分分析荷載系數(shù)詳見表1，雙標(biāo)圖如圖2所示。從表層土壤雙標(biāo)圖中可看出，樣品1、3、4、7、8，樣品2、5、9、12、13，樣品10、11，樣品6、14、15、16、17污染來源可能相同。

圖2 表層土壤雙標(biāo)圖

表1 主成分荷載系數(shù)

從表1可看出，樣品PC1貢獻(xiàn)率為36.19%，為影響表層土壤污染的主要因素，其中Cu、氟化物、Ni所占的荷載系數(shù)最高，主要反映出了Cu、氟化物、Ni的富集信息，且與其他主成分呈負(fù)相關(guān)，而重金屬Cu是機(jī)動車排放的特征元素[6]；PC2的貢獻(xiàn)率為22.80%，其中Cd、硫化物為主要影響因素，主要與化肥使用有關(guān)；PC3貢獻(xiàn)率為14.80%，Hg、P占比較大；PC4貢獻(xiàn)率為11.61%，pH值影響較大，主要為生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水和化肥施用的影響；PC5貢獻(xiàn)率為4.40%，受Pb的影響較大，主要來源于電子元件生產(chǎn)過程中污水的排放。

3.2.2 深層土壤

表層土壤各主成分分析荷載系數(shù)詳見表2，雙標(biāo)圖如圖3所示。由圖3可以看出，不同土壤樣品的分布區(qū)域不同，相同區(qū)域的樣品污染物來源可能相同。即樣品1、3、4、7、8；樣品2、5、9、12、13；樣品10、11；樣品6、14、15、16、17污染來源可能相同。

圖3 深層土壤雙標(biāo)圖

表2 主成分荷載系數(shù)

從表2可知，PC1貢獻(xiàn)率為39.95%，為影響表層土壤污染的主要因素，其中Cu、氟化物、Ni所占的荷載系數(shù)最高，貢獻(xiàn)量最大，影響也最大，且都與其他主成分呈負(fù)相關(guān)，周圍有少量采礦場，重金屬Cu、Ni主要來源于大氣沉降和工業(yè)污染；PC2的貢獻(xiàn)率為19.98%，其中Cd、P為主要影響因素，即農(nóng)田的大量施肥灌溉對土壤造成影響；PC3貢獻(xiàn)率13.36%，全鹽量占比較大；PC4貢獻(xiàn)率為7.54%，硫化物影響較大，主要來源于化肥的施用和污水的排放；PC5貢獻(xiàn)率為6.25%，受Pb的影響較大，主要來自于生活污水排放和農(nóng)業(yè)污水灌溉。Cr、Pb元素超過篩選值，而土壤元素中Cr、Ni、Cu、Pb一般來源于自然因素，主要與成土母質(zhì)有關(guān)，其次來源于汽車尾氣。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)采樣檢測情況來看，部分元素含量均超過風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)及土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，表明重金屬元素已經(jīng)對澴河流域孝南地區(qū)的土壤造成了污染。

（2）主成分分析結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)的重金屬Cu、Cd、Pb主要來源于道路交通；Cr、Ni、Cu、Pb一般與成土母質(zhì)有關(guān)，其中超標(biāo)的主要與周圍電子元件廠的生產(chǎn)有關(guān)；As、Hg、N、P等元素主要與大量使用化肥、農(nóng)藥及排放生活污水和固體廢棄物的堆積有關(guān)。