基于SPSS的數理統計方法在海洋重金屬環境背景值計算中的應用

王秋璐，周燕遐，陳斐，東成

（國家海洋信息中心, 天津, 300171）

基于SPSS的數理統計方法在海洋重金屬環境背景值計算中的應用

王秋璐，周燕遐，陳斐，東成

（國家海洋信息中心, 天津, 300171）

討論并計算了海水中重金屬的含量值域。基于SPSS的主成分分析方法，將Cu，Pb，Zn, Cr，Hg，As，Cd7類重金屬構成3個主成分，再通過主成分權重值作圖劃分調查海域的環境統計單元。對重金屬進行異常值判定和分布類型檢驗，最終得到重金屬的環境背景值。

SPSS數理統計；環境背景值；態性檢驗；環境統計單元

Abstract: The concentrations of dissolved heave metal in the surface water of the China sea are studied.Based on SPSS statistical analysis, the statistical cells are divided, determining abnormal value and deciding the probability distribution type, and the background values of the elements are obtained in the end.

Keywordss: SPSS statistical analysis; background values; normality test; environmental statistics element

環境境背景值是指在目前的環境條件下，相對清潔區內(人類活動影響相對較小的地區)化學元素的含量及能量值[1]。海水中的重金屬元素，因為其含量相對較低，來源多樣化，測量技術和手段要求精密等，其值域一直是研究的熱點。這樣，確定海水中重金屬元素環境背景值對研究環境變遷，金屬元素在環境中遷移規律與環境質量評價和人為增量預測具有重要意義。

本文運用SPSS軟件中的數理統計方法，確定調查海域的環境統計單元，劃分重金屬元素的主成分，并進行異常值判定和態性檢驗，最終得到重金屬的環境背景值范圍。

1 樣品采集與分析方法

于 2007年秋季對中國近岸海域表層海水重金屬進行調查分析，主要按照《海洋調查規范》（GB 12763.4，GB 12763.5和GB 12763.6）和《海洋監測規范》（GB17378）中的方法要求，對7類重金屬：銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、As（砷）、鉻（Cr），汞（Hg）進行采樣和分析。共得到7類重金屬各245個樣品值。

2 調查海域環境統計單元的劃分

在數據處理中，各環境區域所獲得的數據就構成了數據處理的基本環境統計單元。中國近岸海域各類重金屬分布主要呈現近岸含量較高，外海含量較低的特點，但是各類重金屬在不同省份又有其特殊性。這樣本文應用SPSS數理統計方法對7類重金屬進行主成分分析，得到3類主成分，利用主成分權重值繪圖，劃分出背景值的環境統計單元。

2.1 主成分的確定

根據SPSS分析累計貢獻率達到的百分比值確定主成分，結果見表1：

表1 總方差解釋Tab.1 Total Variance Explained

累計貢獻率達到73%以上得到3個主成分，其含義是指這3個主成分包含的信息占原始變量總信息的73%。這樣7個重金屬元素就被劃分在了3類主成分信息中[2]，見表2：

表2 主成分組成Tab.2 The principal component matrix

結果表明，Cu，Pb，Cd，Zn構成了主成分1；As，Cr組成了主成分2；主成分3是Hg。

2.2 環境統計單元劃分

這樣根據主成分 1和 2得到的權重值，繪制X-Y平面圖，見圖1，2。

圖1：橫坐標表示主成分1的權重值；縱坐標表示主成分2的權重值。

圖2：是圖1權重值的局部放大，坐標點名稱為對應海域點。

從圖1中可以看到LN海域在橫坐標中（即主成分1）權重值正貢獻明顯；GX，SD海域在縱坐標（主成分2）權重值正貢獻明顯；結合圖1和2可以觀察到，其他海域基本上都集中在橫、縱坐標中心原點附近，只有少數個別貢獻值偏離較大。這樣可以有針對性地得到環境統計單元（以下簡稱：“統計單元”）A，B，C，D，E。見表3：

圖1 主成分1，2 權重值X-Y圖Fig.1 X-Y Figure of component 1,2

圖2 主成分1，2權重值局部放大圖Fig.2 X-Y Figure of component 1,2(zoom out )

表3 環境統計單元的區分Tab.3 the environmentsl statistic unit

3 異常值的判定

由于非標準化的布點，采樣，運輸，保存及分析測試等都會造成離群的樣品值，所以要先進行異常值的檢驗，保持原有的分布情況，更有利于真實地得到環境背景值范圍。這里根據先前劃分的統計單元，運用常規的Grubbs法和X±3S法，判定異常值。結果見表4。

表4 海水重金屬濃度異常值判定Tab.4 Determinant of heavy metal abnormity

4 環境背景值的確定

在環境背景值的計算中，通常由樣本的均值或幾何均值來集中反映區域環境內各要素背景含量的集中趨勢和宏觀特征；用樣本的標準差和幾何標準差來反映元素背景含量分布的隨機性和離散性等微觀特征，兩者結合則給出了在一定置信度下的背景值區間。

4.1 各金屬元素概率分布類型的判定

首先必須確定出各金屬元素所服從的分布類型—即態性檢驗，這里我們選用兩種方法：當樣本容量 3≤n≤50，采用夏皮洛一威爾克檢驗（W 檢驗）；當n≥50時，采用偏度和峰度檢驗[3]。對各個環境統計單元的各元素含量概率分布類型進行綜合判定（置信度選為0.01）。判定結果見表。

表5 海水重金屬元素的態性檢驗Tab.5 Tests of heavy metal Normality

4.2 各元素環境背景值域

根據不同的態性分布，計算各金屬元素的環境背景值，確定方法一般為：正態和對數正態類型采用平均值和幾何平均值法；偏態分布采用求累計頻率作圖法，取10%和90%的對應值范圍[4]。計算結果見表6：

表6 重金屬環境背景值Tab.6 Heavy metal background value

5 結 論

1）在SPSS軟件的支持下，運用主成分分析方法進行海水重金屬元素的評價分析，根據主成分及各評價海域的綜合權重得分結果，劃分背景值的環境統計單元。這樣，統計單元為之后判定異常值和確定背景值范圍提供了更為可靠的依據。

2）本文通過計算中國近岸海域表層溶解態重金屬的環境背景值，利用統計分析得到其濃度的分布狀態，這為今后進一步年研究及評價中國近岸海水水質污染狀況提供了參考依據。

[1]繆天威，王惠琪，鄭春江.環境背景值研究 [J].中國環境科學, 1990, 10: 255-262.

[2]李哲強，侯美英，白云鵬.基于SPSS的主成分分析在水環境質量評價中的應用 [J].海河水利, 2008, 3: 49-52.

[3]劉娟.葫蘆山灣沉積物中重金屬集散特征及環境背景值鮑永恩 [J].海洋環境科學, 1995, 14: 1-7.

[4]樊麗芳, 陳植華.地下水環境背景值的確定 [J].西部探礦工程, 2004, 98: 90-92.

Research of the background values of marine heavy metals by SPSS statistical analysis

WANG Qiu-lu, ZHOU Yan-xia, CHEN Fei, DONG Cheng

(National Marine Data and Information Center, Tianjin, 300171, China)

X824

A

1001-6932(2011)01-0100-04

2010-03-17；收修改稿日期：2010-06-29

王秋璐（1982-），女，碩士，助理工程師。主要從事海洋生態化學數據處理方面研究。電子郵箱：shelleyqing@hotmail.com。