阿里表層土壤元素相關分析

劉玉梅　張建國　吉云松　王英利　陶菲　馬薇

摘要 通過野外布點采樣，獲得涉及西藏阿里地區6個縣的90個表層土壤樣品，在室內分析13種土壤元素含量，通過相關分析和因子分析方法分析這13種土壤元素的相互關系和富集、遷移轉化規律。結果表明，阿里表層土壤中過渡元素間大多數具有顯著相關性；影響阿里土壤元素含量的主要因素為自然因素；人類活動對該區的表層土壤元素含量雖有一定影響，但強度不大。

關鍵詞 土壤；元素；相關分析；因子分析；阿里

中圖分類號 X153.6；X131.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-070-04

土壤是構成生態系統的基本要素之一，是人類賴以生存的物質基礎[1]。土壤中的元素含量不僅取決于成土母質的化學組成，而且取決于諸成土因素（氣候、生物、地形、時間、人類活動）的綜合作用和元素的地球化學過程，即元素的淋溶、遷移、沉積與積累[2]。土壤中的不同元素由于在地球化學過程中所受影響因素的相似性而表現出一定的相關性。在土壤環境研究中，探討化學元素的相互關系及變化規律，并揭示其主要影響因素具有重要意義。這對于確定一個地區的土壤元素來源、進行土壤環境化學與質量評價、保護土壤環境以及合理利用和規劃土地資源具有重要的實用價值。

隨著社會的進步與經濟的快速發展，當今世界人類活動的影響已波及全球，地球上絕大部分地區都不同程度地受到工業污染的影響。阿里地處我國青藏高原，由于受環境、交通和社會歷史發展條件的限制，自然資源開發利用程度較低，大部分地區生態環境基本上保持在原生狀態，是地球上受人類活動影響和污染較小的地區之一。通過對阿里土壤元素含量的調查，摸清阿里土壤環境質量狀況，獲得基礎數據，不僅可以指導阿里工農業生產的合理布局，提高環境監督管理工作的針對性，而且可為阿里乃至全球土壤環境污染狀態和發展態勢的評價提供重要的參照值。筆者通過野外布點采樣，獲得涉及阿里地區6個縣的90個土壤樣品，在室內分析13種土壤元素含量，通過相關分析和因子分析方法分析阿里表層土壤13種土壤元素的相互關系及富集、遷移轉化規律。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 阿里位于中國西南邊陲、青藏高原西部、西藏自治區西部。地理坐標為78°23′40″～86°11′51″ E，29°40′40″～35°42′55″ N。東起唐古拉山以西的雜美山，與那曲地區相連；東南與岡底斯山中段的日喀則市仲巴、薩嘎、昂仁縣接壤；北倚昆侖山脈南麓，與新疆喀什、和田地區相鄰；西南連接喜馬拉雅山西段，與克什米爾及印度、尼泊爾毗鄰[3]。阿里是中國西藏自治區的一個地區級行政區，下轄札達、葛爾、日土、普蘭、措勤、改則、革吉七縣，是世界上人口密度最小的地區之一。由于遠離海洋，深處內陸，干旱少雨，阿里成為西藏最干旱的地區。南部、中部和北部分別為阿里山地干旱半荒漠、荒漠生物氣候帶和昆侖高寒干旱半荒漠、荒漠生物氣候帶[4]。阿里地勢高，平均海拔在4 500 m以上，素有“世界屋脊”的屋脊之稱。喜馬拉雅山脈和岡底斯山脈在此相聚，形成獨特的高原自然風貌，使阿里有“萬山之祖”之稱，再加上雅魯藏布江、印度河、恒河等三大河流發源于此地，故阿里又有“百川之源”的美譽[3]。境內高山、寬谷與湖盆為主要地貌類型。按照地貌類型組合的區域差異，阿里地區可分三大地貌區，即北部高原湖盆區、中部高山寬谷區和南部高山峽谷區[5]。在不同地貌部位分別分布著重力堆積物、殘積物、坡積物、洪積物、沖積物、湖積物和風積物等成土母質類型。土壤類型主要為高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、高山荒漠土、亞高山草原土、亞高山荒漠土、寒原鹽土、草甸土、沼澤土等[5]。

1.2 樣品采集 在研究區布設90個采樣點（圖1）。由于圖1比例尺較小，部分樣點在圖上由于重疊未能完全顯示出來。在每個采樣點中心區域50 m×50 m的范圍內用蛇形法布設10個分樣點采集土樣，采樣深度0～20 cm。最后，將各分點樣品等質量混勻后用四分法棄取，保留5 kg土壤的土樣用于室內分析。

1.3 樣品分析測試 該研究的土壤樣品由國土資源部成都礦產資源監督檢測中心分析測試，共測試13種土壤元素，包括第四周期的過渡元素V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn，第五周期過渡元素Cd，第六周期的過渡元素Hg和金屬元素Pb，第四周期類金屬元素As和非金屬元素Se，第二周期鹵族元素F。As、Hg、Se用原子熒光光度計（AFS2202）測定，檢出限分別為1、0.005和0.01 mg/kg；F用離子選擇電極（PXS-215）測定，檢出限為100 mg/kg；Cd用ICP質譜儀（X series Ⅱ）測定，檢出限為0.03 mg/kg；Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、V、Mn、Co用X熒光光譜儀（ADVANTXP+）測定，檢出限分別為1、2、4、2、5、5、10、1 mg/kg。使用SPSS17.0軟件，對測試結果數據進行分析處理。

1.4 研究方法

1.4.1 相關系數法。

相關系數法就是通過計算元素間的相關系數，確切、具體、定量地說明元素間的相關程度。土壤第k個元素和第j個元素的相關系數表達式為：

式中，k、j分別為第k、j個元素；n為參加統計的樣品數目；xik為第k個元素第i個樣品的值；xk為第k個元素所有樣品平均值；j為第j個元素所有樣品的平均值[6]。相關系數rkj變動范圍是-1≤rkj≤1。|rkj|越靠近1，說明兩元素線性相關越密切；|rkj|越靠近0，說明兩元素線性相關密切程度越弱。

1.4.2 因子分析法。

因子分析法是將多個具有錯綜復雜關系的因子（樣品或變量）歸結為數量較少的幾個綜合因子的一種多元統計方法。其目的在于對大批觀察數據，用比較少數的有代表性的因子，來說明由多個變量所提供的信息，使原來在高維空間中考察的問題轉變為在較低維空間中考察，使問題得到簡化[7]。該方法通過分析原始變量的相關矩陣的內部結構，找出由原始變量的線性組合并起主導作用的獨立新因子。這些獨立新因子保留了原始變量的絕大部分相關信息和變異性，可以用來表達所有觀察數據，也給可觀察原來因子與新因子的關系，從而解釋新因子的專業含義[7]。每個新因子實質上在一定程度上代表反映地學變量間綜合關系的一種地學作用，有助于人們從眾多地學觀測數據進行分析和解釋。

因子分析把每個原始變量分解成公共因子部分和特殊因子部分。設分析的原始變量為Xi（i=1，2，…，p），則

式中，Fj為公共因子，j=1，2，…，m（m≤p）；εi為影響Xi的特殊因子，指原始變量不能被因子變量所解釋的部分，i=1，2，…，p；aij為因子載荷，表示第i個變量與第j個公因子的相關關系（相關系數）（i=1，2，…，p；j=1，2，…，m）。實際上，也可以把aij理解為第i個變量在第j個公因子上的權重[8-9]。

在因子分析的數學模型中，通過正交的方差最大旋轉法使每個主因子只與最少個數的變量有相關關系，使足夠多的因子負荷均很小。變量或因子的重要程度都是以其方差大小來衡量的。因子旋轉后每個變量因子負荷代表著在系統中作用或重要性程度，以各個變量目標因子載荷平方與因子方差貢獻率乘積作為變量的權重，構成一個判別元素來源的綜合指標[10]。顯然，每個公因子應該表示與它相關關系比較密切的那些變量的組合，具有地學成因上的意義[9]。

因子分析的一般步驟如下：首先對原始數據進行標準化處理，然后計算數據的相關系數陣，并求出其特征值和特征向量，之后用方差最大法進行正交變換，使因子載荷兩極分化且旋轉后的因子仍然正交，最后確定因子個數，計算因子得分，進行統計分析[10]。

2 結果與分析

2.1 土壤中元素的相關系數法研究結果 對阿里表層土壤樣品的分析數據剔除異常值后，按照式（1）對13個元素間的相關系數進行計算。由表1可知，在顯著性水平a=0.05有36對元素相關，在顯著水平a=0.01有27對元素相關，顯著相關元素間全為正相關。

大多數過渡元素間具相關關系，例如a=0.05時，V與 Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Hg相關，Cr與V、Mn、Co、Ni相關，Mn與V 、Cr、Co、Ni、Cu、Zn相關，Co與V、Cr、Mn、Ni、Cu相關，Ni與V、Cr、Mn、Co相關，Cu與V、Mn、Co、Zn、Cd、Hg相關，Zn與V、Mn、Cu、Cd、Hg相關，Cd與Cu、Zn、Hg相關，Hg與V、Cu、Zn、Cd相關。同時，在這13種元素中，相關系數大于0.6的都為過渡元素對，例如Ni和Cr的相關系數為0.993，Ni和Co的相關系數為0.725，Cr和Co的相關系數為0.698，Cu和V的相關系數為0.779，Cu和Zn的相關系數為0.642，Cu和Mn的相關系數為0.614，Mn和V的相關系數為0.686，Mn和Zn的相關系數為0.651，Zn和V的相關系數為0.624。過渡元素多相關的結論與夏增祿等[11]

對喀喇昆侖山-西昆侖山地區土壤元素的自然含量特征的研究相似，說明電子結構、電離勢、電價、離子半徑類似的元素在土壤的表生地球化學上具有許多共同的性質。

Ni、Cr、Co之間相關性很強，說明這3種元素的來源和影響因素相似。Cu、V、Zn、Mn之間的相關性也很強，說明這4種元素的來源和影響因素也相似。Pb除了與鹵族元素F和類金屬As相關外，也與過渡元素Zn、Mn、Cd相關。以往的研究也表明，Pb的表生地球化學過程與過渡元素相近，這可能是其與部分過渡元素相關的原因[11]；而a=0.01時，As只與Hg和Pb相關，Cd只與Pb和Zn相關，Se只與Cu和F相關。

2.2 土壤中元素的因子分析法研究結果 因子分析可以有效地分析土壤元素間的相互關系和來源。為此，對阿里表層土壤13種元素原始數據進行因子分析，得到4個主因子。由表2可知，4個主因子的累積貢獻率達73.304%，且旋轉前后總的累計貢獻率沒有發生變化。這表明4個主因子就可提供73.304%的原始資料的的信息，而且旋轉前后總的信息量沒有丟失。從旋轉之后的情況來看，超過20%的主因子有2個，主因子3和主因子4的方差貢獻率分別為17.615%和 11.614%。這說明影響西藏阿里土壤元素來源的主要因素是主因子F1和主因子 F2。

因子分析的主要目的是將具有相近的因子荷載的各個變量置于一個公因子之下。正交方差最大旋轉使每個主因子只與最少個數的變量有相關關系，而使足夠多的因子負荷均很小，以便對因子的意義做出更合理的解釋。變量與某一個因子的聯系系數絕對值（載荷）越大，則該因子與變量關系越近[10]。由表3和表4可知，該次因子分析在旋轉前后因子載荷的變量結果基本一致。

由表4可知，V、Mn、Cu、Zn四元素在主因子F1上有較高的正荷載。這說明主因子F1的構成以這4種元素為主。究其原因，可能是由于V、Mn、Cu、Zn同屬第四周期過渡

元素，它們具有近似的基本化學性質，使得它們在表生環境中的地球化學性質和行為相似。在這4種元素中，Cu、Zn為親銅元素，Mn、V為親鐵元素。所以，F1主因子的特點反映過渡元素中親銅、親鐵元素的共生組合關系。由此可知，V、Mn、Cu、Zn等元素間具有顯著的相關性，說明就這一點而言，因子分析的結果與相關分析的結果一致。Mn等元素通常作為土壤自然源標識元素，所以主因子F1也可被視為“天然源因子”。該組元素主要體現土壤在地質—地理因素控制下的自身組成特征，所受人為因素的影響小[12]。

Ni、Cr、Co 3個元素在主因子F2上有很高的荷載，說明主因子F2的構成以這3個元素為主，F2反映Ni、Cr、Co之間的共生關系。這也與相關分析的結果相一致，例如Ni和Cr的相關系數為0.993，為所有元素間相關系數最高者，Ni和Co的相關系數高達0.725，Cr和Co的相關系數為0.698。Ni、Cr、Co在元素周期表中同屬第四周期的親鐵元素，也是相容元素，傾向于富集在結晶相，使得這3種元素在土壤中的來源和遷移很相似。所以，主因子F2反映的是影響土壤元素遷移富集的因素。

主因子F3中以As、Hg、Pb、Cd和F為主。As、Hg、Pb、Cd等具有顯著的生物毒性。它們的來源除了受土壤的成土母質本身和成土過程的影響外，也與人類工農業生產活動有很大關系。As、Hg、Pb、Cd和F多來自農藥，所以F3因子反映人類活動對該區土壤的影響。

主因子F4以Se為主。相關分析也表明，Se與其他元素的相關性最差，說明阿里土壤中Se的含量成因有與其他元素不一樣的特征。

3 結論

（1）相關分析表明，阿里土壤中過渡元素間大多數具有顯著相關性。這說明元素的電子結構、電離勢、電價、離子半徑以及在土壤的表生地球化學過程相似的元素相關性強。Ni、Cr、Co之間的強相關性和Cu、V、Zn、Mn之間的相關性證明這一點。

（2）主因子F1和主因子F2的方差貢獻率均超過了20%。這可以解釋為因子1和因子2可能是西藏阿里土壤元素來源的主要影響因素，表明影響阿里土壤元素分布的主要因素為自然因素。同時，主因子F3的方差貢獻率為17615%，說明人類活動對該區的土壤有一定影響，但強度不大。

參考文獻

[1] 周生賢.全力抓好全國土壤污染狀況調查工作[J].環境保護，2006（7）：3-6.

[2] 李雅琦，田均良，劉普靈.黃土高原土壤元素含量地域分異規律[J].西北農業學報，2000，9（3）：63-66.

[3] 西藏阿里地區互聯網信息辦公室.阿里概況——行政區劃和自然地理[EB/OL].http：//www.xzali.gov.cn/sdjks%20.jhtml.

[4] 李森，楊萍，王躍，等.阿里高原土地沙漠化發展演變與驅動因素分析[J].中國沙漠，2005，25（6）：838-843.

[5] 張斌，常青.西藏阿里地區土種的劃分[J].干旱區研究，1993，10（1）：67-73.

[6] 李宇慶，夏四清，陳玲，等.上海化學工業區土壤元素相關分析[J].土壤通報，2004，35（6）：701-705.

[7] 袁丙.因子分析及其在土壤背景值調查中的應用[J].農業環境科學學報，1986（4）：24-27.

[8] 張弛，王凱全.基于因子分析的管道土壤腐蝕因素[J].江蘇工業學院學報，2009，21（2）：23-26.

[9] 陽正熙，吳塹虹，彭志興，等.地學數據分析教程[M].北京：科學出版社，2008：127-130.

[10] 王雄軍，賴健清，魯艷紅，等.基于因子分析法研究太原市土壤重金屬污染的主要來源[J].生態環境，2008，17（2）：671-676.

[11] 夏增祿，李森照，羅金發.喀喇昆侖山-西昆侖山地區土壤元素的自然含量特征[J].應用生態學報，1992，3（1）：28-35.

[12] 王學松，秦勇.徐州城市表層土壤中重金屬元素的富積特征與來源識別[J].中國礦業大學學報，2006，35（1）：34-38.