基于成分分析法判斷土壤重金屬來源

曹司旺　董亞杰　徐叢笑

摘 要 隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染已經(jīng)成為威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素。基于土壤學(xué)知識(shí)，在主成分分析中綜合運(yùn)用土壤基本理化性質(zhì)和土壤重金屬數(shù)據(jù)對(duì)土壤重金屬的主要來源進(jìn)行分析，討論不同采樣方案對(duì)主成分分析結(jié)果的影響。

關(guān)鍵詞 成分分析法 土壤 重金屬

中圖分類號(hào)：TD265.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

土壤重金屬研究已經(jīng)成為地理科學(xué)、土壤科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一，是評(píng)價(jià)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。土壤性質(zhì)的主要影響因素是自然地質(zhì)背景和人類活動(dòng)，而其中重金屬污染的主要驅(qū)動(dòng)因素則是人類活動(dòng)，如汽車尾氣排放、工業(yè)污染、化肥和農(nóng)藥的施用，以及來源于灰塵和氣溶膠等大氣顆粒物的沉降。重金屬直接影響土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，抑制土壤微生物活動(dòng)，阻礙營養(yǎng)鹽的有效供給；同時(shí)，也可以通過人類吸入灰塵和攝取食物，進(jìn)而威脅人類健康。另外，土壤中的重金屬不會(huì)因自然退化過程發(fā)生遷移和降解，而是有可能在土壤中產(chǎn)生長時(shí)間的積累。本文以阜新交錯(cuò)區(qū)和郊區(qū)的研究為例闡明基于土壤學(xué)知識(shí)的主成分分析的應(yīng)用。

1采樣和分析

選擇0～20cm農(nóng)業(yè)土壤進(jìn)行研究。阜新交錯(cuò)區(qū)采樣130個(gè)，其中水稻田30個(gè)，菜地80個(gè)、撂荒地20個(gè)。郊區(qū)采樣50個(gè)，其中菜地21個(gè)，糧田29個(gè)。土樣帶回后在室溫自然風(fēng)干、磨碎，依次過10、60、100目尼龍篩，密封貯存于塑料袋備用。交錯(cuò)區(qū)分析了土壤全量Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和土壤粘粒（< 0.002mm）含量、土壤CEC、有機(jī)質(zhì)、全量氮、磷、鉀和速效態(tài)氮、磷、鉀。郊區(qū)土壤分析項(xiàng)目包括土壤重金屬As、Hg、Pb、Cr、Cd和土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC、全氮、速效氮、速效磷、緩效鉀、速效鉀。

2基于土壤學(xué)知識(shí)的成分分析法

阜新市交錯(cuò)區(qū)土壤受到強(qiáng)烈的工農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，土壤重金屬含量呈現(xiàn)強(qiáng)烈的變異性。但僅對(duì)這些元素進(jìn)行主成分分析難以判斷它們變異的主要來源是自然因素、土地利用還是工業(yè)活動(dòng)。該地區(qū)菜地土壤全磷含量變化非常有規(guī)律，即隨著種植蔬菜年限的增加土壤全磷含量持續(xù)升高。如果能夠判斷土壤重金屬變異與磷含量變異的相關(guān)性，則無疑可以說明土地利用方式對(duì)重金屬含量影響的程度。另外，土壤全鉀、粘粒含量等則與土地利用方式無關(guān)。如果重金屬與全鉀和粘粒含量受共同因素的影響較明顯，則說明這些重金屬含量變異主要來源于自然因素的影響。主成分主要與土壤全磷和速效磷含量有關(guān)，說明它主要反映了土地利用因素的影響；主成分上全鉀和粘粒含量的載荷最大，說明它反映了與土壤發(fā)生有關(guān)的自然因素。而Cu、Zn、Cr、Pb和Cd共同受主成分2決定，該主成分與影響土壤發(fā)生的自然因素和影響土壤磷累積的農(nóng)業(yè)土地利用因素是無關(guān)的，但可以與當(dāng)?shù)厮纳⒎植嫉墓I(yè)活動(dòng)聯(lián)系起來，尤其是金屬加工廠、鋼鐵廠和電鍍廠等。該結(jié)論說明了無錫城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)土壤重金屬含量的變異主要是工業(yè)活動(dòng)引起的。

阜新市郊區(qū)土壤重金屬來源分析。與背景值相比，該區(qū)只有土壤Pb、Cr含量有明顯的異常。對(duì)Cd、Hg、As而言，僅憑背景值比較還不能下結(jié)論，因?yàn)楸尘爸当旧碜儺愐草^大。用主成分分析發(fā)現(xiàn)土壤緩效鉀、土壤CEC、土壤Cd在主成分有較大的正載荷。因?yàn)楫?dāng)?shù)剽浐咳允芡寥滥纲|(zhì)類型等影響，主成分可以命名為土壤自然本底性質(zhì)。主成分主要與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮和堿解氮有關(guān)，而與土壤重金屬關(guān)系不大。主成分與土壤基本性質(zhì)和養(yǎng)分含量關(guān)系不大，但與土壤Pb關(guān)系最密切，Cr、As在主成分上也有較大的正載荷。因此該主成分可能主要體現(xiàn)了外源污染因素，如大氣沉降、工業(yè)污染物點(diǎn)源排放等的影響。主成分上土壤速效鉀、速效磷的載荷較大，該主成分可以歸結(jié)為土地利用方式不同（糧田和菜地）導(dǎo)致的施肥量的差異。在主成分上載荷最大的重金屬是Hg，其次是As，說明土壤Hg的變異受種菜影響最大，土壤As一定程度上也受到種菜的影響。另外，本研究發(fā)現(xiàn)阜新市北部出現(xiàn)Hg、As高值區(qū)與該地區(qū)較長的蔬菜種植歷史比較吻合。這可確定Cd主要體現(xiàn)自然背景，同時(shí)發(fā)現(xiàn)不僅Pb、Cr的含量受到污染因素影響，Hg、As也存在污染趨勢，并對(duì)Pb、Cr、Hg、As的來源能進(jìn)一步甄別。

3結(jié)語

在工業(yè)發(fā)達(dá)的交錯(cuò)區(qū)，土壤重金屬表現(xiàn)出明顯的含量異常，而且主成分分析表明，其含量變異均是由工業(yè)活動(dòng)控制的。而工業(yè)欠發(fā)達(dá)的郊區(qū)，土壤重金屬含量低，主成分分析顯示某些重金屬含量仍受自然過程控制。研究表明，從土壤學(xué)的基本知識(shí)出發(fā)，而不僅僅是從重金屬元素的地球化學(xué)聯(lián)系出發(fā)，把土壤重金屬含量和土壤基本理化性質(zhì)所反映的信息綜合起來進(jìn)行主成分分析有助于解釋土壤重金屬污染來源，而且這解決了因土壤重金屬元素較少而無法進(jìn)行主成分分析的問題。但是作為一種統(tǒng)計(jì)分析手段，主成分分析結(jié)果的可靠性與采樣的代表性關(guān)系很大。在交錯(cuò)區(qū)不同土壤采樣密度下，均勻的取樣方法均能夠代表區(qū)域的整體特征，主成分分析結(jié)果較穩(wěn)定。而不均勻的取樣對(duì)區(qū)域整體特征的反映有較大的差異，分析結(jié)果也不穩(wěn)定。建議：土壤學(xué)者在應(yīng)用主成分分析判斷土壤重金屬來源時(shí)，應(yīng)從土壤學(xué)專業(yè)的角度出發(fā)挖掘數(shù)據(jù)反映的信息，充分應(yīng)用自己的專業(yè)背景知識(shí)；在應(yīng)用主成分分析方法時(shí)，對(duì)所采樣本的代表性也應(yīng)充分注意，否則會(huì)得到不切實(shí)際的結(jié)論。

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