運(yùn)用主成分分析法解析五大連池火山堰塞湖表層沉積物中重金屬元素的來源

曾 穎 楊 臣 王希英 方振興 吳 婧

(1.黑龍江省科學(xué)院火山與礦泉研究所，黑龍江 哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040)

運(yùn)用主成分分析法解析五大連池火山堰塞湖表層沉積物中重金屬元素的來源

曾 穎 楊 臣 王希英 方振興 吳 婧

(1.黑龍江省科學(xué)院火山與礦泉研究所，黑龍江 哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040)

運(yùn)用主成分分析法對五大連池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖))表層沉積物中8種重金屬元素(Cd、Pb、Cu、Zn、Hg、As、Cr、Ni)的來源進(jìn)行了解析。結(jié)果表明：前三個(gè)主成份的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到84.268%，大體上能夠反映五大連池火山堰塞湖表層沉積物中重金屬元素的基本來源情況。第一主成分為 “自然源”，第二主成分主為“農(nóng)業(yè)面源”，第三主成分為“人為點(diǎn)源”。其中第一主成分具有決定性的意義。要注意As和Hg的污染問題。

五大連池；火山堰塞湖；重金屬；來源解析；主成分分析

天然水體是受重金屬污染的主要生態(tài)系統(tǒng)之一，鑒于重金屬具有產(chǎn)生毒性效應(yīng)濃度范圍低，污染范圍廣，毒性潛伏期長和不易被生物降解等特點(diǎn)，世界各國均把重金屬列為水質(zhì)監(jiān)測和評價(jià)的重要指標(biāo)[1-3]。

五大連池風(fēng)景名勝區(qū)位于黑龍江省北部，作為中國最典型和最完整的近代火山噴發(fā)遺跡已先后獲得“世界地質(zhì)公園”、“世界生物圈保護(hù)區(qū)”、“中國礦泉城”等稱號，并被稱為中國唯一的礦泉水之鄉(xiāng)。區(qū)內(nèi)由火山熔巖流堵塞河道形成6個(gè)較大的堰塞湖，分別為一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖。五大連池由5個(gè)相連的火山堰塞湖組合而成，頭池到五池自南向北池池相連，是五大連池的核心景點(diǎn)并且是當(dāng)?shù)靥禺a(chǎn)“礦泉魚”的主要產(chǎn)地。藥泉湖地處藥泉山礦泉水帶的中心位置，不僅承擔(dān)著景觀功能，其水質(zhì)狀況還會對藥泉山礦泉水帶水質(zhì)造成巨大的影響。

目前關(guān)于五大連池火山堰塞湖表層沉積物中重金屬污染的研究還鮮有報(bào)道。對湖泊中重金屬來源進(jìn)行解析是對污染源進(jìn)行有效綜合治理的先決條件。主成分分析方法是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究，理論比較完善的多元統(tǒng)計(jì)分析方法。其主成份載荷的正負(fù)可以反映出污染物的復(fù)合性，在主成分載荷圖中表現(xiàn)為對斥因子，當(dāng)一種重金屬元素在不同的主成分上均有一定的載荷時(shí)，可以認(rèn)為其具備不同的主成分來源[4]。

本文以黑龍江省五大連池風(fēng)景區(qū)6個(gè)火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖)表層沉積物為研究對象，運(yùn)用主成分分析法對其中重金屬的來源進(jìn)行解析，為景區(qū)環(huán)境的保護(hù)和治理提供理論建議。

1 材料與方法

2016年3月在五大連池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖)中心鑿冰洞，共采集6個(gè)表層沉積物樣品(抓斗式采樣器采集，標(biāo)記為Y-N，A-N，B-N，C-N，D-N，E-N)，分別裝入聚乙烯玻璃瓶中，樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，沉積物樣品進(jìn)行冷凍干燥，剔除石頭及動植物殘?bào)w等雜質(zhì)，使其通過20目尼龍網(wǎng)篩，篩下的樣品用四分法縮分至所需量，用研缽磨碎，過120目尼龍網(wǎng)篩，裝入棕色廣口瓶，以備分析。采樣點(diǎn)信息如圖1所示。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜PerkinElmer 5300DV檢測各樣品中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Zn、Pb及As八種重金屬元素的含量。

圖1 五大連池火山堰塞湖表層沉積物采樣位置圖

2 結(jié)果與討論

如表1所示，五大連池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖)表層沉積物中各重金屬元素的含量分布存在一定的差異性。采用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析。由表2可知，前三個(gè)主成份的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到84.268%，大體上能夠反映五大連池火山堰塞湖表層沉積物中重金屬污染物的基本來源情況。

表1 五大連池火山堰塞湖表層沉積物中重金屬的含量 mg/kg

表2 主成分特征值及累計(jì)貢獻(xiàn)率

表3 初始因子載荷矩陣

第一主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到45.505%，高于其他因子，其對表層沉積物中重金屬的組成和分布具有決定性的意義，Pb、Cr、Zn有較高的正載荷。其中其中所有堰塞湖中Pb的含量均低于中國土壤環(huán)境一級標(biāo)準(zhǔn)值及我國土壤背景值，所有堰塞湖中Cr的含量均低于中國土壤環(huán)境一級標(biāo)準(zhǔn)值，僅藥泉湖中Cr的含量超過我國土壤背景值。所有堰塞湖中Zn的含量均低于中國土壤環(huán)境一級標(biāo)準(zhǔn)值，僅藥泉湖中Zn的含量超過我國土壤背景值。這三種重金屬元素與我國類似功能河流湖泊表層沉積物中重金屬的污染程度相比處于中等偏低的水平[5-13]，且這三種重金屬元素的變異系數(shù)均較低，排在第5、第7和第8位，分布的最均勻，由此可以判斷第一主成分為“自然源”。

第二主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到26.393%，其中Cu、Cd有較高的正載荷。其中藥泉湖中Cu的含量均超過我國土壤背景值，藥泉湖、一池子、四池子、五池子均超過我國土壤背景值。所有堰塞湖中Cd的含量均低于中國土壤環(huán)境一級標(biāo)準(zhǔn)值，但四池子、藥泉湖、一池子和五池子中Cd的含量均超過我國土壤背景值。這兩種重金屬元素的變異系數(shù)排在第3和第4位，分布的比較均勻，由于五大連池火山堰塞湖被各大農(nóng)場所包圍，再結(jié)合分析這兩種元素的主要污染來源，判斷第二主成分為“農(nóng)業(yè)面源”污染。

第三主成分的貢獻(xiàn)率為12.388%，其中Hg和As有較高的正載荷。其中藥泉湖、五池子、一池子中Hg的含量均超過我國土壤背景值，而所有池子中As的含量均超過我國土壤背景值，其中四池子中As的含量還高于土壤環(huán)境一級標(biāo)準(zhǔn)值，且與我國類似功能河流湖泊中表層沉積物中重金屬的污染程度處于中等偏上的程度[5-13]。Hg和As的變異系數(shù)在八種重金屬中排在第1位和第2位，離散程度最大，空間分布最不均勻，由此可以判斷第三主成分受到的人類活動的影響最大，為“人為點(diǎn)源”污染。

Cr和Hg在三個(gè)主成分中均為正載荷，說明藥泉湖表層沉積物中這兩種重金屬元素的來源受自然源、農(nóng)業(yè)面源和人為點(diǎn)源的共同影響。Ni僅在第三主成分上表現(xiàn)出很小的正載荷，說明其可能與其他重金屬元素的來源及化學(xué)作用不同。

3 結(jié) 論

五大連池風(fēng)景名勝區(qū)位于黑龍江省北部，作為中國最典型和最完整的近代火山噴發(fā)遺跡已先后獲得“世界地質(zhì)公園”、“世界生物圈保護(hù)區(qū)”、“中國礦泉城”等稱號，并被稱為中國唯一的礦泉水之鄉(xiāng)。區(qū)內(nèi)由火山熔巖流堵塞河道形成6個(gè)較大的堰塞湖，分別為一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖。五大連池由5個(gè)相連的火山堰塞湖組合而成，頭池到五池自南向北池池相連，是五大連池的核心景點(diǎn)并且是當(dāng)?shù)靥禺a(chǎn)“礦泉魚”的主要產(chǎn)地。藥泉湖地處藥泉山礦泉水帶的中心位置，不僅承擔(dān)著景觀功能，其水質(zhì)狀況還會對藥泉山礦泉水帶水質(zhì)造成巨大的影響。而天然水體是受重金屬污染的主要生態(tài)系統(tǒng)之一，鑒于重金屬具有產(chǎn)生毒性效應(yīng)濃度范圍低，污染范圍廣，毒性潛伏期長和不易被生物降解等特點(diǎn)，世界各國均把重金屬列為水質(zhì)監(jiān)測和評價(jià)的重要指標(biāo)。

目前關(guān)于五大連池火山堰塞湖表層沉積物中重金屬污染的研究還鮮有報(bào)道。對湖泊中重金屬來源進(jìn)行解析是對污染源進(jìn)行有效綜合治理的先決條件。主成分分析方法是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究，理論比較完善的多元統(tǒng)計(jì)分析方法。其主成份載荷的正負(fù)可以反映出污染物的復(fù)合性，在主成分載荷圖中表現(xiàn)為對斥因子，當(dāng)一種重金屬元素在不同的主成分上均有一定的載荷時(shí)，可以認(rèn)為其具備不同的主成分來源。本文以黑龍江省五大連池風(fēng)景區(qū)6個(gè)火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖)表層沉積物為研究對象，運(yùn)用主成分分析法對其中重金屬的來源進(jìn)行解析，以期為景區(qū)環(huán)境的保護(hù)和治理提供理論建議。研究得出以下結(jié)論：

(1) 五大連池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖)表層沉積物中各重金屬元素的含量分布存在一定的差異性。

(2) 運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行來源解析。結(jié)果表明，第一主成分為 “自然源”，第二主成分為“農(nóng)業(yè)面源”，第三主成分為“人為點(diǎn)源”。其中第一主成分對五大連池火山堰塞湖表層沉積物中重金屬的來源具有決定性的意義。

(3) 與我國其他類似功能的河流湖泊表層沉積物中重金屬的污染程度相比，五大連池火山堰塞湖表層沉積物中As和Hg處于中等偏上的水平，其余6種重金屬元素的含量處于中等及偏低水平。鑒于五大連池火山堰塞湖地處國家5A景區(qū)，不僅有景觀功能和養(yǎng)殖功能，還與五大連池礦泉水水源地的水質(zhì)戚戚相關(guān)，因此必須密切關(guān)注As和Hg的污染問題。

“十三五”期間，雖然松花江流域的水質(zhì)得到了改善，但是氨氮指數(shù)與高錳酸鹽指數(shù)依然居高不下，嚴(yán)重威脅著整個(gè)流域內(nèi)人民群眾的飲水安全。本文針對松花江流域內(nèi)工業(yè)污染嚴(yán)重、城市生活污染較大、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的面源污染嚴(yán)重等原因，研究提出以下建議：一是加大城市排污治理力度；二是集中力量狠抓工業(yè)污染；三是加強(qiáng)流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境建設(shè)；四是切實(shí)加強(qiáng)水環(huán)境檢測和管理。

[1]關(guān)小敏.湘江長株潭段水體重金屬污染特征及污染源解析[D].湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文.長沙：湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2011.

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Application of principal component analysis to parse the source of heavy metals in surface sediments of volcano dammed lake in Wudalianchi

ZENG Ying YANG Chen WANG Xiying FANG Zhenxing WU Jing

(1.Institute of volcanoes and springs research of Heilongjiang Academy of sciences，Harbin，150090，China； 2.Institute of Advanced Technology of Heilongjiang Academy of sciences，Harbin，150040，China)

Using the principal component analysis to parse the source of eight heavy metals (Cd，Pb，Cu，Zn，Hg，As，Cr，Ni) in surface sediments of volcano dammed lake in Wudalianchi. The results showed that：The accumulation contribution rate of the first three principal component reached 84.268%，largely reflected the basic source of heavy metals in surface sediments of volcano dammed lake in Wudalianchi. The first principal component was “natural source”，the second principal component was “agriculture non-point source”，the third principal component was the “human activities point source”. The first principal component had the decisive significance. Must attention the pollution problems of As and Hg.

Wudalianchi；volcano dammed lake；heavy metals；source analysis；principal component analysis

項(xiàng)目資助：黑龍江省科學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目

曾穎，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)榛鹕江h(huán)境調(diào)查、治理與保護(hù)工作

X21

A

1673-288X(2017)02-0168-03

引用文獻(xiàn)格式：曾 穎 等.運(yùn)用主成分分析法解析五大連池火山堰塞湖表層沉積物中重金屬元素的來源[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(2)：168-170.