主成分分析在城市土壤重金屬污染分析中的應(yīng)用

王娜+孔凡備+任承然+門(mén)曉君

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文利用主成分分析法給出了城市的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)模型。以唐山市為例，根據(jù)土壤重金屬含量的數(shù)據(jù)對(duì)唐山不同功能區(qū)的土壤污染程度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得到不同功能區(qū)的污染程度排序?yàn)椋汗I(yè)區(qū)>交通區(qū)>生活區(qū)>綠地區(qū)>山區(qū)；并分析了土壤中各類(lèi)重金屬產(chǎn)生的主要來(lái)源。

關(guān)鍵詞：主成分分析；土壤污染；重金屬；功能區(qū)；

中圖分類(lèi)號(hào) ：G627.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A

引言：目前，土壤重金屬污染在世界各國(guó)普遍存在并引起了各國(guó)的廣泛關(guān)注。土壤重金屬污染指土壤中的重金屬明顯的高于原有含量使生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象【1-2】。土壤重金屬污染不僅使大氣污染和水污染的進(jìn)一步惡化而且可能通過(guò)食物鏈等危害人類(lèi)的健康。城市土壤重金屬污染主要是由于人類(lèi)活動(dòng)造成的，而不同活動(dòng)如工業(yè)生產(chǎn)、生活垃圾、汽車(chē)尾氣等造成的污染程度是不同的，因此本文分區(qū)進(jìn)行研究城市的土壤重金屬污染。

1.數(shù)據(jù)收集與處理

本文對(duì)唐山市2016年的土壤重金屬污染狀況進(jìn)行分析，采集的數(shù)據(jù)中的重金屬主要包括該城市5個(gè)不同功能區(qū)共385個(gè)樣本點(diǎn)的土壤中重金屬的含量。

2.數(shù)據(jù)分析

主成分分析的主要思路是將一組變量的信息集中到不相關(guān)幾個(gè)綜合指標(biāo)主成分上，每個(gè)主成分為這組變量的線性組合，在實(shí)現(xiàn)多個(gè)變量降低維數(shù)的同時(shí)避免數(shù)據(jù)信息的重疊對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響【3】。通過(guò)對(duì)重金屬做相關(guān)性分析得到金屬和的相關(guān)系數(shù)較高。因此利用主成分分析城市土壤重金屬污染程度進(jìn)行分析，消除變量間的相關(guān)性，使城市的土壤評(píng)價(jià)更加科學(xué)合理。唐山是中國(guó)主要的重工業(yè)城市之一，其土壤的質(zhì)量是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。本文以唐山為例，利用SPSS通過(guò)主成分分析對(duì)城市土壤重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

首先利用SPSS對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取出主成分，并得到各主成分的因子得分；然后以主因子得分作為自變量、城市土壤重金屬污染指數(shù)為因變量進(jìn)行多元線性回歸分析，得到相應(yīng)的回歸參數(shù)；最后將主成分和自變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到土壤重金屬污染程度的計(jì)算公式。

主成分分析和方差極大化旋轉(zhuǎn)法分析，因子分析提取了影響重金屬濃度的5個(gè)主要因子，相應(yīng)的特征值分別為2.059，1.767，1.127，1.026，0.95，方差貢獻(xiàn)率為25.733%，22.087%，15.215%，12.824%，11.898%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于87.75%。說(shuō)明選取的5個(gè)主成分可以解釋原始的8種重金屬的絕大多數(shù)信息。

表2旋轉(zhuǎn)成分矩陣

采用主成分分析提取法與具有Kaisser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法得出旋轉(zhuǎn)成分矩陣如表2。在第一主成分中，的載荷較高，由上表可知在各個(gè)區(qū)的含量相近且與背景值相差不大。查找文獻(xiàn)可知重金屬主要源于工業(yè)污染，特別是電鍍行業(yè)，金屬加工，和機(jī)械制造【4】。在第二主成分中的載荷顯著高于其他重金屬，其主要是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放和輪胎磨損產(chǎn)生的粉塵產(chǎn)生的。關(guān)于汽車(chē)尾氣引起的土壤重金屬污染的報(bào)道較多，特別是金屬對(duì)土壤的污染，并且研究發(fā)現(xiàn)道路兩旁土壤含量與汽車(chē)流量成正相關(guān)。第三主成分的最大荷載為重金屬，主要由人類(lèi)活動(dòng)造成的污染，如氯堿，塑料，電池，電子等工業(yè)廢水。第四主成分的最大荷載是重金屬，的毒性較低主要來(lái)自金屬礦的開(kāi)采、冶煉以及以砷為原料的玻璃、顏料、藥物、紙張等的生產(chǎn)。第五主成分的最大荷載金屬為，主要來(lái)自礦石的焙燒、冶煉金屬以及鑄銅過(guò)程中產(chǎn)生的氧化鋅等金屬煙塵，各種工業(yè)廢水的排放是引起水體鋅污染的主要原因。

根據(jù)成分得分系數(shù)矩陣，得到各主成分與各自變量的函數(shù)關(guān)系如下：

綜合對(duì)該地區(qū)土壤污染綜合得分即為對(duì)5個(gè)主成分公因子的得分加權(quán)求和，將主成分得分的計(jì)算公式帶入求出土壤污染程度的綜合得分，土壤重金屬綜合污染程度綜合計(jì)算公式為：

表3不同功能區(qū)的綜合污染得分

從上述分析結(jié)果可以看出城市工業(yè)區(qū)的土壤重金屬污染最為嚴(yán)重，其次是交通區(qū)；生活區(qū)的污染程度較輕；山區(qū)和綠地區(qū)幾乎不存在土壤重金屬污染。

3.總結(jié)

城市的重金屬土壤重金屬污染主要集中在工業(yè)區(qū)和交通區(qū)。交通污染主要來(lái)源為汽車(chē)尾氣的排放、汽車(chē)橡膠輪胎的磨損產(chǎn)生的含重金屬粉塵等；工業(yè)污染主要表現(xiàn)為軋鋼廠、電鍍廠和金屬冶煉廠等金屬加工廠的廢氣排放，以及其他工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)地金屬器械使用過(guò)程中的磨損等。通過(guò)主成分分析法定量評(píng)價(jià)不同功能區(qū)的重金屬污染程度，在改善土壤環(huán)境的治理措施和力度方面可為有關(guān)部門(mén)提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭平. 長(zhǎng)春市土壤重金屬污染機(jī)理與防治對(duì)策研究[D].吉林大學(xué)，2005.

[2]張彩峰. 南京市不同功能區(qū)土壤重金屬污染狀況及吸附特征[D].南京林業(yè)大學(xué)，2004endprint