基于成分分析法判断土壤重金属来源

摘 要 随着工农业的快速发展，土壤重金属污染已经成为威胁区域生态系统健康的重要因素。基于土壤学知识，在主成分分析中综合运用土壤基本理化性质和土壤重金属数据对土壤重金属的主要来源进行分析，讨论不同采样方案对主成分分析结果的影响。

关键词 成分分析法 土壤 重金属

中图分类号：TD265.3 文献标识码：A

0引言

土壤重金属研究已经成为地理科学、土壤科学和环境科学的研究热点之一，是评价区域环境质量的重要指标。土壤性质的主要影响因素是自然地质背景和人类活动，而其中重金属污染的主要驱动因素则是人类活动，如汽车尾气排放、工业污染、化肥和农药的施用，以及来源于灰尘和气溶胶等大气颗粒物的沉降。重金属直接影响土壤的物理和化学性质，抑制土壤微生物活动，阻碍营养盐的有效供给；同时，也可以通过人类吸入灰尘和摄取食物，进而威胁人类健康。另外，土壤中的重金属不会因自然退化过程发生迁移和降解，而是有可能在土壤中产生长时间的积累。本文以阜新交错区和郊区的研究为例阐明基于土壤学知识的主成分分析的应用。

1采样和分析

选择0～20cm农业土壤进行研究。阜新交错区采样130个，其中水稻田30个，菜地80个、撂荒地20个。郊区采样50个，其中菜地21个，粮田29个。土样带回后在室温自然风干、磨碎，依次过10、60、100目尼龙筛，密封贮存于塑料袋备用。交错区分析了土壤全量Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和土壤粘粒（< 0.002mm）含量、土壤CEC、有机质、全量氮、磷、钾和速效态氮、磷、钾。郊区土壤分析项目包括土壤重金属As、Hg、Pb、Cr、Cd和土壤pH、有机质、CEC、全氮、速效氮、速效磷、缓效钾、速效钾。

2基于土壤学知识的成分分析法

阜新市交错区土壤受到强烈的工农业活动的影响，土壤重金属含量呈现强烈的变异性。但仅对这些元素进行主成分分析难以判断它们变异的主要来源是自然因素、土地利用还是工业活动。该地区菜地土壤全磷含量变化非常有规律，即随着种植蔬菜年限的增加土壤全磷含量持续升高。如果能够判断土壤重金属变异与磷含量变异的相关性，则无疑可以说明土地利用方式对重金属含量影响的程度。另外，土壤全钾、粘粒含量等则与土地利用方式无关。如果重金属与全钾和粘粒含量受共同因素的影响较明显，则说明这些重金属含量变异主要来源于自然因素的影响。主成分主要与土壤全磷和速效磷含量有关，说明它主要反映了土地利用因素的影响；主成分上全钾和粘粒含量的载荷最大，说明它反映了与土壤发生有关的自然因素。而Cu、Zn、Cr、Pb和Cd共同受主成分2决定，该主成分与影响土壤发生的自然因素和影响土壤磷累积的农业土地利用因素是无关的，但可以与当地四散分布的工业活动联系起来，尤其是金属加工厂、钢铁厂和电镀厂等。该结论说明了无锡城乡交错区土壤重金属含量的变异主要是工业活动引起的。

阜新市郊区土壤重金属来源分析。与背景值相比，该区只有土壤Pb、Cr含量有明显的异常。对Cd、Hg、As而言，仅凭背景值比较还不能下结论，因为背景值本身变异也较大。用主成分分析发现土壤缓效钾、土壤CEC、土壤Cd在主成分有较大的正载荷。因为当地钾含量仍受土壤母质类型等影响，主成分可以命名为土壤自然本底性质。主成分主要与土壤有机质、土壤全氮和碱解氮有关，而与土壤重金属关系不大。主成分与土壤基本性质和养分含量关系不大，但与土壤Pb关系最密切，Cr、As在主成分上也有较大的正载荷。因此该主成分可能主要体现了外源污染因素，如大气沉降、工业污染物点源排放等的影响。主成分上土壤速效钾、速效磷的载荷较大，该主成分可以归结为土地利用方式不同（粮田和菜地）导致的施肥量的差异。在主成分上载荷最大的重金属是Hg，其次是As，说明土壤Hg的变异受种菜影响最大，土壤As一定程度上也受到种菜的影响。另外，本研究发现阜新市北部出现Hg、As高值区与该地区较长的蔬菜种植历史比较吻合。这可确定Cd主要体现自然背景，同时发现不仅Pb、Cr的含量受到污染因素影响，Hg、As也存在污染趋势，并对Pb、Cr、Hg、As的来源能进一步甄别。

3结语

在工业发达的交错区，土壤重金属表现出明显的含量异常，而且主成分分析表明，其含量变异均是由工业活动控制的。而工业欠发达的郊区，土壤重金属含量低，主成分分析显示某些重金属含量仍受自然过程控制。研究表明，从土壤学的基本知识出发，而不仅仅是从重金属元素的地球化学联系出发，把土壤重金属含量和土壤基本理化性质所反映的信息综合起来进行主成分分析有助于解释土壤重金属污染来源，而且这解决了因土壤重金属元素较少而无法进行主成分分析的问题。但是作为一种统计分析手段，主成分分析结果的可靠性与采样的代表性关系很大。在交错区不同土壤采样密度下，均匀的取样方法均能够代表区域的整体特征，主成分分析结果较稳定。而不均匀的取样对区域整体特征的反映有较大的差异，分析结果也不稳定。建议：土壤学者在应用主成分分析判断土壤重金属来源时，应从土壤学专业的角度出发挖掘数据反映的信息，充分应用自己的专业背景知识；在应用主成分分析方法时，对所采样本的代表性也应充分注意，否则会得到不切实际的结论。

参考文献

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