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八年级基于因子分析法研究太原市土壤重金属污染的主要来源


生态环境 2008, 17(2): 671-676 Ecology and Environment

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基于因子分析法研究太原市土壤重金属污染的主要来源
王雄军 1,赖健清 1,鲁艳红 2,李德胜 3,周继华 3,王建武 3
1. 中南大学地学与环境工程学院,湖南 长沙 410083;2. 湖南省农业科学院,湖南 长沙 410120; 3. 山西地质调查院,山西 太原 030001

摘要:太原市土壤的研究还处于起步阶段,尚缺乏系统的研究和探讨。基于因子分析法分析研究太原市土壤重金属污染类型 及污染来源,在面积性土壤测量基础上,采用城市土壤单点样采集方法,通过测试获得了城市表层土壤中重金属元素(As、 Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Zn、Cu)的含量数据;应用统计数手段及处理软件,采用因子分析法对太原市土壤化探数据进行详 细分析研究;结合太原市工企分布情况,对比因子分析中的六个主因子,进行整理分析;研究结果充分反映出太原市作为一 个典型的重化工基地和燃煤城市的污染特点,表明太原市土壤重金属污染的主要来源有四个方面,即:工矿企业污染源,燃 煤污染源,交通污染源,商业活动和居民生活污染源等。 关键词:因子分析;太原;重金属;污染;化探 中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1672-2175(2008)02-0671-06

太原盆地在 80 年代初开展的由农业部组织的 第二次全国土壤普查,工作的重点主要是对土壤的 母质,组成和结构调查分类。在地球化学方面,仅 对土壤和作物有关的常量元素进行了分析, 包括 N、 P、K 的全量和速效量、有机质和 pH 值等,而对土 壤中其他营养元素和有毒有害元素未做系统调查 分析。由于城乡工业的飞速发展,土地用途的大量 变迁,各种元素含量与分布必然发生了较大的变 化,这些研究结果已不能满足当前的需要,仅能作 为本次环境地球化学调查工作的基础和参考。 太原市土壤重金属污染状况研究也有报道。郭 翠花等[1](1995 年)对太原市地表土中 Cu、Cd、 Cr、Zn 和 Mn 五种元素的含量、分布规律、污染程 度、污染原因进行了研究分析,得出 Cu、Cd、Zn 三元素含量超过中国土壤背景值,Cd 污染最严重, 污染面积达到 100%。段永蕙、张乃明等[2](1997 年)对太原市污灌区水质、土壤和作物中 Hg、Cd、 As 的污染状况研究表明,土壤中 Hg 和 Cd 含量超 过背景值,土壤和作物中三种元素含量之间存在一 定的相关性。时红,张永波[3](2001 年)通过对太 原市酸雨污染状况及成因进行分析,得出太原市今 年酸雨频率增加,董茹地区酸雨污染最为严重,与 该地区工业废气排放有关。 国内外学者关于土壤重金属污染的大量研究

表明,铅(Pb) 、汞(Hg) 、锌(Zn) 、铬(Cr) 、镉 (Cd)等在城市土壤中累积明显,其含量一般都高 于附近的农业土壤。这些重金属在土壤表面的污染 物会对土壤性质和植被等产生严重危害,更重要的 是通过食物链和地下水,以及地面扬尘等途径输入 人体,并在人体中长期积累,引起各种疾病症状, 对人体健康产生危害。因此,在城市化进程不断加 快的今天,评价和研究城市土壤重金属污染程度, 研究城市土壤重金属污染特征、污染来源以及在环 境中迁移、转化机理,并对城市环境污染治理和城 市进一步的发展规划提出科学建议,不仅有利于城 市生态环境良性发展,有利于人类与自然和谐,也 有利于人类社会健康和城市可持续发展[4-8]。 本次研究采用多元统计数学方法之一的因子 分析,它根据多个实测变量之间的相互关系,运用 数学变换,将多个变量转变为少数几个线性不相关 的综合指标,从而简化数据处理,其目的在于对大 量观测数据,用较少的有代表性的因子来说明众多 变量所提取的主要信息,提示出多个变量间的因果 关系。它最先在心理学和社会科学领域得到应用, 从 20 世纪 60 年代开始因子分析在环境科学领域得 到广泛应用,并取得较好的效果。由于线性综合指 标往往是不能直接观测到,但它更能反应事物的本 质,因此因子分析在成因、来源问题研究上是一种

基金项目:国土资源部国土大调查项目(200314200020) ;教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20030533012) 作者简介:王雄军(1979-)男,博士研究生,从事国土资源、地理信息的研究。E-mail: wxjcsu@126.com 收稿日期:2007-09-21

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非常有效的数学方法,可以用它解决很多环境问 题,例如:污染来源的判别、环境样品的分类、监 测点的优化及污染物组分的测定[9-14]。利用因子分 析对太原市土壤重金属污染评价尚未见报道,评价 和研究太原市土壤重金属污染程度,污染来源并提 出针对性的防治措施,对太原市的重金属污染治理 和进一步的城市规划具有参考价值和一定的现实 意义。

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数据来源与研究方法

1.1 数据来源 本研究的野外工作方法主要采用城市土壤单 点样采集。主要是在面积性土壤测量基础上,采 集城市研究区第Ⅱ环境地球化学土壤样品,以进 一步获取城市表层土壤中重金属(As、Cd、Hg、 Pb、Cr、Ni、Zn、Cu)和放射性元素(U、Th) 的含量数据,为城市生态地球化学评价提供地球 化学依据。 野外采样工作标准按原地矿部 DZ/T0167-95 《区域地球化学勘查规范》和 DZ/T0144-04-94《土 壤地球化学测量规范》执行,并参照其它省、队工 作经验。 1.1.1 样品加工 样品完全干燥后过 20 目尼龙筛,样品倒入筛 中时, 盖严顶盖和底坐, 合缝要严,不飞灰尘为准。 估计筛够 500 g 后停留数秒再打开盖,以减少灰尘 飞扬。之后将样品倒在干净的样布装入瓶中,然后 将样布和样筛用毛刷刷干净后,才能加工下一个样 品,防止样品交差污染。样品倒入瓶中时要将袋号 和瓶号核对一次,样瓶和空样袋均按顺序摆放,装 箱前再核对一次,样瓶在箱中的排放顺序要与采样 点位顺序一致。 1.1.2 分析指标 城市土壤单点样品主要分析了 Cd、Hg、As、 Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 等重金属指标。具体分析测 试工作由江苏省地调院测试研究所实验室完成。 1.1.3 分析方法和精度 对各测试指标的分析,基本上选取规定中推荐 的方法和相应的精度要求。充分了解相关专业所执 行的国家标准或行业标准,保证分析结果与相关领 域接轨。但无论采取何种方法,检出限、精密度、 准确度必须符合规范要求。 1.2 研究方法 因子分析从变量的相关矩阵出发将一个 m 维 的随机向量 X 分解成低于 m 个且有代表性的公因子 和一个特殊的 m 维向量, 使其公因子数取得最佳的 个数, 从而使对 m 维随机向量的研究转化成对较少

个数的公因子的研究。 设有 n 个样本,n 个指标构成样本空间 X X=(xij)n×m i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, m 因子分析过程一般经过以下步骤: (1) 原始数据的标准化, 标准化的公式为 X’ij = (Xij-Xj)/δj,其中 Xij 为第 i 个样本的第 j 个指标 值, Xj 和 δj 分别为 j 指标的均值和标准差。 而 标准 化的目的在于消除不同变量的量纲的影响,而且标 准化转化不会改变变量的相关系数。 (2)计算标准化数据的相关系数阵,求出相关 系数矩阵的特征值和特征向量。 (3)进行正交变换,使用方差最大法。其目 的是使因子载荷两极分化,而且旋转后的因子仍 然正交。 (4)确定因子个数,计算因子得分,进行统计 分析。 因子分析只强调变量的离差(变化量)而不强 调变量在样品中的比重(百分含量) 。因子分析的 数学模型中,通过正交的方差最大旋转法使每一个 主因子只与最少个数的变量有相关关系,而使足够 多的因子负荷均很小。变量或因子的重要程度都是 以其方差大小来衡量的。因子旋转后每个变量因子 负荷代表着在系统中作用或重要性程度,以各个变 量目标因子载荷平方与因子方差贡献率乘积作为 变量的权重,构成一个判别污染来源的综合指标, 而且因子分析是一个客观计算同主观思维相结合 的过程。其它多元统计分析(如判别分析,回归分 析)的计算结果基本上是一个最终结果,可以直接 予以应用,但因子分析的计算结果(因子解)只能 看作是一个中间结果,剩下的部分要求人们用自己 的思维来完成, 这就涉及环境地球化学知识、 经验, 甚至于思维方式和哲学思想。

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结果与讨论

2.1 结果分析 太原市土壤单点样重金属元素含量的数据特 征完全符合因子分析的要求,在这里以 Hg、Cd、 Pb、As、Cu、Cr、Ni、Zn 八种重金属元素指标作 因子分析,这样在解释各指标变化异常时可以着重 讨论综合指标因子,同时为太原市重金属污染成因 的解释提供一定的理论依据。以下对太原市土壤单 点 样重 金属元 素含 量的数 据标 准化处 理后 ,经 SPSS11.0 统计软件进行因子分析,可得出以下结 果。首先给出太原市表层土壤 Hg、Cd、Pb、As、 Cu、Cr、Ni、Zn 八种重金属原始含量数据的相关 系数矩阵,如表 1 所示。 可见, 和 Ni 的相关性最好, As 相关系数最大,

王雄军等:基于因子分析法研究太原市土壤重金属污染的主要来源
表 1 变量相关矩阵 Table 1 variable correlation matrix 指标 Hg Cd Pb As Cu Zn Ni Cr Hg 1 0.334 0.459 0.080 0.301 0.472 0.049 0.037 Cd 0.334 1 0.625 0.061 0.502 0.377 0.170 0.156 Pb 0.459 0.625 1 0.214 0.551 0.450 0.225 0.201 As 0.080 0.061 0.214 1 0.308 0.055 0.692 -0.023 Cu 0.301 0.502 0.551 0.308 1 0.356 0.443 0.158 Zn 0.472 0.377 0.450 0.055 0.356 1 0.147 0.120 Ni 0.049 0.170 0.225 0.692 0.443 0.147 1 0.323 Cr 0.037 0.156 0.201 -0.023 0.158 0.120 0.323 1

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表 2 特征值和累计贡献率 Table 2 characterristic value and accumulative contribution 因子 F1 F2 F3 F4 F5 F6 旋转前 总的特征值 3.103 1.575 1.021 0.766 0.537 0.448 占总变量的百分率/% 38.793 19.682 12.769 9.570 6.709 5.595 累计贡献率/% 38.793 58.475 71.243 80.813 87.522 93.117 总的特征值 1.665 1.710 1.090 1.058 0.995 0.931 旋转后 占总变量的百分率/% 20.810 21.377 13.625 13.227 12.343 11.635 表 3 旋转前因子载荷矩阵 Table 3 指标 Hg Cd Pb As Cu Zn Ni Cr F1 0.578 0.713 0.811 0.436 0.777 0.631 0.558 0.316 factor loading matrix before rotation F2 -0.419 -0.296 -0.224 0.736 0.097 -0.359 0.746 0.156 F3 -0.248 0.087 0.006 -0.381 -0.041 -0.066 0.060 0.893 F4 0.446 -0.452 -0.190 0.092 -0.283 0.420 0.116 0.219 F5 0.425 0.020 0.173 0.103 -0.154 -0.523 -0.059 0.117 F6 -0.156 0.260 0.173 0.190 -0.522 0.130 0.012 -0.004 累计贡献率/% 20.810 42.187 55.812 69.039 81.482 93.117

为 0.692,其次为 Pb 和 Cd,相关系数为 0.625,以 下依次是 Pb 和 Cu,Cd 和 Cu 的相关性较好,相关 系数分别为 0.551 和 0.502, Pb 和 Hg 的相关系数 为 0.459,其它元素之间的相关性并不是很好。从 成因上来分析,相关性较好的元素可能在成因和来 源上有一定的关联。 因子分析的关键就是利用相关系数矩阵求出 相应的因子的特征值和累计贡献率,用 SPSS11.0 统计软件计算可得出,见表 2。 在累积方差为 93.117%(>90%)的前提下, 分析得到 6 个主因子,可以看到 6 个主因子提供了 源资料的 93.117%的信息,满足因子分析的原则, 而且从上表可以看出旋转前后总的累计贡献率没 有发生变化,即总的信息量没有损失。从表 5-2 还可得出,旋转之后,主因子 1 和主因子 2 的方差 贡献率均为 20%左右, 主因子 3 到主因子 6 的方差 贡献率的范围为 11.635%到 13.625%之间。这可以 解释为因子 1 和因子 2 可能为太原市土壤重金属污 染的最重要的污染源,对太原市重金属污染的贡献 最大,因子 3、因子 4、因子 5、因子 6 对太原市重 金属污染有重要作用。 因子分析的主要目的是将具有相近的因子荷 载的各个变量置于一个公因子之下,正交方差最大 旋转使每一个主因子只与最少个数的变量有相关 关系,而使足够多的因子负荷均很小,以便对因子 的意义作出更合理的解释。 输出结果见表 3 和表 4。

表 4 方差极大正交旋转后因子载荷矩阵 Table 4 factor loading matrix after orthogonal rotation of maximum variance 指标 Hg Cd Pb As Cu Zn Ni Cr F1 0.211 0.904 0.776 0.073 0.356 0.237 0.058 0.100 F2 0.013 0.004 0.157 0.951 0.240 0.036 0.847 0.060 F3 0.001 0.056 0.102 -0.124 0.054 0.047 0.299 0.983 F4 0.936 0.044 0.324 0.072 0.125 0.228 -0.052 0.009 F5 -0.215 -0.145 -0.164 0.023 -0.135 -0.934 -0.090 -0.039 F6 -0.096 -0.183 -0.186 -0.035 -0.878 -0.117 -0.258 -0.041

由表 3 和表 4 可见,旋转前后因子荷载的变量 结果基本一致。变量与某一个因子的联系系数绝对 值(载荷)越大,则该因子与变量关系越近。正交 因子解说明:因子 1 为 Cd 和 Pb 的组合,因子 2 为

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图 1 主因子在平面空间的等值线分布图 Fig. 1 isoline scatter diagram of host fractor on plane

As 和 Ni 的组合,因子 3 为 Cr,因子 4 为 Hg,因 子 5 为 Zn,因子 6 为 Cu,Cd 和 Pb、As 和 Ni 可能 是同一个来源,而且这两组元素正是相关性最好的 两组元素。 为了更好的进行分析、评价,利用因子分析所 得到的 6 个因子经过方差极大正交旋转后的太原市 表层土壤单点样样本在六个主因子上的得分可作 出各个因子在空间分布的等直线图,能更直观地说 明各个元素在空间平面上的分布特征,见图 1。 2.2 讨论 结合太原市工矿企业分布情况和主因子在平 面空间的等值线分布图可以得出以下结论: 从因子 1 图可以看出,Cd 和 Pb 在来源上关联 较密切,在空间分布上近似可认为是一个带状的污 染源,呈带状分布,这主要因为 Pb 主要来自市中 心交通源汽车尾气的排放,尤其是在迎泽区这一 片,该处交通发达,太原市大部分一级市内交通线 都在该区而且在研究区的东南部有三个明显的富 集中心,靠北的两个中心把这一片连成一个区,形 成一个高值区,对照太原市地图这三个中心的位置 分别位于 1-太原橡胶厂,2-太原线织印染厂,3 -山西针织厂和山西毛纺厂,根据文献,城市中的 铅主要来源的厂矿企业部门为颜料厂,冶炼等工业 的废水,橡胶和农药厂,而镉主要来源于颜料行业 和石油化工厂。可以得出一个基本结论:市内交通 尾气的排放和汽车轮胎的磨损是太原市土壤铅污 染的基本来源,太原市表层土壤中的 Cd 含量市中 心地带比西北城区高,东南城区又比市中心地带

高, 恰好与当地的主风向相一致, 表明大气中含 Cd 污染物的干湿沉降也是造成太原市土壤 Cd 污染的 一个重要原因。而位于太原市东南的太原橡胶厂、 太原线织印染厂、 山西毛纺厂也是 Pb 和 Cd 局部高 度富集的重要原因。 因子 2 为元素 As 和 Ni 的组合,从因子 2 图可 以得出以下结论,太原市表层土壤 As 和 Ni 基本未 污染,只有个别点富集程度较高,污染达到中度污 染,该富集中心的位置也在太原印染厂附近,主要 来源于印染厂的废水排放。 因子 3 为元素 Cr,Cr 的污染源属于面积型的, 分布在太原市区建成区的北部,这一区是太原市的 最大的工业区,该区有太原钢铁厂、太钢污水处理 厂、新华化工厂、东安化工厂,山西化工厂,太原 工具厂等厂矿企业大面积分布,虽然目前太原市土 壤 Cr 污染并不十分严重,但如果不在这些源头上 加以控制, 的污染就会很快在程度上和范围上进 Cr 一步加深和扩大,由于太原市特殊的工业布局,这 些大型的重污染的企业位于太原城区的北部,太原 市常年尤其是冬季盛行西北风,同时由于太原市独 特的地理地形特点,污染物有向南迁移的特点,这 些必需引起有关部门的足够重视。 因子 4 为元素 Hg,Hg 是太原市污染最严重的 重金属元素之一,这在我国城市中非常常见,尤其 是在我国北方城市中表现得尤其突出。其中一个最 大的原因是燃煤污染。从因子 4 图中可出,汞污染 也属于面积型污染,几乎在太原市主城区的绝大部 分面积的土壤中都存在一定程度的汞污染,尤其是

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市中心地带和东南城区最为严重,与全年主风向相 一致,下风向高于上风向,而且大致以汾河为界, 可以大致三、四个污染区,太原市地表土 Hg 污染 的一个主要原因是由于燃煤造成的,无论是工业用 煤还是居民用煤,而且燃烧方式落后。燃煤是太原 市最主要的能耗方式,太原市 Hg 污染在以前的研 究中就有所报道,有关部门也为 Hg 污染的治理做 过许多工作。从图中的分布可以看出,Hg 污染除 了燃煤来源外,工业排放也是太原市表层土壤 Hg 污染的另一个重要来源,在大面积污染的几个浓集 中心分别位于:1-太原市建筑材料厂、太原涂料 厂、七一机械厂;2-太原橡胶厂,太原印染厂;3 -太原机械厂,纺织印染厂,太原化工厂,Hg 污 染除了跟这些厂矿企业的高耗能有关,工业三废的 排放也是 Hg 污染的重要来源。另外,Hg 污染与汽 车尾气的排放也有很大关系。燃煤特别是供暖燃煤 是造成太原市大气污染的主要原因之一。除化工厂 释放的汞造成局部区域土壤汞含量很高外,而大部 分区域可能还是冬季取暖燃煤造成的表层土壤汞 含量升高。 民用采暖燃煤温度较低, 排放烟筒较低, 经干湿沉降, 汞随烟尘颗粒物主要在附近沉降。 大 气中含 Hg 污染物的干湿沉降是造成太原市土壤 Hg 污染的主要原因。 太原市的土壤污染 Hg 程度较重, 加之土壤污 Hg 染具有较强的累积性, 应加以控制。 因子 5 为元素 Zn,Zn 在太原市土壤中污染并 不算严重,有局部地区富集的情况,主要也是由于 厂矿企业的三废排放的原因。 因子 6 为元素 Cu,高含量 Cu 主要集中在太原 市南部和东南部,为局部面积型污染,主要来源于 化工行业、塑料、橡胶和印染行业的三废排放,以 及城市商业活动、城市居民生活累加到土壤中的 Cu,以及交通来源。

展,太原市表层土壤重金属元素含量不断增加,污 染不断加剧的趋势。 综合分析可知太原市土壤重金属污染的主要 来源有四个方面,即:工矿企业污染源,燃煤污染 源,交通污染源,商业活动和居民生活污染源等。 参考文献:
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结论

用因子分析法对太原市土壤重金属污染类型 及污染来源进行分析研究,表明太原市表层土壤中 镉(Cd) 、汞(Hg) 、铅(Pb) 、铬(Cr) 、砷(As) 、 铜(Cu) 、锌(Zn) 、镍(Ni)等八种重金属元素污 染分布特征为: 在空间分布上表现为:交通干线两侧,人类活 动密集的闹市区、广场,老工业区,居民区污染较 为严重,而公园、风景区等受人为活动影响较少的 功能区,含量较低,污染较轻;城区高于郊区,南 郊高于北郊和西南、东南方向高于西北和东北方 向,这与太原市独特的地形地貌、气候条件,以及 太原市工业布局有关。 在时间分布上表现为:随着城市化的飞速发

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生态环境 第 17 卷第 2 期(2008 年 3 月)
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Main source of soil heavy metal pollution based on factor analysis in Taiyuan
Wang Xiongjun1, Lai Jianqing1, Lu Yanhong2, Li Deshen2, Zhou Jihua2, Wang Jianwu2
1. College of Geosciences and Environment Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410120, China; 3. Shanxi Geological Survey, Taiyuan 030001, China

Abstract: The research of the soil is at the starting stage and still lack systematic research and discussion in Taiyuan. This paper analyses the soil heavy metal in Taiyuan and it’s pollution types and sources based on the factor analysis. On the foundation of measure in the area soil, adopting the urban simple point soil form methods of gathering, and by analyzing the experimental results of soils sample in Taiyuan city, we obtain the content data of the heavy metal elements (As, Cd, Hg, Pb, Cr, Ni, Zn, and Cu); Factor analysis of soil geochemistry data is analysed and studied in detail by using statistics means and the software. Combined the distribution situation of worker's enterprise, and contrasted six host factor of factor analysis, it is sorted and analyzed. The research result of factors analysis can sufficiently reflects Taiyuan as a typical heavy pollution characteristic of chemical base and coal-fired city. Finally it indicates there are four respects in main sources of soil heavy metal pollution, which involve the pollution sources of industrial and mining enterprises, coal-fired pollution sources, traffic pollution sources, business activity and resident's life pollution sources, etc. Key words: factor analysis; Taiyuan; heavy metal; pollution; geochemical exploration


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