青州市表層土壤元素地球化學(xué)組合特征研究

姜冰，劉陽，顏丙鵬

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021)

2017年，濰坊市土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價工作中，對測定的青州市8132件表層土壤樣品數(shù)據(jù)，通過聚類分析和因子分析，進行了元素地球化學(xué)組合特征研究。

1 概述

青州市位于濰坊市西約60km處，屬濰坊市轄區(qū)的縣級市。區(qū)內(nèi)總的地勢是西南高，東北低；沖溝較多，河流縱橫，以近南北向河流為主，少量近東西向，水系源頭多在西南部的中低山區(qū)；氣候?qū)俦睖貛啙駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫12.7℃，多年平均年降水量為664mm，多年平均無霜期191.7天，多年平均積溫為4331.7℃。

區(qū)內(nèi)地層分區(qū)為華北地層區(qū)之華北平原地層分區(qū)與魯西地層分區(qū)，地層可分為古生代寒武系、奧陶系及新生代新近系、第四系。巖漿巖僅零星見有中生代閃長玢巖、新生代輝綠玢巖。火山巖少量分布在譚坊鎮(zhèn)，是新生代火山活動的產(chǎn)物。區(qū)內(nèi)由2個構(gòu)造單元組成，以NW方向益都斷裂為界，西南為斷塊隆起區(qū)，東北為斷塊凹陷區(qū)。構(gòu)造形式以斷裂構(gòu)造為主，構(gòu)造方位多NE向，NW向次之。礦產(chǎn)資源豐富，主要有鐵礦、水泥用灰?guī)r、建筑石料用灰?guī)r、玄武巖等。

2 樣品采集及分析

2.1 樣品采集

土壤表層樣采樣點布設(shè)在1∶5萬土地利用類型圖上。采樣點以網(wǎng)格狀布設(shè)，按1km2為單位，采樣密度平均為5件/km2。樣點分布在網(wǎng)格內(nèi)主要土壤類型和土地利用類型的代表性地塊內(nèi)，并兼顧空間分布均勻性。在布設(shè)的采樣點上，以GPS定位點為中心，向四周輻射20～50m確定分樣點，等份組合成一個混合樣。采樣深度為0～20cm，由2～6個子樣等量混合組成1件樣品。采集的各分樣點土壤掰碎，挑出雜物，充分混合后，四分法留取1～1.5kg裝入樣品袋。自然風(fēng)干過10目尼龍篩后樣品重量不少于500g。

2.2 樣品分析

分析測試有機質(zhì),N,P,K，B，Mo，Mn，Se，I，F(xiàn)，Ge，Co，V，Pb，Zn，As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，pH，全鹽量等23項指標。

樣品測試由山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實驗測試中心承擔(dān)，采用等離子體質(zhì)譜法、X射線熒光光譜法為主要檢測方法，輔以原子熒光光譜法、粉末發(fā)射光譜法、離子電極法、容量法和分光光度法等方法的多元素分析配套方法。樣品測試質(zhì)量由中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所進行監(jiān)控，通過密碼樣、監(jiān)控樣、標準樣多種監(jiān)控手段，保證了樣品分析質(zhì)量的可靠性。樣品分析結(jié)果均合格。

3 元素組合特征

3.1 聚類分析

在長期的自然營力和人類活動影響下，土壤元素發(fā)生了遷移、分散和富集作用，一些地球化學(xué)元素呈有規(guī)律的組合，呈現(xiàn)良好的共同消長關(guān)系和較好的相關(guān)性、聚集性[1-4]。

對研究區(qū)表層土壤中元素聚類分析表明(圖1)，不同類型元素往往聚集在同一簇類中[5]。按置信度20，可將23種元素或指標分為5個元素組合簇群及2個單元素簇。

圖1 研究區(qū)表層土壤元素聚類譜系圖

第一簇群為有機質(zhì)，N，Se，I，Cd，As，Mo，Pb，Zn組合；第二簇群為Ni，Co，Cr，V，Mn，Cu組合；第三簇群為P，全鹽量組合；第四簇群為K，Ge組合；第五簇群為B，F(xiàn)組合；其余Hg，pH與其他元素相關(guān)性差，各自形成單元素簇。

由聚類分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)表層土壤中鐵族元素(Co，Ni，Cr，V，Mn)、親銅元素(Cu，Pb，Zn，As，Hg)、腐泥質(zhì)元素(有機質(zhì)，N，P)具有明顯的組合特征。

(1)鐵族元素(Co，Ni，Cr，V，Mn)。Co，Ni，Cr，V，Mn等鐵族元素地球化學(xué)性質(zhì)相近，都具有親鐵、親硫和親氧三重性[6]。從聚類譜系圖可以看出，表層土壤中鐵族元素親和性強，Co-Ni-Cr-V-Mn構(gòu)成一個階梯狀簇團，表現(xiàn)出鐵族元素間的地球化學(xué)組合保持良好的穩(wěn)定性。

(2)親銅元素(Cu，Pb，Zn，As，Hg)。這類元素也被稱為成礦元素，在區(qū)域上常形成與礦床或含礦地層巖石相聯(lián)系的地球化學(xué)異常[7]。表層土壤除Pb-Zn構(gòu)成一個階梯狀簇團外，反映成礦信息的其他元素的聚合性不強。

(3)鹵族元素(I，F(xiàn))。影響土壤中I元素含量的因素包括母巖、離海距離的遠近、土壤質(zhì)地以及土壤耕作狀況。影響土壤中F元素含量的因素包括母巖、成土過程以及人類活動。從聚類譜系圖來看，表層土壤I，F(xiàn)元素間沒有相關(guān)性。

(4)腐泥質(zhì)元素(有機質(zhì)，N，P)。有機質(zhì)，N，P是自然界廣泛存在的元素，也是親生物元素和土壤營養(yǎng)元素的重要組成部分。在表層土壤中有機質(zhì)，N表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，該元素組合的高含量區(qū)主要分布在植被茂密地帶，以及農(nóng)業(yè)發(fā)達的丘陵區(qū)，反映了生物作用(動植物殘體分解)和人類活動如施肥、農(nóng)藥、居民生活影響下元素間的高度相關(guān)性，另外有機質(zhì)，N等元素一同聚類還與相互吸附性有關(guān)。

3.2 因子分析

因子分析是將多個錯綜復(fù)雜的因子歸結(jié)為數(shù)量較少的幾個綜合因子，即通過對大批觀察計算數(shù)據(jù)，用有代表性的因子來說明由多個變量所反應(yīng)的信息[8-9]。通過因子分析將原來在高維空間中分析的問題轉(zhuǎn)變?yōu)樵谳^低維空間中分析，使問題簡化，即降維。因子分析往往指示出某種成因聯(lián)系和共生組合關(guān)系。用代表性因子代替原有變量[10]，不僅原有變量的相關(guān)信息沒有丟失，而且更能反映出地質(zhì)現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系[8]。

因子分析是對所選數(shù)據(jù)利用Bartlett球度檢驗和KMO檢驗進行相關(guān)性檢驗。Bartlett球度和KMO的檢驗值是衡量所選數(shù)據(jù)是否適合因子分析的2個重要指標[9]。Bartlett球度檢驗用于檢驗代表性變量是否各自獨立，如果概率P值小于給定的顯著性水平α，則認為代表性變量適合作因子分析，如果高于α則不適合。KMO檢驗值越大(接近于1)[11]，意味著代表性變量間的相關(guān)性則越強。KMO度量標準為0.6代表不適合，0.8代表適合，0.9代表非常適合[12]。通過SPSS軟件的因子分析模塊，對青州市表層土壤23項元素或指標進行了因子分析，得到Bartlett球度檢驗和KMO檢驗結(jié)果(表1)。

表1 Bartlett與KMO檢驗

通過表1可以看出，KMO值為0.817，根據(jù)KMO度量標準，青州市表層土壤分析數(shù)據(jù)適合作因子分析，Bartlett球度檢驗統(tǒng)計量為95883.788，在自由度253的條件下在0.000水平上為顯著，概率P值為0.000。假設(shè)顯著性水平α為0.05，那么概率P值小于顯著性水平α[12]，所以，青州市表層土壤分析數(shù)據(jù)適合作因子分析。通過計算得到相關(guān)矩陣的特征根和相應(yīng)的特征向量，根據(jù)特征根百分比(方差貢獻率)得到累計百分比(累計貢獻率)，取特征根較大、累計百分比達80%以上的因子做主要因子[13]。

由表層土壤特征根及因子提取結(jié)果(表2)可見，青州市表層土壤前11個因子可代表23種元素或指標累計貢獻率的81.992%，也就是說，這11個因子所包含的原始變量的信息[14]為81.992%，用11個因子的分布特征就基本可以代表表層土壤23項原始變量的分布特征。

因子分析的目的不僅是找出主因子，還要了解每個主因子所代表的意義[15-16]。為了更好地解釋，首先要通過計算初始因子載荷矩陣，但初始因子之間的整體關(guān)聯(lián)性并非十分密切(系數(shù)差別不大)，對因子分析的結(jié)果采用最大方差旋轉(zhuǎn)的正交因子載荷矩陣進行剖析，可使各原始變量的系數(shù)具有明顯的差異[17]，判斷出11個因子與表層土壤23項元素或指標的對應(yīng)關(guān)系，并從中分析出究竟何種因素對不同元素或指標組合的區(qū)域分布起著支配作用(表3)。假設(shè)以常數(shù)值0.5作為標準，取絕對值大于0.5的因子載荷，得到青州市表層土壤元素組合特征為：第1主因子代表的變量組合為：Co，Ni，Cr，V，Mn；第2主因子代表的變量組合為：有機質(zhì)，N，Se，I，Cd；第3主因子代表的變量組合為：Pb，Zn；第4主因子代表的變量組合為：pH，P，As；第5,6,7,8,9,10,11主因子代表的變量分別為K，Ge，F(xiàn)，全鹽量，Hg，Cu，B，單元素主因子的出現(xiàn)，表明影響表層土壤這些元素原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的因素具多源性和相對獨立性[17]，可能與元素性質(zhì)和人類生產(chǎn)生活地表污染有關(guān)。

表2 表層土壤特征根及因子提取結(jié)果

圖2 表層土壤F1因子得分等值線圖

4 元素地球化學(xué)組合的地質(zhì)意義

(1)表層土壤F1因子代表了Co，Ni，Cr，V，Mn的元素組合;表層土壤F1方差貢獻為20.646%，反映該區(qū)土壤元素空間分布的主體格架主要為鐵族元素(Co，Ni，Cr，V，Mn)組合。

Co，Ni，Cr，V，Mn等鐵族元素地球化學(xué)性質(zhì)相近，它們都具有親鐵、親硫和親氧三重性。從地質(zhì)背景分析，這5種元素主要來自深部地殼或上地幔，再或是早期原始地幔分異的殘留物。從現(xiàn)今環(huán)境來看，這些元素屬于難以遷移的元素，它們在氧化、弱酸或中性條件下，其風(fēng)化物以各種次生礦物的形式固滯在母質(zhì)有限范圍內(nèi)，并在風(fēng)化過程中易于一起集聚和離散，因此F1因子與地質(zhì)背景密切相關(guān)。從因子得分圖(圖2)可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤高背景區(qū)主要分布在譚坊鎮(zhèn)南部一帶，與新近紀玄武巖(臨朐群玄武巖)有關(guān)[18]。總的來說，影響土壤中這類元素區(qū)域分布特點的主導(dǎo)因素是地質(zhì)背景。

表3 研究區(qū)因子分析正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

圖3 表層土壤F2因子得分等值線圖

(2)表層土壤F2因子代表了有機質(zhì)，N，Se，I，Cd元素組合;從元素性質(zhì)看；該因子代表的是親生物元素組合。相關(guān)分析表明，表層土壤中N元素與有機質(zhì)之間具有良好的正相關(guān)關(guān)系，這是因為土壤中的氮素，能被植物直接吸收利用的無機態(tài)氮僅占全氮量的5%左右，而絕大部分是以有機形態(tài)存在，當(dāng)土壤C/N達到平衡時，土壤氮素含量大體上決定了土壤有機碳水平。反過來，土壤有機碳含量的高低也能間接地反映出土壤的供氮能力。而Se，I，Cd元素被劃入F2因子可能是因為土壤中的Se，I，Cd與有機質(zhì)易形成絡(luò)合物有關(guān)。

從因子得分圖(圖3)看，表層土壤中有機質(zhì)和N元素含量富集區(qū)主要分布在青州市西南部山區(qū)，這與該區(qū)植被茂密，表層土壤含有腐殖質(zhì)較多有關(guān)。

圖4 表層土壤F3因子得分等值線圖

(3)表層土壤F3因子代表的是Pb，Zn元素組合。從元素組合來看，這些元素大多是成礦熱液元素，與多金屬成礦元素有關(guān)，在區(qū)域上常形成與礦產(chǎn)有關(guān)的地球化學(xué)異常。因子得分圖(圖4)中一部分分布在青州西南部山區(qū)，可能與成礦作用有關(guān)；另一部分異常則分布在青州市區(qū)等人類聚居區(qū)，顯然是人為污染的結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)聚類分析將樣品分析數(shù)據(jù)按相似程度劃分類別，將23種元素或指標分為5個元素組合簇群及2個單元素簇。聚類分析使其同一類中的元素之間的相似性比其他類的元素的相似性更強，呈現(xiàn)出不同元素組合特征和聚合性，具有不同的指示意義。

(2)因子分析通過降維將相關(guān)性高的變量聚在一起。從而減少需要分析的變量的數(shù)量，更能反映出地質(zhì)現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，使問題的分析簡單明了。用11個代表性因子的分布特征就基本可以代表青州市表層土壤23項原始變量的分布特征，并對F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3主因子進行了地質(zhì)解釋。

(3)通過聚類分析和因子分析，利于表層土壤中元素的共生組合特征及其差異性研究，利于對研究區(qū)表層土壤異常進行歸納總結(jié)。