基于因子分析法和最小數據集的五大連池火山礦泥質量評價

曾 穎，吳 婧，王希英，方振興

黑龍江省科學院 自然與生態研究所，黑龍江 哈爾濱 150040

0 前言

火山礦泥是一種特殊的土壤，由火山活動期間噴發的火山灰經地表徑流或風的搬運作用，沉積到周邊的沼澤或低洼地帶中，在物理、化學、生物作用及氧化還原條件下，與該地區的原始沉積物以及水共同形成為沉積層，通過吸附、富集、離子交換、遷移而形成的形成具有較高醫療價值的礦產資源.其中含有多種有益于人體的微量元素、礦物質及微生物，已被證實在治療皮膚病、關節炎、脫發等方面具有非常顯著的療效，在美容化工行業也得到了廣泛應用［1-5］.鑒于目前尚無判定火山礦泥的國家標準和質量評價方法，還處在依賴感官經驗進行定性分類階段，導致這種于嚴苛條件下歷經數百年形成的珍稀資源無法得到妥善的保護和高效開發，急需建立一種針對火山礦泥的定量化質量評價方法.

當前關于土壤質量評價的方法有很多，但并沒有形成固定統一的方式，因為評價土壤質量必須要聯系土壤自身功能、生態類型、所處地域的土地利用方式等方面因素，充分考慮其多樣性和變異性的特點，選擇適用性的質量評價方法，并進行驗證和對比［6-11］.因子分析法是使用較為廣泛和成熟的一種多元統計方法，能夠在變量群中找到隱藏的具有一定代表性的因子，實現用少數幾個因子去描述眾多指標或因素之間的聯系［12-13］.而最小數據集法能夠通過減少指標數量達到以較少的工作時間和成本來發現問題和解決問題.這兩種方法常被用來進行土壤養分及質量評價［14-18］.

本文借助傳統定性火山礦泥辨認方法，從物理和化學等方面選取數據指標，采用因子分析法及最小數據集理論構建火山礦泥質量評價方法，并對五大連池自然保護區內火山礦泥進行質量評價，旨在為火山礦泥的合理開發利用及生態保護提供科學依據.

1 研究區概況

五大連池自然保護區位于黑龍江省中北部，行政區劃隸屬黑河市管轄.地理坐標為東經125°57′—126°31′，北緯48°33′—48°53′，面積約1 060 km2.屬中溫帶大陸性季風氣候區，冬季嚴寒漫長，夏季涼爽短促.年平均氣溫為0.5℃，年平均降雨量為514.3 mm/a，年平均相對濕度為69.2%.全年多西北風.結冰期為10月初至翌年5月初，無霜期為121 d，最大凍結深度2.47 m.區內擁有世界上保存最完整、分布最集中、品類最齊全、狀貌最典型的新老期火山地質地貌，被譽為“中國火山博物館”.區內有規律地分布著14座火山，位于西部的有藥泉山、筆架山、老黑山、火燒山、臥虎山和南、北格拉球山；分布在東面的是東、西龍門山，東、西焦德布山及莫拉布山、尾山、小孤山.其中老黑山和火燒山噴發于1719—1721年，其余12座形成于1～2 Ma的地質時期.火山噴發后形成地質、地貌、礦產等資源，每年吸引眾多游客，創造了巨大的經濟價值.火山噴發后形成的火山礦泥經過當地群眾數療養員長期實踐中總結出臨床經驗，采用敷礦泥、日光浴并結合礦水浸浴、礦泉飲用等綜合療法，對皮膚科與各種脫發等癥有較為顯著的療效［19-21］.以火山礦泥為原料制成的火山礦泥護膚品已經成為當地旅行的特色商品，成為當地旅游經濟的重要組成部分.五大連池火山礦泥是不可再生資源，必須科學合理地開發才能最大限度地發揮獨一無二的生態及醫用價值.

2 樣品采集及測定方法

通過查閱相關資料，在過往研究基礎及野外調研的基礎上，于2020年7—11月在五大連池14座火山周邊開展火山礦泥樣品采集工作.通過分析五大連池火山礦泥的形成條件可知，其主要賦存于火山周邊不規則分散的濕地中.以每塊濕地為單元按照網格法布設采樣點位，根據實際情況的可操作性，適當調整位置，采樣數量由每塊濕地的面積確定.采用直壓式半圓槽鉆，通過人力砸入取樣.取出的樣品現場記錄坐標、高程及環境信息，測定溫度、含水量、顏色、質地等感官指標，將樣品封入鋁袋.樣品自然風干后，研磨過篩以供測定.采樣深度為表層土下40～100 cm.本次采樣點共計75個，采樣位置如圖1所示.

圖1 采樣點分布圖（據文獻［3］修改）Fig.1 Distribution sketch map of sampling sites（Modified from Reference［3］）

對Al、Ba、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Ni、Cr、Ti采用火焰原子吸收法測定，Cu、Cd、Pb采用石墨爐原子吸收法測定，V、Li、La、Sc采用電感耦合等離子發散光譜法（ICP－AES）測定.總有機碳（TOC）采用島津總有機碳測定儀測定，pH值采用電位法測定，含水量采用強盛土壤水分測定儀測定，石英由X射線衍射儀測定，黏粒、粉粒、砂粒由激光粒度分析儀測定并計算而成.對每個土樣所測指標進行3次平行測定，結果取其平均值.

3 研究方法

因子分析法和最小數據集通過SPSS 22.0軟件實現.具體研究步驟如下.

3.1 偏相關度KMO檢驗

借助傳統定性火山礦泥辨認方法，從物理和化學等方面選取25項指標（Al、Ba、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Ni、Cr、Cu、Cd、Pb、V、Ti、Li、La、Sc、TOC、pH、含水量、石英，黏粒、粉粒、砂粒）進行偏相關度KMO檢驗.結果顯示，KMO值為0.731，P＜0.001，說明指標之間存在相關性，適合進行因子分析.

3.2 因子分析

對25項指標做描述統計（見表1），開展因子分析.其中特征值≤1的主成分為6個，且累積解釋的總方差達到75.931%，表明前6個主成分能解釋大部分火山礦泥的質量性質（見表2）.

表1 火山礦泥指標描述性統計Table 1 Descriptive statistics of volcano mud indexes

3.3 Norm值計算

在特征值≥1的主成分變量中篩選出指標載荷大于0.5的變量并分為一組，如果一個指標在兩個主變量中皆因子載荷值≥0.5，則將其歸入指標相關性較低的那一組.分別計算各組指標的Norm值，選取每組中Norm值與該組中最大Norm值相差10%范圍內的指標.然后對每組指標的相關性進行檢查（見表3）.若相關性≥0.5，選擇Norm值最大的指標進入最小數據集，如果一個指標與同組內其他指標不具有相關性或相關性比較低，也要進入最小數據集.最后，對進入該數據集的指標再次進行相關性分析，將相關性較高的冗余指標全面去除，并將變異系數小于10%的不敏感指標徹底去除.Norm值越高，則代表著該指標的綜合載荷值越高，所包含、覆蓋、表達的信息越多［16］.Norm值的計算公式如下：

式中，Nik表示第i個指標在特征值≥1的前k個主成分上的綜合載荷的Norm值；Uik表示第i個指標在第k個主成分的載荷；λk為第k個主成分的特征值.由表2和表3數據可知，最終確定為評價火山礦泥質量的評價指標最小數據集為V、Al、含水量、黏粒.

表2 火山礦泥指標載荷矩陣、公因子方差和Norm值Table 2 Loading matrix，common factor variance and Norm values of volcano mud indexes

表3 火山礦泥指標相關性分析Table 3 Correlation analysis of volcano mud indexes

3.4 權重值計算

將最小數據集進行主成分分析，得到各個指標的公因子方差，用于計算各指標的權重（見表4）.權重等于各指標的公因子方差占所有指標公因子方差之和的比例［19］.

表4 火山礦泥指標權重Table 4 Weights of volcano mud indexes

3.5 火山礦泥質量指數計算

得到各指標的評分和權重后，根據如下方程計算火山礦泥質量指數（QI）：

式中，Si代表指標得分，n為指標數量，Wi代表指標權重值.QI值越高，表示火山礦泥質量更好.根據研究區的相關文獻資料及課題組累積成果，將五大連池火山礦泥分為4個等級.分類范圍為：Ⅰ級礦泥（QI≥0.75），Ⅱ級礦泥（0.5≤QI＜0.75），Ⅲ級礦泥（0.25≤QI＜0.5），Ⅳ級礦泥（QI＜0.25）.計算每座火山周邊火山礦泥的質量綜合指數平均值、等級及對應的火山礦泥面積，結果見表5.

表5 五大連池火山礦泥質量指數平均值、等級及儲量Table 5 Average quality index，grade and reserves of Wudalianchi volcano mud

4 結果與討論

由表5可知，五大連池風景區14座火山中臥虎山、小孤山和筆架山的周圍濕地已經完全被開墾為農田和工地、養殖場等，未發現火山礦泥.藥泉山、老黑山、火燒山的火山礦泥質量最好，為Ⅰ級礦泥，占總礦泥儲量的49.69%；東西焦德布山、西龍門山、尾山的火山礦泥較好，為Ⅱ級礦泥，占總礦泥儲量的21.58%；莫拉布山、南北格拉球山的火山礦泥質量一般，為Ⅲ級礦泥，占總礦泥儲量的20.72%；東龍門山的火山礦泥質量較差，為Ⅳ級礦泥，占總礦泥儲量的8.01%.

結合圖1可知，五大連池火山礦泥質量等級空間分布呈現一定的規律性，以新期火山（老黑山和火燒山）周邊的火山礦泥質量最優.以其為中心，向外延伸，質量逐漸降低，且西部火山周邊的火山礦泥質量整體優于東部.優質礦泥賦存濕地均毗鄰礦水區或地表堰塞湖，且集中位于五大連池風景區核心景點附近，生態環境保護較好，遠離農田，為優質火山礦泥的形成提供了有利條件.Ⅰ級火山礦泥所占比例最高，接近總儲量的一半，這部分是五大連池火山礦泥的精華，目前大部分已經被隔離管控.建議進一步建設火山礦泥保護區及衛生防護區，防止人類活動的干擾，攔截污染的進入，并加大科研投入，實現珍稀資源的高值化利用.Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級火山礦泥約占五大連池火山礦泥總儲量的一半，目前均未被列入監管，賦存火山礦泥的濕地已經受到不同程度的破壞，出現退化現象.這部分火山礦泥資源價值被低估，具有巨大開發潛力.建議相關部門給予重視，制定可操作的管控措施，確保這部分火山礦泥資源能夠被科學、有序、合理地開發和利用.此外，目前尚有很多可能賦存火山礦泥的研究區域未被調查，迫切需要相關部門組織力量開展勘探工作，盡早發現并保護好這種珍貴的礦產資源.

5 結論

1）采用因子分析法和最小數據集法篩選出火山礦泥質量評價指標為V、Al、含水量、黏粒.

2）通過計算火山礦泥質量指數，將五大連池火山礦泥分為4個等級，其中Ⅰ級礦泥的儲量面積最大，約占總儲量的一半.火山礦泥質量等級空間分布呈現一定的規律性，新期火山（老黑山和火燒山）周邊的火山礦泥質量最優.以其為中心，向外延伸，質量逐漸降低，且西部火山周邊的火山礦泥質量整體優于東部.

3）因子分析法和最小數據集法減少了人為主觀因素的影響，客觀性、科學性和規范性強，易于推廣，適合在火山礦泥質量評價中應用.