主成分分析法在澴河流域孝南段土壤污染源解析中的應用

李銳穎，陳彥美*，董雨曼，潘 潔

（1.長江大學資源與環境學院，湖北 武漢 430100；2.湖北省地質局第六地質大隊，湖北 孝感 430200）

土壤污染源的解析方法是根據大氣污染源的解析方法發展而來的[1]。早在20世紀70年代，就建立了以污染區域為研究對象的受體模型：即根據測量樣品的物理化學性質來分析污染物的含量，從而定性判斷出污染物的來源并定量計算出污染源的貢獻率[2]。在實際應用中，常用的受體模型主要包括化學質量平衡法（CMB）、主成分分析法（PCA）、因子分析法（FA）、正定矩陣因子分解法（PMF）等[3-5]。其中，主成分分析法可以對高維的變量系統進行最佳簡化和綜合，從而可以客觀地確定各個指標的權數，以避免主觀隨意性[6]。

本文以澴河流域孝南段為研究區域，并在土壤取樣測試及污染源調查的基礎上，利用主成分分析法進行污染物來源解析，以期為澴河 流域孝南地區土壤污染防治提供基礎依據。

1 研究區域概況

研究區域為澴河流域孝南區，隸屬湖北省孝感市，屬于亞熱帶大陸季風氣候，四季分明，溫暖濕潤。全年以東南風為主導，年平均氣溫在16 ℃左右。孝感市境內有5級以上河流216條，地形東北高西南低，以平原湖區為主。地貌主要由平原、丘崗兩種類型。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析測試

本次采樣共34個，其中表層及深層樣品各17個，取樣點如圖1所示。取樣深度分別為表層土壤0～20 cm，深層土壤20～40 cm。土壤樣品經自然風干后研磨過200目尼龍篩。采用離子選擇性電極法測定pH值；采用電感耦合等離子體質譜法測定Cu、Pb、Zn、Cd、Ni；采用電感耦合等離子體原子發射光譜法測定Cr；采用原子熒光光譜法測定As、Hg；采用鉬銻抗比色法測定P；采用碳氮分析儀測定N；采用分光光度法測定氟化物、氯化物和硫化物；采用離子色譜法測定全鹽量。同時，對所有測試樣品進行隨機抽樣檢查和異常點檢查所得結果誤差均控制在小于0.5%的相對標準偏差范圍內。

圖1 土壤采樣點分布

2.2 主成分分析法

主成分分析法是一種統計過程，是利用正交變換將一組相關變量的觀察值轉換為一組不相關變量的值，同時，能夠根據實際從中選取較少的總量和變量反映原來變量信息的統計，可通過降維的方法，把多指標轉化為少數綜合指標。

3 結果與討論

3.1 分析結果

布設的土壤監測點分別記為HTB（表層土）1～17、HTS（深層土）1～17，結果顯示HTB15、HTS15的Pb均大于篩選值；HTB15、HTB16的Cr（VI）大于篩選值，HTS14、HTS15、HTS16的Cr（VI）大于管控值；HTB12和HTS12的Cu、HTB12的Ni以及所有樣點的Hg含量均超過國家一級質量標準。

3.2 污染物來源分析

3.2.1 表層土壤

表層土壤各主成分分析荷載系數詳見表1，雙標圖如圖2所示。從表層土壤雙標圖中可看出，樣品1、3、4、7、8，樣品2、5、9、12、13，樣品10、11，樣品6、14、15、16、17污染來源可能相同。

圖2 表層土壤雙標圖

表1 主成分荷載系數

從表1可看出，樣品PC1貢獻率為36.19%，為影響表層土壤污染的主要因素，其中Cu、氟化物、Ni所占的荷載系數最高，主要反映出了Cu、氟化物、Ni的富集信息，且與其他主成分呈負相關，而重金屬Cu是機動車排放的特征元素[6]；PC2的貢獻率為22.80%，其中Cd、硫化物為主要影響因素，主要與化肥使用有關；PC3貢獻率為14.80%，Hg、P占比較大；PC4貢獻率為11.61%，pH值影響較大，主要為生活污水、畜禽養殖污水和化肥施用的影響；PC5貢獻率為4.40%，受Pb的影響較大，主要來源于電子元件生產過程中污水的排放。

3.2.2 深層土壤

表層土壤各主成分分析荷載系數詳見表2，雙標圖如圖3所示。由圖3可以看出，不同土壤樣品的分布區域不同，相同區域的樣品污染物來源可能相同。即樣品1、3、4、7、8；樣品2、5、9、12、13；樣品10、11；樣品6、14、15、16、17污染來源可能相同。

圖3 深層土壤雙標圖

表2 主成分荷載系數

從表2可知，PC1貢獻率為39.95%，為影響表層土壤污染的主要因素，其中Cu、氟化物、Ni所占的荷載系數最高，貢獻量最大，影響也最大，且都與其他主成分呈負相關，周圍有少量采礦場，重金屬Cu、Ni主要來源于大氣沉降和工業污染；PC2的貢獻率為19.98%，其中Cd、P為主要影響因素，即農田的大量施肥灌溉對土壤造成影響；PC3貢獻率13.36%，全鹽量占比較大；PC4貢獻率為7.54%，硫化物影響較大，主要來源于化肥的施用和污水的排放；PC5貢獻率為6.25%，受Pb的影響較大，主要來自于生活污水排放和農業污水灌溉。Cr、Pb元素超過篩選值，而土壤元素中Cr、Ni、Cu、Pb一般來源于自然因素，主要與成土母質有關，其次來源于汽車尾氣。

4 結論

（1）根據采樣檢測情況來看，部分元素含量均超過風險管控標準及土壤環境質量標準值，表明重金屬元素已經對澴河流域孝南地區的土壤造成了污染。

（2）主成分分析結果表明，研究區域內的重金屬Cu、Cd、Pb主要來源于道路交通；Cr、Ni、Cu、Pb一般與成土母質有關，其中超標的主要與周圍電子元件廠的生產有關；As、Hg、N、P等元素主要與大量使用化肥、農藥及排放生活污水和固體廢棄物的堆積有關。