基于SPSS的数理统计方法在海洋重金属环境背景值计算中的应用

王秋璐，周燕遐，陈斐，东成

（国家海洋信息中心, 天津, 300171）

基于SPSS的数理统计方法在海洋重金属环境背景值计算中的应用

王秋璐，周燕遐，陈斐，东成

（国家海洋信息中心, 天津, 300171）

讨论并计算了海水中重金属的含量值域。基于SPSS的主成分分析方法，将Cu，Pb，Zn, Cr，Hg，As，Cd7类重金属构成3个主成分，再通过主成分权重值作图划分调查海域的环境统计单元。对重金属进行异常值判定和分布类型检验，最终得到重金属的环境背景值。

SPSS数理统计；环境背景值；态性检验；环境统计单元

Abstract: The concentrations of dissolved heave metal in the surface water of the China sea are studied.Based on SPSS statistical analysis, the statistical cells are divided, determining abnormal value and deciding the probability distribution type, and the background values of the elements are obtained in the end.

Keywordss: SPSS statistical analysis; background values; normality test; environmental statistics element

环境境背景值是指在目前的环境条件下，相对清洁区内(人类活动影响相对较小的地区)化学元素的含量及能量值[1]。海水中的重金属元素，因为其含量相对较低，来源多样化，测量技术和手段要求精密等，其值域一直是研究的热点。这样，确定海水中重金属元素环境背景值对研究环境变迁，金属元素在环境中迁移规律与环境质量评价和人为增量预测具有重要意义。

本文运用SPSS软件中的数理统计方法，确定调查海域的环境统计单元，划分重金属元素的主成分，并进行异常值判定和态性检验，最终得到重金属的环境背景值范围。

1 样品采集与分析方法

于 2007年秋季对中国近岸海域表层海水重金属进行调查分析，主要按照《海洋调查规范》（GB 12763.4，GB 12763.5和GB 12763.6）和《海洋监测规范》（GB17378）中的方法要求，对7类重金属：铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、As（砷）、铬（Cr），汞（Hg）进行采样和分析。共得到7类重金属各245个样品值。

2 调查海域环境统计单元的划分

在数据处理中，各环境区域所获得的数据就构成了数据处理的基本环境统计单元。中国近岸海域各类重金属分布主要呈现近岸含量较高，外海含量较低的特点，但是各类重金属在不同省份又有其特殊性。这样本文应用SPSS数理统计方法对7类重金属进行主成分分析，得到3类主成分，利用主成分权重值绘图，划分出背景值的环境统计单元。

2.1 主成分的确定

根据SPSS分析累计贡献率达到的百分比值确定主成分，结果见表1：

表1 总方差解释Tab.1 Total Variance Explained

累计贡献率达到73%以上得到3个主成分，其含义是指这3个主成分包含的信息占原始变量总信息的73%。这样7个重金属元素就被划分在了3类主成分信息中[2]，见表2：

表2 主成分组成Tab.2 The principal component matrix

结果表明，Cu，Pb，Cd，Zn构成了主成分1；As，Cr组成了主成分2；主成分3是Hg。

2.2 环境统计单元划分

这样根据主成分 1和 2得到的权重值，绘制X-Y平面图，见图1，2。

图1：横坐标表示主成分1的权重值；纵坐标表示主成分2的权重值。

图2：是图1权重值的局部放大，坐标点名称为对应海域点。

从图1中可以看到LN海域在横坐标中（即主成分1）权重值正贡献明显；GX，SD海域在纵坐标（主成分2）权重值正贡献明显；结合图1和2可以观察到，其他海域基本上都集中在横、纵坐标中心原点附近，只有少数个别贡献值偏离较大。这样可以有针对性地得到环境统计单元（以下简称：“统计单元”）A，B，C，D，E。见表3：

图1 主成分1，2 权重值X-Y图Fig.1 X-Y Figure of component 1,2

图2 主成分1，2权重值局部放大图Fig.2 X-Y Figure of component 1,2(zoom out )

表3 环境统计单元的区分Tab.3 the environmentsl statistic unit

3 异常值的判定

由于非标准化的布点，采样，运输，保存及分析测试等都会造成离群的样品值，所以要先进行异常值的检验，保持原有的分布情况，更有利于真实地得到环境背景值范围。这里根据先前划分的统计单元，运用常规的Grubbs法和X±3S法，判定异常值。结果见表4。

表4 海水重金属浓度异常值判定Tab.4 Determinant of heavy metal abnormity

4 环境背景值的确定

在环境背景值的计算中，通常由样本的均值或几何均值来集中反映区域环境内各要素背景含量的集中趋势和宏观特征；用样本的标准差和几何标准差来反映元素背景含量分布的随机性和离散性等微观特征，两者结合则给出了在一定置信度下的背景值区间。

4.1 各金属元素概率分布类型的判定

首先必须确定出各金属元素所服从的分布类型—即态性检验，这里我们选用两种方法：当样本容量 3≤n≤50，采用夏皮洛一威尔克检验（W 检验）；当n≥50时，采用偏度和峰度检验[3]。对各个环境统计单元的各元素含量概率分布类型进行综合判定（置信度选为0.01）。判定结果见表。

表5 海水重金属元素的态性检验Tab.5 Tests of heavy metal Normality

4.2 各元素环境背景值域

根据不同的态性分布，计算各金属元素的环境背景值，确定方法一般为：正态和对数正态类型采用平均值和几何平均值法；偏态分布采用求累计频率作图法，取10%和90%的对应值范围[4]。计算结果见表6：

表6 重金属环境背景值Tab.6 Heavy metal background value

5 结 论

1）在SPSS软件的支持下，运用主成分分析方法进行海水重金属元素的评价分析，根据主成分及各评价海域的综合权重得分结果，划分背景值的环境统计单元。这样，统计单元为之后判定异常值和确定背景值范围提供了更为可靠的依据。

2）本文通过计算中国近岸海域表层溶解态重金属的环境背景值，利用统计分析得到其浓度的分布状态，这为今后进一步年研究及评价中国近岸海水水质污染状况提供了参考依据。

[1]缪天威，王惠琪，郑春江.环境背景值研究 [J].中国环境科学, 1990, 10: 255-262.

[2]李哲强，侯美英，白云鹏.基于SPSS的主成分分析在水环境质量评价中的应用 [J].海河水利, 2008, 3: 49-52.

[3]刘娟.葫芦山湾沉积物中重金属集散特征及环境背景值鲍永恩 [J].海洋环境科学, 1995, 14: 1-7.

[4]樊丽芳, 陈植华.地下水环境背景值的确定 [J].西部探矿工程, 2004, 98: 90-92.

Research of the background values of marine heavy metals by SPSS statistical analysis

WANG Qiu-lu, ZHOU Yan-xia, CHEN Fei, DONG Cheng

(National Marine Data and Information Center, Tianjin, 300171, China)

X824

A

1001-6932(2011)01-0100-04

2010-03-17；收修改稿日期：2010-06-29

王秋璐（1982-），女，硕士，助理工程师。主要从事海洋生态化学数据处理方面研究。电子邮箱：shelleyqing@hotmail.com。