主成分分析法在澴河流域孝南段土壤污染源解析中的应用

李锐颖，陈彦美*，董雨曼，潘 洁

（1.长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 430100；2.湖北省地质局第六地质大队，湖北 孝感 430200）

土壤污染源的解析方法是根据大气污染源的解析方法发展而来的[1]。早在20世纪70年代，就建立了以污染区域为研究对象的受体模型：即根据测量样品的物理化学性质来分析污染物的含量，从而定性判断出污染物的来源并定量计算出污染源的贡献率[2]。在实际应用中，常用的受体模型主要包括化学质量平衡法（CMB）、主成分分析法（PCA）、因子分析法（FA）、正定矩阵因子分解法（PMF）等[3-5]。其中，主成分分析法可以对高维的变量系统进行最佳简化和综合，从而可以客观地确定各个指标的权数，以避免主观随意性[6]。

本文以澴河流域孝南段为研究区域，并在土壤取样测试及污染源调查的基础上，利用主成分分析法进行污染物来源解析，以期为澴河 流域孝南地区土壤污染防治提供基础依据。

1 研究区域概况

研究区域为澴河流域孝南区，隶属湖北省孝感市，属于亚热带大陆季风气候，四季分明，温暖湿润。全年以东南风为主导，年平均气温在16 ℃左右。孝感市境内有5级以上河流216条，地形东北高西南低，以平原湖区为主。地貌主要由平原、丘岗两种类型。

2 材料与方法

2.1 样品采集与分析测试

本次采样共34个，其中表层及深层样品各17个，取样点如图1所示。取样深度分别为表层土壤0～20 cm，深层土壤20～40 cm。土壤样品经自然风干后研磨过200目尼龙筛。采用离子选择性电极法测定pH值；采用电感耦合等离子体质谱法测定Cu、Pb、Zn、Cd、Ni；采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定Cr；采用原子荧光光谱法测定As、Hg；采用钼锑抗比色法测定P；采用碳氮分析仪测定N；采用分光光度法测定氟化物、氯化物和硫化物；采用离子色谱法测定全盐量。同时，对所有测试样品进行随机抽样检查和异常点检查所得结果误差均控制在小于0.5%的相对标准偏差范围内。

图1 土壤采样点分布

2.2 主成分分析法

主成分分析法是一种统计过程，是利用正交变换将一组相关变量的观察值转换为一组不相关变量的值，同时，能够根据实际从中选取较少的总量和变量反映原来变量信息的统计，可通过降维的方法，把多指标转化为少数综合指标。

3 结果与讨论

3.1 分析结果

布设的土壤监测点分别记为HTB（表层土）1～17、HTS（深层土）1～17，结果显示HTB15、HTS15的Pb均大于筛选值；HTB15、HTB16的Cr（VI）大于筛选值，HTS14、HTS15、HTS16的Cr（VI）大于管控值；HTB12和HTS12的Cu、HTB12的Ni以及所有样点的Hg含量均超过国家一级质量标准。

3.2 污染物来源分析

3.2.1 表层土壤

表层土壤各主成分分析荷载系数详见表1，双标图如图2所示。从表层土壤双标图中可看出，样品1、3、4、7、8，样品2、5、9、12、13，样品10、11，样品6、14、15、16、17污染来源可能相同。

图2 表层土壤双标图

表1 主成分荷载系数

从表1可看出，样品PC1贡献率为36.19%，为影响表层土壤污染的主要因素，其中Cu、氟化物、Ni所占的荷载系数最高，主要反映出了Cu、氟化物、Ni的富集信息，且与其他主成分呈负相关，而重金属Cu是机动车排放的特征元素[6]；PC2的贡献率为22.80%，其中Cd、硫化物为主要影响因素，主要与化肥使用有关；PC3贡献率为14.80%，Hg、P占比较大；PC4贡献率为11.61%，pH值影响较大，主要为生活污水、畜禽养殖污水和化肥施用的影响；PC5贡献率为4.40%，受Pb的影响较大，主要来源于电子元件生产过程中污水的排放。

3.2.2 深层土壤

表层土壤各主成分分析荷载系数详见表2，双标图如图3所示。由图3可以看出，不同土壤样品的分布区域不同，相同区域的样品污染物来源可能相同。即样品1、3、4、7、8；样品2、5、9、12、13；样品10、11；样品6、14、15、16、17污染来源可能相同。

图3 深层土壤双标图

表2 主成分荷载系数

从表2可知，PC1贡献率为39.95%，为影响表层土壤污染的主要因素，其中Cu、氟化物、Ni所占的荷载系数最高，贡献量最大，影响也最大，且都与其他主成分呈负相关，周围有少量采矿场，重金属Cu、Ni主要来源于大气沉降和工业污染；PC2的贡献率为19.98%，其中Cd、P为主要影响因素，即农田的大量施肥灌溉对土壤造成影响；PC3贡献率13.36%，全盐量占比较大；PC4贡献率为7.54%，硫化物影响较大，主要来源于化肥的施用和污水的排放；PC5贡献率为6.25%，受Pb的影响较大，主要来自于生活污水排放和农业污水灌溉。Cr、Pb元素超过筛选值，而土壤元素中Cr、Ni、Cu、Pb一般来源于自然因素，主要与成土母质有关，其次来源于汽车尾气。

4 结论

（1）根据采样检测情况来看，部分元素含量均超过风险管控标准及土壤环境质量标准值，表明重金属元素已经对澴河流域孝南地区的土壤造成了污染。

（2）主成分分析结果表明，研究区域内的重金属Cu、Cd、Pb主要来源于道路交通；Cr、Ni、Cu、Pb一般与成土母质有关，其中超标的主要与周围电子元件厂的生产有关；As、Hg、N、P等元素主要与大量使用化肥、农药及排放生活污水和固体废弃物的堆积有关。