高雅倩　梁賢挺　黃廣振　鄭文吉

[摘 要]本文基于spss對湖北黃石市22個土壤樣品的8項指標進行了因子分析和聚類分析。結果表明，因子分析提取的兩個公共因子方差貢獻率79.694%的信息量，兩個公共因子分別代表了土壤綜合物化性質(zhì)及總鎘含量對土壤抵抗鎘污染性能的影響。利用主因子得分進行聚類分析，將樣品分成了對鎘污染抵抗性能高，對鎘污染抵抗性能中等，人類活動因素導致鎘污染三類。

[關鍵詞]spss；黃石；土壤；鎘污染；抵抗性能；因子分析；聚類

[中圖分類號]S152.7 [文獻標識碼]A

1 研究目的及意義

湖北黃石市的金屬冶煉業(yè)較發(fā)達，金屬冶煉廠的廢水、降雨對鎘渣的淋濾都可能造成土壤的鎘污染。本文基于spss對黃石市土壤樣品的物化指標及總鎘含量進行分析，探討了研究區(qū)土壤對于鎘污染的抵抗性能，對規(guī)劃利用當?shù)赝恋?，減少土壤鎘污染有重要意義。

2 研究區(qū)概況

黃石市位于湖北省東南部，長江中游南岸，是我國中部地區(qū)重要的原材料工業(yè)基地和國務院批準的沿江開放城市。黃石地形東北高，西南低，屬低山丘陵與山間谷地相間的地貌。本區(qū)土壤主要以碎屑巖、花崗巖、碳酸鹽發(fā)育而來。潮土為境內(nèi)主要分布的土壤類型，成土母質(zhì)為第四系全新世沖積物及沉積物，土層深厚、結構疏松。

3 研究方法

3.1 指標選擇

土壤對鎘污染的抵抗性能是一項實驗室難以觀測的因子，已有研究表明，土壤中粘粒和粉粒與土壤對鎘的吸附具有相關性，即土壤的機械組成，即砂粒、粉粒、粘粒含量與土壤對鎘的吸附性有關；土壤的陽離子交換量越高，負電荷量越高，能夠通過靜電吸引的鎘離子也越多。土壤的pH值影響鎘的溶解，pH較低，即酸性條件下，鎘會發(fā)生溶解；土壤的有機質(zhì)主要成分為腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)對重金屬有強烈的吸附和絡合作用；土壤的含水量與土壤同外界進行物質(zhì)交換的能力直接相關；土壤中已經(jīng)存在的鎘降低了土壤容納鎘的能力。綜上所述，土壤對鎘污染的抵抗性能與土壤的砂粒、粉粒、粘粒含量、陽離子交換量、pH、有機質(zhì)含量、含水量、總鎘含量相關，可以考慮用這些可以觀測的指標對土壤對鎘污染的抵抗性能進行描述。本研究數(shù)據(jù)來源于碩士學位論文，《土-水-作物系統(tǒng)中鎘的分布特征及風險評價-以湖北黃石為例》。

3.2 分析方法

因子分析是根據(jù)相關性大小把原始變量進行分組，使得同組內(nèi)的變量之間相關性高，而不同組的變量之間的相關性低。每組變量代表一個基本結構（即公共因子），并用一個不可觀測的綜合變量來表示。對于所研究的某一具體問題，原始變量分解為兩部分之和。一部分是少數(shù)幾個不可觀測的公共因子的線性函數(shù)，另一部分是與公共因子無關的特殊因子。

因子分析的另一個作用是分類。因此，本文利用樣品的公共因子的得分值進行聚類分析，進一步分析同類樣品的性質(zhì)。聚類分析的實質(zhì)是建立一種分類方法，將一批樣本數(shù)據(jù)按照它們在性質(zhì)上的密切程度在沒有先驗知識的情況下自動進行分類。

4 因子分析

4.1 指標變量之間的相關性分析

從下表1可以看出，本次樣品指標KMO統(tǒng)計量是0.686，大于0.05，且Bartlett球面檢驗值為314.835，卡方統(tǒng)計量的顯著性水平Sig為0.000，小于0.05，說明所選取的8個指標適合作因子分析。

表1 KMO和Bartletts測試

Kaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy. .686

Bartletts Test of Sphericity Approx.Chi-Square 314.835

df 28

Sig. .000

4.2 因子分析的因子提取及碎石圖

對公共因子的選擇，采用了主成分分析法，提取特征值大于1的公共因子，并按最大方差旋轉法進行因子旋轉，得到的結果如下表所示。從及總方差分解表（表2）可以看出，使用主成分方法提取出特征值大于1的公因子有2個，累計方差解釋率為79.694%。一般情況下，統(tǒng)計學提取累計方差貢獻率達到85%的公共因子，但是由于指標全部為實驗數(shù)據(jù)，存在一定的誤差，結合實際情況，認為前兩個公共成分已經(jīng)包含了指標的絕大部分信息。因此，提取到前兩個公共因子。

4.3 旋轉前后的因子載荷

旋轉后因子載荷絕對值更加趨于1或0，更能清晰地反映出公共因子的含義。由旋轉后的因子載荷可以看出，公共因子f1為反映土壤的物化性質(zhì)的因子，它反映了土壤物化性質(zhì)對于其抵抗鎘污染的影響。X2、X5的f1載荷為負，砂粒含量越大，pH越大土壤越不容易受到鎘污染，因此可以推斷出f1越小，土壤對鎘污染的抵抗能力越強。公共因子f2在X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7上的載荷絕對值都較小，而在X8上的載荷絕對值特別大，為0.931，f2為反映土壤本底的總鎘含量的因子，f2反映了土壤本底的總鎘含量對其抵抗鎘污染的影響，總鎘含量越小，f2越小，土壤還能容納鎘污染物的量就越大，抵抗鎘污染的能力就越強。

4.4 因子得分

根據(jù)因子得分矩陣可建立因子得分函數(shù)：

f1=-0.151x5+0.075x7+0.216x3+0.153x4+0.203x2+0.137x6-0.21x1-0.131x8

f2=-0.081x5+0.236x7-0.261x3+0.114x4-0.11x2+0.16x6+0.146x1+0.842x8

根據(jù)因子得分函數(shù)計算各樣品的因子得分如表4所示。

5 系統(tǒng)聚類

因子f1，f2分別從不同的角度反映了土壤的特征對于其抵抗鎘污染的性能，利用f2，f1的得分進行聚類分析，將具有共性的土壤進行歸類，有助于合理分配土地利用類型，同時也可以為城市的規(guī)劃提供科學的依據(jù)。

本次聚類采用系統(tǒng)聚類法，距離選用歐式距離，聚類方法選用最遠距離法。聚類結果如表5所示。

聚類分析表明，第1類樣品的f1得分均較高，而f2得分均較低，這類土壤容易受到鎘污染，但對鎘污染還有一定的緩沖能力。因此這類土壤上，若進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能用含鎘的污水灌溉，也不宜成為金屬冶煉廠選址

第2類樣品f1得分較低，但是f2得分較高，表明其雖不易受到鎘污染，但目前其鎘含量背景值較高，已經(jīng)受到一定程度的污染。為了食品安全，保證農(nóng)作物中鎘含量不超標，不宜在這類土壤上種植農(nóng)作物。

第3類樣品f1，f2得分都較低，表明這類土壤的物化性質(zhì)決定其不易受到鎘污染，同時目前鎘含量背景值較低，可以容納鎘污染的量較大，這類土壤對鎘污染的抵抗性能較強如果考慮建設冶煉廠，可以在這類土壤上選址。

6 結論

本文采用因子分析和系統(tǒng)聚類法分析了湖北黃石市22個土壤樣品的8項指標，表征了研究區(qū)土壤對鎘污染的抵抗性能。通過因子分析，提取了兩個公共因子分別代表了土壤綜合物化性質(zhì)及總鎘含量對土壤抵抗鎘污染性能的影響。利用主因子得分對樣品進行聚類分析，將樣品分成了對鎘污染抵抗性能高，對鎘污染抵抗性能中等，人類活動因素導致鎘污染三類。本研究為研究區(qū)土壤環(huán)境保護與治理提供了科學依據(jù)。

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