劉玉梅　張建國(guó)　吉云松　王英利　陶菲　馬薇

摘要 通過(guò)野外布點(diǎn)采樣，獲得涉及西藏阿里地區(qū)6個(gè)縣的90個(gè)表層土壤樣品，在室內(nèi)分析13種土壤元素含量，通過(guò)相關(guān)分析和因子分析方法分析這13種土壤元素的相互關(guān)系和富集、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。結(jié)果表明，阿里表層土壤中過(guò)渡元素間大多數(shù)具有顯著相關(guān)性；影響阿里土壤元素含量的主要因素為自然因素；人類(lèi)活動(dòng)對(duì)該區(qū)的表層土壤元素含量雖有一定影響，但強(qiáng)度不大。

關(guān)鍵詞 土壤；元素；相關(guān)分析；因子分析；阿里

中圖分類(lèi)號(hào) X153.6；X131.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）19-070-04

土壤是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基本要素之一，是人類(lèi)賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。土壤中的元素含量不僅取決于成土母質(zhì)的化學(xué)組成，而且取決于諸成土因素（氣候、生物、地形、時(shí)間、人類(lèi)活動(dòng)）的綜合作用和元素的地球化學(xué)過(guò)程，即元素的淋溶、遷移、沉積與積累[2]。土壤中的不同元素由于在地球化學(xué)過(guò)程中所受影響因素的相似性而表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。在土壤環(huán)境研究中，探討化學(xué)元素的相互關(guān)系及變化規(guī)律，并揭示其主要影響因素具有重要意義。這對(duì)于確定一個(gè)地區(qū)的土壤元素來(lái)源、進(jìn)行土壤環(huán)境化學(xué)與質(zhì)量評(píng)價(jià)、保護(hù)土壤環(huán)境以及合理利用和規(guī)劃土地資源具有重要的實(shí)用價(jià)值。

隨著社會(huì)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，當(dāng)今世界人類(lèi)活動(dòng)的影響已波及全球，地球上絕大部分地區(qū)都不同程度地受到工業(yè)污染的影響。阿里地處我國(guó)青藏高原，由于受環(huán)境、交通和社會(huì)歷史發(fā)展條件的限制，自然資源開(kāi)發(fā)利用程度較低，大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境基本上保持在原生狀態(tài)，是地球上受人類(lèi)活動(dòng)影響和污染較小的地區(qū)之一。通過(guò)對(duì)阿里土壤元素含量的調(diào)查，摸清阿里土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不僅可以指導(dǎo)阿里工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理布局，提高環(huán)境監(jiān)督管理工作的針對(duì)性，而且可為阿里乃至全球土壤環(huán)境污染狀態(tài)和發(fā)展態(tài)勢(shì)的評(píng)價(jià)提供重要的參照值。筆者通過(guò)野外布點(diǎn)采樣，獲得涉及阿里地區(qū)6個(gè)縣的90個(gè)土壤樣品，在室內(nèi)分析13種土壤元素含量，通過(guò)相關(guān)分析和因子分析方法分析阿里表層土壤13種土壤元素的相互關(guān)系及富集、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 阿里位于中國(guó)西南邊陲、青藏高原西部、西藏自治區(qū)西部。地理坐標(biāo)為78°23′40″～86°11′51″ E，29°40′40″～35°42′55″ N。東起唐古拉山以西的雜美山，與那曲地區(qū)相連；東南與岡底斯山中段的日喀則市仲巴、薩嘎、昂仁縣接壤；北倚昆侖山脈南麓，與新疆喀什、和田地區(qū)相鄰；西南連接喜馬拉雅山西段，與克什米爾及印度、尼泊爾毗鄰[3]。阿里是中國(guó)西藏自治區(qū)的一個(gè)地區(qū)級(jí)行政區(qū)，下轄札達(dá)、葛爾、日土、普蘭、措勤、改則、革吉七縣，是世界上人口密度最小的地區(qū)之一。由于遠(yuǎn)離海洋，深處內(nèi)陸，干旱少雨，阿里成為西藏最干旱的地區(qū)。南部、中部和北部分別為阿里山地干旱半荒漠、荒漠生物氣候帶和昆侖高寒干旱半荒漠、荒漠生物氣候帶[4]。阿里地勢(shì)高，平均海拔在4 500 m以上，素有“世界屋脊”的屋脊之稱(chēng)。喜馬拉雅山脈和岡底斯山脈在此相聚，形成獨(dú)特的高原自然風(fēng)貌，使阿里有“萬(wàn)山之祖”之稱(chēng)，再加上雅魯藏布江、印度河、恒河等三大河流發(fā)源于此地，故阿里又有“百川之源”的美譽(yù)[3]。境內(nèi)高山、寬谷與湖盆為主要地貌類(lèi)型。按照地貌類(lèi)型組合的區(qū)域差異，阿里地區(qū)可分三大地貌區(qū)，即北部高原湖盆區(qū)、中部高山寬谷區(qū)和南部高山峽谷區(qū)[5]。在不同地貌部位分別分布著重力堆積物、殘積物、坡積物、洪積物、沖積物、湖積物和風(fēng)積物等成土母質(zhì)類(lèi)型。土壤類(lèi)型主要為高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、高山荒漠土、亞高山草原土、亞高山荒漠土、寒原鹽土、草甸土、沼澤土等[5]。

1.2 樣品采集 在研究區(qū)布設(shè)90個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。由于圖1比例尺較小，部分樣點(diǎn)在圖上由于重疊未能完全顯示出來(lái)。在每個(gè)采樣點(diǎn)中心區(qū)域50 m×50 m的范圍內(nèi)用蛇形法布設(shè)10個(gè)分樣點(diǎn)采集土樣，采樣深度0～20 cm。最后，將各分點(diǎn)樣品等質(zhì)量混勻后用四分法棄取，保留5 kg土壤的土樣用于室內(nèi)分析。

1.3 樣品分析測(cè)試 該研究的土壤樣品由國(guó)土資源部成都礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心分析測(cè)試，共測(cè)試13種土壤元素，包括第四周期的過(guò)渡元素V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn，第五周期過(guò)渡元素Cd，第六周期的過(guò)渡元素Hg和金屬元素Pb，第四周期類(lèi)金屬元素As和非金屬元素Se，第二周期鹵族元素F。As、Hg、Se用原子熒光光度計(jì)（AFS2202）測(cè)定，檢出限分別為1、0.005和0.01 mg/kg；F用離子選擇電極（PXS-215）測(cè)定，檢出限為100 mg/kg；Cd用ICP質(zhì)譜儀（X series Ⅱ）測(cè)定，檢出限為0.03 mg/kg；Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、V、Mn、Co用X熒光光譜儀（ADVANTXP+）測(cè)定，檢出限分別為1、2、4、2、5、5、10、1 mg/kg。使用SPSS17.0軟件，對(duì)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

1.4 研究方法

1.4.1 相關(guān)系數(shù)法。

相關(guān)系數(shù)法就是通過(guò)計(jì)算元素間的相關(guān)系數(shù)，確切、具體、定量地說(shuō)明元素間的相關(guān)程度。土壤第k個(gè)元素和第j個(gè)元素的相關(guān)系數(shù)表達(dá)式為：

式中，k、j分別為第k、j個(gè)元素；n為參加統(tǒng)計(jì)的樣品數(shù)目；xik為第k個(gè)元素第i個(gè)樣品的值；xk為第k個(gè)元素所有樣品平均值；j為第j個(gè)元素所有樣品的平均值[6]。相關(guān)系數(shù)rkj變動(dòng)范圍是-1≤rkj≤1。|rkj|越靠近1，說(shuō)明兩元素線性相關(guān)越密切；|rkj|越靠近0，說(shuō)明兩元素線性相關(guān)密切程度越弱。

1.4.2 因子分析法。

因子分析法是將多個(gè)具有錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的因子（樣品或變量）歸結(jié)為數(shù)量較少的幾個(gè)綜合因子的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。其目的在于對(duì)大批觀察數(shù)據(jù)，用比較少數(shù)的有代表性的因子，來(lái)說(shuō)明由多個(gè)變量所提供的信息，使原來(lái)在高維空間中考察的問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)樵谳^低維空間中考察，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化[7]。該方法通過(guò)分析原始變量的相關(guān)矩陣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，找出由原始變量的線性組合并起主導(dǎo)作用的獨(dú)立新因子。這些獨(dú)立新因子保留了原始變量的絕大部分相關(guān)信息和變異性，可以用來(lái)表達(dá)所有觀察數(shù)據(jù)，也給可觀察原來(lái)因子與新因子的關(guān)系，從而解釋新因子的專(zhuān)業(yè)含義[7]。每個(gè)新因子實(shí)質(zhì)上在一定程度上代表反映地學(xué)變量間綜合關(guān)系的一種地學(xué)作用，有助于人們從眾多地學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。

因子分析把每個(gè)原始變量分解成公共因子部分和特殊因子部分。設(shè)分析的原始變量為Xi（i=1，2，…，p），則

式中，F(xiàn)j為公共因子，j=1，2，…，m（m≤p）；εi為影響Xi的特殊因子，指原始變量不能被因子變量所解釋的部分，i=1，2，…，p；aij為因子載荷，表示第i個(gè)變量與第j個(gè)公因子的相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)）（i=1，2，…，p；j=1，2，…，m）。實(shí)際上，也可以把a(bǔ)ij理解為第i個(gè)變量在第j個(gè)公因子上的權(quán)重[8-9]。

在因子分析的數(shù)學(xué)模型中，通過(guò)正交的方差最大旋轉(zhuǎn)法使每個(gè)主因子只與最少個(gè)數(shù)的變量有相關(guān)關(guān)系，使足夠多的因子負(fù)荷均很小。變量或因子的重要程度都是以其方差大小來(lái)衡量的。因子旋轉(zhuǎn)后每個(gè)變量因子負(fù)荷代表著在系統(tǒng)中作用或重要性程度，以各個(gè)變量目標(biāo)因子載荷平方與因子方差貢獻(xiàn)率乘積作為變量的權(quán)重，構(gòu)成一個(gè)判別元素來(lái)源的綜合指標(biāo)[10]。顯然，每個(gè)公因子應(yīng)該表示與它相關(guān)關(guān)系比較密切的那些變量的組合，具有地學(xué)成因上的意義[9]。

因子分析的一般步驟如下：首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后計(jì)算數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)陣，并求出其特征值和特征向量，之后用方差最大法進(jìn)行正交變換，使因子載荷兩極分化且旋轉(zhuǎn)后的因子仍然正交，最后確定因子個(gè)數(shù)，計(jì)算因子得分，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中元素的相關(guān)系數(shù)法研究結(jié)果 對(duì)阿里表層土壤樣品的分析數(shù)據(jù)剔除異常值后，按照式（1）對(duì)13個(gè)元素間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由表1可知，在顯著性水平a=0.05有36對(duì)元素相關(guān)，在顯著水平a=0.01有27對(duì)元素相關(guān)，顯著相關(guān)元素間全為正相關(guān)。

大多數(shù)過(guò)渡元素間具相關(guān)關(guān)系，例如a=0.05時(shí)，V與 Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Hg相關(guān)，Cr與V、Mn、Co、Ni相關(guān)，Mn與V 、Cr、Co、Ni、Cu、Zn相關(guān)，Co與V、Cr、Mn、Ni、Cu相關(guān)，Ni與V、Cr、Mn、Co相關(guān)，Cu與V、Mn、Co、Zn、Cd、Hg相關(guān)，Zn與V、Mn、Cu、Cd、Hg相關(guān)，Cd與Cu、Zn、Hg相關(guān)，Hg與V、Cu、Zn、Cd相關(guān)。同時(shí)，在這13種元素中，相關(guān)系數(shù)大于0.6的都為過(guò)渡元素對(duì)，例如Ni和Cr的相關(guān)系數(shù)為0.993，Ni和Co的相關(guān)系數(shù)為0.725，Cr和Co的相關(guān)系數(shù)為0.698，Cu和V的相關(guān)系數(shù)為0.779，Cu和Zn的相關(guān)系數(shù)為0.642，Cu和Mn的相關(guān)系數(shù)為0.614，Mn和V的相關(guān)系數(shù)為0.686，Mn和Zn的相關(guān)系數(shù)為0.651，Zn和V的相關(guān)系數(shù)為0.624。過(guò)渡元素多相關(guān)的結(jié)論與夏增祿等[11]

對(duì)喀喇昆侖山-西昆侖山地區(qū)土壤元素的自然含量特征的研究相似，說(shuō)明電子結(jié)構(gòu)、電離勢(shì)、電價(jià)、離子半徑類(lèi)似的元素在土壤的表生地球化學(xué)上具有許多共同的性質(zhì)。

Ni、Cr、Co之間相關(guān)性很強(qiáng)，說(shuō)明這3種元素的來(lái)源和影響因素相似。Cu、V、Zn、Mn之間的相關(guān)性也很強(qiáng)，說(shuō)明這4種元素的來(lái)源和影響因素也相似。Pb除了與鹵族元素F和類(lèi)金屬As相關(guān)外，也與過(guò)渡元素Zn、Mn、Cd相關(guān)。以往的研究也表明，Pb的表生地球化學(xué)過(guò)程與過(guò)渡元素相近，這可能是其與部分過(guò)渡元素相關(guān)的原因[11]；而a=0.01時(shí)，As只與Hg和Pb相關(guān)，Cd只與Pb和Zn相關(guān)，Se只與Cu和F相關(guān)。

2.2 土壤中元素的因子分析法研究結(jié)果 因子分析可以有效地分析土壤元素間的相互關(guān)系和來(lái)源。為此，對(duì)阿里表層土壤13種元素原始數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，得到4個(gè)主因子。由表2可知，4個(gè)主因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá)73.304%，且旋轉(zhuǎn)前后總的累計(jì)貢獻(xiàn)率沒(méi)有發(fā)生變化。這表明4個(gè)主因子就可提供73.304%的原始資料的的信息，而且旋轉(zhuǎn)前后總的信息量沒(méi)有丟失。從旋轉(zhuǎn)之后的情況來(lái)看，超過(guò)20%的主因子有2個(gè)，主因子3和主因子4的方差貢獻(xiàn)率分別為17.615%和 11.614%。這說(shuō)明影響西藏阿里土壤元素來(lái)源的主要因素是主因子F1和主因子 F2。

因子分析的主要目的是將具有相近的因子荷載的各個(gè)變量置于一個(gè)公因子之下。正交方差最大旋轉(zhuǎn)使每個(gè)主因子只與最少個(gè)數(shù)的變量有相關(guān)關(guān)系，而使足夠多的因子負(fù)荷均很小，以便對(duì)因子的意義做出更合理的解釋。變量與某一個(gè)因子的聯(lián)系系數(shù)絕對(duì)值（載荷）越大，則該因子與變量關(guān)系越近[10]。由表3和表4可知，該次因子分析在旋轉(zhuǎn)前后因子載荷的變量結(jié)果基本一致。

由表4可知，V、Mn、Cu、Zn四元素在主因子F1上有較高的正荷載。這說(shuō)明主因子F1的構(gòu)成以這4種元素為主。究其原因，可能是由于V、Mn、Cu、Zn同屬第四周期過(guò)渡

元素，它們具有近似的基本化學(xué)性質(zhì)，使得它們?cè)诒砩h(huán)境中的地球化學(xué)性質(zhì)和行為相似。在這4種元素中，Cu、Zn為親銅元素，Mn、V為親鐵元素。所以，F(xiàn)1主因子的特點(diǎn)反映過(guò)渡元素中親銅、親鐵元素的共生組合關(guān)系。由此可知，V、Mn、Cu、Zn等元素間具有顯著的相關(guān)性，說(shuō)明就這一點(diǎn)而言，因子分析的結(jié)果與相關(guān)分析的結(jié)果一致。Mn等元素通常作為土壤自然源標(biāo)識(shí)元素，所以主因子F1也可被視為“天然源因子”。該組元素主要體現(xiàn)土壤在地質(zhì)—地理因素控制下的自身組成特征，所受人為因素的影響小[12]。

Ni、Cr、Co 3個(gè)元素在主因子F2上有很高的荷載，說(shuō)明主因子F2的構(gòu)成以這3個(gè)元素為主，F(xiàn)2反映Ni、Cr、Co之間的共生關(guān)系。這也與相關(guān)分析的結(jié)果相一致，例如Ni和Cr的相關(guān)系數(shù)為0.993，為所有元素間相關(guān)系數(shù)最高者，Ni和Co的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.725，Cr和Co的相關(guān)系數(shù)為0.698。Ni、Cr、Co在元素周期表中同屬第四周期的親鐵元素，也是相容元素，傾向于富集在結(jié)晶相，使得這3種元素在土壤中的來(lái)源和遷移很相似。所以，主因子F2反映的是影響土壤元素遷移富集的因素。

主因子F3中以As、Hg、Pb、Cd和F為主。As、Hg、Pb、Cd等具有顯著的生物毒性。它們的來(lái)源除了受土壤的成土母質(zhì)本身和成土過(guò)程的影響外，也與人類(lèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有很大關(guān)系。As、Hg、Pb、Cd和F多來(lái)自農(nóng)藥，所以F3因子反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)該區(qū)土壤的影響。

主因子F4以Se為主。相關(guān)分析也表明，Se與其他元素的相關(guān)性最差，說(shuō)明阿里土壤中Se的含量成因有與其他元素不一樣的特征。

3 結(jié)論

（1）相關(guān)分析表明，阿里土壤中過(guò)渡元素間大多數(shù)具有顯著相關(guān)性。這說(shuō)明元素的電子結(jié)構(gòu)、電離勢(shì)、電價(jià)、離子半徑以及在土壤的表生地球化學(xué)過(guò)程相似的元素相關(guān)性強(qiáng)。Ni、Cr、Co之間的強(qiáng)相關(guān)性和Cu、V、Zn、Mn之間的相關(guān)性證明這一點(diǎn)。

（2）主因子F1和主因子F2的方差貢獻(xiàn)率均超過(guò)了20%。這可以解釋為因子1和因子2可能是西藏阿里土壤元素來(lái)源的主要影響因素，表明影響阿里土壤元素分布的主要因素為自然因素。同時(shí)，主因子F3的方差貢獻(xiàn)率為17615%，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)該區(qū)的土壤有一定影響，但強(qiáng)度不大。

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