【文章內(nèi)容簡介】 進一步的發(fā)展規(guī)劃提出科 學(xué)建議，不僅有利于城市生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展，有利于人類與自然和諧，也有利于人類社會健康和城市可持續(xù)發(fā)展 [48]。 土壤中重金屬元素主要有自然來源和人為干擾輸入兩種途徑。在自然因素中，成土母質(zhì)和成土過程對土壤重金屬含量的影響很大 ［ 2］ 。在各種人為因素中，則主要包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通等來源引 起的土壤重金屬污染 ［ 6］ 。以下主要就受人為作用影響的土壤重金屬污染來源進行介紹。 1） 工礦企業(yè)污染源 工業(yè)過程中廣泛使用重金屬元素，工礦企業(yè)將未經(jīng)嚴格處理的廢水直接排放，使得它們周圍的土壤容易富集高含量的有毒重金屬 ［ 7］ ， 以同 心圓狀分布。企業(yè)排放的煙塵、廢氣中也含有重金屬，并最終通過自然沉降和雨淋沉降進入土壤［ 8］ 。礦業(yè)和工業(yè)固體廢棄物在堆放或處理過程中，由于日曬、雨淋、水洗等，重金屬極易移動，以輻射狀、漏斗狀向周圍土壤擴散，固體廢棄物也可以通過風(fēng)的傳播而使污染范圍擴大 2） 交通污染源 道路兩側(cè)土壤中的污染物主要來自汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵的沉降，而污染元素則主要為 Pb、 Cu、 Zn 等元素。它們一般以道路為中心成條帶狀分布，強度因距離公路、鐵路、城市以及交通量的大小有明顯的差異。 3） 居民生活污 染源 日常生活產(chǎn)生的“廢氣、廢液、廢固” 以及落后的 居民用煤燃燒方式 等。 4）綠地施肥 污染源 含 有 重金屬的化肥、有機肥、城市廢棄物和農(nóng)藥的不合理施用以及污水灌溉等，都可以導(dǎo)致土壤中重金屬的污染 ［ 2］ 。重金屬元素是肥料中報道最多的污染物質(zhì)，化肥中品位較差的過磷酸鈣和磷礦粉中含有微量的 As、 Cd 重金屬元素。與傳統(tǒng)的有機肥肥源相比，當(dāng)前有機肥肥源大多來源于集約化的養(yǎng)殖場，大多使用飼料添加劑。據(jù)報道，目前的飼料添加劑中常含有高含量的 Cu 和 Zn，這使得有機肥料中的 Cu、 Zn 含量也明顯增加并隨著肥料施入農(nóng)田。許多農(nóng)用化學(xué) 品如Cu 制劑，含 Hg、 As 的制劑使用后也會使土壤遭受污染。 5） 自然 污染源 在自然因素中，成土母質(zhì)和成土過程對土壤重金屬含量的影響較大 。 分析建立模型三 — — 基于 因子分析 法 因子分析從變量的相關(guān)矩陣出發(fā)將一個 m 維的隨機向量 X 分解成低于 m 個且有代表性的公因子和一個特殊的 m 維向量，使其公因子數(shù)取得最佳的個數(shù) ，從而使對 m 維隨機向量的研究轉(zhuǎn)化成對較少個數(shù)的公因子的研究。 設(shè)有 n 個樣本， n 個指標構(gòu)成樣本空間 X ? ? 1 , 2 , .. ., 。 1 , 2 , .. .,ijX x n m i n j m? ? ? ? （ 3） 因子分析過程一般經(jīng)過以下步驟： 1）原始數(shù)據(jù)的標準化，標準化的公式為 ? ?39。 /ij ij j jX X X ??? ， 其中 ijX 為第 i 14 個樣本的第 j 個指標值，而jX和j?分別為 j 指標的均值和標準差。標準化的目的在于消除不同變量的量綱的影響，而且標準化轉(zhuǎn)化不會改變變量的相關(guān)系數(shù)。 2）計算標準化數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)陣，求出相關(guān) 系數(shù)矩陣的特征值和特征向量。 3）進行正交變換，使用方差最大法。其目的是使因子載荷兩極分化，而且旋轉(zhuǎn)后的因子仍然正交。 4）確定因子個數(shù)，計算因子得分，進行統(tǒng)計分析。 因子分析只強調(diào)變量的離差（變化量）而不強調(diào)變量在樣品中的比重（百分含量）。因子分析的數(shù)學(xué)模型中，通過正交的方差最大旋轉(zhuǎn)法使每一個主因子只與最少個數(shù)的變量有相關(guān)關(guān)系，而使足夠多的因子負荷均很小。變量或因子的重要程度都是以其方差大小來衡量的。因子旋轉(zhuǎn)后每個變量因子負荷代表著在系統(tǒng)中作用或重要性程度，以各個變量目標因子載荷平方與因子方差貢獻率乘積作為變量的權(quán)重，構(gòu)成一個判別污染來源的綜合指標，而且因子分析是一個客觀計算同主觀思維相結(jié)合的過程。其它多元統(tǒng)計分析（如判別分析，回歸分析）的計算結(jié)果基本上是一個最終結(jié)果，可以直接予以應(yīng)用，但因子分析的計算結(jié)果（因子解）只能看作是一個中間結(jié)果，剩下的部分要求人們用自己的思維來完成，這就涉及環(huán)境地球化學(xué)知識、經(jīng)驗，甚至于思維方式和哲學(xué)思想。 模型三的求解 1）利用 統(tǒng)計軟件 得出 相關(guān)系數(shù)矩陣 該城區(qū)采樣點 重金屬元素含量的數(shù)據(jù)特征完全符合因子分析的要求， 本文以 Hg、 Cd、 Pb、 As、 Cu、 Cr、 Ni、 Zn 八種重金屬元素指標作因子分析，這樣在解釋各指標變化異常時可以著重討論綜合指標因子， 同時為 該城區(qū) 重金屬污染成因的解釋提供一定的理論依據(jù)。以下對 該城區(qū)采樣點 重金屬元素含量 的數(shù)據(jù)標準化處理后，經(jīng) 統(tǒng)計軟件進行因子分析，可得出以下結(jié)果。首先給出該城區(qū) 表層土壤 Hg、 Cd、 Pb、 As、 Cu、 Cr、 Ni、 Zn 八種重金屬原始含量數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣 ， 如表 1 所示 。 表 7 變量相關(guān)矩陣 指標 Hg Cd Pb As Cu Zn Ni Cr Hg 1 Cd 1 Pb 1 As 1 Cu 1 Zn 1 Ni 1 Cr 1 由表 可見， As 和 Ni 的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)最大，為 ，其次為 Pb和 Cd，相關(guān)系數(shù)為 ，以下依次是 Pb 和 Cu， Cd 和 Cu 的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別為 和 ， Pb 和 Hg 的相關(guān)系數(shù)為 ，其它元素之間的 相關(guān)性并不是很好。從成因上來分析，相關(guān)性較好的元素可能在成因和來源上有一定的關(guān)聯(lián)。 15 2） 相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值和特征向量 因子分析的關(guān)鍵就是利用相關(guān)系數(shù)矩陣求出相應(yīng)的因子的特征值和累計貢獻率，用 統(tǒng)計軟件計算可得出，見表 8。 表 8 特征值和累計貢獻率 因子 旋轉(zhuǎn)前 旋轉(zhuǎn)后 總的特征值 占總變量的百分率/％ 累計貢獻率 /％ 總的特征值 占總變量的百分率/％ 累計貢獻率 /％ F1 F2 F3 F4 F5 F6 在累積方差為 ％（ 90%? ）的前提下，分析得到 6 個主因子，可以看到 6 個主因子提供了源資料的 ％的信息，滿足因子分析的原則，而且從上表可以看出旋轉(zhuǎn)前后總的累計貢獻率沒有發(fā)生變化，即總的信息量沒有損失。從表 8 還可得出，旋轉(zhuǎn)之后，主因子 1 和主因子 2 的方差貢獻率均為 20％左右，主因子 3 到主因子 6 的方差貢獻率的范圍為 ％到 ％之間。這可以解釋為因子 1 和因子 2 可能為 該城區(qū) 土壤重金屬污染的最重要的污染源，對 該城區(qū)重金屬污染的貢獻最大，因子 因子 因子 因子 6 對 該城區(qū) 重金屬污染有重要作用。 3） 進行正 交變換 因子分析的主要目的是將具有相近的因子荷載的各個變量置于一個公因子之下，正交方差最大旋轉(zhuǎn)使每一個主因子只與最少個數(shù)的變量有相關(guān)關(guān)系，而使足夠多的因子負荷均很小，以便對因子的意義作出更合理的解釋。輸出結(jié)果見表9 和表 10。 表 9 旋轉(zhuǎn)前 因子載荷矩陣 指標 F1 F2 F3 F4 F5 F6 Hg Cd Pb As Cu Zn Ni Cr 16 表 10 方差極大正交旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣 指 標 F1 F2 F3 F4 F5 F6 Hg Cd Pb As Cu Zn Ni Cr 由表 9 和表 10 可見，旋轉(zhuǎn)前后因子荷載的變量結(jié)果基本一致。變量與某一個因子的聯(lián)系系數(shù)絕對值（載荷）越大，則該因子與變量關(guān)系越近。正交因子解說明：因子 1 為 Cd 和 Pb 的組合，因子 2 為 As 和 Ni 的組合，因子 3 為 Cr，因子 4 為 Hg，因子 5 為 Zn，因子 6 為 Cu， Cd 和 Pb、 As 和 Ni 可能是同一個來源，而且這兩組元素正是 相關(guān)性最好的兩組元素。 為了更好的進行分析、評價，利用因子分析所得到的 6 個因子經(jīng)過方差極大正交旋轉(zhuǎn)后的 該城區(qū) 表層土壤 采樣點 在六個主因子上的得分可作出各個因子在空間分布的等直線圖，能更直觀地說明各個元素在空間平面上的分布特征， 見圖1。 因子 1 因子 2 因子 3 因子 4 因子 5 因子 6 圖 10 主因子在平面空間的等值線分布圖 模型 三 的結(jié)果分析 結(jié)合 該城區(qū) 表層土壤中 各 重金屬 含量空間分布圖（圖 2 至 圖 9） 和主因子在平面空間的等值線分布圖可以得出以下結(jié)論： 從 圖 10 中的 因子 1 可以看出， Pb 和 Cd 在來源上關(guān)聯(lián)較密切，在空間分布上近似可認為是一個帶狀的污染源，呈帶狀分布，這主要因為 Pb 主要來自 城區(qū)內(nèi) 交通 污染 源 —— 汽車尾氣的排放 等。 對照 圖 7，根據(jù) 相關(guān) 文獻， 城市中的工業(yè)區(qū)也是 Pb 主要來源 ； 同時 由 圖 5 可見， Cd 主要來源于 工業(yè) 區(qū) 、交通區(qū) 和公園綠19630000 19635000 196400004185000419000041950004202000420500042100004215000因子119630000 19635000 19640000因子219630000 19635000 19640000因子319630000 19635000 19640000因子519630000 19635000 19640000因子619630000 19635000 19640000因子4 17 地區(qū) 。 可以得出一個基本結(jié)論：市內(nèi)交通尾氣的排放和汽車輪胎的磨損 可能 是 該城區(qū) 土壤 Pb 污染的基本來源， 該城區(qū) 表層土壤中的 Cd 含量 總體上呈現(xiàn)出從城市工業(yè) 區(qū)向城市四周邊緣遞減的趨勢 ，表明 影響 Cd 累積的因素除工業(yè)活動影響外，城市公園綠地施肥可能也是引起土壤中 Cd 累積的重要因素，這也可能是造成 Cd 含量空間變異較大的重要因素。 因子 2 為元素 As 和 Ni 的組合， 結(jié)合 圖 10 中的 因子 圖 2 和 圖 9 可以得出以下結(jié)論， 該城區(qū) 表層土壤 As 和 Ni 基本未污染，只有個別點富集程度較高，污染達到中度污染，該富集中心的位置也在 工業(yè) 區(qū)范圍內(nèi) ， 重金屬污染 可能 主要來源于 工業(yè)區(qū) 。 因子 3 為元素 Cr， Cr 的污染源屬于面積型的，分布 于 該城區(qū) 的工業(yè)區(qū) 內(nèi) ，同時 結(jié)合 圖 5 可見， Cr 含量較高（ 90mg/kg）的區(qū)域主要集中分布于 工業(yè)區(qū) 、公園綠地區(qū) ， 推測公園綠地施肥可能也是引起土壤中 Cd 累積的重要因素 。 因子 4 為元素 Hg， Hg 是 該城區(qū) 污染 較為 嚴重的重金屬元素之一，從 圖 10中的 因子 4 中可 看 出， Hg 污染也屬于面積型污染， 該城區(qū) 地表土 壤中 Hg 污染的一個主要原因 可能 是由于燃煤造成的，無論是工業(yè)用煤還是居民用煤，而且燃燒方式落后。 此 外 ， 從圖 3 中的分布可以看出， Hg 污染除了跟 工業(yè)區(qū) 的高耗能有關(guān)，工業(yè)三廢的排放也是 Hg 污染的重要來源。另外， Hg 污染與汽車尾氣的排放也有很大關(guān)系。大氣中含 Hg 污染物的干濕沉降 也 是造成 該城區(qū) 土壤 Hg 污染的主要原因 之一 。 該城區(qū) 的土壤污染 Hg 程度較重，加之土壤污 Hg 染具有較強的累積性，應(yīng)加以控制。 因子 5 為元素 Zn， Zn 在 該城區(qū) 土壤中污染有 工業(yè)區(qū)、交通 區(qū)富集的情況，可能是由于交通流量較大，長期的交通運輸所產(chǎn)生的廢氣及揚塵沉降使表層土壤中累積了較多的 Zn，同時由于 Zn 是汽車輪胎的重要組分，大量的工業(yè)生產(chǎn)制造所排放的“