運(yùn)用主成分分析PCA評(píng)價(jià)海洋沉積物中重金屬污染來源_圖文

1、運(yùn)用主成分分析(PCA評(píng)價(jià)海洋沉積物中重金屬污染來源李玉1,2,俞志明13,宋秀賢1(11中國科學(xué)院青島海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島266071;21中國科學(xué)院研究生院,北京100039摘要:測(cè)定了膠州灣表層沉積物中重金屬和有機(jī)質(zhì)的含量,并用平均富集因子(Average Enrichment Factors ,AEF 進(jìn)行污染狀況評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)膠州灣表層沉積物重金屬污染可分為3類:輕度污染(AEFs <2,其中有Zn (AEF =1111、Pb (AEF =1115、Cr(AEF =1152、Mn (AEF =0180、Fe (AEF =0145;中度污染(AEFs =23,

2、包括Cu (AEF =2179和Cd (AEF =2152;嚴(yán)重污染(AEFs >3,主要有As (AEF =3103和Hg (AEF =8108.進(jìn)一步通過主成分分析(Principal Component Analysis ,PCA 研究沉積物中重金屬的來源,發(fā)現(xiàn)前3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為52161%、17137%和15160%,表明重金屬主要有3個(gè)來源:工業(yè)排污、有機(jī)質(zhì)降解、巖石的自然風(fēng)化與侵蝕過程.PCA 的聚類分析指出,本次研究中所調(diào)查的14個(gè)站位在污染程度上可分為5大類,此結(jié)果既反映了膠州灣表層沉積物近河口污染程度重遠(yuǎn)河口污染程度輕的特點(diǎn),同時(shí)也支持了工業(yè)排污是沉積物中重金屬

3、污染主要來源的分析.關(guān)鍵詞:主成分分析(PCA ;平均富集因子(AEFs ;沉積物;重金屬;污染來源中圖分類號(hào):X132文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):025023301(20060120137205收稿日期:2004212225;修訂日期:2005202228基金項(xiàng)目:中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(KZCX32SW 2214;國家杰出青年基金項(xiàng)目(40025614;國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50339040作者簡(jiǎn)介:李玉(1976,女,博士研究生,從事海洋環(huán)境化學(xué)研究.Application of Principal Component Analysis (PCA for the Estimatio

4、n of Source of H eavy Metal Contamination in Marine SedimentsL I Yu 1,2,YU Zhi 2ming 1,SON G Xiu 2xian 1(11K ey Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science ,Institute of Oceanology ,Chinese Academy of Sciences ,Qingdao 266071,China ;21Graduate School of Chinese Academy of Sciences ,Beijin

5、g 100039,China Abstract :Concentrations of heavy metals and organic matter in the bottom sediments of Jiaozhou Bay were determined and the average enrichment factors (AEFs were used simultaneously to evaluate the extent of metal enrichment 2contamination.Results show that heavy metal contamination i

6、n this bay could be divided into three groups :negligible to low contamination (AEFs <2,which is the case of Zn (AEF =1111,Pb (AEF =1115,Cr (AEF =1152,Mn (AEF =0180and Fe (AEF =0145;moderate contamination (AEFs =23,which is the case of Cu (AEF =2179and Cd (AEF =2152;certain to severe contaminatio

7、n (AEFs >3,As (AEF =3103and Hg (AEF =8108being included in this group.Principal component analysis (PCA was applied to estimate the sources of heavy metal contamination.Results that the first three com ponents accounted for 52161%,17137%and 15160%of the total variance res pectively exhibited that

8、 industrial wastewater ,degradation of organic matter and erosion of rocks were the main sources of heavy metal contamination.The Q 2analysis of PCA indicated that 14stations could be divided into five groups.This result not only reflected the pollution characteristic of surface sediments ,but also

9、provided fundamental evidences for the putative analysis that industrial discharge is the main source of heavy metal contamination in Jiaozhou Bay.K ey w ords :principal component analysis (PCA ;average enrichment factors (AEFs ;sediments ;heavy metal ;sources of contamination作為持久污染物的存儲(chǔ)器,海洋沉積物的質(zhì)量狀況是

10、評(píng)價(jià)水環(huán)境健康與否的一個(gè)重要指標(biāo).沉積物中不斷積累的有毒物質(zhì)和不斷增加的有機(jī)質(zhì)最終會(huì)被交換到底棲生物活動(dòng)區(qū),由此進(jìn)入食物鏈,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康都會(huì)產(chǎn)生很大的影響.眾多污染物當(dāng)中,重金屬由于其毒性和持久性而成為影響沉積物質(zhì)量較嚴(yán)重的一類1.這些重金屬既可能來源于巖石的自然風(fēng)化和侵蝕,也可能來源許多分散的污染源如灰塵、降雨或水質(zhì)交換過程,同時(shí)又可能來源于受污染的河流、居民生活廢水和工農(nóng)業(yè)污水排放口等2,3.現(xiàn)在越來越多的研究者運(yùn)用主成分分析(Principal Component Analysis ,PCA 來評(píng)價(jià)沉積物中污染物的來源.主成分分析是一種掌握主要矛盾的統(tǒng)計(jì)分析方法,能夠通過簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)

11、(即用較少的綜合指標(biāo)代替原來具有一定相關(guān)性的較多的指標(biāo)第27卷第1期2006年1月環(huán)境科學(xué)ENV IRONM EN TAL SCIENCEVol.27,No.1Jan.,2006來反映原來多變量的大部分信息.Loska 4和DelValls 5運(yùn)用此方法分別評(píng)價(jià)了Rybnik 水庫和C ádiz 灣表層沉積物中重金屬的可能來源.膠州灣是一個(gè)典型的半封閉型淺水海灣,受人類活動(dòng)的影響十分顯著.陳先芬6和殷效彩7曾先后報(bào)道了其表層沉積物中重金屬的含量與分布,但未見有關(guān)沉積物中重金屬來源的分析報(bào)道.本文測(cè)定了膠州灣表層沉積物中重金屬和有機(jī)質(zhì)的含量,評(píng)價(jià)了其污染狀況,并運(yùn)用主成分統(tǒng)計(jì)方法分析了

12、重金屬來源的可能途徑,旨在為評(píng)價(jià)近海沉積物污染狀況提供指導(dǎo).圖1監(jiān)測(cè)站位分布Fig.1Location of monitoring stations1材料與方法本次調(diào)查在膠州灣布設(shè)的表層沉積物有效監(jiān)測(cè)站如圖1所示.用抓斗式采泥器在14個(gè)站點(diǎn)采集底泥,用塑料勺取其中央未受干擾的表層02cm 泥樣于已洗凈的聚乙烯袋中,扎緊袋口,04下保存,回實(shí)驗(yàn)室待測(cè).將解凍至室溫的樣品在80烘箱內(nèi)烘干24h ,用瑪瑙研缽將其研碎并全部通過160目篩,充分混勻后取樣以供測(cè)定(為避免樣品被玷污,取樣及碎樣等工具及器皿均先凈化處理.Pb ,Cd 用石墨爐原子吸收分光光度儀測(cè)定8;Cu ,Cr ,Zn ,Fe 和Mn

13、以火焰原子吸收分光光度法測(cè)定,Hg 用冷原子吸收法測(cè)定9;Al 用等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定10;As 以原子熒光光譜法測(cè)定11.沉積物消解方法見海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范12.為檢測(cè)分析方法的精確性,本文測(cè)定了標(biāo)準(zhǔn)沉積物樣品(代號(hào)GSBZ50012288,國家海洋局北海分局提供中各元素的含量并與其參考值對(duì)比,得出各元素的分析誤差(表1.結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有元素的分析誤差皆在5%以內(nèi).沉積物中總有機(jī)質(zhì)的含量以灼燒法來測(cè)定,用燒失量(Loss of Ignition ,LO I 表征.本文以550、灼燒2h 的條件13,測(cè)定了沉積物中的總有機(jī)質(zhì)的含量.用統(tǒng)計(jì)軟件Statistica 511進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.表1本研究中測(cè)定的

14、標(biāo)準(zhǔn)沉積物樣品中各元素的含量與其參考值的對(duì)比Table 1Comparison of values of elements of reference sedimentsobtained in the present study with certified values元素本研究中測(cè)定值參考值分析誤差/%601161152128Pb/mg kg -1231624101167Cd/mg kg -114192175Cr/mg kg -111101610634148Fe/%3106310701332結(jié)果與討論211膠州灣表層沉積物中重金屬的濃度及富集表2為本次調(diào)查的膠州灣表層沉積物中有機(jī)質(zhì)(LO I

15、 和金屬元素的含量范圍及平均值,同時(shí)也給出了各金屬的平均富集因子(Average Enrichment Factors ,AEF .Cu 的濃度在917449819mg/kg 之間,與1989年的調(diào)查結(jié)果14相比雖然分布趨勢(shì)相似,但無論是平均值、最大值還是最小值都高于1989年;Zn 的平均濃度為10013mg/kg ,高于渤海灣8和紅海灣15;Pb 濃度的平均值為38194mg/kg ,高于1989年的測(cè)定結(jié)果.Cd 的最高濃度(1194mg/kg 比1989年低,但平均值和最小值仍高于1989年的結(jié)果;本次調(diào)查中膠州灣表層沉積物中Hg 的平均含量為01323mg/kg ,與1989年相比最

16、高濃度值增加了313倍;As 的濃度范圍在2110237184mg/kg 之間,高于中國土壤中As 的含量(1115±8141mg/kg 16;本研究結(jié)果中沉積物中重金屬Cr 無論是分布還是含量都與1989年的調(diào)查結(jié)果有了很大的不同,最高含量(43014mg/kg 增加了接近10倍,全灣范圍內(nèi)濃度分布并不均衡,高濃度值主要分布在膠州灣東部.通過以上分析可知,膠州灣表層沉積物中重金屬含量與1989年相比都有了增長(zhǎng)的趨勢(shì).平均富集因子AEF 是用來表征沉積物中重金屬富集及污染狀況的參數(shù)17,數(shù)學(xué)表達(dá)式:AEF Me =AC Me /BV Me 中,AC Me 指的是被測(cè)金屬的平均濃度,B

17、V Me 指的是被考察海區(qū)此金屬的背景值.本文中Cu 、Zn 、Pb 、Cd 、Cr 、Mn 、Fe 的背景值皆取南黃海北部表層細(xì)沉積物中重金屬的背景值18(表3,Hg和As的背景值則用中國土壤的背景值16來代替,由此分別計(jì)算出各種金屬污染物的AEF值(見表2.根據(jù)Hkanson19給出的定義,膠州灣表層沉積物重金屬污染可分為3類:輕度污染(AEFs <2,其中有Zn,Pb,Cr,Mn和Fe;中度污染(AEFs =23,包括Cu和Cd;嚴(yán)重污染(AEFs>3,為As 和Hg.表2膠州灣表層沉積物中有機(jī)質(zhì)(LOI及金屬元素的含量Table2Concentrations of meta

18、l elements and LOI in surfacesediments of Jiaozhou Bay項(xiàng)目范圍平均值A(chǔ)EFs Me LOI/%0189271715150Al/%91571714113125表3南黃海北部表層細(xì)沉積物中重金屬的背景值1/mgkg-1Table3Background values of heavy metals of fine sedimentsin South Y ellow Sea/mgkg-1212運(yùn)用PCA確定污染物來源首先對(duì)膠州灣沉積物中各種污染物進(jìn)行因子分析,得出其各種相關(guān)指標(biāo),發(fā)現(xiàn)各污染物之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,且Bartlett球度檢驗(yàn)相伴概率為

19、01000,小于顯著性水平0105,因此本研究中的數(shù)據(jù)適合于作因子分析.從表4可以看出,通過主成分分析計(jì)算,沉積物中11種污染物(11個(gè)變量的全部信息可由3個(gè)主成分(特征值:51787+11911+ 11815=91513個(gè)變量反映86148%,即對(duì)前3個(gè)主成分進(jìn)行分析已經(jīng)能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息.第一主成分的貢獻(xiàn)率為52161%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在Cr,Cu,Zn,Cd的濃度上有較高的正載荷.由青島沿岸點(diǎn)源污染物入海量統(tǒng)計(jì)可知,六價(jià)Cr主要來自化工廠鉻鹽生產(chǎn)排污、Cu主要來自冶金廠,通過混合排污口進(jìn)入膠州灣,所以,大沽河、婁山河、海泊河、李村河等河口海區(qū)海水中Cu和Cr 的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于

20、灣內(nèi)及灣外海區(qū)20.因此從Cr,Cu 2種重金屬對(duì)第一主成分的貢獻(xiàn)就可以理解第一主成分所代表的實(shí)際意義,即反映了工業(yè)排污和生活污水對(duì)沉積物的污染.表5為各污染物之間的Pearson相關(guān)關(guān)系,其中Cu,Zn,Cr,Cd之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)從01653(Cd2Cr至01943 (Cu2Cr,可知第一主成分主要支配著沉積物中重金屬Cr和Cu的來源,同時(shí)也部分支配Zn,Cd的來源.第二主成分的貢獻(xiàn)率是17137%,在LO I上的載荷為01809.在LO I上的高載荷說明有機(jī)質(zhì)作為金屬離子結(jié)合物的重要性4.從表5可以看出所有的重金屬元素與LO I都呈顯著的正相關(guān),由此可以推斷由于有機(jī)質(zhì)的降解而

21、伴隨的金屬離子的釋放是沉積物中重金屬元素的又一來源,因此第二主成分主要表征了有機(jī)質(zhì)對(duì)沉積物中重金屬來源的貢獻(xiàn).從表4可以看到第二主成分在Zn,Pb,Cd,Hg濃度上的載荷情況,其中以Hg為最高(01952,且LO I與Hg之間的相關(guān)系數(shù)為01675,充分說明膠州灣沉積物中Hg的存在特征符合其他研究者得出的結(jié)論,即有機(jī)質(zhì)是Hg在沉積物中的主要結(jié)合物,其含量與成分的變化是決定Hg分布的主要控制因子21,22.第二主成分還主要支配著Pb、部分支配著Zn和Cd的來源.第三主成分的主要特征是在Mn 和Fe的濃度上有較高的載荷,分別為01828和01765.由于Mn和Fe是海洋沉積物中的主要化學(xué)成分,所以

22、這個(gè)主成分主要表征了地球化學(xué)成分的變化對(duì)沉積物中污染物的影響4,5.沉積物中As和Al的來源主要受此主成分的支配.圖2為各污染物表4本研究中主成分分析主要計(jì)算結(jié)果Table4The main calculated results of principal component analysis(PCAin this study項(xiàng)目第一主成分第二主成分第三主成分特征值517871*表5各污染物間Pearson 相關(guān)系數(shù)(p <0105Table 5Pearson correlation coefficients of the pollutants元素Cu Zn Pb Cd Hg As Al

23、Cr Mn Fe020-010*-01332-01147016483017453017323014593017143016753-01354-01481017013-01240013983表示顯著性相關(guān) 圖2各污染物的三維和二維因子載荷Fig.2Loading plots of the pollutants in the space defined by three components and two components的空間三維及二維因子載荷情況.圖2中各元素之間的離散程度較直觀地反映出了膠州灣表層沉積物中重金屬的3個(gè)主要來源,即工業(yè)排污、有機(jī)質(zhì)降解、巖石的自然風(fēng)化與侵蝕過程.PCA 還

24、可以通過聚類分析來綜合評(píng)價(jià)調(diào)查站點(diǎn)間污染狀況的相似性及遠(yuǎn)近關(guān)系,以此來反映沉積物中污染物特別是重金屬的空間分布特點(diǎn).圖3是PCA 聚類分析的垂直冰柱圖,從圖3中可以看出其分類的連接是非常明確的,本次研究中所調(diào)查的14個(gè)站位在污染程度上可分為5大類.第1類站位數(shù)9個(gè),分別為:B6,A4,Y1,A3,C3,D3,B1,B4,A11;第2類站位數(shù)2個(gè),為A10與D8;第3類、第4類和第5類站位數(shù)都為1個(gè),分別是Y0、A0和B0.很顯然屬于一類的所有站點(diǎn)的污染狀況是相似的,類與類之間距離相差越遠(yuǎn)沉積物的污染強(qiáng)度也是相差越大.由此可以總結(jié)出膠州灣表層沉積物中污染物的空間分布特點(diǎn),即近河口濃度高遠(yuǎn)河口濃度

25、低,此結(jié)果也支持了工業(yè)排污是沉積物中重金屬污染主要來源的分析.圖3聚類分析的垂直冰柱圖Fig.3Vertical icicle plot of Q 2analysis3結(jié)論(1調(diào)查中膠州灣表層沉積物中的重金屬含量與1989年相比已有了不同程度的增加,其中Hg和As平均富集因子最高,其次為Cu和Cd.通過主成分分析發(fā)現(xiàn),沉積物中11種污染物的全部信息可由3個(gè)主成分來反映,它們的貢獻(xiàn)率分別為52161%、17137%、15160%.其中,Cu和Cr主要受第一主成分的支配;Hg,Pb主要受第二主成分的支配;As主要受第三主成分的支配;Zn,Cd則是第一主成分和第二主成分共同支配.(2沉積物中的污染物

26、特別是重金屬有3個(gè)主要來源,即工業(yè)排污、有機(jī)質(zhì)降解、巖石的自然風(fēng)化與侵蝕過程.PCA的聚類分析指出,本次研究中所調(diào)查的14個(gè)站位在污染程度上可分為5大類.此結(jié)果反映了膠州灣表層沉積物中的污染物近河口濃度高遠(yuǎn)河口濃度低的空間分布特點(diǎn),同時(shí)也支持了工業(yè)排污是沉積物中重金屬污染主要來源的分析.致謝:感謝中國科學(xué)院海洋研究所測(cè)試中心的林強(qiáng)、俞立東老師在樣品測(cè)試過程中提供的幫助,同時(shí)也感謝本課題組母清林、吳繼法同學(xué)協(xié)助采樣.參考文獻(xiàn):1Srinivasa Reddy M,Shaik Basha,Sravan Kumar,et al1Distribution,enrichment and accumula

27、tion of heavy metals incoastal sediments of Alang2Sosiya ship scrapping yard,IndiaJ.Marine Pollution Bulletin,2004,48:10551059.2Birch G F,Evenden D,Teutsch M E.Dominance of pointsource in heavy metal distribution in sediments of a majorSydney estuary(AustralianJ.Environmental G eology,1996,28:169174

28、.3Matthiessen P,Reed J,Johnson M.Sources and potentialeffects of copper and zinc concentrations in the estuarine watersof Essex and Suffolk,United K ingdomJ.Marine PollutionBulletin,1999,38:908920.4Krzysztof Loska,Danuta Wiechula.Application of principalcomponent analysis for the estimation of sourc

29、e of heavy metalcontamination in surface sediments from the Rybnik ReservoirJ.Chemosphere,2003,51:723733.5DelValls T#,Forja J M,G onza.lez2Mazo E,et al.Determining contamination sources in marine sediments usingmultivariate analysisJ.Trends in analytical chemistry,1998,17:181192.6陳先芬.膠州灣環(huán)境污染調(diào)查報(bào)告J.海洋

30、通報(bào),1991,10:7278.7殷效彩,楊永亮,余季金,等.膠州灣表層沉積物重金屬分布研究J.青島大學(xué)學(xué)報(bào),2001,14:7679.8Bay S M,Zeng E Y,Lorenson T D,et al.Temporal andspatial distributions of contaminants in sediments of SantaMonica Bay,CaliforniaJ.Marine Environmental Research,2003,56:255276.9黃華瑞.渤海灣某些重金屬及其他元素的分布與轉(zhuǎn)移J.海洋科學(xué)集刊,1988,29:191210.10Leivuori M.Heavy metal contamination in surface sediments inthe gulf of Finland and comparison with the gulf of BothniaJ.Chemosphere,1998,36:4359.11喬永民,黃長(zhǎng)江,林潮平,等.粵東柘林灣表層沉積物的汞和砷研究J.熱帶海洋學(xué)報(bào),2004,23:2835.12國家海洋局.海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范M.北京:海洋出版社,1998.340380.13Borg H,Jonsson P.Large2s