主成分分析土壤污染物課件

1、主成分分析在農(nóng)田土壤環(huán)境評(píng)價(jià) 中的應(yīng)用段旭東 范碩前言 主成分分析是在一組變量中找出其方差和協(xié)方差矩陣的特征量,將多個(gè)變量通過(guò)降維轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合變量的統(tǒng)計(jì)分析方法。由于其在對(duì)高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳的綜合與簡(jiǎn)化、客觀地確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)數(shù)和避免主觀隨意性方面的突出特點(diǎn),已經(jīng)被引入土地資源的開(kāi)發(fā)與保護(hù)、環(huán)境脆弱性與環(huán)境退化研究等諸多研究領(lǐng)域。與模糊綜合評(píng)判法、灰色聚類法、綜合指數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等環(huán)境質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)方法相比,主成分分析方法具有能夠減少原始數(shù)據(jù)信息損失、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、避免主觀隨意性等優(yōu)點(diǎn),在水、土壤等環(huán)境介質(zhì)中的污染物評(píng)價(jià)研究中均有應(yīng)用。目錄一、 材料和方法二、 結(jié)果和分析三、 結(jié)論一、

2、材料和方法1、1 數(shù)據(jù)來(lái)源 利用中意合作典型區(qū)生態(tài)調(diào)查項(xiàng)目鞍山市農(nóng)田土壤污染物調(diào)查數(shù)據(jù)作為主成分分析的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)素材,土壤樣品包括清灌稻田、污灌稻田、旱田、菜田、溫室及對(duì)照區(qū)6個(gè)不同類型農(nóng)田,樣本總數(shù)為45個(gè)。分析指標(biāo)主要考慮國(guó)家頒布的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的幾種重點(diǎn)識(shí)別重金屬和有機(jī)農(nóng)藥污染物(As、Hg、Cu、Pb、Cd、Cr、DDT、BHC)。表1 不同耕作類型農(nóng)田土壤污染物含量(mg/kg)二、結(jié)果和分析2、1 主成分識(shí)別 主成分識(shí)別是以土壤污染物含量作為原變量,通過(guò)計(jì)算變量方差和協(xié)方差矩陣的特征量,將多個(gè)變量通過(guò)降維轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合變量,即將土壤污染物的信息進(jìn)行了集中和提取,使我們

3、能夠從眾多土壤污染物中識(shí)別出起主導(dǎo)作用的成分。由于數(shù)據(jù)中各污染物的量綱不同,各變量的作用難以直接比較,在計(jì)算時(shí)需對(duì)變量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。 表2是各污染物含量的總方差分解表,可以看出第一、第二主成分特征值占總方差的分比已經(jīng)大于95%,即前兩個(gè)主成分已經(jīng)對(duì)8個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)所涵蓋的大部分污染物信息進(jìn)行了概括,其中第一主成分?jǐn)y帶的信息最多,達(dá)到76%以上,第一、第二主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到95、969%。主成分3和4對(duì)總方差的貢獻(xiàn)很小,為了以盡可能少的指標(biāo)反映盡量多的信息,選取前2個(gè)因子作為主成分,代表主要的土壤污染物指標(biāo)。表2 觀測(cè)指標(biāo)總方差分解表表3 主成分載荷矩陣 用這2個(gè)因子代替8個(gè)原始變量,已經(jīng)

4、概括了絕大多數(shù)土壤污染物的信息。但由于每個(gè)因子中各原始變量的系數(shù)差別不明顯,需要利用方差最大旋轉(zhuǎn)對(duì)因子荷載矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn),將因子中各變量的系數(shù)向最大和最小轉(zhuǎn)化,使每個(gè)因子上具有最高載荷的變量數(shù)最少,以使得對(duì)因子的解釋變得容易。 表4是旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷矩陣,由于不同主成分對(duì)應(yīng)的各變量的系數(shù)向最大和最小轉(zhuǎn)化,使每個(gè)主成分上具有最高載荷的變量數(shù)最少,旋轉(zhuǎn)后的荷載系數(shù)矩陣中各變量對(duì)兩個(gè)主成分的荷載系數(shù)差別比較明顯?？梢钥闯?第一主成分以Cr、Cu、Cd為主的重金屬貢獻(xiàn)最大,第二主成分中BHC、DDT和重金屬Pb、Hg的貢獻(xiàn)較大。表4 旋轉(zhuǎn)后主成分載荷矩陣圖1 因子載荷散點(diǎn)圖對(duì)變量進(jìn)行的相關(guān)關(guān)系檢驗(yàn),可

5、以進(jìn)一步反映土壤污染物間的相關(guān)關(guān)系(表5)。表5 污染物相關(guān)系數(shù)矩陣 可以看出,重金屬Hg-Pb、Cd-Cu、Cr-Cu、Cr-Cd間具有很強(qiáng)的相關(guān)性,這在一定程度上反映了幾種土壤重金屬污染物的同源性、差異性以及在農(nóng)田土壤中的組合情況。盡管BHC和DDT類農(nóng)藥在我國(guó)已停用多年,但在土壤中仍有一定殘留,二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0、508,反映出該區(qū)域過(guò)去的農(nóng)藥使用情況。這兩種化學(xué)物質(zhì)屬于人工合成物質(zhì),其含量多少與其他元素沒(méi)有內(nèi)在的聯(lián)系,它們與重金屬元素的相關(guān)性亦不顯著。BHC和DDT的施用大多在旱田和菜地,而污灌區(qū)有大量的外源重金屬污染物隨著灌溉用水輸入,因此農(nóng)藥與絕大多數(shù)重金屬呈負(fù)相關(guān)關(guān)系可以在一定

6、程度上反映出土地利用狀況和耕作方式對(duì)土壤污染物含量的影響。表6 主成分得分系數(shù) 將不同土壤污染物濃度值與相應(yīng)主成分得分系數(shù)的乘積相加得到土壤污染物的主成分得分(表7)。主成分得分可以反映污染物對(duì)土壤的綜合作用和土壤環(huán)境質(zhì)量狀況,得分越低代表土壤污染物含量越低,即土壤環(huán)境質(zhì)量越好。從表中6種類型的農(nóng)田土壤污染物總得分排序結(jié)果可以看出,清灌稻田的土壤環(huán)境質(zhì)量最高,以下依次是對(duì)照區(qū)、旱田、大棚和菜田,利用污水進(jìn)行灌溉的污灌稻田土壤綜合得分最高,反映出污灌稻田污染物含量較高,土壤環(huán)境質(zhì)量較差。表7 不同類型農(nóng)田污染物主成分得分排序三、結(jié)論 利用主成分分析有效地揭示土壤污染物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和土壤污染物間的內(nèi)在相關(guān)性及差異性,并很好地識(shí)別出土壤污染物的主