运用主成分分析法解析五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属元素的来源

曾 颖 杨 臣 王希英 方振兴 吴 婧

(1.黑龙江省科学院火山与矿泉研究所，黑龙江 哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150040)

运用主成分分析法解析五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属元素的来源

曾 颖 杨 臣 王希英 方振兴 吴 婧

(1.黑龙江省科学院火山与矿泉研究所，黑龙江 哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150040)

运用主成分分析法对五大连池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖))表层沉积物中8种重金属元素(Cd、Pb、Cu、Zn、Hg、As、Cr、Ni)的来源进行了解析。结果表明：前三个主成份的累积贡献率达到84.268%，大体上能够反映五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属元素的基本来源情况。第一主成分为 “自然源”，第二主成分主为“农业面源”，第三主成分为“人为点源”。其中第一主成分具有决定性的意义。要注意As和Hg的污染问题。

五大连池；火山堰塞湖；重金属；来源解析；主成分分析

天然水体是受重金属污染的主要生态系统之一，鉴于重金属具有产生毒性效应浓度范围低，污染范围广，毒性潜伏期长和不易被生物降解等特点，世界各国均把重金属列为水质监测和评价的重要指标[1-3]。

五大连池风景名胜区位于黑龙江省北部，作为中国最典型和最完整的近代火山喷发遗迹已先后获得“世界地质公园”、“世界生物圈保护区”、“中国矿泉城”等称号，并被称为中国唯一的矿泉水之乡。区内由火山熔岩流堵塞河道形成6个较大的堰塞湖，分别为一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖。五大连池由5个相连的火山堰塞湖组合而成，头池到五池自南向北池池相连，是五大连池的核心景点并且是当地特产“矿泉鱼”的主要产地。药泉湖地处药泉山矿泉水带的中心位置，不仅承担着景观功能，其水质状况还会对药泉山矿泉水带水质造成巨大的影响。

目前关于五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属污染的研究还鲜有报道。对湖泊中重金属来源进行解析是对污染源进行有效综合治理的先决条件。主成分分析方法是一种将多维因子纳入同一系统中进行定量化研究，理论比较完善的多元统计分析方法。其主成份载荷的正负可以反映出污染物的复合性，在主成分载荷图中表现为对斥因子，当一种重金属元素在不同的主成分上均有一定的载荷时，可以认为其具备不同的主成分来源[4]。

本文以黑龙江省五大连池风景区6个火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖)表层沉积物为研究对象，运用主成分分析法对其中重金属的来源进行解析，为景区环境的保护和治理提供理论建议。

1 材料与方法

2016年3月在五大连池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖)中心凿冰洞，共采集6个表层沉积物样品(抓斗式采样器采集，标记为Y-N，A-N，B-N，C-N，D-N，E-N)，分别装入聚乙烯玻璃瓶中，样品运回实验室后，沉积物样品进行冷冻干燥，剔除石头及动植物残体等杂质，使其通过20目尼龙网筛，筛下的样品用四分法缩分至所需量，用研钵磨碎，过120目尼龙网筛，装入棕色广口瓶，以备分析。采样点信息如图1所示。采用电感耦合等离子体发射光谱PerkinElmer 5300DV检测各样品中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Zn、Pb及As八种重金属元素的含量。

图1 五大连池火山堰塞湖表层沉积物采样位置图

2 结果与讨论

如表1所示，五大连池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖)表层沉积物中各重金属元素的含量分布存在一定的差异性。采用SPSS软件进行主成分分析。由表2可知，前三个主成份的累积贡献率达到84.268%，大体上能够反映五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属污染物的基本来源情况。

表1 五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属的含量 mg/kg

表2 主成分特征值及累计贡献率

表3 初始因子载荷矩阵

第一主成分的累计贡献率达到45.505%，高于其他因子，其对表层沉积物中重金属的组成和分布具有决定性的意义，Pb、Cr、Zn有较高的正载荷。其中其中所有堰塞湖中Pb的含量均低于中国土壤环境一级标准值及我国土壤背景值，所有堰塞湖中Cr的含量均低于中国土壤环境一级标准值，仅药泉湖中Cr的含量超过我国土壤背景值。所有堰塞湖中Zn的含量均低于中国土壤环境一级标准值，仅药泉湖中Zn的含量超过我国土壤背景值。这三种重金属元素与我国类似功能河流湖泊表层沉积物中重金属的污染程度相比处于中等偏低的水平[5-13]，且这三种重金属元素的变异系数均较低，排在第5、第7和第8位，分布的最均匀，由此可以判断第一主成分为“自然源”。

第二主成分的贡献率达到26.393%，其中Cu、Cd有较高的正载荷。其中药泉湖中Cu的含量均超过我国土壤背景值，药泉湖、一池子、四池子、五池子均超过我国土壤背景值。所有堰塞湖中Cd的含量均低于中国土壤环境一级标准值，但四池子、药泉湖、一池子和五池子中Cd的含量均超过我国土壤背景值。这两种重金属元素的变异系数排在第3和第4位，分布的比较均匀，由于五大连池火山堰塞湖被各大农场所包围，再结合分析这两种元素的主要污染来源，判断第二主成分为“农业面源”污染。

第三主成分的贡献率为12.388%，其中Hg和As有较高的正载荷。其中药泉湖、五池子、一池子中Hg的含量均超过我国土壤背景值，而所有池子中As的含量均超过我国土壤背景值，其中四池子中As的含量还高于土壤环境一级标准值，且与我国类似功能河流湖泊中表层沉积物中重金属的污染程度处于中等偏上的程度[5-13]。Hg和As的变异系数在八种重金属中排在第1位和第2位，离散程度最大，空间分布最不均匀，由此可以判断第三主成分受到的人类活动的影响最大，为“人为点源”污染。

Cr和Hg在三个主成分中均为正载荷，说明药泉湖表层沉积物中这两种重金属元素的来源受自然源、农业面源和人为点源的共同影响。Ni仅在第三主成分上表现出很小的正载荷，说明其可能与其他重金属元素的来源及化学作用不同。

3 结 论

五大连池风景名胜区位于黑龙江省北部，作为中国最典型和最完整的近代火山喷发遗迹已先后获得“世界地质公园”、“世界生物圈保护区”、“中国矿泉城”等称号，并被称为中国唯一的矿泉水之乡。区内由火山熔岩流堵塞河道形成6个较大的堰塞湖，分别为一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖。五大连池由5个相连的火山堰塞湖组合而成，头池到五池自南向北池池相连，是五大连池的核心景点并且是当地特产“矿泉鱼”的主要产地。药泉湖地处药泉山矿泉水带的中心位置，不仅承担着景观功能，其水质状况还会对药泉山矿泉水带水质造成巨大的影响。而天然水体是受重金属污染的主要生态系统之一，鉴于重金属具有产生毒性效应浓度范围低，污染范围广，毒性潜伏期长和不易被生物降解等特点，世界各国均把重金属列为水质监测和评价的重要指标。

目前关于五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属污染的研究还鲜有报道。对湖泊中重金属来源进行解析是对污染源进行有效综合治理的先决条件。主成分分析方法是一种将多维因子纳入同一系统中进行定量化研究，理论比较完善的多元统计分析方法。其主成份载荷的正负可以反映出污染物的复合性，在主成分载荷图中表现为对斥因子，当一种重金属元素在不同的主成分上均有一定的载荷时，可以认为其具备不同的主成分来源。本文以黑龙江省五大连池风景区6个火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖)表层沉积物为研究对象，运用主成分分析法对其中重金属的来源进行解析，以期为景区环境的保护和治理提供理论建议。研究得出以下结论：

(1) 五大连池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖)表层沉积物中各重金属元素的含量分布存在一定的差异性。

(2) 运用主成分分析法进行来源解析。结果表明，第一主成分为 “自然源”，第二主成分为“农业面源”，第三主成分为“人为点源”。其中第一主成分对五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属的来源具有决定性的意义。

(3) 与我国其他类似功能的河流湖泊表层沉积物中重金属的污染程度相比，五大连池火山堰塞湖表层沉积物中As和Hg处于中等偏上的水平，其余6种重金属元素的含量处于中等及偏低水平。鉴于五大连池火山堰塞湖地处国家5A景区，不仅有景观功能和养殖功能，还与五大连池矿泉水水源地的水质戚戚相关，因此必须密切关注As和Hg的污染问题。

“十三五”期间，虽然松花江流域的水质得到了改善，但是氨氮指数与高锰酸盐指数依然居高不下，严重威胁着整个流域内人民群众的饮水安全。本文针对松花江流域内工业污染严重、城市生活污染较大、生态环境和农业生产造成的面源污染严重等原因，研究提出以下建议：一是加大城市排污治理力度；二是集中力量狠抓工业污染；三是加强流域内生态环境建设；四是切实加强水环境检测和管理。

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Application of principal component analysis to parse the source of heavy metals in surface sediments of volcano dammed lake in Wudalianchi

ZENG Ying YANG Chen WANG Xiying FANG Zhenxing WU Jing

(1.Institute of volcanoes and springs research of Heilongjiang Academy of sciences，Harbin，150090，China； 2.Institute of Advanced Technology of Heilongjiang Academy of sciences，Harbin，150040，China)

Using the principal component analysis to parse the source of eight heavy metals (Cd，Pb，Cu，Zn，Hg，As，Cr，Ni) in surface sediments of volcano dammed lake in Wudalianchi. The results showed that：The accumulation contribution rate of the first three principal component reached 84.268%，largely reflected the basic source of heavy metals in surface sediments of volcano dammed lake in Wudalianchi. The first principal component was “natural source”，the second principal component was “agriculture non-point source”，the third principal component was the “human activities point source”. The first principal component had the decisive significance. Must attention the pollution problems of As and Hg.

Wudalianchi；volcano dammed lake；heavy metals；source analysis；principal component analysis

项目资助：黑龙江省科学院科学研究基金项目

曾颖，硕士，助理研究员，研究方向为火山环境调查、治理与保护工作

X21

A

1673-288X(2017)02-0168-03

引用文献格式：曾 颖 等.运用主成分分析法解析五大连池火山堰塞湖表层沉积物中重金属元素的来源[J].环境与可持续发展，2017，42(2)：168-170.