全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
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口 、心‘口 , 口 甲 护 , ‘ 口乍尹‘ ‘口 , 尸 产 、 ‘ 口 ‘ 护 ‘ 产
范世华 于学敏 张桂兰 郭
,
雷 吴燕玉
中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳
摘耍 】 采用对应分析方法研究了辽河平原土壤中 种元素的地球化学分布 , 将其分为亲氧 、亲
硫 、易淋溶元家 个组群 土城类型 、成土母质 、土坡机械组成和有机质对元素分布有一定影响 指出
了元家的地球化学性质是产生分异的内在原因 , 土壤机械组成中的大于 。 的粘粒仅对易淋溶
元素分布有一定影响 , 。 一 。 粒级的粘粒与亲硫元素 、土壤有机质与亲氧元家分别呈显著
正相关
关扭词 元素分布 地球化学 对应分析
池倪 时因 加 加 心 , ,
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一 ,
即
锄 , , 因 ”
引 言
土壤环境中元素含量的分布研究对于了解
元素的迁移转化规律有重要意义 , 并可为土地
资源合理开发利用 , 国土整治 , 工农业合理布局
与规划以及某些化学元素的丰缺而引起的环境
疾病防治和农业合理施肥提供依据 迄今为止 ,
关于这方面的工作大都偏重于背景值含量的报
道 关于元素之间的关系探讨比较少 , ‘〕, 充分
利用大量数据所提供的潜在信息及计算机处理
数据的能力来认识土壤环境科学中的某些规律
已为国内外土壤学界所重视 , 并为此进行了大
量的工作 本文采用对应分析方法研究了辽河
平原土壤中的 种元素的地球化学分布及影
响因素
, , 松辽平原土镶环境背景值调查研究协作组 松
辽平原土城环境背景值调查研究课题成果鉴定资料 一
“ 七 · 五 ”国家科技攻关项目 ”松辽平原土壤环境背景
值调查研究 , 部分内容
本文于 年 月 日收到 , 一 月 日改回
数据来源与方法
数据
数据取 自吴燕玉等人 月和松辽平原土壤环境背
景值调查研究协作组的工作” 每个样点包括 个元
家 , 此外还包括土壤有机质 , 以及两个粒级的土坡粘粒
含量 , 总计 个变量
数学方法
对应分析方法是在 型和 型因子分析方法墓
础上发展起来的一种因子分析方法 它同时具有 型
和 型因子分析的特点 , 并可在 型和 型因子分析
之间找到一种简单的关系 , 从而可以更好地揭示变量
和样品之间的双重关系 其数学原理如下
首先对原始数据进行对称变换以消除量纲 、
量级上的差异 将原始数据矩阵 、 变成概率
矩阵 尸二 砂 、 。
令 户 , 一二。 , 其中 一 名习二‘, , 由此将 阵转
‘一 了一
期 范世华等 辽河平原土壤环境中若干元素的地球化学分布
化为 尸 阵 对 阵每行和每列求和得
丸一买
· 一 , ,一 ,
, 一 买、 一
, ,
一
如果把 。理解为概率 , 那么 户‘ 、 ,则为边缘概
率 对每一样本点除以 户‘ , 于是各样本点的新坐标就
成为各变 在该样本 中的相对 比例 进一 步 除 以
了万丁, 对各个变量进行正规化处理 , 使绝对值大的变
数值变小 ,对变量空间 “ 中的 个样本点按 户 求
加权平均 , 得样本平均点的坐标即为各变量的加权平
均值 , 于是各变童的协方差矩阵 。 、。 , , , 其中
。 二 习勿 〔户洲 ‘ 了万万 一 月
· 祖
, 么瓦
土城中元素的含量分布的多种制约因素提供主
要信息 因为原始矩阵较大 , 这里给出前 个特
征值及特征向量 表 型因子载荷列于表
, 型因子载荷由表 给出
密 变 , 的特征位及特征向 ,
, 目 砂 似加 吐 , , 倒 曲二
变 特征向
即 ,
寿万〕二 习〔, 一 产
,
, 石石丁〕
· 〔俩
一 户 二 了瓦不 〕
同理 , 在样本空间 ’ 中作类似的变换 , 得协方差
阵 一 、一 、 人
‘ 一 习 户。 一 户沪‘ 寿万万万〕
·
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一
一 户沪‘ 寿刃不丁〕
令 , 户
奋, 一户‘ 户 , 喇乍下万, 有 《 、 。 二 乙 ,
一 、 , 、 。 ,
提取主因子 由线性代数可知 , 、 了 、 等
秩 , 和 有相同的非零特征值 , 利用 和 阵
中阶数低的阵求出两者的共同特征值 , 并求出各 自的
特征向 特征向里给出一组独立的因子‘并给出所求
主轴的方向 , 特征值则表征相应因子所说明的变差百
分数
由于对应分析中在变 空间 中第 个因子与
样品空间 ’ 中第 个因子提供相同的方差 , 从几何意
义上说 , 即 一 中的诸样本点与 · 中各因子轴的距离
和 兮 中诸个变量与 ’ 中相对应的各因子轴距离完全
相同 这样就可以将变量和样本同时放在一个主因子
平面上 , 既可研究样本点之间或变 点之间的关系 , 亦
可研究样本与变量两者之间的关系 以上即为对应分
析的荃本原理 , 详细内容参见文献闭
全部数据计算在 机上进行
特征值
系计贯献率
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农 型因子位荷矩阵
目 一
序号 变 , 。
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结果与讨论
土壤中元素的分布规律受多种因素的制
约 , 通过对土壤中若干样品中元素含量的观察 ,
用对应分析方法求得少数有代表性因子为研究
土城有机质
·
由表 可知 , 表 和 的前两个主因子占
了总方差的“ 纬 , 以此完成各样点和变量在因
子平面 一 、 , 一 的投影 图 图 根据
样点和变量聚合的自然趋势 , 大致可划分为
个聚点区 , 并对样点 、变量及其关系给予解释
应 用 生 态 学 报 卷
土壤类型及成土母质对元素分布的影响
从图 可见 , 个样点由左至右大致沿因
子轴 的方向分布 , 其中多数样点位于 个聚
点区内 , 从元素含量的总体分布趋势上看 , 位于
左侧样点的土类中碱土和碱金属元素含量偏
高 , 而位于右侧样点的土类中亲氧 、亲硫元素含
量偏高 , 从左至右碱土和碱金属元素含量渐少
而亲氧 、亲硫元素含量渐增
、 、 、 、 、 、 号土样属黄土状和
花岗岩母质上发育的褐土及沙质 、壤质草甸土
和碳酸盐草甸土 , 其特点是碱金属 、碱土金属元
素含量高而亲氧元素含量低 它们恰好和碱金
属 、碱土金属元素位于第 聚点区 , 是构成辽河
平原土集中碱金属 、碱土金属元素含量偏高的
主要土类 , 位于第 聚点区的 、 、 号土样属
基性岩和红土母质的褐土及滨海盐土 , 亲氧元
素含量相对偏高 , 故而和亲氧元素群处于同一
分区 , 位于 轴右侧并划入第 聚点区的土样
点位有 、 、 、 号 , 它们是在花岗岩 、红土和黄
土状母质上发育的棕壤和粘质草甸土 总体来
看亲硫元素含量偏高 , 因而和亲硫元素群相对
靠近 位于 , 轴最右端 , 越出这 个聚点区的
、 、 号样点 , 其亲氧 、 亲硫元素含量属最高
水平 , 处在辽河平原土壤高背景区 其中 号
样点是基性岩上发育的棕壤 , 是亲氧元素富集
的典型样点 , 锰铁钒等亲氧元素含量在各土样
中居首位 样点 的母岩为石灰岩 , 是亲硫元素
富集的典型样点 , 、 、 个元素的含量
在各土类中居第一位 样点 号是水稻土 , 水
稻土处于低平部位 , 接受地表通流并经过长期
开垦利用受农事活动影响大 , 各种微量元素含
量也相对偏高 散布在聚点区外的 号土样点
是风沙土 , 各元素含量在辽河平原土壤中处于
最低水平 , 以上分析结果揭示了元素含量分布
的土壤母质及土壤类型环境 , 表明了土壤元素
含量分布与成土母质和土壤类型之间存在着一
定的联系
这里需要指出的是 , 不应该机械孤立地看
待母质和土类对元素分布的影响 , 而应该把这
两种因素综合起来加以考虑 这是因为土壤中
农 型因子狡荷矩阵
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样号
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说明 花岗岩捺城 , 羞性
岩 徐 城 , 石 灰 岩棕 城
卜 , 黄 土 状 徐 城 一
, 红土状棣城 砂 一 。 , 羞
性岩祠土 , 黄土状福土 娜一
, 红土状祠土 推 一 , 。 枯质草
甸土 馆 , 沙质草甸土
。 , 城质草甸土 切 。 一, 沙质砚映岩草甸
土 。 加 ,
。 , 城质 谈 暇 盐 草甸 土
。
,
。 , 水稻土 , 风砂
土 。 , 内陆盐土 。 , 滨海
盐土 。 , 花岗岩祖土 。
尹厂⋯
’
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、
图 样点和变 在因子平面 一 、 一 上的投影图
加 曲
一 一 卜
化学元素主要来自母岩 , 在长期的表生地球化
学演变过程中母岩中的元素伴随着各种风化和
期 范世华等 辽河平原土壤环境中若千元素的地球化学分布
成土过程的进行 , 其内的化学元素发生溶解 、沉
淀 、 氧化 、 还原 、淋溶 、淀积等过程 , 引起元素的
重新分配和组合 尽管如此 , 土壤中的化学元素
仍然与其母体保持着不可分割的联系 , 与此同
时包括土壤有机质等在内的诸种因子对元素特
别是对微量元素的吸附富集作用不容忽视 因
此对土壤化学元素分布上的差异既要考虑地质
大循环中释出的元素具有母岩的某些特征 , 也
应考虑生物小循环过程中造成的元素积累 以
、 号样点为例 它们分别为 型因子载荷中
的代表性样点 , 前已述及 , 号样为基性岩 , 基
性岩中富含亲铁元素 ’ 〕 同时 , 在此母质上发
育的棕壤植被覆盖率高 , 生物富集作用明显 , 这
可能是 号土样亲氧元素含量明显偏高的原
因 ‘号样点为内陆盐土 , 成土母质和土壤酸
碱性与 号样点明显不同 , 植被条件差异很大 ,
造成了碱土金属元素含量偏高
‘
元素地球化学性质对其分布的影响
由 型因子载荷结果可见 , 第 主因子以
元素铁为代表 , 因子负荷量大的元素有 、 、
、 等 , 即以亲氧元素占主导地位 第 主因
子以 为代表 , 因子负荷量大的元素有 、
, 构成 了亲硫元素群 第 主因子中以元素
为代表 , 因子负荷量大的元素有 、 、 ,
这些元素属周期表中的第 、 主族 , 在地质学
上属造岩元素和分散元素 它们在第 主因子
中与亲硫元素表现了明显的逆向效应 第 因
子轴 〕的方差贡献率达 , 为最大 , 因而
轴是辽河平原地区地质因素中占主导地位的因
子轴 , 反映了该区元素环境演变的主要特征 从
图 可 见 , 右端为 、 两 、 、 、 、 、
, 变量主要特征系数都集中到 , 的右端而
且很邻近 , 表明这些元素密切相关 , 说明这些元
素具有成因上的联系 , 它反映了亲氧元素的富
集环境 第 因子轴的方差贡献为 , 这一
因子轴中以 为代表 , 其次是 、 、 , 位
于 的下端 , 主要受 的影响 , 反映了淋溶作
用对造岩元素富集趋势的影响 , 、 、 位
于 轴的上端 , 处于 、 两轴构成的第 象
限之间 , 主要为 所制约
图 中的这 个分区恰好把辽河平原
个元素分成 类 、 、 、 、 、 、 归
为 类 , 为亲氧元素群 、 是强烈淋溶元
素 , 、 迁移系数较大 , 它 们之间构成了
个点群 , 、 、 个元素属亲硫元素 , 单独
形成了 个点群 尽管在本项工作中涉及的土
属有 个之多 , 但基本可化分为 个大的点
群 , 这可熊是元素的地球化学性质在起作用 地
球化学性质相似的元素有相近的迁移富集规
律 , 在土壤中表现 出一定的联 系 、 、 、
、 、 同属第 周期 , 其电负性 鲍林 分别
为
· 、 、 、 、 、 , 它们的原子半
径和离子半径大体相同或相近 , 在地球化学中
同属亲氧元素 , 因而表现了相似的迁移规律 , 聚
为 群
、 、 、 这 个元素共同特点是具
有较低的电离电位 , 很强的地球化学活性和化
学反应能力 , 受表生地球化学作用影响较大 , 属
强烈水迁移元素 元素的地球化学形为的相似
导致它们在土壤中有相似的共生组合和空间分
布规律 四者的电负性大体相同 , 原子半径接
近 , 表现出相似的淋溶特点 , 而 与 又有
类质同象作用 , 这是火成岩中最为典型的一种
替代 , 因而组成了 个元素群 的半径
位于 与 的半径 为
和 之间 , 它的这一特点使之有可能比较
经常地进入各种富钙或钾的矿物中 与
并产生类质同象作用 , 一般而言 , 的含量高 ,
的含量亦高 , 这一特点在辽河平原土城中也
得到证实
、 、 个元素的电负性分别为 、
、 。, 在聚类图上 自成一类 , 同属亲硫成矿
元素族 、 两个元素位于亲氧亲硫元素群
的过渡区 , 有强烈的亲硫性质同时又表现出
一定的亲氧性 , 与 、 、 等元素在硫化
物和氧化物 中可相互类质同象置换 , 尤 以
与 , 因离子半径相近 , 关系最为密切 , 的
这一双重性质的综合作用的结果使 处于亲
氧 、亲硫元素过渡地带 , 比 更亲硫 , 与
和 化合时 ,
’
与 共生 , 而与氧化合时
应 用 生 态 学 报 卷
两元素则分离 两者地球化学性质的相似性 , 表
现为在分类图上同属过渡区
通过以上分析可以看出 , 元素在各种土类
迁移积累过程中虽受到不同成土条件的影响 ,
但也有其独特的属性和聚群特性 , 即在元素的
分布规律形成中元素的地球化学性质发挥了重
要作用 这可能就是在不同土类中元素聚类表
现了相似的规律的内在原因
影响分布的其它因素
除了在 型分析中土类和母质对元素的
分布的影响和 型分析中元素和地球化学性
质所形成的固有聚群特性外 , 还可以看到对亲
氧元素影响大的参数尚有土壤有机质 , 碱土金
属元素群则受到 了 。 粒级粘粒的影
响 可见这组元素对物理性沙粒有一定联系 产
生这种情况的原因 , 杨国志 以 为例认为 ,
主要含于天青石和菱银矿中 , 前者抗风化而
后者易风化 , 在成土过程中前者残存于土壤矿
质部分的粗粒 中而后者则基本消失所致 对
、 、 个亲硫元素产生影响的是 。 一
级的粘粒 这 个元素与该粒级粘粒
的相关系数分别为 、 、 , 是
个元素与粘粒之间相关系数最高的 个「 〕
虽然 亲腐殖质可在土壤上层积累 , 但在辽
河平原土壤中有机质对汞的影响并不明显 , 这
与夏增禄等 报道的结果不一致
结 语
综上所述 , 辽河平原土壤各种化学元素的
分组 , 从地球化学角度看 , 反映了亲氧 、亲硫元
素以及淋溶元素的富集程度 , 其分布规律在很
大程度上与其在岩石矿物中的分布规律 致
土城中金属元素含量的分布与土壤类型 、
成土母质有一定关系 , 土壤中元素的地球化学
性质亦发挥着重要作用 元素的地球化学性质
是不同先素之间分异的内在原因
在土壤的机械组成中 , 大于 粒级
的粘粒对淋溶元素有影响 中等粒级的粘粒对
亲硫元素有显著影响 土壤有机质仅对亲氧元
素有着正相关作用
今考文献
张家诚等 地学数据羞本手册 海洋出版社 , 北京 ,
一
杨国志 天津地区土城环境中若干元索的群分析 , 环
境科学学报 , 一
吴燕玉 、李 彤等 辽河平原土城背景值区域特征及
分布规律 环境科学学报 , ‘ 一
吴燕玉 、 孟宪玺 、 陈万峰等 松辽平原土城背景值区
域特征及分布规律 环境科学 , , 一“
夏增禄 、 穆从如 、 李森照等 我国若干土城类型例面
中汞的自然含 及其分异的初步分析 科学通报 , , 的
一
‘ 唐诵六 土集盆金属地球化学背景值形响因索的研
究 环境科学学报 , , 一
曹鸿兴编着 局部天气预报的数据分析方法 气象出
版社 , 北京 , 一
柯夫达 土城学原理 科学出版社 , 北京 ,