Comparison of Analysis Methods of Soil Heavy Metal Pollution Sources in China in Last Ten Years
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摘要: 根据土壤实际情况选择适当的源解析方法，对于判明土壤重金属污染物来源、有针对性地进行治理具有重要意义。重点归纳近十年国内场地土壤重金属污染源解析的研究进展，按不同土地利用类型、不同重金属对常用的污染源解析方法进行汇总，在阐述各种源解析方法优势和局限的基础上，重点就主成分分析法（PCA）、正定矩阵因子分解法（PMF）、绝对因子得分－多元线性回归法（APCS-MLR）、单一与多参数同位素示踪法的应用特点进行了比较。在明确场地土壤重金属污染源解析研究面临的挑战的同时，指出联合应用多种源解析方法、多参数同位素示踪法是未来土壤重金属污染源解析研究的发展趋势。Abstract: According to the actual situation of soil, the selection of appropriate source resolution method is of great significance for the identification of the source of heavy metal pollutants in the soil and targeted treatment. This review summarized the domestic research progress of field soil heavy metal pollution sources in recently 10 years, according to different land use types and the commonly used sources of pollution of heavy metals analysis method to carry on the summary, in this paper various source analysis method on the basis of the advantages and limitations, mainly on principal component analysis (PCA), the positive definite matrix factorization method (PMF), absolute factor score-multiple linear regression (APCS-MLR) provision, single and multiple parameter characteristics of the application of the isotope tracer method were compared. The joint application of multiple source analysis methods and multi-parameter isotope tracer method is the future development trend of soil heavy metal pollution source analysis research.
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图 1 由PMF和PCA解析出的土壤重金属的农业源谱图比较
Figure 1. Comparison of agricultural source spectra of soil heavy metals analyzed by PMF and PCA
图 2 由PMF和PCA解析出的土壤重金属的降尘源谱图比较
Figure 2. Comparison of dust source spectra of soil heavy metals analyzed by PMF and PCA
图 3 由PMF和PCA解析出的土壤重金属的自然源谱图比较
Figure 3. Comparison of natural source spectra of soil heavy metals analyzed by PMF and PCA.
图 4 由PMF解析出的土壤重金属的工业源谱图
Figure 4. Industrial source spectrum of soil heavy metals analyzed by PMF
图 5 由PMF和PCA解析出的土壤重金属不同污染源的相对贡献率对比
Figure 5. Comparison of the relative contribution rates of different pollution sources of soil heavy metals analyzed by PMF and PCA
图 6 由APCS-MLR和Pb同位素示踪法解析出的土壤重金属不同污染源的相对贡献率对比
Figure 6. Comparison of the relative contribution rates of soil heavy metals from different pollution sources analyzed by APCS-MLR and Pb isotope tracing methods
图 7 由APCS-MLR解析出的不同深度土壤重金属的交通源谱图
Figure 7. Traffic source spectra of heavy metals in soil at different depths analyzed by APCS-MLR
图 8 由APCS-MLR解析出的不同深度土壤重金属的燃煤源谱图
Figure 8. The coal source spectra of heavy metals in soil at different depths analyzed by APCS-MLR
图 9 由APCS-MLR解析出的不同深度土壤重金属的不明源谱图
Figure 9. Unknown source spectra of soil heavy metals at different depths resolved by APCS-MLR
表 1 土壤主要重金属污染物来源
Table 1. Sources of major heavy metal pollutants in soil
重金属污染物
Heavy metal pollutant主要来源
Main source土地利用类型
Land use type文献数及来源
Number and source of literaturePb 交通源（6），工业源（9），垃圾排放（1），冶炼（2），人为（1），化石燃料燃烧源（1），土壤母质（1） 工矿仓储用地（11） 24[11-34] 交通源（1），工业源（2） 交通运输用地与工矿仓储用地（1），耕地与工矿仓储用地（1） 交通源（3），工业源（4），农业源（5），化石燃料燃烧源（1） 耕地（6） 交通源（3），工业源（2） 交通运输用地（4） 交通源（1） 其他用地（1） Hg 交通源（2），工业源（3），农药（2），化学活动（1），化石燃料燃烧源（1）,废水排放（1） 工矿仓储用地（4） 10[15, 20-22, 26, 29-30, 34-36] 污灌（1） 耕地与工矿仓储用地（1） 工业源（3），农药（1） 耕地（3） 工业源（1） 交通运输用地（1） 工业源（1） 其他用地（1） As 工业源（1），大气降尘（1），焚烧厂（1），废水排放（1），成土母质（2） 工矿仓储用地（3） 6[15, 29-30, 35, 37-38] 交通源（1），工业源（1），农业源（1） 耕地（2） 工业源（1） 其他用地（1） Ni 交通源（1），工业源（2），农业源（1），燃煤排放（1），化肥，农药（1），成土母质（3） 工矿仓储用地（5） 8[19, 21, 27, 29-31, 34, 39] 工业源（1），农业源（1） 耕地（1） 交通源（1），工业源（1） 交通运输用地（1） 交通源（1） 其他用地（1） Zn 交通源（5），工业源（8），农业源（1），冶炼（2），人为（1），化学活动（1），化石燃料燃烧源（1），化肥，农药（1） 工矿仓储用地（10） 21[11, 16-19, 21, 23-34, 38-40] 交通源（1），工业源（1），燃煤排放（1）， 交通运输用地与工矿仓储用地（1），耕地与工矿仓储用地（1） 交通源（2），工业源（4），农业源（4），化石燃料燃烧源（1） 耕地（5） 交通源（3），工业源（2） 交通运输用地（3） 化石燃料燃烧源（1） 其他土壤（1） Cd 交通源（4），工业源（9），农业源（1），垃圾排放（1）化学活动（1），化石燃料燃烧源（1）,金属加工（3）,电池厂（1），成土母质（2） 工矿仓储用地（11） 21[11, 18-32, 35-38, 41] 交通源（1），工业源（1）燃煤排放（1） 交通运输用地与工矿仓储用地（1） 交通源（1），工业源（3），农业源（5），化肥，农药（1） 耕地（7） 交通源（2），工业源（2），农业源（1） 交通用地（2） Cr 交通源（5），工业源（8），农业（2），金属制品业和运输设备制造业的影响（1）,成土母质（2），燃煤排放（1）， 工矿仓储用地（9） 12[15, 17 ~ 19, 21, 27, 29-31, 39-40] 交通源（2），农业源（1） 耕地（2） 交通源（1），工业源（1） 交通运输用地（1） Cu 交通源（6），工业源（9），农业源（1），人为（1），化学活动（1），化石燃料燃烧源（1）,土壤母质（1） 工矿仓储用地（11） 20[11, 15-19, 21, 23-27, 29-33, 38-40] 交通源（1），工业源（1），燃煤排放（1） 交通运输用地与工矿仓储用地（1），耕地与工矿仓储用地（1） 交通源（3），工业源（4），农业源（3），人为（1），成土母质（1） 耕地（5） 交通源（2），工业源（1），人为（1），成土母质（1） 交通运输用地（2） 注：表中括号内的数字代表涉及该条目的文献数量。 
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表 2 源解析方法与主要污染源
Table 2. Source analysis methods and main pollution sources
方法
Method主要污染源
Main pollution source文献数及来源
Number and source of literature采用率（%）
Adoption rate多元统计分析 主成分分析法 工业源（6），交通源（8），自然来源（7），农业（2），燃煤排放（3），冶炼（1），金属制品业和运输设备制造业的影响（1），焚烧厂（3） 12[11, 16-17, 20, 22, 24, 30, 32, 35, 37, 45, 46] 17.1 聚类分析法 工业源（1），交通源（2），自然来源（2），农业（1），燃煤排放（1），冶炼（1）， 7[18-19, 25, 27, 34, 38-39] 10.0 相关性分析 工业源（5），交通源（6），自然来源（6），农业（2），燃煤排放（2），冶炼（1），金属制品业和运输设备制造业的影响（1），焚烧厂（2） 7[23-24, 31, 33, 40, 47-48] 10.0 正定矩阵因子分解法 工业源（5），交通源（2），自然来源（5），农业（5），燃煤排放（1），冶炼（1），降尘（1） 8[14, 34-35, 41, 45, 49-51] 11.4 主成分分析/因子分析－多元线性回归法 工业源（1），交通源（2），自然来源（3），燃煤排放（3），冶炼（1），农业（1） 4[15, 28-29, 51] 5.7 绝对因子得分－多元线性回归法 工业源（1），交通源（2），自然来源（2），燃煤排放（1） 2[36, 52] 2.9 同位素示踪法 工业源（2），交通源（3），自然来源（3），农业（2），燃煤排放（2），冶炼厂的冶炼烟气粉尘（3），降尘（1），电镀工业废水（1），火力发电厂排出烟气（1），热电、焦化（1）， 8[12-14, 49, 52-55] 11.5 GIS成图法 工业源（4），交通源（6）自然来源（5），农业（3），燃煤排放（2），化学活动（1） 7[11, 16, 22, 26, 36, 40-41] 10.0 UNMIX模型 交通源（1），自然来源（1），农业（1），燃煤排放（1），垃圾排放（1） 1[21] 1.4 多种方法联用 工业源（9），交通源（8）自然来源（10），农业（6），燃煤排放（4），冶炼（4），废水排放（1），铅电池厂（1），降尘（1） 14[11, 14, 16, 21-22, 34-36, 40-41, 45, 49, 51-52] 20.0
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表 3 源解析方法与土壤类型
Table 3. Source apportionment methods and soil types
土壤类型
Soil typesPCA CA 相关性分析
Correlation
analysisPMF PCA/FA-MLR APCS-MLR 同位素示踪法
Isotope tracer
methodGIS成图法
GIS mapping
methodUNMIX模型
UNMIX model多种方法联用
Combination of
multiple methods场地土壤 8 5 6 3 1 0 3 2 1 3 部分场地土壤 0 0 0 0 0 0 0 2 0 2 其他土壤 4 2 1 5 3 2 5 3 0 9 注：表中数字代表涉及该条目的文献数量。
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表 4 不同的土壤重金属源解析方法比较
Table 4. Comparison of different soil heavy metal source analysis methods
方法
Method优势
Advantage劣势
Disadvantage多元统计分析 主成分分析法 排放源可追踪次生或易变物质； 源解析结果存在不确定性； 聚类分析法 源成分谱数据需求低 采样量大； 相关性分析 鉴别因子数有限 正定矩阵因子分解法 不需要测量源成分谱；
遗漏和不精确数据的处理合理存在当污染源较多时，难以确定合理因
子数主成分分析/因子分析－多元线性回归法 客观选择排放源；
可追踪易变物质来源；
不需要排放源的指纹谱信息常出现负值因子载荷和因子得分情况；
污染源数目或种类较多时，应用受限绝对因子得分－多元线性回归法 解决了因子分析的不足之处 不能准确预测污染源的指纹谱图；
采样量大同位素示踪法 精确度高，采样量少，辨别能力高；
能表征重金属的迁移行为和污染贡献度需要同位素特征值信息；
端元物质难确定GIS成图法 使源解析结果空间化；
反映污染源的空间变化规律难以对沉积物重金属多源体系定量评价；
取样量大UNMIX模型 克服了模型给出负值源贡献的缺点；
从受体出发快速获取因子识别污染源样本量大；难以识别有相似贡献的源 多种方法联用 对于参数的分析更加精准，相互补充，
优势扩大难以定量；
数据处理量大；
采样数量多
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