基于因子分析的城市灰尘物源解析*

程 雁

(浙江师范大学文科综合实验教学中心，浙江金华 321004)

城市尘土主要是指附着、沉淀于城市人工铺地及地面附着物、建筑物的裸露面上，未被固化黏结易于被地表径流、雨水及大气带动、运移和飘浮的固体颗粒物．20世纪80年代中期至今，国外对城市灰尘的研究已达到一定的水平［1-3］．城市灰尘的理化性质是研究的主体，其物理性质集中在PM 2．5和PM 10，化学性质集中在城市灰尘中的重金属，特别是城市灰尘中的“铅”［4-6］．目前研究揭示，微小颗粒物携带有毒重金属、病毒等进入人的呼吸道和肺部，会引发多种疾病，如：心脏病、肺病、呼吸道疾病、肺功能衰退等［7］．城市灰尘环境污染研究属于城市环境学研究的范畴，不仅要研究城市灰尘的物质成分，还要研究其物质来源、迁移转化等，其中污染物来源的判别一直是环境地球化学研究的一个难点，但来源辨析是城市灰尘防治、治理的基础，是环境科学研究工作中不可绕过的课题．因此，本文利用因子分析方法研究了金华城市灰尘的物质来源，以便为金华市环境保护提供依据．

1 样品采集与实验分析

1．1 样品采集

以二环以内的金华市区及郊区为研究区域，将金华市中心城区按1 km×1 km的网格划分为基本采样单元．在每个采样单元内再根据不同功能区(厂区、社区、商区、校区、医区、园区、交通区)进行定点采样．在每个功能区内分别采集3～4个灰尘样品，然后进行充分混合，作为该功能区的最终样品;同时，在郊区街道、工厂、居民区等地采集样品，共采集样品135个．采样时用毛刷、塑料畚箕收集灰尘样品，为防止人为原因导致样品重金属污染，采样过程中避免使用金属工具．

1．2 样品处理及分析

研究表明城市街道灰尘中重金属含量随粒径的减小而增加，目前的研究对于街道灰尘粒径的选择没有统一的标准，不利于各研究结果进行对比，并影响了对灰尘中重金属污染作出恰当的评价［8］．杜佩轩等研究表明灰尘粒径基本都小于1 mm［4］．本文在参考国内外研究对于灰尘粒径选择的基础上，将粒径小于500 μm的颗粒物作为灰尘的初始样品，实验步骤如下：

1)将样品放烘箱内60℃条件下烘干后，过35目筛，除去石块、树叶、杂草等杂质，用密封聚氯乙稀袋保存备用;

2)取10 g左右过180目筛，过筛后的样品用粉碎机研磨20 s;

3)称取研磨后的灰尘样品(4．000±0．005)g，放入聚氯乙烯环内，用压片机以30 t的压力条件下保持20 s压制成测试样片，用吸尘器吸去表面颗粒物，编号后放入样品袋．

样品实验分析使用英国帕纳科公司(原飞利浦公司)生产的波长色散型X射线荧光光谱分析仪Axios系统测定．

2 基于因子分析的城市灰尘来源辨析

近年来，受体污染源的确认及污染物分布特征的定量评价开始受到关注，不同来源的污染物在受体中的分布特点及其相互间关系的定量化研究成为环境研究的重要课题［9］．目前，统计学方法如相关性分析、主成分分析、因子分析、聚类分析、化学质量平衡法等被广泛地应用到重金属的物源分析上［9-14］．本文在测试分析灰尘中所含元素浓度数据的基础上，运用因子分析方法(FA)识别城市灰尘中各种可能的污染来源．

2．1 样本相关性分析

由于因子分析是基于变量间的协方差矩阵，即包含在因子分析中的变量必须具有一定的相关性，如果变量间不存在相关，或者相关性很小，则不适合于因子分析法．本研究的各变量之间的相关系数矩阵表明各个变量之间存在着一定的相关性，满足因子分析的要求．

2．2 因子提取

本文运用统计分析软件包SPSS 13．0中的因子分析方法(Factor Analysis)，以主成分分析法(Principal components)作为因子提取方法，通过方差最大正交旋转法(Varimax Procedure)对因子进行旋转后，以特征值(Eigenvalues)大于1的因子为公因子［15］，得到了各成分公因子的特征值和贡献率(见表1)，共有4个因子的特征值大于1，这4个因子的特征值之和已占总方差的68．344%，因此，本文采用这4个因子代替14个原始变量．

表1 各因子的特征值和贡献率

2．3 因子载荷矩阵分析

通过对提取出的各因子进行正交旋转负载矩阵分析(见表2)，可分别得到各个变量在各因子中所占据的相对重要性．

表2 最大方差旋转因子分析结果

因子 1 与 Pb，Cu，Cr，Mn，Ni，Fe 等元素的相关性较高．Pb，Cu，Cr等重金属与交通环境密不可分．Pb主要来自汽车尾气的排放，随着无铅汽油的推广，汽车尾气不再是灰尘中Pb的主要来源，但之前长期使用含铅汽油造成Pb大量沉降于地表，地面扬尘使Pb再次进入大气，吸附在灰尘表面．据有关文献［16-18］报道，汽车尾气颗粒物中铅和镍含量较高，在怠速状态下向大气排放量分别为0．571 mg/min 和 0．533 mg/min．Yeung 等［19］分析，汽油汽车和柴油汽车排放的尾气中含有大量的Cu．汽车轮胎磨损或机动车零部件侵蚀也会导致大气或灰尘中 Cu，Cr，Mn，Ni等元素的增加．Pb等重金属及其化合物广泛用于工业生产中，所以灰尘中重金属的含量受到工业生产的影响．含铅煤炭的燃烧、铜等金属及金属合金的冶炼以及金属产品使用等高温作业过程等排放的烟尘会对地表灰尘重金属的含量有一定的贡献．另外，工业生产使用的金属原材料、油漆、塑料、涂料中也含有较高浓度的重金属，颜色鲜艳的涂料和油漆，其重金属种类和含量就越多．可见，该因子与汽车尾气排放和工业生产有关．汽车尾气和轮胎磨损产生的粉尘及工业生产产生的废弃物直接或间接影响城市灰尘的产生和含量．

因子2仅与Ca，Mg元素的相关度较大(＞0．7)，而同其他成分相关系数较小，其中以Ca的负荷最大．Ca，Mg 与水泥生产过程有关［20］，主要来源于与石灰石、磷灰石、铝土矿、硅酸盐等石料的高温烧结有关的工厂，或来源于水泥、石灰、耐火材料等建材扬尘．所以，命名因子2为建筑尘，代表的是与建筑施工相关的排放源的影响．

因子3在Ti，V，Al等变量上的负荷因子较大( ＞0．7)．根据元素的富集因子分析［21-22］，Al，Ti等元素的富集因子较小，主要来源于土壤，通常称之为地壳元素．在溯源分析中，Al，Ti被认为是土壤贡献的特征元素．对因子3负荷为0．736 5的V被认为是重油燃烧排放物的代表元素［18］，根据各变量之间的相关系数表可知，在99．9%置信度内，V与Ni的相关程度最高，其次是Ti，因子3可能受到土壤扬尘或燃油燃烧颗粒物的影响．

因子4在Zn，S元素上的负荷较大(＞0．6)，S是煤烟尘的特征元素，Zn在燃煤飞灰中有较高的含量［23］．郭平等［24］研究了不同功能区城市土壤中的重金属含量，发现居民区Zn含量异常高，可能与居民产生的生活垃圾有关．我国将生活垃圾主要分为居民生活垃圾、街道保洁垃圾和集团垃圾3类［25］．居民生活垃圾主要由易腐有机物、煤灰、泥沙、塑料、纸类等构成;街道保洁垃圾的成分与居民生活垃圾相似，但是泥沙、枯枝落叶和商品包装物较多;集团垃圾是指机关、学校和第三产业等在生活和工作过程中产生的废弃物．生活垃圾组成复杂，受多种因素影响，如自然环境、气候条件、居民生活习性等．故认为Zn，S与居民区、工厂等排放的废弃物有关，因子4主要来源于居民区、集团产生的生活垃圾和燃煤燃烧．

2．4 因子得分分析

因子分析的数学模型是将变量表示为公因子的线性组合，由于公因子能反映原始变量的相关关系，用公因子代表原始变量时，更利于描述研究对象的特征，因而往往需要反过来将公因子表示为变量的线性组合，即因子得分

式中：Fjk为因子j在样本k上的因子得分;Wij为第i个变量在第j个因子处的因子得分系数;Xik是第i个变量在第k个样品处的标准化值．

因子得分系数矩阵如表2，各采样点的因子得分略．根据各采样点因子得分大小(将物源解析为因子得分最大的类型)进行分类的结果为：

第1公因子得分较高的有25个灰尘样品．根据分析，污染物主要来源于机动车尾气排放和工业生产活动．所分析样品多采集于汽车南站、双龙大桥等交通区，或采集于金属相关行业冶炼厂，分析结果与实际采样点位置相符合．可见，机动车等交通工具尾气排放和工业生产排放的废气物对城市灰尘中Pb，Cr，Ni等元素的影响最为严重．

第2公因子得分最大的采样点有36个，部分样品采于建筑施工地、水泥厂、采矿区等附近，因受水泥、石灰等建材扬尘影响，样品中的Ca元素含量相对较高;有些采样点位于典型的交通区，附近没有建筑施工的影响，从因子得分表看出，交通区样品因子1的得分仅次于因子2，因此，可认为采样点同时受到建筑扬尘和交通尘的影响．

46个灰尘样品的第3公因子得分最大，可归其来源为土壤尘．样品来源按采样位置和类型可分为2类：第1`类属于居民区、园区及校区绿化带旁的路面尘．秋冬季采样时风力为2～3级，绿化带内的土壤表层颗粒在风的作用下容易再次扬起降落在地表，灰尘来源很大一部分来源于土壤尘;第2类属于郊区的街道或新建工厂的路面尘．郊区未开发土地面积大，荒地或裸地的地表颗粒容易在一定外动力条件下发生迁移，粗颗粒以滚动和跳动方式搬运，细颗粒以悬浮方式发生迁移，土壤颗粒的搬迁致使街道地表灰尘的沉降累积，而且工厂燃料燃烧、货车等燃油燃烧导致了环境中V元素的增加．总而言之，地表裸露成了土壤尘来源的主要原因，燃油燃料的燃烧加剧了环境中V的增加．

第4公因子得分最大的采样点有28个，多数样品分布在文教区及社区．根据野外调查，文教区及社区附近小摊、餐馆的燃煤使用可能是S含量较高的原因之一;其次，居民区生活垃圾以及家用车废气排放、工厂燃油燃煤也会对环境中Zn含量产生影响．

3 结论

本文利用因子分析方法，揭示了灰尘污染物的数据结构和污染物间的内在相关性及差异性，并识别出污染物的主要成分，在多元分析的结果中解析出各类污染物的来源．分析结果表明：

1)金华城市灰尘主要有4类来源：冶金交通尘、建筑尘、土壤尘和燃煤尘，其贡献率分别为23．727%，17．559%，16．531%，10．526%．

2)根据因子得分结果，结合采样地环境及一些人文因素分析：冶金交通尘主要来源于厂区、交通区等;建筑尘有直接来源于建筑工地、建材生产地附近，或来源于因频繁清扫路面而产生的水泥扬尘;社区、校区等的绿化带以及郊区、新建区的裸露地表对土壤尘影响较大;燃煤尘主要来源于工厂、社区等燃煤废气物．

［1］Leharne S，Charlesworth D，Chowdhry B．A survey of metal levels in street dusts in an inner London neighbourhood［J］．Environment International，1992，18(3)：263-270．

［2］Manno E，Varrica D，Dongarra G．Metal distribution in road dust samples collected in an urban area close to a petrochemical plant at Gela，Sicily［J］．Atmospheric Environment，2006，40(30)：5929-5941．

［3］Anagnostopoulou M A，Day J P．Lead concentration and isotope ratios in street dust in major cities in Greece in relation to the use of lead in petrol［J］．Science of The Total Environment，2006，367(2)：791-799．

［4］杜佩轩，田晖，韩永明，等．城市灰尘粒径组成及环境效应——以西安市为例［J］．岩石矿物学杂质，2002，21(1)：93-98．

［5］王金达，刘景双，于君宝，等．沈阳市城区土壤和灰尘中铅的分布特征［J］．中国环境科学，2003，23(3)：300-304．

［6］杜佩轩，赵阿宁，田晖．西安市街道灰尘中重金属铅的环境异常［J］．物探与化探，2006，30(3)：276-280．

［7］杜坚．西安市可吸入颗粒物中重金属分布规律［J］．陕西地质，2005，23(2)：76-83．

［8］Al-Rajhi M A，Al-Shayeb S M，Seaward M R D，et al．Particle size effect for metal pollution analysis of atmospherically deposited dust［J］．Atmospheric Environment，1996，30(1)：145-153．

［9］高吉喜，段飞舟，香宝．主成分分析在农田土壤环境评价中的应用［J］．地理研究，2006，25(5)：836-842．

［10］De-Miguel E，Liamas J F，Chacón E，et al．Origin and patterns of distribution of trace element in street dust：Unleaded petrol and urban lead［J］．Atmospheric Environment，1997，31(17)：2733-2740．

［11］Tokalioglu S，Senol K．Multivariate analysis of the data and speciation of heavy metals in street dust samples from the organized industrial district in kayseri(Turkey)［J］．Atmospheric Environment，2006，40(16)：2797-2805．

［12］宋宇，唐孝炎，方晨，等．北京市大气细粒子的来源分析［J］．环境科学，2002，23(6)：22-27．

［13］刘威德，封跃鹏，贾红，等．青岛市大气颗粒物来源的定量解析——化学质量平衡方法［J］．环境科学研究，1998，11(5)：51-54．

［14］刘瑞民，王学军，陶澍，等．天津表土PAHs的空间主成分与污染源分析［J］．地理科学进展，2005，24(3)：109-117．

［15］李小玉，肖笃宁，何兴元，等．中国内陆河流域绿洲发育度的综合评价［J］．地理学报，2006，61(8)：855-864．

［16］王明星．用因子分析法研究大气气溶胶的来源［J］．大气科学，1985，9(1)：73-81．

［17］Al-Khashman O A．Heavy metal distribution in dust，street dust and soils from the work place in karak industrial estate，Jordan［J］．Atmospheric Environment，2004，38(39)：6803-6812．

［18］Meza-Figueroa D，O-Villanueva M D I，Parra M L D I，et al．Heavy metal distribution in dust from elementary school in Hermosillo，Sonora，Mexico［J］．Atmospheric Environment，2007，41(2)：276-288．

［19］Yeung Z L L，Kwok R C W，Yu K N．Determination of multi-element profiles of street dust using energy dispersive X-ray fluorescence(EDXRF)［J］．Applied Radiation and Isotopes，2003，58(3)：339-346．

［20］韩应建，赵德山，汤大纲，等．太原市冬季大气气溶胶的源识别［J］．环境科学研究，1988，1(1)：25-30．

［21］刘晓琳，王雪梅，张仁健，等．太原市冬季气溶胶污染特征及来源分析［J］．中国科学院研究生院学报，2006，3(4)：494-499．

［22］王淑兰，柴发合，张远航，等．成都市大气颗粒物污染特征及其来源分析［J］．地理科学，2004，24(4)：488-492．

［23］张晶，陈宗良，王玮．北京市大气小颗粒的污染源解析［J］．环境科学学报，1998，18(1)：62-67．

［24］郭平，谢忠雷，李军，等．长春市土壤重金属污染特征及其潜在生态风险评价［J］．地理科学，2005，25(1)：108-112．

［25］赵由才．生活垃圾卫生填埋技术［M］．北京：化学工业出版社，2004．