亚美尼亚国家科学院生态圈研究中心SEH：利用机器学习识别不同类型土壤中的有毒元素聚类

阿拉加措特恩地区位于亚美尼亚共和国西北部，面积2753平方公里，该地区的地质基础以各种火山岩为代表。通过比较研究区域土壤与上部地壳中PTEs的平均含量发现其Cr、As和Cu高于上部地壳的平均值，而Fe、Ti、Pb和Ba则相反。空间分布显示，Fe、Mn、Co、Ti、V、Zn和As在该地区北部和东北部的采矿点附近含量较高。文章还对研究区土壤中PTEs的平均含量与最大可接受浓度（MAC）进行了比较，发现Cr、As和Mn的平均含量超过了MAC值。箱线图结果显示（图2），约33%的土壤样品存在异常值，其中Pb、Cu和Zn的异常值约占22%。而多变量异常值的结果形成了一个有迹可循的空间集群，其分布范围从该地区北部延伸至东部（图3），这种分布模式可通过成矿带的存在以及该地区金和铜矿床的开采活动予以解释。相关性分析显示，除Cu以外，其它元素之间存在显著的正相关性，Cu的行为和来源与其他元素显著不同，这种特殊性是怎样产生的呢？

图2 所研究元素的空间分布图

为进一步发掘元素分布潜在规律，该研究使用主成分分析（PCA）和k-means聚类方法揭示了研究元素地球化学组合关系。通过PCA结果发现，研究元素可以从空间上分为三组，分别与1）Cu（Group I），2）Fe、Co、Cr、Mn、Zn、As（Group II）和3）Pb、Ba、V、Ti（Group III）相关联（图4）。

Group I中的土壤样本分布在该地的农业区，包括葡萄园、其它果园和谷物农田， 这些区域常常使用硫酸铜作为杀菌剂，这极有可能是Cu异常偏高的原因。Group II含有Fe、Co、Cr、Mn、Zn和As，与火山碎屑岩、火山灰、熔岩碎屑岩等地质特征相关联，其中Fe和Mn的存在表明Group II反映了当地地质基岩的主要化学成分。Group III包括Ti、V、Pb和Ba，与Kastanozems和Chernozems相关，空间位置与地区高速公路和乡村道路相符，表明这些元素可能来自不同的源。

该论文旨在帮助解决阿拉加措特恩省缺乏土壤化学成分分布数据的问题。研究人员通过多种组合手段，揭示了该地区PTEs的空间分布模式、起源和地球化学关联。CoDA和k-means聚类两种方法相结合确保了结果的可靠性，在各土壤类型中发掘了各元素间的地球化学联系。基于以上研究结果，提出了对下一步研究工作的建议与展望，包括进一步调查和识别污染源，特别是针对土壤中超出最大可接受浓度的元素，如Cr、As和Mn等。通过分析周边环境和人类活动，包括工业排放、农业实践和交通运输等来与相应元素数据建立联系。利用以上土壤地球化学数据，开展土壤健康评估。这将有助于制定土壤修复和保护策略，确保土壤资源的可持续利用。