内蒙古自治区包头市土壤地球化学特征与环境评价

廖蕾，刘还林，苏美霞，段海龙，王竟繁，赵丽娟1，

(1．中国地质大学，北京100083;2．内蒙古自治区地质调查院，内蒙古呼和浩特010020;3．内蒙古自治区地质勘查基金管理中心，内蒙古呼和浩特010020;4．内蒙古自治区国土资源勘查开发院，内蒙古呼和浩特010020)

内蒙古自治区包头市土壤地球化学特征与环境评价

廖蕾1，3，刘还林1，3，苏美霞2，段海龙1，4，王竟繁1，3，赵丽娟1，2

(1．中国地质大学，北京100083;2．内蒙古自治区地质调查院，内蒙古呼和浩特010020;3．内蒙古自治区地质勘查基金管理中心，内蒙古呼和浩特010020;4．内蒙古自治区国土资源勘查开发院，内蒙古呼和浩特010020)

包头市是内蒙古自治区境内最大的工业城市，随着工业生产的迅速发展，生态环境问题日益突出，本文利用近年来在本区开展的多目标区域生态地球化学调查成果，依托多目标生态地球化学调查提供的土壤元素指标的含量值、背景值及区域空间分布图等丰富的地球化学资料，重点对包头市生态环境进行调查，对包头市土壤元素地球化学特征进行统计分析研究，通过研究土壤中镉、汞等重金属元素的空间分布特征、物质来源，运用内梅罗指数法对包头市土壤环境质量及环境污染状况进行了评价。结果表明，除以冶炼为主的局部地段受到明显的人为污染外，其余地区环境质量总体良好。评价结果对包头市今后的环境规划和环境治理提供了科学依据。

多目标地球化学元素地球化学特征环境污染

Liao Lei，Liu Huan－lin，Su Mei－xia，Duan Hai－long，Wang Jing－fan，Zhao Li－juan．Geochemical characteristics of the soil from Baotou city，Inner Mongolia and its environmental assessment［J］．Geology and Exploration，2012，48(4):0799－0806．

1 引言

1．1 国内外城市生态环境研究进展

城市土壤环境方面的研究是评价城市环境质量的一个重要方面(徐清等，2011)，随着城市化、工业化进程的加快，人类活动已造成城市土壤污染、性状改变及土壤微生物和植被退化等一系列严重的城市环境问题(杨忠平等，2009)。城市土壤重金属污染已成为国际研究的热点(李小东，2001;Ordoen Z A，2003;Sharma Rajnikant，2004;Rishna A K et al．，2005;Douay Francis，2007;)，20世纪，美国、法国、英国、俄罗斯等国家的专家学者已经开始对城市生态环境进行研究和探讨。例如美国在密苏里洲进行的地球化学调查，英国开展的20多个城市的地球化学基线(Geochemical Baseline)调查(Thornton I，1990)，法国对巴黎的研究(Bityukova L et al．，2000)、俄罗斯开展小比例尺多目标地球化学填图及生态地球化学填图(Koval P V，1995;Burenkov E K，1999)。我国城市土壤污染研究起步较晚(陈同斌等;1991;管东生等，2001;张辉等，2001;滕彦国等，2003;吴新民等，2003)，从20世纪70年代初期才在部分城市开展环境污染的调查、评价及防治工作。80年代初，我国勘查地球化学工作者利用第二代区域化探资料，进行了农牧业、环境、地方病等领域的研究。如贵州邓峰林(1980年)、湖北童霆(1982年)、福建蔡以评(1988年)利用水系沉积物测量地球化学资料进行区域环境质量评价;物化探所孙天蔚等(1989年)研究了冀东地区1∶20万水系沉积物元素分布与农作物产量、地方病等之间的关系(王徽，2001)。近年来，北京、天津、上海、南京、广州、苏州等城市都开展了城市生态环境研究。同时，地矿部门发挥掌握区域地质资料及地球化学资料的优势，大规模开展多目标地球化学填图(赵传东等，2003)，其中城市生态环境调查是项目的一个重要组成部分。依托多目标生态地球化学调查提供的反映人类近代活动的土壤表层以及不受任何人类扰动和污染的土壤深层上下两套元素和指标的含量值、背景值及区域空间分布图等丰富的地球化学资料，通过研究土壤、水体、大气等介质中镉、汞等重金属及无机和有机污染物的分布状态、迁移转化规律及其对城市生态环境的危害，为城市生态环境的治理、预警预测、防治措施等方面提供了科学依据。通过多目标地球化学调查提供的丰富的基础资料，展开对环境的综合研究，已为当地的经济可持续发展提供了积极有效的科学依据。

1．2 项目背景及研究意义

为改善内蒙古河套农业经济区生态环境，促进内蒙古自治区经济发展，并为自治区政府工农业规划提供科学依据，内蒙古自治区人民政府与中国地质调查局于2003年合作开展了“内蒙古河套农业经济区生态地球化学调查”项目。在内蒙古河套农业经济区多目标区域地球化学调查和区域生态地球化学评价基础上，以土壤地球化学评价为主体，重点对包头城市生态环境进行调查，进一步对包头市水污染、空气质量、辐射环境以及环境污染对人体健康的影响进行调查和综合研究。为包头市环境保护和经济可持续发展提供科学依据。

1．3 研究区概况

包头市是内蒙古自治区境内最大的工业城市，位于内蒙古高原南端。交通发达，京包－包兰铁路东西向、包神铁路南北向通过研究区，110国道、京藏高速及其他等级公路四通八达。研究区土壤特点是土地资源丰富，土层深厚平坦，土壤较肥沃，适合种植业发展。但近年来，由于包头市工业发达，使包头市土壤中重金属元素含量明显要高于周边的县级城镇区，其潜在生态风险极大。

本文利用多目标生态地球化学调查取得的大量数据资料，在统计包头市土壤元素分布特征的基础上，结合包头市的基础地质、地貌及当地工业特点，评价了包头市环境质量，并与其它城市研究结果进行对比，得出较为客观的结论。

2 研究方法

2．1 工作方法及采集样品种类

1∶5万土壤加密测量:对包头市市区进行1∶5万土壤加密测量，采集地表土壤样品，采样面积705km2，采样密度4点/km2，样品数2820件。

2．2 土壤样品采集方法

土壤样品的采样深度是20cm。在面积性土壤测量和水平土壤剖面测量中，样品的采集按以下要求进行:

①采用2～3点组合采样法;

②样品原始重量一般要求在500 g左右;

③样品物质采取地表0～20cm之间的土柱;

④样品采集时剔除土壤中的杂物(如塑料、纸屑、肥料团块、植物根等其它异物);

⑤其它技术指标和要求与区域调查表层样相同。

2．3 样品加工

采集的样品在野外驻地经日晒、晾干，干燥后的样品充分过20目尼龙筛，弃掉筛上部分，将筛下部分拌匀收集于塑料瓶和纸样袋中，样重＞500 g。表层样按4km2为单元进行样品组合，组合样重大于200g，送实验室测试分析，所剩副样装入塑料瓶中作长期保存，塑料瓶上标明样品号及1∶5万(1∶10万)图幅号。

2．4 土壤样品地球化学的测试方法

土壤样品多元素分析测试工作中，采用了先进的仪器和合理的配套分析方法，土壤样品分析项目包括元素全量、重金属元素不同相态。分析仪器以XRF、ICP－MS和ICP－OES为主体，结合其它先进灵敏的专项分析仪器进行样品测试(表1)。

2．5 质量评价

数据分析测试的单位为内蒙古自治区矿产实验研究所和中国地质科学院地球物理化学勘查研究所。严格按照《区域生态地球化学评价技术要求》和《生态地球化学评价样品分析技术要求》执行，通过标准参考物、实验室内部检查、密码抽查、外部检查等手段，对各种样品分析质量进行严格监控。按送样总数随机抽取5%试样作为密码样进行重复分析，合格率为100%。

外检样主要分析单位为中国地质科学院地球物理地球化学勘查所中心实验室和安徽省地质实验研究所，外检结果表明:在全量样品中相对误差均较小，绝大多数元素的相对误差小于20%。

通过对全部样品分析过程的全程质量监控，对分析精密度、准确度的计算，以及各元素相对偏差的计算，包头市生态地球化学环境评价样品分析结果质量可靠。

表1 土壤样品地球化学的测试仪器及方法Table1 Measurement instruments and methods for determining soil geochemistry

2．6 数据处理

利用3．2万平方公里区域地球化学各元素深层地球化学特征值、元素平均值，确定包头地区土壤基准值、背景值。利用表层土壤的原始分析值，用数理统计方法确定标准离差，通过标准离差与平均值的比值确定变异系数。利用多元统计分析方法进行元素相关性分析研究。

2．7 主要的评价方法

城市土壤质量与人类活动密切相关，含重金属元素的污染物通过各种途径进入土壤，会造成土壤严重污染(王加恩等，2010)，特别是重金属元素Cd、Pb、Hg、Cu、Zn、Ni、Cr以及As、F在含量超过一定程度时对人体健康产生严重影响。为了研究包头市区土壤环境质量，对其土壤环境质量利用内梅罗指数法进行综合评价。

由于城市区的pH基本大于6．5，因此本次工作采用土壤环境质量标准的三级土壤作为各元素评价标准。F因为没有标准，本次工作采用以河套基准值加上其2倍离差作为标准数值。因此本次研究各元素采用的评价标准如表2所示:

表2 土壤环境质量标准值(mg/kg)Table2 Standard values for soil environmental quality(mg/kg)

根据内梅罗指数法，计算出城市区综合污染指数，按照内梅罗指数(P)污染等级划分标准对城市区土壤环境质量进行评价。见表3。

公式中Zj为某一元素含量值/标准值;Zjmax为同一点所有参加运算元素Zj的最大值。这里采用的标准值是表1中给出的土壤环境质量三级标准。

表3 土壤环境质量划分等级Table3 Grading of soil environmental quality

3 研究区表层土壤测量重金属元素地球化学特征

在对包头市区以及城区周围进行了样品采集完成后，分析了As、B、Cd、Hg、Mo、Co、F等26项元素指标。由于该区的主要污染元素为重金属元素，因此，本文中只对Cd、Pb、Hg等9个重金属元素进行评价。1∶5万土壤测量的各元素含量特征见表4。对包头市区9个重金属元素含量与其它城市的研究结果进行对比，结果如表5所示。

表4 包头市加密土壤各元素含量特征Table4 Element contents for the soil in Baotou city

表5 各城市土壤重金属含量(μg/g)Table5 Contents of heavy metals in the soil for different areas(μg/g)

3．1 包头市1∶5万土壤测量各元素含量特征

由表3、表4可见，包头市土壤中重金属分布特征如下:

包头市加密土壤测量F、Cd、Hg、Pb、Zn变异系数大于1．2(图1)，说明这些元素在包头市区分布极不均匀，As元素变异系数大于0．5，说明As元素分布很不均匀，从地球化学图上可以看出，这些元素在包头市形成明显的高背景到异常以及低背景。Cr变异系数大于0．3，说明其分布较不均匀。Ni元素变异系数小于0．3说明其分布较均匀。

3 ．2 包头市区土壤加密测量各元素空间分布特征

利用包头市2820个样品对25个元素及氧化物作聚类分析，其结果如图2。可以看出:

F、Zn其相关系数大于0．5，在空间分布上也具有极其相似的规律性:在包头市大部分地区呈背景到低背景分布，约占71%以上。其高背景及异常区主要位于包钢厂区及其尾矿坝一带，呈北东向面状展布，在尾矿坝南、东侧的包头一电厂及包钢电厂储灰池范围内，形成明显的正异常，各元素的极值点均位于包钢尾矿坝范围内。包头市昆区、青山区东南一带，均表现为面状分布的低背景;另外在包头东河区东南城郊及包头铝厂一带，F、Zn也呈高背景带状展布，尤其在包头铝厂一带形成F的高异常区，在车间遗址处为一处F的极值点。Pb、Zn在包头市昆区、青山区、东河区市区范围内以及沿昆都仑河、四道沙河多处形成团块状异常展布。

Cr、Ni、Cu相关系数大于0．4，在空间分布上有一定相似性:在包头市昆区西北侧、青山区东北侧的山前冲积扇、东河区以东一带的郊区均形成成片分布的高背景，局部形成星散状团块状异常区。Ni、Cu在一电厂储灰池呈高背景到正异常。在包钢尾矿坝一带Ni、Cu为高背景，Cr则为低背景。Cr、Ni、Cu在青山区以南、东河区以西一带，这些元素则表现为面状分布的低背景区。这些元素在包头市区及城郊区背景到低背景的分布范围占60%～70%。

其它元素的相关系数均小于0．3，在空间分布上有相似性又各有不同。

图1 包头表层土壤测量元素镉、铅、锌地球化学异常图Fig．1 Maps showing Cd，Pb，Zn geochemical anomalies of the surface soil in Baotou city

图2 包头市土壤测量元素聚类分析谱系图Fig．2 Cluster analysis dendrogram of elements from the soil in Baotou City

As:平均含量为8．25μg/g，低于其它城市和全国土壤平均值，略高于世界土壤平均值，含量范围为0．6μg/g～292μg/g。从砷地球化学图看出，包头市在城市区土壤中As含量较高，呈高背景到异常分布。在三个区的中间以九原区为主的城郊地带呈低背景到负异常分布。As的异常区主要是在包钢尾矿坝，东河区的高含量区主要是在包头铝厂南部地区呈面积性高含量分布。

Cd:平均含量为0．16μg/g，含量范围为0．04μg/g～19μg/g，高于其它城市和全国土壤平均值，低于世界土壤平均值。低于成都市和广州市土壤平均值。从Cd地球化学图看出，包头市大部分地区以背景区和低背景区分布，在城区周围呈低含量区分布。高含量区在包钢尾矿坝、包钢一带及包头铝厂附近呈面状分布，在昆区南侧沿昆都仑河、在青山区南侧沿四道沙河分别形成两个北东向和近南北向的异常带。另外昆区、青山区、东河区市区内形成多处局部异常。在山前冲积扇区呈高背景分布。

Hg:平均值为0．077μg/g，含量范围为0．002μg/g～3．52μg/g，略高于全国土壤平均值和世界土壤平均值，低于成都市和广州市土壤平均值。从Hg地球化学图看出，包头市从东南到西北方向的城区呈带状以高背景和异常分布，西北部和东北部的城区外围山前冲积扇为低背景区。在西南部城郊区为低背景到负异常区。

综上所述可见:在包钢及其尾矿坝一带是绝大多数元素的富集区Pb、Cu、Zn、As等元素。在尾矿坝里Hg呈负异常，说明在包钢铁矿石中贫化这些元素。在包头电厂的储灰池是F、Pb重金属元素的富集区，在麻池一带，由于有多处煤厂，造成了Hg的富集。包头市一些重金属元素Cd、Cu、Pb、Zn、Hg平均值虽略高于全国平均水平，但明显低于广洲市郊灌溉区及成都市，As平均值则低于全国平均水平及广洲市清洁区、广洲市郊灌溉区和成都市，所以认为在包头市尽管由于包钢及电厂等工业污染造成了一些元素在局部地段的富集，但大部分地区污染并不严重。

4 结论

通过与土壤环境质量值的对比，Hg在包头市大面积的富集，这应与包头工业污染、燃煤及多处煤厂分布有关。Ni元素在包钢厂区及包钢尾矿坝一带形成富集区，且富集程度较高。Co、Cr、Cu富集系数在2～10之间，呈明显富集。F、Cd、Pb、Zn、As富集系数大于10，属特别富集的元素。

沿昆都仑河、四道沙河两条排污河也形成了大部分重金属元素的富集:主要包括有Cu、Pb、Zn、Cd，其次是Hg、As。显然这些元素的富集与工业排污及生活污水排放有关。在包头市昆区、青山区、东河区市区主要富集的重金属元素有:Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、F。这些元素在城区的富集主要是因燃煤、汽车尾气排放等人类活动有关。

在包头市昆区、青山区、东河区之间的中间地带，表层与深层土壤相比，大多数元素没有富集，甚至还局部贫化，所以认为这一地带是包头市的洁净区，这是因为在这一带主要是农田、草地等，受工业污染及人类活动的干扰少。

根据元素富集特点可以看出，包头市的污染与工业活动密切相关，重金属污染区主要集中在包钢厂区及包钢尾矿坝一带。并对周围群众的健康产生了明显的影响。建议对包钢尾矿坝等重污染地区进行详细调查，并根据调查结果提出整改方案，加强污染源周边的环境质量监控，加强尾矿坝等重污染源源头治理，提高防范意识，从根本上杜绝污染的进一步恶化，在资源开发的同时，最大程度的保护环境。

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Geochemical Characteristics of the Soil from Baotou City，Inner Mongolia and Its Environmental Assessment

LIAO Lei1，3，LIU Huan－lin1，3，SU Mei－xia2，DUAN Hai－long1，4，WANG Jing－fan1，3，ZHAO Li－juan1，2
(1．School of Earth Science and Resources，China University of Geosciences，Beijing100083; 2．Institute of Inner Mongolia Geological Survey，Hohhot，Inner Mongolia010020; 3．Adminstration Center of Inner Mongolia for Geological Survey Fund，Hohhot Inner Mongo Lia010020; 4．Land＆Resource Exploration Development Institute of Inner Mongolia，Huhehaote，Inner Mongolia010020)

The Baotou city is the largest industrial city in Inner Mongolia Autonomous Region，where the problem of ecological environment becomes increasingly serious along with the rapid industrial development．Based on the multi－objective geochemical survey in the region，this paper investigated the ecological environment using element values，background values and regional element distribution maps．Studies of soil mercury，cadmium heavy metal elements and the spatial distribution were carried out to assess the environmental pollution in Baotou city using the Nemerow index method．The result shows that the local area mainly dominated by smelting is significantly polluted，and environment quality in the rest areas is good in general．The assessment results provide a scientific basis for environmental planning and environment management of the Baotou city in the future．

multi－objective，geochemical element，geochemical characteristics，environmental pollution

book=7,ebook=243

P595

A

0495－5331(2012)04－0799－8

2012－03－09;

2012－05－08;［责任编辑］郝情情。

中国地质调查局、内蒙古地质勘查基金专题(内蒙古河套农业经济区包头市生态地球化学环境评价)资助。

廖蕾(1968年—)，女，2005年毕业于中国地质大学(北京)，获硕士学位，教授级高级工程师，长期从事地球化学勘查工作。E－mail:liaolei_l@126．com。