河套平原表层土壤元素含量与空间分布特征①

汪敬忠 吴敬禄 曾海鳌 白瑞东

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室 南京 210008;2.中国科学院大学 北京 100049)

0 引言

土壤是由成土母质发育而形成的近地表自然介质，是人类赖以生存和社会经济发展的基础，土壤的质量直接影响农业发展及人类生存［1］。随着科学技术的进步和工业的发展，进入土壤中的污染物无论是含量还是种类都在持续不断地增加［2］，造成土壤污染。由于工农业的发展和人类活动影响的加剧，越来越多的工业废水、农业排灌水以及城镇污水流入土壤，严重破坏了土壤的质量与性质，从而引起许多生态与环境问题［3］。前人的研究［4，5］认为统计学方法对研究土壤的空间变异与分布特征是较为理想的。对土壤元素空间变异与分布特征进行研究，有助于了解土壤元素在区域空间内变异的原因，并且对进行土壤环境规划和制定土壤环境保护措施等具有很大的参考价值［1，6，7］。

目前有关内蒙古河套平原地区表层土壤方面的研究主要集中在城市土壤环境地球化学特征［8］，土壤矿物组成分析及与各元素的关系［9］，农作物重金属含量与土壤质量的关系研究［10］，以及乌梁素海表层沉积物元素含量分布特征［11，12］等，而对河套地区的元素空间变异与分布的研究报道较少。通过统计学的方法对河套平原地区表层土壤中的元素进行分析，得出元素在区域空间内的变异程度与分布规律，从而为防治土壤环境污染、降低土地再利用对人体健康影响的风险等管理方面提供科学依据。

1 研究区概况

河套平原位于内蒙古自治区西部(图1)，40°10'～41°20'N，106°10'～ 109°30'E。总面积约 13 000 km2，人口约 153万。该地区地势平坦开阔，海拔1 010～1 107 m，局部有起伏，略有西高东低，南高北低的趋势，北部总排干是全区较为低洼的部分。河套平原北部为阴山山脉，中部为广阔的冲积平原，南临黄河，西至乌兰布和沙漠，东依乌梁素海。研究区属于温带大陆性干旱—半干旱气候，是中国北方东部季风气候区的边缘区域，属于暖温带半干旱草原带。年均气温5.6℃ ～7.8℃;年降水量在139～222 mm 之间，夏季降水量占全年降水量的65%左右;平均相对湿度45%，年蒸发量大，达到1 999～2 346 mm。黄河为该区唯一外流水系，过境河长约350 km，年流量200×108～ 350×108m3，为当地农业灌溉提供了丰富水源［13，14］。研究区开矿业发达，目前发现的主要矿产资源是铜铅锌［15］。

图1 河套平原地理位置及采样点Fig.1 Location of Hetao Plain and sampling sites

2 采样与分析方法

2012年8月，作者对内蒙古河套平原进行了考察，共采集94个不同类型的表层土壤样品(图1)。采集的表层土壤样品，经冷冻干燥后，除去动植物残体等杂物，再经200目过筛，保存于聚乙烯瓶中，以待备用。具体的实验方法如下:取0.12 g样品于消化罐中，加入0.5 mL盐酸、4.0 mL硝酸和3.0 mL氢氟酸，置于微波硝化系统中硝化。等冷却后，移入聚四氟乙稀烧杯中，并加0.5 mL高氯酸待其蒸干后，再加入1∶3(体积比)硝酸溶液5 mL，0.1 mL双氧水和少量纯水，加热溶解残渣。冷却后将其定容至25 mL，并转移到聚乙烯瓶内，4℃保存，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)进行测定，测得 Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti、Co、V、Cr、Be、Ba、Sr、Cu、Zn、Mn、Ni、P、Cd共19种元素含量，精密度为0.3%～2%RSD。以上所有实验均在中科院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室完成。

表1 河套平原表层土壤样品的元素分析结果Table 1 The results of elements in topsoil samples in Hetao Plain

3 结果与讨论

3.1 河套平原不同表层土壤样品的元素分析

3.1.1 不同表层土壤样品元素统计

内蒙河套平原表层土壤样品的元素统计结果见表 1。Al、Ca、Fe、Mg、Na、K 和 Ba、Be、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sr、Ti、V、Zn 元素含量平均值分别为 56.15、40.93、26.24、13.61、15.08、18.99 mg/g 和 516.86、1.73、9.38、56.35、21.08、560.68、24.05、21.79、268.55、2 935.32、65.41、83.22 mg/kg。与河套区现有的土壤背景值相比，Be、Cr、Cu、Ni、Pb、V、Sr、Zn 元素含量偏高;与全国土壤背景值相比，Ba、Ca、K、Zn、Na、Sr、Mg元素含量偏高，而Al、Be等其余元素含量偏低。

变异系数(CV)被定义为一组数据的标准差与平均值的百分比，其数值的大小可解释不同元素间的差异程度。根据变异系数的大小，可将土壤元素的变异性分级，当CV小于10%时，说明元素变异性弱;当CV在10%～100%之间时，说明元素的变异性中等;当CV大于100%时，说明元素的变异性强［18］。河套平原地区表层土壤元素的变异系数大于50%的有元素 Cu、Mn、Pb、Zn，而元素 K、Al变异系数小于 14%。因此，可看出元素存在不同程度的变异，说明河套地区的表层土壤元素在水平方向上有差异。

3.1.2 河套平原不同表层土壤样品系统聚类分析

将河套平原表层土壤各元素数据进行标准差标准化处理后，应用SPSS for windows 16.0软件对元素含量进行系统聚类分析。

由图2可知，在组间平均距离为“15”处可分为三类:①Ba、Fe、Co、Mn、Be、Ni、V、Ti、P、Al、K、Cr、Mg、Ca 在聚类树形图上组成一个亚类，有 Al、Ti、Fe、Cr等稳定元素，但也有Mg、Ca碱金属元素，可能与该地区的成土母质有关，已有研究表明河套地区土壤主要富集 MgO、CaO 等碱性物质［15］;②Pb、Zn、Ba 在聚类树形图上组成一个亚类，且变异系数较高，主要是由于Pb、Zn等重金属是狼山区重要的矿产资源，样品Pb、Zn、Ba含量较高主要位于工业开矿区的河流表层，可作为人类工业活动的指标;③Na、Sr化学活动性元素的化学性质较为相似，为易迁移的元素，反映在聚类树形图上组成一个亚类。

3.1.3 表层土壤元素的相关分析

将各元素数据进行标准差标准化后，应用SPSS for windows 16.0软件对河套平原表层土壤的各元素之间进行相关性分析，其Pearson相关系数和双尾检验结果如表2所示。

图2 河套平原表层土壤元素的系统聚类分析树状图Fig.2 Hierarchical clustering dendrogram of the topsoil elements in Hetao Plain

研究结果表明，Ca和Mg作为成土母质的主要元素组成，大量元素中Na元素作为易迁移的元素，与K、Mg无明显相关性，与Ca、P呈显著负相关，表明Na元素存在流失。Ca和Mg与表2所示的有害元素除Ba、Pb和Zn外都存在显著或者极显著相关性，说明这些有害元素易与钙镁氧化物相结合而在土壤表层中积累;元素Ba、Pb、Zn与Ca、Mg无明显相关性，但这3种有害元素之间呈现极显著正相关，相关系数达0.93，且它们的平均值远超过河套地区的背景值，表明这3种有害元素存在相同的污染源，即是狼山西北地区的工业开矿区。表层土壤中常见的有害重金属元素含量之间的相关分析表明:元素 Co、Ni、Fe、Mn、Ba、Cu、Cr、Pb 和 Zn 之间具有显著或者极显著的正相关关系，且它们之间的相关系数相对较高，说明表层土壤中这9种重金属元素有共同的污染源，元素Co、Ni、Fe、Mn、Ba、Pb、Cu、Cr和 Zn 等受人类活动影响较大，污染源主要是狼山工业开矿区与城市工业生产区，导致表层土壤含有相同污染源的重金属元素。

3.2 表层土壤元素的空间变异与空间分布特征

3.2.1 表层土壤元素的空间变异特征

将各元素数据进行标准差标准化后，运用地学统计软件 GS+for windows 5进行半方差分析［18］，结果见表3。

Na、Sr元素为线性模型，反映了在抽样尺度下没有空间相关性。由于化学活动性元素的化学性质较为相似，因而具有一致性，与聚类分析结果一致。而P元素也为线性模型，可能与河套地区大面积农田使用过量磷肥有关。

表2 河套平原不同表层土壤样品元素之间的相关系数Table 2 Correlation coefficients among elements in different topsoil samples in Hetao Plain

注:*为p＜0.05显著相关，＊＊为p＜0.05极显著相关(双尾检验)。

Ca、Mg等稳定元素其变程大于 1 200 km，说明各元素在较大尺度范围内存在相关关系，反映了土壤母质对元素含量影响较大。

空间结构比［C0/(C0+C)］的大小判定系统内变量的空间相关程度，也反映了在空间变异的成分中区域因素(自然因素)和非区域因素(人为因素)谁占主导作用。如果比值小于25%，说明系统具有强烈的空间相关性;如果比值在25%～75%之间，表明系统具有中等的空间相关性;若大于75%，说明空间相关性很弱;若比值接近于 1，说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异［7，19］。从上表可看出，重金属元素 Ba、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、V、Zn 的空间结构比值在 0.25～0.75之间，为中等强度的空间相关性，表明土壤元素分布是由内在因子和外在因子共同作用的结果。其中内在因子即土壤形成因子，如母质等可以导致土壤元素强的空间相关性;而外在因子主要是由于人为活动，如工农业生产等使得土壤元素的空间相关性减弱。虽然河套平原重金属元素整体上空间相关性为中等，但位于西北的开矿区附近、五原县以及临河区附近Cu、Zn、Pb等重金属元素有更弱的空间相关性，主要是由于人类活动使得元素朝均一化方向发展。徐贤铭等［5］对原阳县农田土壤重金属元素的空间变异特征进行了分析，得出Cu空间相关性最弱，Cr空间相关性最强，说明区域化因素对 Cr的影响最大，而Cu、Zn受人类活动的影响显著，与我们的研究结果相似。

图3 河套平原不同采样点土壤元素变异系数图Fig.3 Semivariograms for elements of the topsoil samples in Hetao Plain

图4 河套平原四种重金属浓度的空间分布Fig.4 Spatial distribution pattern of four heavy metals in Hetao Plain

3.2.2 重金属元素Cu、Cr、Zn、Pb空间分布特征

土壤中Cu、Cr、Zn、Pb等重金属是造成土壤重金属污染的主要元素，土壤重金属污染问题是全球严重的环境问题之一。研究区内Cu、Cr、Zn、Pb四种重金属浓度的空间分布如图4所示。

在西北狼山附近的开矿区，表层土壤的Cu、Cr、Zn、Pb四种重金属浓度明显高于非矿区，四种元素的最大值均来自于开矿区河流表层的土壤，分别是非矿区重金属平均浓度的7.2倍、1.7倍、31.7倍和34.4倍，尤以Zn和Pb两种元素更为明显。对于非矿区，重金属元素Cu与Cr的空间分布较为一致，大部分表层土壤的Cu与Cr含量分别在平均值21.08 mg/kg与56.35 mg/kg附近波动，但经济较发达的城镇区的表层土壤重金属含量普遍高于平均值，包括中东部的五原县、西南的磴口县以及南部的临河区，城市是人类工业和生活活动的重要场所，也是人类密集居住区，说明这些异常元素的形成与人类活动紧密相关，而西部和东部地区重金属含量相对较低;非矿区重金属Zn与Pb的空间分布基本相同，其中临河区Zn与Pb的含量相对较高，值大小分别为275.30 mg/kg和59.38 mg/kg，明显高于非矿区Zn和Pb的平均值。上述四种重金属浓度的空间分布反映了人类工业活动与城市化对表层土壤重金属元素分布的影响特征，表明河套地区重金属元素的来源与人类活动密切相关。

4 结论

(1)河套平原土壤沉积物的元素含量大小顺序为Al＞Ca＞Fe＞K＞Na＞Mg＞Ti＞P＞Mn＞Ba＞Sr＞Zn＞V＞Cr＞Ni＞Pb＞Cu＞Co＞Be，在河套地区内，重金属元素 Cu、Mn、Pb、Zn等元素存在异常。

(2)河套平原表层土壤元素含量系统聚类表明，Al、K、Mg、Ca等元素组成一个亚类，变异系数较低，可能与该地区的成土母质有关;Pb、Zn等元素组成一个亚类，变异系数较高，可代表人类工业活动的指标;Na、Sr化学活动性元素的化学性质较为相似，组成一个亚类。表层土壤元素间的相关分析表明大量元素Na 存在流失，有害元素 Co、Ni、Fe、Mn、Ba、Pb、Cu、Cr和Zn有共同的污染源，受人类活动影响较大，污染来源主要是狼山工业开矿与城市工业生产。

(3)通过对河套平原表层土壤元素的空间变异特征的研究得出P元素的理论模型为线性，原因可能是河套地区大面积农田使用磷肥过量;Ca、Mg等稳定元素存在明显的空间相关关系，反映了土壤母质对元素含量影响较大;重金属元素的空间结构比值在0.25～0.75之间，为中等强度的空间相关性，表明受到工农业生产等小尺度因素的影响。

(4)河套平原地区重金属元素空间分布总体呈现北部和南部地区较高，且北高南低，东西向变化不明显的特征，这与当地的开矿污染、城市化发展以及工农业的生产等人类活动密切相关，使这些金属元素趋向于在土壤表层富集。

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