河套平原表層土壤元素含量與空間分布特征①

汪敬忠 吳敬祿 曾海鰲 白瑞東

(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室 南京 210008;2.中國科學院大學 北京 100049)

0 引言

土壤是由成土母質發育而形成的近地表自然介質，是人類賴以生存和社會經濟發展的基礎，土壤的質量直接影響農業發展及人類生存［1］。隨著科學技術的進步和工業的發展，進入土壤中的污染物無論是含量還是種類都在持續不斷地增加［2］，造成土壤污染。由于工農業的發展和人類活動影響的加劇，越來越多的工業廢水、農業排灌水以及城鎮污水流入土壤，嚴重破壞了土壤的質量與性質，從而引起許多生態與環境問題［3］。前人的研究［4，5］認為統計學方法對研究土壤的空間變異與分布特征是較為理想的。對土壤元素空間變異與分布特征進行研究，有助于了解土壤元素在區域空間內變異的原因，并且對進行土壤環境規劃和制定土壤環境保護措施等具有很大的參考價值［1，6，7］。

目前有關內蒙古河套平原地區表層土壤方面的研究主要集中在城市土壤環境地球化學特征［8］，土壤礦物組成分析及與各元素的關系［9］，農作物重金屬含量與土壤質量的關系研究［10］，以及烏梁素海表層沉積物元素含量分布特征［11，12］等，而對河套地區的元素空間變異與分布的研究報道較少。通過統計學的方法對河套平原地區表層土壤中的元素進行分析，得出元素在區域空間內的變異程度與分布規律，從而為防治土壤環境污染、降低土地再利用對人體健康影響的風險等管理方面提供科學依據。

1 研究區概況

河套平原位于內蒙古自治區西部(圖1)，40°10'～41°20'N，106°10'～ 109°30'E。總面積約 13 000 km2，人口約 153萬。該地區地勢平坦開闊，海拔1 010～1 107 m，局部有起伏，略有西高東低，南高北低的趨勢，北部總排干是全區較為低洼的部分。河套平原北部為陰山山脈，中部為廣闊的沖積平原，南臨黃河，西至烏蘭布和沙漠，東依烏梁素海。研究區屬于溫帶大陸性干旱—半干旱氣候，是中國北方東部季風氣候區的邊緣區域，屬于暖溫帶半干旱草原帶。年均氣溫5.6℃ ～7.8℃;年降水量在139～222 mm 之間，夏季降水量占全年降水量的65%左右;平均相對濕度45%，年蒸發量大，達到1 999～2 346 mm。黃河為該區唯一外流水系，過境河長約350 km，年流量200×108～ 350×108m3，為當地農業灌溉提供了豐富水源［13，14］。研究區開礦業發達，目前發現的主要礦產資源是銅鉛鋅［15］。

圖1 河套平原地理位置及采樣點Fig.1 Location of Hetao Plain and sampling sites

2 采樣與分析方法

2012年8月，作者對內蒙古河套平原進行了考察，共采集94個不同類型的表層土壤樣品(圖1)。采集的表層土壤樣品，經冷凍干燥后，除去動植物殘體等雜物，再經200目過篩，保存于聚乙烯瓶中，以待備用。具體的實驗方法如下:取0.12 g樣品于消化罐中，加入0.5 mL鹽酸、4.0 mL硝酸和3.0 mL氫氟酸，置于微波硝化系統中硝化。等冷卻后，移入聚四氟乙稀燒杯中，并加0.5 mL高氯酸待其蒸干后，再加入1∶3(體積比)硝酸溶液5 mL，0.1 mL雙氧水和少量純水，加熱溶解殘渣。冷卻后將其定容至25 mL，并轉移到聚乙烯瓶內，4℃保存，用電感耦合等離子體原子發射光譜儀(ICP-AES)進行測定，測得 Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti、Co、V、Cr、Be、Ba、Sr、Cu、Zn、Mn、Ni、P、Cd共19種元素含量，精密度為0.3%～2%RSD。以上所有實驗均在中科院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室完成。

表1 河套平原表層土壤樣品的元素分析結果Table 1 The results of elements in topsoil samples in Hetao Plain

3 結果與討論

3.1 河套平原不同表層土壤樣品的元素分析

3.1.1 不同表層土壤樣品元素統計

內蒙河套平原表層土壤樣品的元素統計結果見表 1。Al、Ca、Fe、Mg、Na、K 和 Ba、Be、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sr、Ti、V、Zn 元素含量平均值分別為 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。與河套區現有的土壤背景值相比，Be、Cr、Cu、Ni、Pb、V、Sr、Zn 元素含量偏高;與全國土壤背景值相比，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。

變異系數(CV)被定義為一組數據的標準差與平均值的百分比，其數值的大小可解釋不同元素間的差異程度。根據變異系數的大小，可將土壤元素的變異性分級，當CV小于10%時，說明元素變異性弱;當CV在10%～100%之間時，說明元素的變異性中等;當CV大于100%時，說明元素的變異性強［18］。河套平原地區表層土壤元素的變異系數大于50%的有元素 Cu、Mn、Pb、Zn，而元素 K、Al變異系數小于 14%。因此，可看出元素存在不同程度的變異，說明河套地區的表層土壤元素在水平方向上有差異。

3.1.2 河套平原不同表層土壤樣品系統聚類分析

將河套平原表層土壤各元素數據進行標準差標準化處理后，應用SPSS for windows 16.0軟件對元素含量進行系統聚類分析。

由圖2可知，在組間平均距離為“15”處可分為三類:①Ba、Fe、Co、Mn、Be、Ni、V、Ti、P、Al、K、Cr、Mg、Ca 在聚類樹形圖上組成一個亞類，有 Al、Ti、Fe、Cr等穩定元素，但也有Mg、Ca堿金屬元素，可能與該地區的成土母質有關，已有研究表明河套地區土壤主要富集 MgO、CaO 等堿性物質［15］;②Pb、Zn、Ba 在聚類樹形圖上組成一個亞類，且變異系數較高，主要是由于Pb、Zn等重金屬是狼山區重要的礦產資源，樣品Pb、Zn、Ba含量較高主要位于工業開礦區的河流表層，可作為人類工業活動的指標;③Na、Sr化學活動性元素的化學性質較為相似，為易遷移的元素，反映在聚類樹形圖上組成一個亞類。

3.1.3 表層土壤元素的相關分析

將各元素數據進行標準差標準化后，應用SPSS for windows 16.0軟件對河套平原表層土壤的各元素之間進行相關性分析，其Pearson相關系數和雙尾檢驗結果如表2所示。

圖2 河套平原表層土壤元素的系統聚類分析樹狀圖Fig.2 Hierarchical clustering dendrogram of the topsoil elements in Hetao Plain

研究結果表明，Ca和Mg作為成土母質的主要元素組成，大量元素中Na元素作為易遷移的元素，與K、Mg無明顯相關性，與Ca、P呈顯著負相關，表明Na元素存在流失。Ca和Mg與表2所示的有害元素除Ba、Pb和Zn外都存在顯著或者極顯著相關性，說明這些有害元素易與鈣鎂氧化物相結合而在土壤表層中積累;元素Ba、Pb、Zn與Ca、Mg無明顯相關性，但這3種有害元素之間呈現極顯著正相關，相關系數達0.93，且它們的平均值遠超過河套地區的背景值，表明這3種有害元素存在相同的污染源，即是狼山西北地區的工業開礦區。表層土壤中常見的有害重金屬元素含量之間的相關分析表明:元素 Co、Ni、Fe、Mn、Ba、Cu、Cr、Pb 和 Zn 之間具有顯著或者極顯著的正相關關系，且它們之間的相關系數相對較高，說明表層土壤中這9種重金屬元素有共同的污染源，元素Co、Ni、Fe、Mn、Ba、Pb、Cu、Cr和 Zn 等受人類活動影響較大，污染源主要是狼山工業開礦區與城市工業生產區，導致表層土壤含有相同污染源的重金屬元素。

3.2 表層土壤元素的空間變異與空間分布特征

3.2.1 表層土壤元素的空間變異特征

將各元素數據進行標準差標準化后，運用地學統計軟件 GS+for windows 5進行半方差分析［18］，結果見表3。

Na、Sr元素為線性模型，反映了在抽樣尺度下沒有空間相關性。由于化學活動性元素的化學性質較為相似，因而具有一致性，與聚類分析結果一致。而P元素也為線性模型，可能與河套地區大面積農田使用過量磷肥有關。

表2 河套平原不同表層土壤樣品元素之間的相關系數Table 2 Correlation coefficients among elements in different topsoil samples in Hetao Plain

注:*為p＜0.05顯著相關，＊＊為p＜0.05極顯著相關(雙尾檢驗)。

Ca、Mg等穩定元素其變程大于 1 200 km，說明各元素在較大尺度范圍內存在相關關系，反映了土壤母質對元素含量影響較大。

空間結構比［C0/(C0+C)］的大小判定系統內變量的空間相關程度，也反映了在空間變異的成分中區域因素(自然因素)和非區域因素(人為因素)誰占主導作用。如果比值小于25%，說明系統具有強烈的空間相關性;如果比值在25%～75%之間，表明系統具有中等的空間相關性;若大于75%，說明空間相關性很弱;若比值接近于 1，說明該變量在整個尺度上具有恒定的變異［7，19］。從上表可看出，重金屬元素 Ba、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、V、Zn 的空間結構比值在 0.25～0.75之間，為中等強度的空間相關性，表明土壤元素分布是由內在因子和外在因子共同作用的結果。其中內在因子即土壤形成因子，如母質等可以導致土壤元素強的空間相關性;而外在因子主要是由于人為活動，如工農業生產等使得土壤元素的空間相關性減弱。雖然河套平原重金屬元素整體上空間相關性為中等，但位于西北的開礦區附近、五原縣以及臨河區附近Cu、Zn、Pb等重金屬元素有更弱的空間相關性，主要是由于人類活動使得元素朝均一化方向發展。徐賢銘等［5］對原陽縣農田土壤重金屬元素的空間變異特征進行了分析，得出Cu空間相關性最弱，Cr空間相關性最強，說明區域化因素對 Cr的影響最大，而Cu、Zn受人類活動的影響顯著，與我們的研究結果相似。

圖3 河套平原不同采樣點土壤元素變異系數圖Fig.3 Semivariograms for elements of the topsoil samples in Hetao Plain

圖4 河套平原四種重金屬濃度的空間分布Fig.4 Spatial distribution pattern of four heavy metals in Hetao Plain

3.2.2 重金屬元素Cu、Cr、Zn、Pb空間分布特征

土壤中Cu、Cr、Zn、Pb等重金屬是造成土壤重金屬污染的主要元素，土壤重金屬污染問題是全球嚴重的環境問題之一。研究區內Cu、Cr、Zn、Pb四種重金屬濃度的空間分布如圖4所示。

在西北狼山附近的開礦區，表層土壤的Cu、Cr、Zn、Pb四種重金屬濃度明顯高于非礦區，四種元素的最大值均來自于開礦區河流表層的土壤，分別是非礦區重金屬平均濃度的7.2倍、1.7倍、31.7倍和34.4倍，尤以Zn和Pb兩種元素更為明顯。對于非礦區，重金屬元素Cu與Cr的空間分布較為一致，大部分表層土壤的Cu與Cr含量分別在平均值21.08 mg/kg與56.35 mg/kg附近波動，但經濟較發達的城鎮區的表層土壤重金屬含量普遍高于平均值，包括中東部的五原縣、西南的磴口縣以及南部的臨河區，城市是人類工業和生活活動的重要場所，也是人類密集居住區，說明這些異常元素的形成與人類活動緊密相關，而西部和東部地區重金屬含量相對較低;非礦區重金屬Zn與Pb的空間分布基本相同，其中臨河區Zn與Pb的含量相對較高，值大小分別為275.30 mg/kg和59.38 mg/kg，明顯高于非礦區Zn和Pb的平均值。上述四種重金屬濃度的空間分布反映了人類工業活動與城市化對表層土壤重金屬元素分布的影響特征，表明河套地區重金屬元素的來源與人類活動密切相關。

4 結論

(1)河套平原土壤沉積物的元素含量大小順序為Al＞Ca＞Fe＞K＞Na＞Mg＞Ti＞P＞Mn＞Ba＞Sr＞Zn＞V＞Cr＞Ni＞Pb＞Cu＞Co＞Be，在河套地區內，重金屬元素 Cu、Mn、Pb、Zn等元素存在異常。

(2)河套平原表層土壤元素含量系統聚類表明，Al、K、Mg、Ca等元素組成一個亞類，變異系數較低，可能與該地區的成土母質有關;Pb、Zn等元素組成一個亞類，變異系數較高，可代表人類工業活動的指標;Na、Sr化學活動性元素的化學性質較為相似，組成一個亞類。表層土壤元素間的相關分析表明大量元素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，受人類活動影響較大，污染來源主要是狼山工業開礦與城市工業生產。

(3)通過對河套平原表層土壤元素的空間變異特征的研究得出P元素的理論模型為線性，原因可能是河套地區大面積農田使用磷肥過量;Ca、Mg等穩定元素存在明顯的空間相關關系，反映了土壤母質對元素含量影響較大;重金屬元素的空間結構比值在0.25～0.75之間，為中等強度的空間相關性，表明受到工農業生產等小尺度因素的影響。

(4)河套平原地區重金屬元素空間分布總體呈現北部和南部地區較高，且北高南低，東西向變化不明顯的特征，這與當地的開礦污染、城市化發展以及工農業的生產等人類活動密切相關，使這些金屬元素趨向于在土壤表層富集。

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