旱區(qū)鹽湖盆地土壤重金屬空間變異及對(duì)土壤理化因子的響應(yīng)

杜丹丹，高瑞忠*，房麗晶，謝龍梅

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙 古呼和浩特 010018；2. 黃河流域內(nèi)蒙段水資源與水環(huán)境綜合治理自治區(qū)協(xié)同創(chuàng)新中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

鹽湖盆地演變及形成過程中因獨(dú)特地質(zhì)條件和氣候環(huán)境因素的影響，使鹽湖盆地流域土壤成為記錄區(qū)域環(huán)境變化的重要載體。隨著地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及鹽業(yè)持續(xù)開發(fā)利用，鹽湖盆地土壤成為污染物重要的匯集地。重金屬是一種典型的土壤污染物，具有隱蔽性、難降解性、較差的移動(dòng)性和易被富集性等特點(diǎn)（常學(xué)秀等，2001；唐發(fā)靜等，2008；Islam et al.，2013；鄭順安等，2013）。其不僅影響土壤環(huán)境質(zhì)量，且通過食物鏈影響人類健康（鮑根生等，2019；姜哲浩等，2019；常文靜等，2020）。在城市化工業(yè)化進(jìn)程及人類活動(dòng)形成的各種環(huán)境理化因素的交互作用下，土壤重金屬的形態(tài)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壤重金屬的遷移與轉(zhuǎn)化（李向陽等，2019）。因此，探究鹽湖盆地土壤重金屬在其理化因素影響下的分布特征及呈現(xiàn)的分異規(guī)律，對(duì)鹽湖流域周邊農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展、地區(qū)生態(tài)安全措施的完善具有重要的意義。

重金屬在土壤環(huán)境中的行為取決于重金屬自身的化學(xué)行為和土壤的化學(xué)條件。土壤物理化學(xué)性狀的改變會(huì)直接影響到重金屬在土壤環(huán)境中的行為，即重金屬在土壤環(huán)境中的行為受土壤理化性質(zhì)的制約（李俊莉等，2003）。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于重金屬與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性研究在不同環(huán)境土壤中展開，如新疆天山中部森林土壤（王文棟等，2021）、田頭山自然保護(hù)區(qū)林地土壤（竇苗等，2022）、連霍高速公路旁土壤（李仰征等，2014）、遵義正安縣喀斯特地貌土壤（樊燕等，2007）等；均在基于理化特征分析的土壤環(huán)境演化研究基礎(chǔ)上，分析了土壤理化性質(zhì)對(duì)重金屬行為的影響，闡述了各種因素對(duì)重金屬遷移轉(zhuǎn)化的作用，并提出了對(duì)土壤中重金屬行為的新的研究方向（樊燕等，2007；李仰征等，2014；王文棟等，2021；竇苗等，2022）。目前，鮮有對(duì)旱區(qū)鹽湖盆地土壤重金屬環(huán)境行為影響因素分析，以及土壤理化性質(zhì)制約土壤重金屬環(huán)境驅(qū)動(dòng)演變的深入研究。

因此，本研究根據(jù)吉蘭泰鹽湖盆地流域土壤情況制定研究目標(biāo)，野外取樣實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)獲取數(shù)據(jù)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、多元統(tǒng)計(jì)分析等方法，研究鹽湖盆地流域土壤重金屬的分布特征；運(yùn)用冗余分析方法探究重金屬對(duì)土壤理化因子的響應(yīng)，旨在揭示重金屬在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為合理開發(fā)利用鹽湖工業(yè)，深入開展土壤健康保護(hù)以及優(yōu)化地區(qū)生態(tài)環(huán)境安全措施提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

吉蘭泰鹽湖盆地位于內(nèi)蒙古高原中東部，地理位置105°42′E，39°45′N，流域總面積為20 025 km2，海拔1 013－3 159 m，降水為54－154 mm，平均蒸發(fā)3 000 mm，呈顯著溫帶荒漠干旱區(qū)。普遍為風(fēng)成沙覆蓋，主要土壤類型為黃褐色粉細(xì)砂，少量中砂，偶見小于20 cm 厚的粘土互層。

研究區(qū)行政區(qū)劃屬吉蘭泰鎮(zhèn)，是阿拉善盟最大的鹽化工業(yè)重鎮(zhèn)，是阿拉善左旗通往北部各蘇木的交通樞紐。當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)以工業(yè)為主導(dǎo)，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)多種經(jīng)營。

1.2 采樣與檢測(cè)方法

在研究區(qū)內(nèi)以吉蘭泰鹽湖為中心，沿著匯入鹽湖的地下水流方向，依據(jù)吉蘭泰流域的地貌特征和土壤類型劃分監(jiān)測(cè)區(qū)域，在每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布點(diǎn)，共布設(shè)50 個(gè)土壤采樣點(diǎn)（圖1）。布點(diǎn)要盡量做到均勻，且對(duì)流域重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加密布點(diǎn)。選擇具有代表性的表土層、心土層（50 cm 層）、底土層（100 cm 層）處的土壤，利用土鉆取土器分別在地表及地表以下表層（0－20 cm）、50 cm 層（40－60 cm）、100 cm 層（90－110 cm）進(jìn)行了土壤采樣。根據(jù)吉蘭泰當(dāng)?shù)貤l件，利用交通圖、行政區(qū)劃圖和GPS 進(jìn)行野外定點(diǎn)，記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，并客觀地記錄、描述采樣地點(diǎn)周邊環(huán)境，遇到公路、村莊、工廠等詳細(xì)記錄位置，用以確定采樣區(qū)在地圖中的位置。根據(jù)評(píng)價(jià)目的不同，土壤樣品的采集方法有所區(qū)別，每種樣品取3 個(gè)平行樣。

本研究在2020 年6－8 月采樣，土壤樣品的測(cè)試在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程測(cè)試中心完成。土壤重金屬總鉻（Cr）采用日立Z-2700 原子吸收分光光度法測(cè)定，檢出限為0.01 mg·kg?1。土壤汞（Hg）、砷（As）采用吉天AFS-933 原子熒光法測(cè)定，檢出限分別為Hg<10?4mg·kg?1、As<10?3mg·kg?1。測(cè)試結(jié)果通過空白、重復(fù)和標(biāo)準(zhǔn)樣品（GBW08303，中國國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）進(jìn)行驗(yàn)證，Cr、Hg、As 的回收率分別為95.5%－103.6%、93.8%－102.5%和91.9%－97.2%，測(cè)試樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均小于10%。

全氮（TN）采用K9840 海能凱氏定氮儀測(cè)定；pH 采用賽多利斯PB-21pH 計(jì)測(cè)定（土水質(zhì)量比1:5浸提液）；總?cè)芙庑怨腆w（TDS）采用105℃重量法測(cè)定（土水質(zhì)量比1:5 浸提液）；土壤粒徑分布分析采用德國SYMPATEC RODOS 激光粒度儀測(cè)定；土壤含水率（θ）采用(105±2)℃烘干法測(cè)定。土壤樣品均依據(jù)土壤檢測(cè)NY/T1121—2006 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析及質(zhì)量控制。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

依據(jù)王國梁等（2005）推導(dǎo)的土壤分形模型，計(jì)算土壤分形維數(shù)D。公式如下：

式中：

V(r

VT——土壤顆粒的總體積；

R——某一粒經(jīng)的特征尺度；

λV——土壤粒徑分級(jí)中最大的粒級(jí)值；

D——土壤顆粒的體積分形維數(shù)。

統(tǒng)計(jì)學(xué)特征分析、相關(guān)性分析和K-S 檢驗(yàn)分析采用SPSS 軟件完成，半變異函數(shù)分析通過GS+9.0軟件完成，RDA 采用Canoco5.0 軟件分析完成。利用ArcGIS10.5 進(jìn)行插值分析，利用Origin 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 吉蘭泰鹽湖盆地土壤理化指標(biāo)分析

不同深度土層土壤理化指標(biāo)的基本特征參數(shù)見表1，土壤理化指標(biāo)箱型分布如圖2。數(shù)據(jù)分析表明，土壤分形維數(shù)D、pH 值在不同深度土層中無顯著差異，研究區(qū)分形維數(shù)D在1.67－2.79 之間，平均值均小于2.5，變化范圍較大。研究區(qū)土壤質(zhì)地類型為風(fēng)成沙土，顆粒較粗，因此分形維數(shù)D值偏小。土壤pH 變化范圍在7.58－10.4 之間，研究區(qū)巴音烏拉山北部與東南賀蘭山的低山丘陵地帶土壤pH值明顯高于吉蘭泰鹽湖東部和西部區(qū)域。土壤TDS值的范圍在0.113－29.4 g·kg?1之間，變化區(qū)間較大，且吉蘭泰鹽湖周邊TDS 明顯高于其它地區(qū)。鹽湖周邊及緊鄰鹽湖的東側(cè)和北側(cè)采樣點(diǎn)附近存在TDS嚴(yán)重超標(biāo)點(diǎn)和超標(biāo)區(qū)域。土壤總氮的變化范圍在33.6－643 mg·kg?1之間，隨土層深度加深逐漸減小。土壤含水率在0.11%－25.6%之間，隨土層垂向加深含水率明顯增加。從總體分布特征上分析，研究區(qū)各層土壤中理化指標(biāo)分布規(guī)律無明顯差異。

表1 不同深度土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristics of soil physical and chemical indicators at different depths

圖2 土壤理化指標(biāo)箱型分布圖Figure 2 Box type distribution map of soil physical and chemical indicators

2.2 土壤重金屬統(tǒng)計(jì)特征分析

基于研究區(qū)50 個(gè)采樣點(diǎn)表層、50 cm、100 cm土層深度的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同深度土壤重金屬統(tǒng)計(jì)學(xué)特征（表2）。土壤重金屬Cr 濃度最大值出現(xiàn)在100 cm，為63.5 mg·kg?1，最小值出現(xiàn)在表層，為2.90 mg·kg?1，數(shù)據(jù)區(qū)間較大。土壤重金屬Cr 含量的偏度為0.413－0.533，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)均值右側(cè)分散。峰度為0.411－1.46，表明數(shù)據(jù)分布不均衡，出現(xiàn)極值。土壤重金屬Hg 在各土層的含量分布特征基本相同，呈現(xiàn)右偏不均勻分布。各層最大值、最小值范圍及均值近似一致，數(shù)值在0.002－0.602 mg·kg?1之間。土壤重金屬As 濃度在0.02－21.8 mg·kg?1之間，變幅較大，最大值、最小值均出現(xiàn)在100 cm層。依據(jù)偏度峰度分析土壤重金屬As 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)均值左側(cè)偏移且分布不均衡。表層、50 cmCr 與各土層Hg、As 變異系數(shù)均大于36%，樣本數(shù)據(jù)呈現(xiàn)離散狀態(tài)（楊陽等，2014；張阿龍等，2018）。整體上看，內(nèi)蒙古地區(qū)背景值（中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1990）均在各層Cr、Hg、As 的最大值和最小值區(qū)間之內(nèi)，說明研究區(qū)存在Cr、Hg、As 的超標(biāo)點(diǎn)或局部超標(biāo)區(qū)域。研究區(qū)范圍內(nèi)的土地利用類型主要為牧草地，土壤pH 變化范圍7.58－10.4 之間（大于7.5），均為旱地，對(duì)比國家農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)值（中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部等，2018），研究區(qū)各層土壤的Cr、Hg、As 濃度均滿足國家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同深度土壤重金屬統(tǒng)計(jì)學(xué)特征Table 2 Statistical characteristics of heavy metals in soils at different depths

2.3 土壤重金屬空間變異及分布特征分析

本文運(yùn)用半方差函數(shù)研究土壤重金屬空間分布及相關(guān)特征。依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)特征研究區(qū)各層土壤重金屬Cr、Hg、As 數(shù)據(jù)的偏度在區(qū)間[?1,1]內(nèi)（Alemi et al.，1988），呈正態(tài)或接近正態(tài)分布。將不符合正態(tài)分布的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，應(yīng)用K-S 檢驗(yàn)，結(jié)果顯示經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后各層土壤數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。

應(yīng)用GS+9.0 對(duì)研究區(qū)各層土壤Cr、Hg、As數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析計(jì)算，結(jié)果見表3。不同土層重金屬Cr 的最佳擬合模型不同，表層、50 cm層Cr 的擬合模型是球狀模型，100 cm 層的擬合模型是高斯模型。重金屬Hg 表層、50 cm 層的最佳擬合模型是高斯模型，100 cm 層的擬合模型是指數(shù)模型。重金屬As 各土層的最佳擬合模型均為高斯模型。3 種重金屬各層模型擬合度均大于0.8，在0.804－0.998 之間，表明所選擇模型均能反映分析樣本的空間分布特征。

表3 不同深度土壤重金屬含量的半方差函數(shù)模型與參數(shù)Table 3 Semi variance function model and parameters of heavy metal content in soil at different depths

由表3 結(jié)果可知，Cr 和Hg 兩種金屬各土層的塊基比數(shù)值變化在0.063%－14.8%之間，均在小于25%的范圍之內(nèi)，表明Cr 和Hg 具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，說明土壤母質(zhì)、氣候環(huán)境等自然因素在土壤Cr 和Hg 含量形成過程中是主要影響因素（孫波等，2002；樊燕等，2007）。As 元素的表層、50 cm層塊基比分別為25.8%、32.4%，位于25%－75%范圍之內(nèi)，屬于中等程度的空間自相關(guān)；而As 的100 cm 層塊基比為0.042%，屬于顯著的空間自相關(guān)。總體來分析，As 元素的表層和50 cm 層空間變異影響因素是由自然因素和隨機(jī)因素協(xié)同作用，而100 cm 層的空間變異影響因素則由自然因素起主導(dǎo)作用，同時(shí)也說明人類農(nóng)牧業(yè)活動(dòng)對(duì)較深層土壤影響較小。

本文依據(jù)半方差函數(shù)擬合模型，利用ArcGIS 10.5 采用反距離權(quán)重法，繪制了研究區(qū)不同深度土壤重金屬空間分布圖（圖3）。

圖3 不同深度土壤重金屬空間分布圖Figure 3 Spatial distribution map of heavy metals in soil at different depths

從空間分布特征上分析，研究區(qū)各土層重金屬Cr、Hg 含量分布規(guī)律基本一致。各層重金屬Cr 的高值區(qū)主要在吉蘭泰鹽湖盆地西北部的溝谷臺(tái)地、烏蘭布和沙漠北部和圖格力高勒溝谷地區(qū)，尚特高勒西南和賀蘭山地區(qū)是Cr 含量的低值區(qū)。由不同層位對(duì)比分析可知，3 層土壤Hg 含量具有相似的空間分布特征，其高值區(qū)主要分布于圖格力高勒溝谷下游臺(tái)地以及錫林高勒鎮(zhèn)西南部地區(qū)。西北部的巴音烏拉山、烏蘭布和沙漠地區(qū)均為低值區(qū)，其中50 cm、100 cm 土層，在吉蘭泰鹽湖北部和烏蘭布和沙漠中部區(qū)域，有零星分布的塊狀高值區(qū)。表層土壤As 從巴音烏拉山到賀蘭山呈現(xiàn)帶狀分布的高值區(qū)，鹽湖以西、錫林高勒鎮(zhèn)西南以及烏蘭布沙漠西南部地區(qū)含量較低。50 cm 土層由吉蘭泰鹽湖周邊區(qū)域東到烏蘭布和沙漠、南到賀蘭山地區(qū)As 含量較高，巴音烏拉山為As 的中值區(qū)，鹽湖以西及錫林高勒鎮(zhèn)西南地區(qū)為低值區(qū)。100 cm 土層鹽湖西部及賀蘭山北部為As 的低值區(qū)，鹽湖周邊、烏蘭布和沙漠西部和圖格力高勒溝谷臺(tái)地呈現(xiàn)斑塊狀高值區(qū)。

吉蘭泰鹽湖西北部的溝谷臺(tái)地、圖格力高勒溝谷及尚特高勒西南低山臺(tái)地地區(qū)，地下水水力坡度小，徑流較弱，在地下水埋深較淺區(qū)域，地下水通過毛細(xì)作用不斷向地表運(yùn)移，在地表高溫蒸發(fā)條件下，地下水中的重金屬開始富積在土壤中，地表發(fā)生積水后，通過水化學(xué)交換和溶濾等作用，重金屬又進(jìn)入地下水，周而復(fù)始，導(dǎo)致該區(qū)域地下水和土壤中的重金屬濃度增加，高于內(nèi)蒙古地區(qū)背景值。圖格力高勒溝谷是東南側(cè)臺(tái)地和西北側(cè)山前沖洪積扇的地貌分界線，西北側(cè)巴音烏拉山山前沖洪積平原地形高差較大，地勢(shì)較高的上游地區(qū)存在含重金屬礦物，被雨水沖刷到下游低山臺(tái)地形成累積。

在區(qū)域成壤環(huán)境中，土壤元素的空間分布特征取決于成土母巖的組成及環(huán)境演變的驅(qū)動(dòng)（王誠煜等，2021）。研究區(qū)各元素不同層位濃度空間分布特征基本相似，重金屬由深度至地表含量無明顯升高，未呈現(xiàn)出“表聚性”特征，說明農(nóng)牧業(yè)活動(dòng)、工業(yè)活動(dòng)等人為因素對(duì)土壤重金屬的環(huán)境演變影響較小，主要受到成土母質(zhì)、水文地質(zhì)、氣候、地形等自然因素驅(qū)動(dòng)。

2.4 Cr、Hg、As 與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性

對(duì)研究區(qū)3 層土壤Cr、Hg、As 數(shù)據(jù)與相應(yīng)采樣點(diǎn)的土壤基本理化指標(biāo)分形維數(shù)D值、pH 值、總?cè)芙庑怨腆wTDS、總氮TN、含水率θ指標(biāo)，應(yīng)用SPSS24.0 進(jìn)行典型相關(guān)性分析，逐對(duì)提取相關(guān)系數(shù)于表4。

表4 不同深度土壤重金屬與土壤理化指標(biāo)相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between soil heavy metals and soil physical and chemical indicators at different depths

分析結(jié)果表明，3層土壤中Cr與土壤分形維數(shù)、TDS 呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P<0.01 顯著水平），相關(guān)系數(shù)分別為0.549、0.512、0.465 和0.434、0.388、0.444；與表層含水率表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)（P<0.01顯著水平），相關(guān)系數(shù)為0.457；與50 cm，100 cm層含水率以及3 土層pH 和總氮均沒有顯著相關(guān)性。Hg與分形維數(shù)為極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01顯著水平），相關(guān)系數(shù)分別為?0.382、?0.379、?0.376；與pH 為極顯著正相關(guān)（P<0.01 顯著水平），相關(guān)系數(shù)分別為0.355、0.385、0.385；與表層總氮表現(xiàn)為顯著正相關(guān)（P<0.05 顯著水平），相關(guān)系數(shù)為0.291；與50 cm，100 cm 層總氮以及3 土層TDS 和含水率沒有顯著相關(guān)性。As 與50 cm，100 cm 層分形維數(shù)表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)（P<0.01 顯著水平），相關(guān)系數(shù)分別為0.604、0.501；在表層與分形維數(shù)為顯著正相關(guān)（P<0.05 顯著水平），相關(guān)系數(shù)為0.288；As 與pH 表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，但只在50 cm 層具有顯著性（P<0.05 顯著水平），相關(guān)系數(shù)為?0.329；As 在50 cm、100 cm 層與TDS 相關(guān)系數(shù)分別為0.346（P<0.05顯著水平）、0.406（P<0.01 顯著水平），在表層與TDS 沒有顯著相關(guān)性；As 與總氮和含水率在3 土層均沒有顯著相關(guān)性。

2.5 土壤重金屬與理化指標(biāo)的冗余分析

為進(jìn)一步了解土壤理化性質(zhì)對(duì)重金屬的影響，本研究應(yīng)用Canoco5.0 軟件進(jìn)行這兩類因子相關(guān)性的冗余分析。表層、50 cm 層和100 cm 層各采樣點(diǎn)土壤重金屬Cr、Hg、As 作為3 個(gè)3×50 維矩陣Species，土壤理化指標(biāo)D、pH、TDS、TN、θ作為3 個(gè)5×50 維矩陣Environment。原始數(shù)據(jù)首先進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化的歸一化處理，經(jīng)過499 次Mont Carlo 檢驗(yàn)排序軸特征值的顯著性檢驗(yàn)，RDA 分析獲得土壤理化指標(biāo)對(duì)各重金屬元素變異貢獻(xiàn)率排名，獲得如表5、圖4 的分析結(jié)果。

表5 RDA 土壤理化指標(biāo)貢獻(xiàn)率排序Table 5 Ranking of contribution rate of soil physical and chemical indicators of RDA

RDA 分析可得出土壤理化因子對(duì)重金屬Cr、Hg、As 變異特征的解釋量。表層土壤第一軸、第二軸的解釋率分別為31.8%、23.9%，累計(jì)解釋率為55.7%，經(jīng)P值校正，得到前兩個(gè)排序軸的P值均為0.002（P<0.05）的顯著水平。按貢獻(xiàn)率對(duì)5 項(xiàng)理化因子進(jìn)行篩選，分形維數(shù)（P=0.002）、pH（P=0.030）和TDS（P=0.032）對(duì)表層各采樣點(diǎn)土壤重金屬的影響為顯著水平（P<0.05），而總氮、含水率為非顯著水平（P>0.05），說明分形維數(shù)、pH和TDS 是影響土壤重金屬變異的關(guān)鍵理化因子。50 cm 層土壤第一、二兩個(gè)排序軸解釋率分別為36.8%、29.3%，累計(jì)解釋率為66.1%。100 cm 層土壤的前兩個(gè)排序軸的解釋率為36.0%、28.2%，累計(jì)64.2%；且50 cm層和100 cm前兩個(gè)排序軸的P值均為0.002（P<0.05）的顯著水平。由表5、圖4 數(shù)據(jù)結(jié)果可知，表層、50 cm 層和100 cm 層土壤重金屬變異對(duì)各理化指標(biāo)的響應(yīng)具有相同的規(guī)律，即分形維數(shù)、pH 和TDS 是影響土壤重金屬變異的主要理化指標(biāo)，貢獻(xiàn)率排序?yàn)榉中尉S數(shù)>pH>TDS>總氮>含水率。在所有土層中分形維數(shù)D對(duì)重金屬Cr、As 產(chǎn)生正向影響，對(duì)重金屬Hg 產(chǎn)生負(fù)向影響，且相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平0.002（P<0.01）。所有土層中土壤pH 對(duì)土壤重金屬Cr、As 產(chǎn)生負(fù)向影響，對(duì)重金屬Hg 產(chǎn)生顯著正向影響。TDS 在3 層土壤中均與重金屬Cr 具有顯著正向影響，在50 cm、100 cm 土層中與重金屬As具有顯著正向影響。土壤總氮與重金屬Cr 呈現(xiàn)正向影響，與As 呈現(xiàn)負(fù)向影響。土壤含水率對(duì)重金屬Cr、As 產(chǎn)生正向影響，對(duì)重金屬Hg 產(chǎn)生負(fù)向影響。不同土層深度重金屬及理化因子的分布很好地展示在RDA 排序圖中，結(jié)合典型相關(guān)性分析結(jié)果（表4）可以明顯看出，研究區(qū)土壤分形維數(shù)D對(duì)土壤3 種重金屬的影響均起主導(dǎo)性作用。

3 討論

土壤重金屬形態(tài)、含量特征受土壤理化性質(zhì)的影響，其在土壤中的殘留、遷移及轉(zhuǎn)化與土壤環(huán)境密切相關(guān)（Junta et al.，2000）。綜合分析可知，研究區(qū)土壤分形維數(shù)是土壤重金屬變異的最大影響因子，說明自然因素是土壤Cr、Hg、As 形成過程中是主要影響因素。吉蘭泰鹽湖地區(qū)是阿拉善左旗以鹽業(yè)和石材加工業(yè)為主的重點(diǎn)工業(yè)區(qū)，在西北部的巴音烏拉山中也有零星分布的采礦業(yè)，人口2 萬余人，但工業(yè)、企業(yè)和人口主要集中在吉蘭泰鎮(zhèn)所在地，在廣闊的吉蘭泰盆地平原區(qū)荒漠草原中，人煙稀少，人類活動(dòng)主要以放牧業(yè)為主，不具備重金屬污染源條件，即使偶見小型工業(yè)企業(yè)，影響范圍十分有限。Cr、Hg 和As 在吉蘭泰地區(qū)土壤中普遍存在，鹽湖盆地表層土壤中Cr、Hg、As 形成受到成土母質(zhì)、天然水文地球化學(xué)作用和氣候條件等綜合作用的影響，局部受到人類活動(dòng)的擾動(dòng)，這與張阿龍等（2020）在吉蘭泰鹽湖盆地的研究結(jié)果一致。其濃度大小具有空間分布變異性，是區(qū)域成巖礦物在典型干熱氣候風(fēng)化和水文地球化學(xué)過程中，經(jīng)水化學(xué)過程、水文過程、蒸發(fā)濃縮過程等綜合作用下形成于土壤中，符合旱區(qū)盆地物理化學(xué)特征天然形成規(guī)律。土壤分形維數(shù)是反映土壤組成、粘粒含量等土壤自然固相結(jié)構(gòu)的定量指標(biāo)。土壤質(zhì)地對(duì)重金屬元素的富集和賦存形態(tài)的影響，與土壤顆粒組成有關(guān)（鐘曉蘭等，2009），不同粒徑的土壤顆粒與有機(jī)礦物質(zhì)的結(jié)合方式不同，對(duì)重金屬的吸附能力存在差異（吳江瑛，2013）。粘粒或粉粒對(duì)Cr 吸附性好，且在小于2 μm 的土壤顆粒中可大量聚集，而砂粒對(duì)Hg 吸附性好（張達(dá)政，2013）。風(fēng)沙土中重金屬Cr、As 均與粘粒、粉粒正相關(guān)（代豫杰等，2017）。這與本研究分形維數(shù)D對(duì)重金屬Cr、As產(chǎn)生顯著正向影響，對(duì)重金屬Hg 產(chǎn)生顯著負(fù)向影響的結(jié)果一致，因?yàn)橥ㄟ^對(duì)土壤分形維數(shù)與土壤粒徑分布相關(guān)性的分析結(jié)果表明研究區(qū)土壤分形維數(shù)與粘粒和粉粒為顯著正相關(guān)，與粗砂、中砂、細(xì)砂呈顯著負(fù)相關(guān)。

土壤pH 是反映土壤化學(xué)性質(zhì)的綜合性指標(biāo)。pH 通過改變重金屬的理化和生態(tài)環(huán)境影響重金屬的形態(tài)和含量。張達(dá)政（2013）研究認(rèn)為土壤中重金屬的活性隨pH 的升高而降低；同時(shí)在堿性條件下Cr 在包氣帶中相對(duì)穩(wěn)定，而Hg 和As 易于轉(zhuǎn)化為水溶態(tài)和離子交換態(tài)。酸性條件可降低某些重金屬的吸附作用（吳江瑛，2013）。許多研究表明pH對(duì)重金屬的影響比較復(fù)雜，可能是因?yàn)閜H 的變化會(huì)引起土壤微生物、有機(jī)養(yǎng)分、氧化物膠體等因素的綜合化學(xué)反應(yīng)（王文棟等，2021）。本研究中土壤pH 對(duì)重金屬Cr、As 產(chǎn)生負(fù)向影響，對(duì)Hg 產(chǎn)生正向影響，要探究其影響的內(nèi)在機(jī)理還需對(duì)Cr、Hg、As 在土壤中的存在形態(tài)做進(jìn)一步研究。土壤的總?cè)芙庑怨腆w反映的是土壤的水溶性鹽分狀況，是當(dāng)?shù)馗蔁釟夂颉⒌孛病⑺牡厍蚧瘜W(xué)過程等綜合作用下形成的。對(duì)土壤的作用是由其化學(xué)組成和數(shù)量決定的，溶解性離子通過改變土壤表面的電荷來影響金屬的吸附和解吸（吳江瑛，2013）。有研究表明，土壤淋洗過程隨土壤中鹽分減少Cr 含量明顯降低（劉亞男等，2011），環(huán)境的氧化還原性會(huì)影響Cr、Hg、As 的離子形態(tài)（張達(dá)政，2013）。由于吉蘭泰地區(qū)土壤包氣帶呈弱堿性氧化環(huán)境，當(dāng)降水或地表水在土壤中滲透時(shí)有利于重金屬的遷移，上層土壤中的重金屬溶解并逐漸聚集到含水層中，在水土共存相中富積（Banks et al.，2009；陳培培，2015；王喬林等，2021）。通過對(duì)吉蘭泰地區(qū)水體、土壤的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，水體和土壤中存在大量的氯離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子和硫酸根離子，這些離子恰好是Cr、Hg、As 的配位體，可與其結(jié)合成絡(luò)合離子存在于土壤中（白利平等，2009；李琳麗等，2022）。大量的氯離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子和硫酸根離子的存在正是吉蘭泰地區(qū)TDS 含量普遍偏高的原因。

有研究指出，微生物群落結(jié)構(gòu)的變化與土壤金屬含量有關(guān)，總氮是影響微生物多樣性和群落組成的最主要因素（Liao et al.，2018），因此總氮通過對(duì)微生物的調(diào)節(jié)作用來影響重金屬的含量。余斐等（2022）的研究結(jié)果表明森林土壤總氮與鉻含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與汞含量呈顯著正相關(guān)，這與本文研究結(jié)果總氮與土壤重金屬之間均沒有顯著相關(guān)性有所不同。可能是森林土與旱區(qū)沙漠風(fēng)沙土不同的生態(tài)環(huán)境造成的，說明土壤重金屬對(duì)氮的響應(yīng)是個(gè)復(fù)雜的過程，土壤氮通過影響土壤微生物的功能和活性，改變植物的生理活動(dòng)從而影響重金屬的分布。土壤含水率的變化會(huì)改變土壤養(yǎng)分和理化環(huán)境進(jìn)而影響重金屬的形態(tài)（姚靜等，2021；張?zhí)m等，2022）。大量研究表明土壤含水率對(duì)重金屬的影響主要表現(xiàn)在溶解、遷移和富集。大多數(shù)金屬元素在表層土中富集后受降雨的影響向下遷移沉積（吳敏，2021；曾昭嬋等，2016），但遷移能力會(huì)受土壤環(huán)境的影響。土壤各理化因子與重金屬賦存相關(guān)性的內(nèi)在機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）吉蘭泰鹽湖盆地流域土壤重金屬Cr、As含量分別介于2.90－63.5 mg·kg?1和0.02－21.8 mg·kg?1之間，變幅較大。土壤重金屬Hg 在各土層的含量分布特征基本相同，數(shù)值在0.002－0.602 mg·kg?1之間。研究區(qū)Cr、Hg、As 均存在超內(nèi)蒙古地區(qū)背景值的點(diǎn)或局部區(qū)域，但滿足國家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)。

（2）吉蘭泰鹽湖盆地流域土壤母質(zhì)、氣候環(huán)境等自然因素在土壤Cr 和Hg 含量形成過程是主要影響因素。As 元素的表層和50 cm 層空間變異影響因素是由自然因素和隨機(jī)因素協(xié)同作用，而100 cm層則由自然因素起主導(dǎo)作用。

（3）吉蘭泰鹽湖盆地流域表層、50 cm 層和100 cm 層土壤重金屬變異對(duì)各理化指標(biāo)的響應(yīng)具有相同的規(guī)律。在所有土層中分形維數(shù)D對(duì)重金屬Cr、As 產(chǎn)生顯著正向影響，對(duì)重金屬Hg 產(chǎn)生顯著負(fù)向影響。分形維數(shù)D對(duì)重金屬的影響起主導(dǎo)性作用，pH 值、TDS 次之，總氮和含水率影響最小。