周妍姿，王钧，曾辉，朱悦山

北京大学深圳研究生院城市规划与设计学院，广东 深圳 518055

内蒙古土壤重金属的空间异质性及污染特征

周妍姿，王钧，曾辉*，朱悦山

北京大学深圳研究生院城市规划与设计学院，广东 深圳 518055

内蒙古矿产资源丰富，随着工业化程度的提高，内蒙古地区重金属污染问题日益严重。为全面了解内蒙古地区土壤重金属的空间特性以及不同条件下的响应，并为土壤治理维护提供理论依据，利用内蒙古16个样点的土壤剖面样品，通过微波消解的前处理方法，采用电感耦合等离子光谱发生仪以及电感耦合等离子体质谱仪测定所有土壤样品中的Ni、Mn、Cr、Cu、Zn、As和Pb重金属的浓度。在此基础之上分析7种重金属含量的变异性特征、水平和垂直分布格局、各重金属元素以及自然条件之间的相关性，并以内蒙古土壤环境背景值为参照标准，采用单因子污染指数法和综合污染指数法对内蒙古土壤中重金属污染特征进行评价。结果表明，土壤样品中Ni、Mn、Cr、Cu、Zn、As和Pb重金属的平均含量水平分别为31.52、188.76、35.62、27.72、33.65、45.35、35.62 mg·kg-1；所有重金属类型变异性均较高，意味着影响土壤重金属含量的自然和人为因素的区域分异极为强烈；西部地区Ni、Mn、Cr、Zn含量较高，而东部地区Cu、Pb较高；不同重金属类型的剖面分布大体表现为两种不同格局，显示出明显的纵向迁移能力差异；各样点土壤中Ni和Cr、Ni和Zn、Mn和Cu、Cr和Zn、Cu和 Pb具有显著的共生特征，Zn、As、Pb对自然条件变化表现出明显的反应；表层土壤 7种重金属污染依次为：As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>Mn；3种草原类型的综合污染指数均属于严重污染，荒漠草原Ni、Cr、Zn污染较高，草甸草原对Cu、Pb有富集作用，典型草原As较高。

内蒙古草原；土壤；重金属；污染特征；空间特征

土壤是人类赖以生存和发展的重要自然环境介质与农业生产资源，随着城市化和工业化的发展，土壤重金属和有机农药等污染问题成为限制农业可持续发展的重要因素（秦永生等，2008）。由于土壤重金属污染问题会引起食品安全和公共健康等一系列衍生问题，因而成为国内外普遍关注的热点问题。内蒙古地区过去十余年来处于高速城镇化、工业化发展阶段，涉重行业比例较高、布局不尽合理，重金属污染综合防治基础薄弱，需要强化基础研究，以期为今后的污染管控工作提供基础研究支持。

以往区域重金属污染研究多为局部点、线源重金属污染调查与评价（王再岚，2005），或者针对特定农产品类型进行重金属污染区域普查与分析（郭伟等，2011），关于不同草原地区土壤全剖面重金属污染调查与评价工作还比较少见。本研究拟在内蒙古地区不同草原类型典型土壤剖面采样调查的基础上，进行全剖面土壤Ni、Mn、Cr、Cu、Zn、As和Pb 7种重金属测定，分析土壤重金属的空间分异格局，探讨不同重金属元素浓度及自然条件之间的相关性，综合评价不同草原类型土壤重金属的污染程度（Facchinelli et al.，2001；Shine et al.，1995；Sun et al.，2010），为系统认识内蒙古土壤重金属污染的基本特征，提供基础研究积累（夏星辉等，1997）。

1 材料与方法

1.1 实验材料

试验样品于2013年7─8月采自内蒙古草原地区，分草甸草原、典型草原和荒漠草原3个不同类型设置16个样点（图1）。样点周围均属人为干扰较小的放牧区或未利用地。采用随机取样方法，每个样点设3个1 m深土壤剖面。土样采集深度分别为第1层0～10 cm、第2层10～20 cm、第3层20～40 cm、第4层40～60 cm、第5层60～100 cm。土壤样品采集后去除沙砾、植物根系等异物，避光自然风干，采用四分法取样并研磨过100目尼龙筛。

图1 内蒙古样点分布图Fig. 1 Distribution of sampling sites in Inner Mongolia

1.2 分析方法

样品采用经预实验加以改的EPA3051A方法进行微波消解，每个样品设3个重复。测定过程中全部使用 BVⅢ的化学试剂和超纯水，并采用国家标准土壤样品（GSS-6）进行分析质量控制。内标法校正溶液中重金属离子含量，使用电感耦合等离子光谱发生仪（ICP）以及电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定土壤中Ni、Mn、Cr、Cu、Zn、As和Pb 7种重金属的浓度。

采用ArcGIS 10.0软件分析重金属在空间上的变化，并利用SPSS 16.0软件分析重金属含量平均值、标准差和相关性等参数。选用单因子污染评价法分析各个重金属元素的污染指数，公式如下：

式中，Pi为i元素的污染指数，Ci为i元素的实测浓度，Si为i元素的评价标准，采用的标准为内蒙古背景值（中国环境监测总站，1990）。

利用单项污染综合指数分析不同草原类型下各重金属的污染程度：

式中，P为i元素n个样品中的平均污染指数；n为该草原类型参与计算的样品数量。

并且选取内梅罗综合指数评价不同草原类型的综合污染：

式中，Pn为内梅罗综合指数；Pave为多个元素单项污染综合指数平均值；Pmax为多个元素单项污染综合指数最大值（表1）。

表1 土壤重金属污染指数分级标准Table 1 The grading standards of Muller index

表2 内蒙古重金属的描述性统计分析Table 2 Descriptive statistics of heavy metal concentrations in Inner Mongolia

2 结果与分析

2.1 重金属的描述性统计分析

表2为内蒙古16个样点土壤样品中的7种重金属含量的统计特征分析结果，其中变异系数可以反映采样总体中各样点之间的平均变异程度（钟晓兰等，2007）。变异系数大，表明不同样点重金属浓度差异大，自然和人为影响因子的区域分异程度高；变异系数小，意味着各样点重金属浓度分布较为一致，土壤重金属浓度的内外部影响因子较为一致，或者统一受更大尺度的某种强地域性影响因素的控制（Robertson et al.，1993）。从表3中可以看出，Ni、Mn、Zn、Cu 4种重金属元素的的变异系数较高，基本都在15%以上；Cr和Pb次之，在5%～10%之间；As元素的变异系数均较小，低于5%。考虑到内蒙度地区是我国黑色金属和重稀土矿藏的重要开采、加工基地，可以断定至少4种变异系数较大的重金属类型，其土壤中的浓度分布一定程度上受到人为活动的强烈影响（叶华香等，2011）。

表3 重金属间的相关性分析Table 3 Correlation coefficients of the 7 heavy metals

2.2 重金属的水平分布格局分析

对内蒙古土壤水平方向上的变化分析发现Ni、Mn、Cr、Zn在内蒙古西部地区出现较高的峰值。内蒙古西部Ni、Mn、Cr、Zn偏高是由于西部包头等市是内蒙古的制造业、工业中心，其矿产资源丰富，开采活动频繁。相较于其他地区，内蒙古矿业处于草原生态系统中，其较弱的抗干扰能力使得生态环境问题具有其特殊性。矿石的加工、运输、储存，尾矿的堆积等都会造成重金属的积累（黄小娟等，2014）。同时西部地区第二产业迅速发展，工厂排放的大量污水和快速城市化进程也影响该区重金属含量（柳云龙等，2012）。以上4种元素的分布有一定的相似性，但具有各自的特点：Ni、Cr、Zn呈现出西高东低的特点，在四子王达到最高；而Mn含量东西高、中间低，达茂、四子王和八大明显高于其他地区。

东部地区除Mn含量较高外，Cu、Pb含量也明显突出，表现出由西至东逐渐增长的趋势。由于内蒙古东部地区多黑土、黑钙土、棕壤土，土壤质地粘重、有机质含量较高，对各重金属元素有较强的螯合和吸附能力，使得积累增加（Rodrigues et al.，2013）。同时由于该区地势低洼，重金属不易随水流失。从图2中可以看出额尔古纳地区Mn、Cu、Pb含量最高，是因为截至2008年，额尔古纳市境内已发现7类19种矿产，其数量占呼伦贝尔市发现矿产种类的29%，其中包含铅锌矿，八大关铜钼矿床等（侯召硕，2014）。土壤As的含量在经纬度上没有明显的分布规律，除伊金、东胜外，总体呈现东高西低的特点。As的变化随着水分变化有一定关系，在伊金、塞罕坝达到最高，而达茂、四子王、苏右、苏左等地区降水量少，As含量较低（胡克林等，2004）。

2.3 重金属的剖面分布格局分析

图3为7种重金属在不同土层中的浓度分布情况，总体呈现随着剖面深度增加浓度不断减少的分布格局。其剖面分布形式大致可以分成两种不同类型：Ni、Mn、Zn 3种元素第1层含量居首，随剖面深度逐渐递减，其中Ni和Mn在第4层含量迅速降低，而Zn第1层与第2层含量差距较大，证明Zn元素的纵向迁移能力较差；Cr、Cu、As和 Pd虽然也呈递减态势，但其峰值分布区域位于剖面的第2层，与Ni、Mn、Zn较为一致性的格局特征是土壤剖面下层浓度的变化趋势。不同元素类型的剖面分布格局结果表明，受元素本身的理化性质和内外部因素的影响，其纵向迁移能力和剖面行为特征差异显著（晁雷等，2007；罗泽娇等，2003）。

影响重金属元素土壤剖面迁移和积累的主要影响因素包括土壤质地、有机质、粘粒、pH等指标以及土壤重金属吸附、络合、氧化、还原等理化过程（陈英旭等，1994；余涛等，2008）。由于不同重金属类型对上述环境条件和过程的反应不同，导致某些重金属在土壤剖面分布的显著异质性特征。从图3可以看出，除第一种分布模式的3种重金属类型的峰值分布区域位于土壤第1层外，其余4种重金属类型的峰值分布区域均位于第2层中。综合国内同类研究结果可以确定，这种差异性显然是因为不同土层土壤属性特征和理化过程的差异导致不同重金属类型的局部积累条件差异造成的（卢显芝等，2009）。

2.4 重金属的相关性分析

统计分析方法可以解析不同重金属类型以及其他因素对重金属的关联性和差异性特征，进而为相关异质性分析提供必要线索（李树辉等，2010）。16个样点7种重金属的相关性分析结果如表3所示。结果显示，大多数金属元素类型彼此不存在明显的相关性，表明不同土壤剖面重金属含量不存在统一的发生和发展机制，影响土壤重金属浓度的自然和人为影响因素区域差异显著。不过，Ni和 Cr（r=0.967，P=0.000）、Ni和Zn（r=0.528，P=0.036）、Mn和Cu（r=0.562，P=0.023）、Cr和Zn（r=0.572，P=0.021）、Cu和Pb（r=0.693，P=0.003）表现出极显著或显著的相关性，表明它们之间存在着较好的同源性或伴生性特征，而Zn和Pb（r=-0.498，P=0.050）表现出显著的负相关性。通过对年均温、年降雨量、地上生物量和海拔与各重金属之间关系的分析，进一步证明了自然因素对土壤重金属含量的影响。表3中可以看出，Zn、As、Pb 3种元素对自然条件变化的反应较明显。其中，Zn与年均温呈现出显著的正相关关系（r=0.513，P=0.042），与年降雨量和地上生物量则分别呈现出极显著和显著的负相关（r(年降雨量)=-0.672，P=0.004；r(地上生物量)=-0.606，P=0.013），说明 Zn易随水流失或溶于水中被植物吸收。与之相反，As和Pb表现出对年降雨量显著的正相关（r(As)=0.597，P=0.015；r(Pb)=0.592，P=0.016），这可能是因为水分有利于淋溶，将外界物质带入土壤中，且土壤中水分含量决定了土壤中的氧浓度，水分较多时氧浓度降低，使得非有效的As、Pb转化成有效态，已有研究表明降雨pH越小，砷的淋出量越高（Li et al.，2009；杨晓伟，2013）。与As不同的是，Pb与年均温和海拔呈现极显著的负相关（r(年均温)=-0.738，P=0.001；r(海拔)=-0.633，P=0.009），低温低海拔更利于Pb的累积。

图2 土壤重金属随经纬度变化的空间分布图Fig. 2 Spatial distribution of heavy metal in the soil according to longitude and latitude

图3 土壤重金属随深度变化的空间分布图Fig. 3 Spatial distribution of heavy metal in the soil according to soil depth

2.5 内蒙古土壤重金属污染评价

由于表层土壤直接影响到了人类以及动植物，并且更有效的反应外界干扰情况，因此选取 0～20 cm土层进行污染评价更具有实际意义（Chen et al.，2015）。利用单因子污染指数、单项污染综合指数和内梅罗综合指数对内蒙古地区土壤重金属污染的总体情况，以及不同草原类型污染状况进行了评价，结果如表4、表5所示。依据表4单因子污染指数分析结果可知，内蒙古土壤中7种重金属元素单因子污染指数依次为：As>Pb>Cu>Ni>Cr> Zn>Mn。As、Pb、Cu和Ni均高于背景值，As为严重污染，Cu属于中度污染，Ni和Pb属于轻度污染，而Cr、Zn和Mn属于无污染。上述分析结果表明，内蒙古土壤中的某些毒性重金属污染控制问题应当尽快给予必要的重视。

表4 内蒙古土壤重金属污染状况Table 4 Degrees of soil heavy metal contaminations in Inner Mongolia

表5 内蒙古不同草原类型土壤重金属污染状况Table 5 Degrees of soil heavy metal contaminations in different prairies of Inner Mongolia

从污染程度上来看，不同草原类型重金属污染程度有一定差别。荒漠草原中的 Ni、Cr均高于其他两种草原类型，属于中度污染和轻度污染，且Zn污染综合指数也较高。荒漠草原Ni、Cr、Zn污染高，可能是由于矿石的开采，将地下一定深度的矿物暴露于地表环境，致使矿物的化学形态和存在形式发生改变，加大了重金属向环境释放通量，造成了区域内土壤的污染（Luo et al.，2015）。草甸草原对Cu、Pb有富集作用，单项污染综合指数为2.63和2.95，明显高于其他类型。谢忠雷等研究分析了草甸黑土的吸附特征，也获得了同样的结果。通过吸附热力学、Freundlich方程和Langmuir方程很好地拟合，发现吸附强度为Pb>Cu>As>Ni（谢忠雷等，2000）。典型草原大多数重金属单项污染综合指数均低于草甸草原和荒漠草原，但As含量最高。说明该草原类型下，As富集，对周边土壤有较大的环境威胁。对于综合污染指数，草甸、典型、荒漠 3种草原类型的重金属综合污染指数分别为 5.49、5.50、5.11。结合单项污染综合指数的分析可知，主要是由于As污染比较严重所导致的。

3 结论

（1）所有重金属类型变异性均较高，证明其含量具有显著的空间差异性，也意味着影响土壤重金属含量的自然和人为因素的区域分异极为强烈，其中Ni、Mn、Zn、Cu尤为明显。

（2）Ni、Mn、Cr、Zn在内蒙古西部地区出现较高的峰值，而Cu、Pb表现出由西至东逐渐增长的趋势。土壤As的含量在经纬度上没有明显的分布规律，除伊金、东胜外，总体呈现东高西低的特点。

（3）重金属总体呈现随剖面深度增加浓度逐渐减少趋势。其中Ni、Mn、Zn 3种元素峰值分布于0～10 cm，而Cr、Cu、As和Pd峰值分布于10～20 cm，表明不同重金属在土壤中存在着明显的迁移能力差异。

（4）Ni和Cr、Ni和Zn、Mn和Cu、Cr和Zn、Cu和Pb呈显著或极显著正相关关系，显示出该地区土壤中这几种元素具有显著的共生特征，而 Zn和Pb成显著负相关。Zn、As、Pb对自然条件变化表现出明显的反应：Zn与年降雨量呈现出极显著的负相关，而As和Pb与年降雨量呈现显著正相关；As与地上生物量成显著正相关；Pb与年均温和海拔均呈现极显著的负相关。

（5）内蒙古地区表层土壤7种重金属污染依次为：As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>Mn。As为严重污染，

Cu属于中度污染，Ni和Pb属于轻度污染，而Cr、Zn和Mn属于无污染。荒漠草原上Ni、Cr、Zn污染较高，草甸草原对Cu、Pb有富集作用，而典型草原As较高。3种草原类型的综合污染指数均属于严重污染，主要贡献元素是As。

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Spatial Characteristics of Soil Heavy Metal Pollution in Inner Mongolia, China

ZHOU Yanzi, WANG Jun, ZENG Hui*, ZHU Yueshan
School of urban planning and design, Shenzhen Graduate School, Peking University, Shenzhen 518055, China

Mineral resources in Inner Mongolia are rich, but heavy metal pollution has been getting serious with the process of industrialization. In order to solve the problem of soil heavy metal pollution and understand spatial characteristics of soil metal pollution and their responses to environmental factors, we took soil profile samples from 16 field sites across different grassland types in Inner Mongolia. Heavy metals (i.e., Ni, Mn, Cr, Cu, Zn, As and Pb) in all soil samples were determined by inductively coupled plasma mass spectrometer and inductively coupled plasma mass spectrometer after pretreatment of microwave digestion method. On this basis, we analyzed the spatial variability, horizontal and vertical distributions of the above heavy metals and their relationships with local environmental conditions. Pollution characteristics of heavy metals in soils were observed on the basis of Inner Mongolian background values of single-factor pollution index method and comprehensive pollution index method. The results showed that the average concentrations of Ni, Mn, Cr, Cu, Zn, As and Pb in the sampled soils were 31.52, 188.76, 35.62, 27.72, 33.65, 45.35, and 35.62 mg·kg-1, respectively. Second, all of the seven soil heavy metal types had high spatial variability, and this may be caused by the spatial heterogeneity of natural and anthropogenic factors that influence spatial distributions of soil heavy metals. Third, among the 16 soil profile samples, soil samples in the western part of Inner Mongolia had high concentrations of Ni, Mn, Cr, and Zn, and soil samples in the eastern part of Inner Mongolia had high concentrations of Cu and Pb. All the heavy metals were seperated into two different patterns which showed significant differences in vertical migration ability. Moreover, Ni and Cr, Ni and Zn, Mn and Cu, Cr and Zn, Cu and Pb respectively coexisted in all of the soil samples, and Zn, As and Pb were sensitive to changes in environmental conditions. The concentrations of the seven heavy metals in the soil samples had a clear sequence: As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>Mn. In conclusion, desert, meadow and typical steppes in Inner Mongolia were all in severe levels of heavy metal pollutions. Desert steppes were highly polluted in Ni, Cr and Zn and meadow prairies were enriched of Cu and Pb. Meanwhile, typical steppes contained more As.

Inner Mongolian grasslands; soil; heavy metal; pollution characteristics; spatial characteristics

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.019

X144

A

1674-5906（2015）08-1381-07

周妍姿，王钧，曾辉，朱悦山. 内蒙古土壤重金属的空间异质性及污染特征[J]. 生态环境学报, 2015, 24(8): 1381-1387.

ZHOU Yanzi, WANG Jun, ZENG Hui, ZHU Yueshan. Spatial Characteristics of Soil Heavy Metal Pollution in Inner Mongolia, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1381-1387.

国家重大基础研究专项（2012CB956303）

周妍姿（1990年生），女，硕士研究生，主要从事生态规划及生态修复技术研究。E-mail: ziyan13973326500@126.com *通信作者：曾辉（1964年生），男，教授，博士生导师。E-mail: zengh@pkusz.edu.cn

2015-06-15