新月形沙丘是最典型的风积地貌(Al-Awadhi et al., 2000)，是由风沙流的搬运堆积而形成的横向沙丘，其迎风坡与背风坡在风速、风沙流、粒度特征上差异明显(王丽英等，2013).新月型沙丘表层沉积物既有能反映原有沉积环境特征的沙物质，又有可反映上风向人为排放与自然降尘的大气沉降物质.大气中粉尘颗粒物的来源可以分为自然来源和人为来源两类，其矿物成分、元素组成和磁化率均有明显差异，降尘颗粒物的元素组成是分析大气污染的重要手段之一(李晋昌等，2010).大气输送沉降是环境中微量金属元素传输的重要途径，是环境中生物有效态重金属的主要外部来源(Goforth et al., 2006)，大气沉降的微量金属元素富集沉积在地表，会对地表环境造成潜在危害(Madrid et al., 2002；Ljung et al., 2006)，进而引起其附近沙漠土壤环境质量的恶化与污染(Manta et al., 2002).对于沙漠绿洲区的工业城市而言，大气沉降携带的重金属不仅危及城市环境与人身健康，而且也会危害周边沙漠地区的土壤环境质量.因此，开展新月形沙丘表层粒度特征及重金属含量的研究，对揭示大气沉降物质的来源及其潜在生态危害和污染物的生态风险具有科学意义.

乌海市为内蒙古西部的新兴工业城市，位于乌兰布和沙漠东南边缘，沙漠沿千里山西侧山前冲积平原展布，形成高度为3~50 m的横向新月形沙丘及沙丘链，逼近乌海市城区(左合君等，2005).在东南风的影响下，大气降尘向下风向沙漠输送并沉积.研究表明，乌海市以能源、化工、建材、冶金为主的经济蓬勃发展，“三废”对生态环境危害极大，城市表土重金属存在轻度污染(王博等，2014)，研究区域Pb、Ti等元素表现为相对亏损状态，且Pb含量与背景值相似(桂红杰，2013；王博等，2014)，但在城市附近的沙漠地区表土的重金属含量与富集程度如何尚不清楚.基于此，本文以乌海市边缘典型新月形沙丘及沙丘前降尘为研究对象，分析了降尘与0~10 cm土壤的粒度和重金属元素含量的变化特征，以期揭示其在沙丘尺度上的分布与富集特征，阐明工业化进程对城市周边沙丘的污染过程及生态危害，并为沙丘下方向降尘重金属含量提供一定的基准值.

研究区位于乌海市东南风下风向新月形沙丘群，地理坐标39°30′16.00″~40°19′49.63″N、106°43′36.49″~107°00′42.93″E.该区属于典型的中温带大陆性干旱季风气候，年平均降水量159.8 mm，年蒸发量3289 mm；年平均风速3.1~4.7 m · s^-1，最大风速为28 m · s^-1.全年8 级以上大风日数为15~32 d，最多52 d，大风多集中在4—8月(左合君等，2005)，且以东南风为主(图 1).域内煤、铁、锌、铜、镍、金、银、锗、镉等资源丰富，乌海市及周边地区(包括乌海市、鄂尔多斯市、阿拉善盟)约有200多家高耗能的电石、铁合金、焦炭企业，这些企业规模小、工艺落后，污染环境问题相当突出.研究表明，该地区Cr、Cu、Zn、Fe等金属含量已高出环境背景值，其均值均高于背景值1倍以上(王博，2014).研究区内流动沙丘为新月形沙丘及新月形沙丘链，沙丘边缘紧邻高速公路，丘间低地及平沙地上零星分布有白刺(Nitraria tangutorum.)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon.)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)、沙旋覆花(Inula salsoloides)、沙竹(Psammochloa villosa)等.

图 1(Fig. 1)

图 1 乌海市风向玫瑰图 Fig. 1 Wind rose diagram of Wuhai city

在乌海市东南风下风向千里山冲积平原选取10个典型新月形沙丘采样，沙丘距离乌海市区11 km，距离矿区2~3 km，沙丘间距离约400~600 m，沙丘高度4~10 m，垂直于主风向分布(图 2)，采样时间为2014年10月份，风季过后.同步在乌兰布和沙漠腹地选取沙丘高度相似的沙丘取样作对照值.采样时在每个典型沙丘垂直于沙脊线走向选取断面，沿断面按迎风坡坡脚、迎风坡坡中、丘顶、背风坡坡中、背风坡坡脚采集表层0~10 cm土样，每样点3次重复.将采集的同一样点样品混合均匀后带回室内风干处理.在每个沙丘前50 m处设置降尘缸收集降尘，降尘缸直径200 mm，高300 mm，内衬撑架与沙网，集尘方式为干收集法.所有沙样与降尘样品的粒度组成采用盐酸-双氧水(HCl-H₂O₂)消煮后用Mastersizer2000激光粒度仪测定.重金属含量采用王水-高氯酸(HNO₃-HCl-HClO₄)开放式消煮后(雷鸣等，2008)用TAS-990型原子吸收分光光度计测量.

图 2(Fig. 2)

图 2 沙丘位置分布图 Fig. 2 The distribution of dunes

颗粒机械组成粒径依据美国制(USDA)标准划分为粗砂(0.5~1 mm)、中砂(0.25~0.5 mm)、细砂(0.1~0.25 mm)、极细砂(0.05~0.1 mm)、粉粒(0.002~0.05 mm)和黏粒(＜0.002 mm)6个粒级，沉积物的粒度参数依据Folk和Ward的图解算法公式计算(Folk et al., 1957)，即Φ=-log₂d(d为颗粒直径，mm).把粒径值转变成Φ值后，计算其平均粒径M_z.

应用富集系数法对重金属的富集情况进行评价，其计算公式为：

式中，EF为重金属在沉积物中的富集系数，C_sa、C_ba分别表示样品和背景中元素a的含量，C_sAl、C_bAl分别为样品和背景中Al元素含量.若EF>1，说明该元素相对富集，受到人为活动的影响，若EF≈1，则该元素来源于地壳风化，以此可评价元素的富集程度(马宏瑞等，2009).

为了更明确反映重金属污染的总体趋势，本研究采用污染负荷指数(PLI)对重金属总体污染程度进行评价.污染负荷指数反映了样品中多种重金属元素共同作用的结果，计算公式为：

式中，C_实测为样品中实际元素的含量，C_背景为元素背景值，n为参与评价的样品中重金属元素的种类(Tomlinson et al., 1980；Angulo，1996).

新月形沙丘表层沉积物粒级百分含量从沙丘坡脚至丘顶具有空间差异性(表 1)，极细砂含量变化范围为5.02%~13.68%，平均值为8.83%；细砂含量变化范围为82.47%~88.04%，平均值为85.81%；中砂含量变化范围为2.91%~8.54%，平均值为5.36%.就沙丘部位而言，沙丘各部位沉积物粒度均以细砂为主，平均粒径M_z由两侧坡脚至丘顶变大，表现为坡顶最大(2.43Φ)，迎风坡坡底最细(2.63Φ).本文取同一纬度沙漠腹地高宽比与研究区沙丘相似的新月形沙丘对其分析，极细砂含量变化范围为0.44%~6.25%，平均值为3.23%；细砂含量变化范围为72.40%~80.49%，平均值为76.83%；中砂含量变化范围为16.44%~25.67%，平均值为19.93%；粗砂含量极少约0.02%.平均粒径迎风坡坡中最大(2.35Φ)，坡顶最小(2.18Φ)，且均表现为丘顶最粗.研究区沙丘迎风坡底极细砂含量为对照沙丘的4.66倍，迎风坡中为1.44倍，坡顶为11.41倍，背风坡中为1.62倍，背风坡底为4.68倍.细砂含量与之基本相似.研究区沙丘迎风坡底中砂含量为对照沙丘的0.2倍，迎风坡中为0.3倍，坡顶为0.45倍，背风坡中为0.35倍，背风坡底为0.19倍.主要区别在极细砂与中砂含量差别上，且研究区沙丘粒度比对照区细.风尘流中较大粒径的颗粒一般都会在源地及周围地区，依靠颗粒自身的重力作用很快沉降，而较小粒径的粉尘物则会被送到远处几百乃至几千或上万公里远的地方(汪季等，2005).对沙丘前降尘粒径的研究发现，降尘主要以极细砂、粉粒为主，约占81.54%，平均粒径为3.59Φ.桂红杰(2013)的研究也表明，上风向沙丘粒度主要以细砂和中砂为主，可见大气降尘在经过城市传输过程中，一些粗的物质如细砂、中砂会被固定沉降，同时产生新的物质来源，使黏粒、粉粒含量显著增加，经过沙丘表面时因风能的改变，使得风沙流所携带的大颗粒物质如极细砂沉降，堆积在沙丘表面上使得沙丘表面极细砂含量增加，造成沙丘表层沙物质细化.

表 1(Table 1)

表 1 研究区与对照区沙丘不同部位及降尘粒级百分含量 Table 1 The percentage of size fraction in different locations of barchan and dustfall

表 1 研究区与对照区沙丘不同部位及降尘粒级百分含量 Table 1 The percentage of size fraction in different locations of barchan and dustfall 研究对象 部位 黏粒 粉粒 极细砂 细砂 中砂 粗砂 Mz/Φ 研究沙丘 迎风坡底 0 0 13.68% 82.47% 3.85% 0 2.63 迎风坡中 0 0 8.98% 86.07% 4.95% 0 2.59 坡顶 0 0 5.02% 86.44% 8.54% 0 2.5 背风坡中 0 0 7.43% 86.02% 6.54% 0 2.43 背风坡底 0 0 9.05% 86.04% 4.91% 0 2.54 降尘 6.20% 32.96% 48.58% 12.26% 0 0 3.59 对照沙丘 迎风坡底 0 0 2.94% 77.47% 19.59% 0.01% 2.26 迎风坡中 0 0 6.25% 77.30% 16.44% 0 2.35 坡顶 0 0 0.44% 80.49% 19.07% 0 2.18 背风坡中 0 0 4.59% 76.51% 18.90% 0.02% 2.29 背风坡底 0 0 1.93% 72.40% 25.67% 0.05% 2.16

考虑到本区域Pb、Ti等元素呈现相对亏损状态，且Pb含量与背景值相似(桂红杰，2013；王博等，2014)，加之Fe、Mn元素的共存性及其分布主要受到岩石地球化学过程影响的特性(Loska et al., 2003)，本文主要选取了当地具有代表性的Fe、Cr、Zn、Cu、Mn元素进行了分析.由表 2可以看出，沙丘表层与降尘中重金属含量均呈现Fe>Mn>Cr>Zn>Cu，沙丘表层重金属质量分数具有较大的空间异质性，其中，Fe、Mn元素均在坡顶达到最大值，Zn、Cu、Cr在迎风坡中达到最大值.变异系数可以反映总体样本中各采样点平均变异程度，变异系数越大，在空间的分布差异越大.研究 区域变异系数表现为Cu>Fe>Zn>Mn>Cr.根据变异程度的分类(马群等，2010)，Mn、Zn含量在空间上为中等变异(15% < CV < 36%)，而Fe、Cu含量为高度变异(CV>36%)，Cu元素在迎风坡底含量达到背风坡底的4倍多，Fe含量坡顶是迎风坡底的3倍多.沙丘表层Mn、Cu、Zn、Cr、Fe富集系数分别为1.25、1.92、1.44、1.18、1.10，降尘中Mn、Cu、Zn、Cr、Fe富集系数分别为1.79、2.51、1.91、2.15、1.23，二者富集系数均大于1.由PLI公式可以得出沙丘表土PLI为1.35，降尘PLI为1.87，而其他学者对于乌海市城市表土PLI的研究为1.2(王博等，2014).可见沙丘与降尘确实受到外来物质的污染，存在轻度污染.

表 2(Table 2)

表 2 沙丘不同部位沉积物重金属的含量 Table 2 Concentrations of heavy metals at different sites of dunes and dustfall

表 2 沙丘不同部位沉积物重金属的含量 Table 2 Concentrations of heavy metals at different sites of dunes and dustfall mg · kg-1 样品 Mn Cu Zn Cr Fe 沙丘 迎风坡底 211.74~378.53 6.50~13.45 14.49~20.84 67.20~74.90 9605.63~16123.75 迎风坡中 161.46~227.66 9.34~19.13 22.91~34.21 80.73~82.32 25858.13~28881.25 坡顶 339.96~340.80 6.81~10.29 11.02~20.17 63.49~78.87 23939.38~34606.25 背风坡中 262.86~272.09 6.18~8.71 14.74~26.62 64.55~81.26 19959.38~26983.75 背风坡底 281.30~355.89 3.97~9.34 18.86~22.16 68.0~68.8 10066.88~14033.13 平均值 283.23±70.29 9.37±4.31 20.70±6.63 73.01±7.39 21005.75±8419.91 变异系数 0.25 0.46 0.32 0.1 0.4 富集系数 1.25 1.92 1.44 1.18 1.1 降尘 平均值 316±20.58 21.27±3.49 37.16±2.14 105.12±45 21458.07±5617.15 富集系数 1.79 2.51 1.91 2.15 1.23 背景值 271.79 7.42 19.77 69.36 26551.34

研究表明，粒径是影响颗粒物中重金属含量的主要控制参数(Zhang et al., 2001；李青芹等，2010；张远等，2013)，沉积物的粒径大小直接影响其比表面积、吸附解吸能力，进而对沉积物中重金属含量产生影响.不同粒径颗粒物吸附重金属的能力差别很大.就本研究区域而言(表 3)，Mn与20~50 μm粒径含量呈显著正相关(p < 0.01)；Cu与 < 50 μm颗粒呈显著正相关(p < 0.01)，与100~250 μm颗粒含量呈显著正相关(p < 0.05)，与250~500 μm颗粒含量呈显著负相关(p < 0.01)，在沙丘部位上表现出迎风坡的含量大于背风坡的含量；Cr、Zn与20~50 μm颗粒含量呈正相关(p < 0.05)，Zn与250~500 μm颗粒含量呈显著负相关(p < 0.05)，坡顶含量最低；Fe与 < 2 μm、50~100 μm、250~500 μm颗粒含量呈显著负相关(p < 0.01)，与2~50 μm颗粒含量呈显著负相关(p < 0.05)，迎风坡底含量最低.除Fe外，重金属含量与细颗粒物质呈正相关，因降尘中含有较多的黏粒、粉粒，故其重金属含量远远大于沙丘表层重金属含量.乌海市城市表土样品中Cr、Cu、Fe与 < 50 μm粒径含量呈极显著正相关(王博等，2014)，而此粒径含量正是降尘中沙物质的主要组成成分，易被侵蚀搬运，造成在沙丘表面的富集.

表 3(Table 3)

表 3 沙丘重金属皮尔森相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficient of heavy metal concentrations and grain size fraction

表 3 沙丘重金属皮尔森相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficient of heavy metal concentrations and grain size fraction Cu Zn Cr Fe 不同粒径含量 < 2 μm 2~20 μm 20~50 μm 50~100 μm 100~250 μm 250~500 μm Mn 0.339 0.456 0.796** 0.434 0.246 0.146 0.712** 0.04 0.116 -0.065 Cu 1 0.944** 0.700** 0.305 0.902** 0.941** 0.913** 0.24 0.445* -0.423** Zn 1 0.819** 0.306 -0.146 0.086 0.543* 0.221 0.223 -0.331* Cr 1 0.604 0.214 0.216 0.359* 0.25 -0.001 -0.031 Fe 1 -0.947** 0.837* 0.625* -0.505** -0.286 -0.471** 注：*p < 0.05，**p < 0.01.

重金属的来源是否相同可以通过研究土壤中重金属含量的相关性来确定.若含量具有相关性，说明来源相同的概率很大；若没有相关性，则说明来源较为复杂.由表 3可知，Cu-Zn、Mn-Cr、Zn-Cr、Cu-Cr之间的Person相关系数分别为0.944、0.796、0.819、0.700，并且通过了0.01水平的检验.说明Cu、Zn、Cr两两具有较强的相关性，可能来源一致;Mn与Cr可能来源一致.其他元素两两之间相关系数均较小.本研究区域Fe-Mn之间呈无显著相关性，但已有的研究认为二者通常是共存的(Loska et al., 2003).由此看出，研究区沙丘表层Fe、Mn不单单来源于地球化学风化和侵蚀等自然作用，也可能来自于人为活动.不同来源组合将导致重金属的累积程度的变化，进而表现出含量上的数值差异.这些元素之间的联系和来源可以通过进一步的主成分分析进行判别.

通过对 5 种元素进行主成分分析(表 4)，提取出特征值较大的2个因子，第1主成分和第2主成分累积方差达到86.45%，可反映5种重金属的主要来源，其中，第1主成分贡献率为66.945%，说明该因子对研究区域重金属来源具有决定性作用.土壤重金属元素载荷量表明(图 3)，主成分1中Cu、Zn、Cr占有较大的负荷，分别为0.834、0.895、0.968，Mn、Fe也占有一定负荷，分别为0.736、0.610.对照前文重金属含量统计分析发现，Cu、Zn、Cr的平均值均接近或高于背景值，同时元素之间的相关性也较强，且实地调查发现当地存在严重的Cr污染，Cu、Zn等为交通污染源的标识元素(Paterson et al., 1999).因此，可以把主成分1视为人为污染因子，主要代表采矿、交通运输及城市生活生产废弃物等人为活动的影响.主成分2的方差贡献率为19.505%，Fe、Mn有较大负荷，分别为0.576、0.439.因Fe、Mn一般被视为常量元素，受地质背景的控制，主成分2可以视为自然源因子.其中，Cr、Mn、Fe在两个主成分中均占有一定负荷.当同一种元素在不同的主成分上均有相当的载荷时，可认为具备两种主成分的来源(Wang et al., 2011).说明这3种元素是混合来源，受到自然地质背景和人类活动的共同控制.对于金属人为来源与自然来源的比例Cu、Zn、Cr都较大，分别为8.95、8.34、7.45，Mn为1.68，Fe为1.06.因本地存在严重的采矿活动，采矿活动中产生的Cr、Cu、Zn表现出较强的迁移性，在矿区土壤富集(崔龙鹏等，2004)，易被风侵蚀搬运，Zn又被广泛用作抗氧剂和清洁剂，汽车尾气排放、轮胎与地面的磨损可以产生含Zn较高的颗粒物.润滑油在高温条件下与空气中的氧气发生氧化反应，腐蚀表面的Zn、Cu等元素，向环境中释放(郭广慧等，2008；王学松等，2006)，造成沙丘表面重金属的富集及污染.

表 4(Table 4)

表 4 主成分特征值分析 Table 4 Eigen values of factors for study region

表 4 主成分特征值分析 Table 4 Eigen values of factors for study region 因子 初始特征值 提取后特征值 旋转后特征值 定义 特征值 解释方差 累积方差 特征值 解释方差 累积方差 特征值 解释方差 累积方差 1 3.347 66.945% 66.945% 3.347 66.945% 66.945% 2.338 46.764% 46.764% 人为因子 2 0.975 19.505% 86.45% 0.975 19.505% 86.45% 1.984 39.686% 86.45% 自然因子 3 0.578 11.556% 98.006% 4 0.084 1.683% 99.689% 5 0.016 0.311% 100%

图 3(Fig. 3)

图 3 土壤重金属元素载荷量 Fig. 3 Principal component loadings for heavy metals

生态风险指数法不仅能够反映某一特定环境下沉积物中各种污染物对环境的影响以及多种污染物的综合效应，而且可用定量的方法划分出潜在生态风险的程度.潜在生态风险程度级别划分以E_rⁱ < 40表示.单因子污染物生态风险程度低，RI < 150表示总潜在生态风险程度低(弓晓峰等，2006).由表 5可以看出，Mn、Cu、Zn、Cr重金属的潜在生态风险单项系数均低于40，属于低的生态风险状态.其中，Cu的潜在危险最为严重，Cr次之，Mn、Zn最弱.潜在生态指数均低于150，属于轻微生态危险程度.但降尘与沙丘表层元素含量之间的差值去处问题仍存在争议，需进一步研究.虽然该区属于轻微生态危险程度，但Mn、Cu、Zn、Cr含量均高于背景值且发生富集，地方环境管理部门应该对存在风险区域作进一步的调查与调控，从源头控制重金属的排放及其污染，降低对城市及周边区域的生态危险.

表 5(Table 5)

表 5 沙丘不同部位重金属的潜在生态危害因子及潜在生态危险因子 Table 5 Potential ecological risk factor and risk index of heavy metals in different sites of dunes and dustfull

表 5 沙丘不同部位重金属的潜在生态危害因子及潜在生态危险因子 Table 5 Potential ecological risk factor and risk index of heavy metals in different sites of dunes and dustfull 采样位置 Eri RI Mn Cu Zn Cr 沙丘 1.04 6.31 1.05 2.10 10.50 降尘 1.16 14.33 1.88 3.03 20.41

1)乌海市下风向新月形沙丘各部位沉积物粒度均以细砂为主，平均粒径M_z由两侧坡脚至丘顶变小.研究区沙丘粒度细于对照沙丘，二者的主要区别在于极细砂与中砂含量上.降尘主要以极细砂、粉粒为主，平均粒径为3.59Φ.大气降尘在经过城市传输过程中，一些粗的物质如细砂、中砂会被固定沉降，同时产生新的物质来源，使黏粒、粉粒含量显著增加，在沙丘表面产生一定的沉降堆积，使得沙丘表层沙物质细化.

2)沙丘表层与降尘中重金属含量排序为Fe>Mn>Cr>Zn>Cu，沙丘表层重金属质量分数具有较大的空间异质性，Fe、Mn元素均在坡顶达到最大值，Zn、Cu、Cr在迎风坡中达到最大值.重金属的变异系数呈现Cu>Fe>Zn>Mn>Cr，Mn、Zn含量为中等变异，而Fe、Cu含量为高度变异，沙丘与降尘富集系数均大于1.污染负荷指数沙丘表土为1.35，降尘为1.87，沙丘与降尘受到外来物质的污染，存在轻度污染.

3)对于 < 20 μm颗粒，其与Cu呈显著正相关(p < 0.01)；20~50 μm粒径颗粒与Mn、Cu呈显著正相关(p < 0.01)，与Cr、Zn呈正相关(p < 0.05)；100~250 μm粒径颗粒与Cu呈显著正相关(p < 0.05)；250~500 μm粒径颗粒与Cu、Fe呈显著负相关(p < 0.01)，与Zn呈显著负相关(p < 0.05)；除Fe外，重金属含量与细颗粒物质呈正相关.Cu-Zn、Mn-Cr、Zn-Cr、Cu-Cr均具有显著相关性(p < 0.01)，其来源可能一致.

4)人为污染因子中Cu、Zn、Cr占有较大的负荷，主要来源于人为活动的影响，其人为来源远远大于自然来源；自然源因子中Fe、Mn有较大负荷，主要来自于地球风化.Zn、Cu除了交通源外，还含有其他污染源(如工业污染源)，Cr、Mn、Fe是混合来源，受到自然地质背景和人类活动的共同控制.Mn、Cu、Zn、Cr重金属属于低的生态风险状态和轻微生态危险程度.地方环境管理部门应加强污染源调查，并针对风险区域(采矿区、化工区等)进行调控与治理.