河流作为地球表生过程最活跃的作用力和载体，是陆地物源区侵蚀产物向沉积区搬运的主要通道^［1］，河流沉积物记录了重要的物源^［2-4］及区域环境变化信息^［5］。作为亚洲陆源沉积物重要的输出通道，黄河发源于青藏高原东北缘，是全球输沙量最大、含沙量最高的河流^［6］。鉴于其特殊的地理位置及其显著的水沙条件，大量学者围绕黄河沉积物物化属性、输移参数等指标，深入研究了黄河的水沙异源与泥沙输移、干流沉积物沿程分异及局地示踪、端元特征判别及入海扩散模式、盆地物源示踪及流域演化等^［7-15］。

宁蒙河段位于黄河上游，近几十年来在气候变化和人类活动的共同作用下，河道水沙条件及排淤能力发生明显变化，河段严重淤积、河槽萎缩，快速形成了长达150 km的地上悬河^［14］，威胁着河流沿岸人民生命财产安全，限制了河流走廊带的社会经济发展和生态环境建设。基于重矿物指标的研究表明，河东沙地段、乌兰布和沙漠段以及十大孔兑段的粗泥沙来自于附近沙源的汇入^［16］。河道钻孔和沿岸地层沉积物的粒径及形态特征对比显示，内蒙古段河道沉积物主要为粒径大于0.1 mm的粗泥沙，且主要来源于周边沙漠风成砂和砒砂岩碎屑颗粒物^［17］。碎屑锆石U-Pb年龄的研究结果表明，黄河上游的物质主要来自于松潘-甘孜造山带和近源河水侵蚀的黄土^［18］；而黄河上游沉积物与古黄河阶地、第四纪黄土高原的碎屑锆石U-Pb年龄对比研究进一步表明，黄河上游的河道物质来源于青藏高原东北缘风化剥蚀的碎屑物质，并向黄土高原输送^［19］。因此，黄河宁蒙河段沉积物物化特征及物源信息表现出明显的多样性和复杂性。化学元素在自然体系的迁移过程中，由于较稳定元素在水体中含量很低，滞留时间较短，在适当的水动力条件下很快发生机械沉积，且不发生明显的化学变化，因此这些元素几乎被等量地从源岩转移到碎屑沉积物中，从而可以较好地反映母岩的化学组成^［20-21］。已开展的宁蒙河段地球化学元素研究集中于河道、单个支沟或者沙源区沉积物的化学元素特征及迁移过程^［22-24］，针对周边沙源区与黄河河道沉积物化学元素关联性的较少。因此，本文拟在黄河上游宁蒙河段系统地采集河道及周边不同沙源区沉积物，分析沉积物地球化学元素组成及空间分布，揭示河道沉积物化学元素对物源、水力分选等外部因素的响应机制。本研究将有助于系统了解黄河宁蒙河段沉积物的物化特征，进而为深入认识该区域源汇过程关系、水沙演化规律及泥沙灾害防治提供理论依据。

黄河宁蒙河段位于黄河上游末端，上起于宁夏下河沿，下迄于内蒙古托克托河口镇，全长1 217 km，以坡度缓、河道形态变化频繁、河床物质松散以及高含沙量而著称。下河沿至石嘴山为宁夏段，乌海至托克托为内蒙古段。黄河下河沿至青铜峡段为峡谷型河道特征，河岸北侧分布着大片腾格里沙漠流动沙丘。青铜峡到石嘴山段河床平坦宽浅，水流缓慢，河道横向变形幅度较大，边岸侵蚀强烈，具有游荡型河道的特征^［12］。在黄河东侧及东南侧的宁夏冲积平原区，河东沙地沿河岸呈南北方向带状分布，以流动沙丘和新月形沙丘链为主，沙丘高度为3—5 m。石嘴山之后，受地质构造的控制，黄河河道干流被约束在贺兰山和鄂尔多斯高原之间，以峡谷型河道为主。乌兰布和沙漠分布在黄河西岸，流动沙丘的推进导致黄河河道迁移，干流向右侵蚀严重，河床被迫东移^［25］。磴口至托克托，黄河蜿蜒于河套平原之上，河宽500—2 500 m，比降1.3‰。三湖河口之后黄河逐渐由游荡型变为弯曲型的平原河道^［26］。

从地貌景观上看，黄河宁蒙河段沿岸分布着大片沙漠，自西向东分别穿越腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠和库布齐沙漠（图1）。在主导风的影响下，局部河段可见流动沙丘直接冲入河道，风沙水沙交互作用下形成了沙漠包围河流的独特景观。沿岸较大支流有流经黄土高原的清水河以及鄂尔多斯高原北缘的十大孔兑。清水河是宁夏境内流入黄河最长的支流，全长320 km，流域面积13 511 km²，河道平均比降1.49‰，水文特点是水少、沙多，输沙量年内分配不均匀，80%的输沙量集中在雨季6—9月。十大孔兑流域面积7 385 km²，比降0.27%—0.53‰，由毛不拉孔兑、布日嘎色太沟、黑赖沟、西柳沟、罕台川、壕庆河、哈什拉川、木哈尔河（母花河）、东柳沟和呼斯太河10条冲沟组成，它们由南向北并行流入黄河，平均每年向黄河输入泥沙0.2381亿t^［27］。由于位于季风边缘区，黄河宁蒙河段属于温带大陆性季风气候，冬季受蒙古高压控制，气温波动幅度大，寒冷干燥。夏季受东亚季风影响较弱，降水少。年降水量150—400 mm，降水量年际变化大，大约有75%以上的降水集中在7—9月。

基于野外考察，黄河在下河沿之后流经银川平原和河套平原，其中银川平原南起青铜峡，北至石嘴山；河套平原泛指乌海至托克托之间的后套平原和前套平原。考虑到物源变化及泥沙搬运距离等因素，基于沉积物源-汇搬运体系，本文将黄河宁蒙河段进一步划分为宁夏段（下河沿—石嘴山）和内蒙古段（乌海—托克托）。首先初步对宁夏段和内蒙古段的主要沙源区进行界定，其中宁夏段主要沙源区为下河沿上游河道来沙（4个）、腾格里沙漠（19个）、河东沙地（20个）和清水河（18个）；内蒙古段主要沙源区包括乌海上游河道来沙（10个）、乌兰布和沙漠（40个）、库布齐沙漠（39个）和十大孔兑（78个）。河床沉积物按照一定的间隔从下河沿到托克托进行采集，利用的是自制采样拖拽器，采集位置距离河岸20—30 m，每个点位连续采集2—3个样品，共获得31个采样点的63个样品。沙漠沉积物采集于沙丘表层以下5—10 cm的位置，支流样品采集于支流现代河床或点沙坝位置。所有采样点尽量避开人类活动干扰的农田和聚落，确保样品较少受到人为因素的影响。

所有样品的地球化学元素测试分析在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。首先选取15 g样品置于烘箱内，在40 ℃的条件下干燥72 h。将烘干的松散样品放入研磨机中，时间设定50 s。然后称约4 g研磨后的粉状样品放入聚氢乙烯磨具中，在高压样机上制成圆饼状样品后上机测试。测试仪器为荷兰生产的MagixPW2403X射线荧光光谱分析仪，元素测定误差<5%。测试结果包含常量氧化物和微量元素，其中常量氧化物以百分含量表示，微量元素以μg·g^-1表示。

黄河宁蒙河段常量氧化物以SiO₂为主，平均含量63.4%。其次为Al₂O₃和CaO，平均含量分别为10.6%和7.4%。Fe₂O₃含量为2.2%—6.6%，MgO、K₂O和Na₂O的含量较低，均不足2.5%。和上陆壳（UCC）平均化学组成相比，亏损K₂O、Na₂O，相对富集SiO₂、CaO和Al₂O₃。微量元素相对富集Ce、Zr、Hf和Nd，明显亏损Rb、Zn、Ni和Sr（图2）。从沿程上看，河床沉积物化学元素曲线表现出较大波动性和差异性。在宁夏段，元素CaO、MgO、Al₂O₃、Fe₂O₃、V和Zn含量向下游呈现微弱的降低趋势，Zr、Hf、Nd和Ce元素则相对增加。在距离下河沿250 km的河段，Cr、Ce、La、Zr和Ni元素含量显著增加。与宁夏段相比，内蒙古段中SiO₂无明显的变化，常量元素CaO、MgO、Fe₂O₃和K₂O均表现出增加趋势，而Na₂O呈现出相反的变化趋势。高场强元素Hf、Nb和Zr在内蒙古段也呈现出局地明显富集的变化特征，同时V和Zn含量快速增加。

在黄河宁夏段，下河沿上游河道、清水河、河东沙地和腾格里沙漠携带大量沉积物进入河道。下河沿上游河道沉积物常量元素以SiO₂为主，平均含量为60.5%，其次为Al₂O₃（9.7%）、CaO（8.2%）和Fe₂O₃（3.6%），MgO和Na₂O的含量较低，仅占2.1%和2.4%（图3）。清水河沉积物常量元素中SiO₂含量为53.2%，低于下河沿上游河道来沙，但Al₂O₃和CaO明显增加。腾格里沙漠风成砂的SiO₂含量最高，为46.5%—84.5%，均值为69.2%。河东沙地沉积物常量氧化物也呈现高SiO₂的特征，平均含量为68%。通过与上陆壳（UCC）平均化学组成对比发现，下河沿上游河道沉积物富集Co、Ti、Ce、Cr、La、Nd和V，其余元素在UCC线附近或者亏损。清水河沉积物明显富集Co和Ti，亏损Ba、Nb、Sr、Ni、Zn和Y（图3）。腾格里沙漠沉积物相对富集Co、Cr和Ti，亏损Ba、Hf、Nb、Sr、Ni、Rb、Y、Zn和Zr。河东沙地沉积物富集Ce、Co和Ti，亏损Ba、Hf、Nb、Sr、Rb、Y和Zn。在黄河宁夏段，下河沿上游河道、清水河、河东沙地和腾格里沙漠均富集Co和Ti，亏损Hf、Sr、Y和Zn。清水河沉积物中Cr、Hf、Sr和Na₂O含量的变异系数大于0.5。河东沙地和腾格里沙漠沉积物中Hf、Ni、Y、Zn、MgO和CaO含量变异系数较大，分布相对不均匀（表1）。

在黄河内蒙古段，河道沉积物主要来源于乌海上游河道、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠和十大孔兑。乌兰布和沙漠沉积物SiO₂平均含量为72.2%，CaO含量较低，占4.0%。乌海上游河道来沙SiO₂平均含量较低，为57.6%，但MgO、CaO和Fe₂O₃的含量相比于其他源区较高，分别占3.5%、9.4%和4.4%。库布齐沙漠风成砂也表现出高SiO₂的特征，均值占73.3%，但MgO含量相对较低，仅为0.9%。十大孔兑沉积物的Fe₂O₃明显低于乌兰布和沙漠沉积物，但是CaO含量略高。库布齐沙漠和十大孔兑沉积物中的常量氧化物含量十分相近，仅元素CaO表现出微弱的差异性（图4）。乌海上游泥沙富集Co、Cr、Ce、Ti、V，其余元素在UCC附近或亏损。乌兰布和沙漠、十大孔兑及库布齐沙漠沉积物均明显富集Co和Ti，亏损Hf、Ni、Rb和Y元素，但是十大孔兑沉积物中Zn元素波动较大，分布不均匀，变异系数最大为2.8。在黄河内蒙古段，库布齐沙漠、乌兰布和十大孔兑沙源区中Cr、Hf、Ni、Y、Zn和MgO的变异系数均大于0.5，元素含量分异显著（表1）。

黄河宁蒙河段沉积物地球化学元素空间上表现出显著的变化，局地元素富集同时也伴随着其他元素的亏损。元素的表生地球化学行为，本质上是由元素在不同矿物中富集及迁移的规律决定的。高含量的SiO₂常见于石英和长石矿物中，Al主要富集于硅酸铝矿物中，如长石、云母和黏土，Na、Ca和Sr含量在长石矿物中显著增加，而K、Rb和Ba易富集在含钾长石和白云母中^［28］。Mg常见于碳酸盐矿物中，如绿泥石、白云石和方解石，较少保存在硅酸盐矿物如角闪石、辉石和黑云中^［29］。与上陆壳UCC相比，黄河宁蒙河段沉积物明显富集CaO，这可能与区域源区和气候条件密切有关。黄河上游产沙活跃区域包括支流大夏河、洮河、清水河和祖厉河等，这些发源于黄土高原的支流每年向黄河输送大量物质，其中清水河年输沙量约为2.47亿t^［30］。黄土的主要成分是长石、石英、角闪石、云母、绿泥石和方解石，Ca、Na含量较高^［31］，从而导致黄河沉积物继承和保留了黄土富Ca的特征。加之黄河宁蒙段深处西北内陆区，化学风化作用较弱，以碳酸盐和蒸发盐风化为主，物理风化使得碱金属、碱土金属元素淋失少，造成沉积物中Ca的含量增高^［32］。

岩性也是影响黄河宁蒙河段化学元素沿程分布特征的重要因素。在黄河宁夏段，下河沿之前的黄河峡谷段出露着大片的花岗岩，矿物组成表现为高角闪石、绿帘石，低石榴子石的特征^［4，16］。而Zr和Hf元素是紧密共生的元素对，主要富集矿物为锆石、稀土及暗色角闪石，因此黄河宁夏段高含量的Zr、Hf元素同沉积物中的角闪石含量有关。相反，在内蒙古段的三湖河口之后，黄河沉积物中密度较大的石榴子石含量增加。石榴子石主要与基性或者偏基性火山岩有关，从而导致该河段过渡金属元素表现出增加的趋势。另外，沉积物在搬运和沉积过程中，水力分选导致的颗粒粒度、密度及形态差异导致颗粒矿物组分变化也会改变元素含量^［33］。不易迁移的化学元素在悬移质沉积物中的富集，从而导致推移质沉积物因为元素的流失含有较高含量的石英和长石^［34］。黄河沉积物平均粒径与SiO₂呈正相关，与K、Ca、Al和Mg呈负相关，和Na₂O无明显相关性（图5）。这说明除Na₂O以外的元素含量明显受控于沉积物粒径。在矿物风化分解过程中Na最易迁移，Al元素相对稳定地保存在风化后黏土颗粒中而产生聚集。而石英含量在细粒或者悬移沉积物中逐渐减少，从而导致SiO₂含量减少。

局地物质输入也会影响黄河沉积物化学元素特征。黄河宁蒙河段的泥沙来源包括黄土高原支流、十大孔兑支流、沿岸沙漠及上游河道来沙等。在黄河宁夏段，清水河沉积物具有高CaO和Na₂O，是黄土高原的“搬运工”，携带的黄土物质影响着该段河道化学元素组成。在内蒙古段最显著的变化就是Rb、CaO、Fe₂O₃、K₂O等元素含量减少，Zr和Hf含量局地快速增加。Rb为大离子亲石元素，在化学风化过程中Rb吸附在钾长石、云母类风化而成的黏土矿物中，而Zr和Hf在表生作用下常集中在细砂-粗砂粒级部分^［35］。在内蒙古段受西北风主导作用影响，大量乌兰布和沙漠和库布齐沙漠的风成沙通过吹扬、沙丘流动或塌岸的方式进入黄河，导致河道中粗颗粒泥沙含量快速增加。钻孔研究也发现1954—2000年间淤积在内蒙古河道的泥沙总量为20.11亿t，其中粒径大于0.1 mm的粗泥沙是主体，约占总量的77.4%^［27］。因此Zr和Hf含量的快速增加与周边沙漠风成砂输入引起的粒度粗化有关。由于多数沙漠风成砂进入黄河后未能有效地向下游搬运，在三湖河口之后，河道沉积物中的风成砂比例迅速减少，十大孔兑的沉积物的比例快速增加，元素Zr和Hf值逐渐降低，同时Rb、CaO、MgO及Al₂O₃等元素含量呈现增加的变化趋势（图2）。需要指出的是十大孔兑为季节性冲沟，河流流程短、含沙量高，而且周边植被覆盖率低、土质疏松，冬春季节碎屑颗粒沉积在流域的坡面和沟道内，在汛期降雨携带梁地砒砂岩沙与沙漠区的风沙，形成高含沙洪水^［36］。洪水在沟口极易形成堆积导致孔兑入黄口附近的泥沙粒径较粗，从而反映在该段沉积物化学元素变异系数和曲线波动较大。

在不同的时空尺度上，随着沉积物输移和局地地貌差异，河流沉积化学元素特征除了受到岩性、气候、水力分选、局地输入等因素影响外，一些元素如Pb、Ba、Mo和Th也容易因人为环境污染而发生含量的变化。在黄河宁蒙河段，风沙水沙入河过程复杂，沙源区输入变率大。如何识别搬运距离等因素对沉积物的化学特征的影响，进一步完善不同沙源区示踪元素指标构建等问题是今后进行化学元素空间格局及物质混合与扩散研究的关键。

黄河宁蒙河段河床沉积物化学元素以常量氧化物SiO₂、Al₂O₃和CaO为主。与上陆壳UCC相比，相对富集SiO₂、CaO、Al₂O₃、Ce、Zr、Hf和Nd，亏损K₂O、Na₂O、Rb、Zn、Ni和Sr。化学元素向下游沿程分布表现出明显的差异性，沉积物中的Na₂O含量逐渐降低，相反CaO、MgO、Fe₂O₃和K₂O为增加的趋势，同时高场强元素Hf、Nb和Zr呈现出局地快速富集的变化特征。

在黄河宁夏段，下河沿上游河道、清水河、腾格里沙漠和河东沙地沉积物均富集Co和Ti，亏损Hf、Sr、Y和Zn，其中Hf、Ni、Y、Zn、MgO和CaO的变异系数较大。在内蒙古段，乌海上游河道、乌兰布和沙漠，库布齐沙漠和十大孔兑沉积物相对富集Co和Ti，亏损Hf、Ni、Rb和Y，且Cr、Hf、Ni、Y、Zn和MgO含量的变异系数较大。

黄河宁蒙河段沉积物化学元素特征受到多因素的影响，其中岩性、气候和物源输入是影响该段沉积物化学元素空间分布特征的主要因素。