重庆市污染土壤磁化率特征研究

　土壤的磁化率不仅受控于母岩的性质和土壤的类型[1]，而且与人类活动密不可分，尤其是随着社会发展水平的不断提高，工业生产和交通运输等人类活动排放的磁性颗粒物沉降在土壤中，土壤磁性明显提高.磁化率的不断增加往往伴随着许多有害金属元素的出现[2]，因此人们对污染土壤磁化率的研究越来越重视，同时土壤中的磁化率值与重金属元素含量往往存在高度的相关性，磁化率值在一定的环境条件下可以作为检测重金属元素含量的代用指标[34].
　　由于磁测方法具有简单、快速、非破坏性的特点， 磁测作为土壤和沉积物重金属污染监测的方法已在国内外得到应用[58]，而磁化率和频率磁化率是两个最常用、最重要的环境磁学指标[8].Thompson 和Oldfield的研究指出靠近城市和工业中心地区的土壤磁化率要高于其他地区[1]；Hoffmann 等通过测定高速公路两侧土壤的磁化率来确定交通污染的分布范围[9].近年来，国内有关学者对污染土壤的磁化率指标作了大量的研究.旺罗等研究污染土壤的磁化率特征，发现其磁化率大，而频率磁化率小，污染表土的频率磁化率与磁化率呈负相关[10]；李晓庆等对城市土壤污染的磁学监测研究表明工业区土壤磁化异常增值[11]；琚宜太等对福建三明地区某钢铁厂和火电厂的土壤样品进行了系统磁学研究，发现污染表土中磁性矿物有磁铁矿、赤铁矿和磁黄铁矿；且其平均粒度较粗，明显大于成土作用产生的磁性颗粒；粗粒的磁性矿物是污染的主要磁性组合[12]；夏敦胜等对城市表土磁学特征和重金属污染的研究表明，城市表土磁学特征以低矫顽力亚铁磁性矿物为主导，且磁化率高于背景值[1315]；卢升高等发现杭州城区土壤的磁性矿物以磁铁矿和赤铁矿为主， 磁性矿物以假单畴—多畴（PSD—MD）颗粒存在， 粒度明显大于成土过程形成的磁性颗粒[16].综上所述，不同地区的城市表土和污染土壤都具有共同的磁学特征：磁化率高于背景值，而频率磁化率小，磁性矿物以磁铁矿和赤铁矿为主，且粒度明显大于自然成土过程形成的磁性颗粒，粗粒的磁性矿物是污染的主要磁性组合.
　　重庆市作为我国的中心城市、老重工业基地，其发展过程中产生污染是不可避免的.如何快速识别污染土壤，在重庆市还没有较为系统的研究.本文通过对重庆市不同类型污染土壤剖面的土壤磁化率和频率磁化率进行对比分析，提出了重庆市污染土壤的磁化率识别标志.
　　重庆市位于中国内陆西南部，地跨105°11′—110°11′ E、28°10′—32°13′N之间的青藏高原与长江中下游平原的过渡地带，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温18 ℃左右.黑石子填埋厂位于重庆市江北区，负责处理江北区、渝北区、北部新区及渝中区的生活垃圾；铁山坪森林公园是重庆近郊的主要天然公园之一，位于市主城区东部；农化集团位于重庆市沙坪坝区井口镇经济桥，始建于1952年，以生产化学农药为主.
　　1 实验和材料方法
　　样品主要采自重庆市江北区和沙坪坝区两个不同污染地区的土壤表土、剖面和森林公园土壤剖面的样品，样品剖面的具体描述是：
　　（1）黑石子垃圾填埋厂剖面：采样主要针对填埋厂外的排水小河沟，在其上、中、下游各采一个剖面，分别记为LJCPM1、LJCPM2、LJCPM3，并在中游垂直小河沟以10 m间隔采表土样，记为LJCBT，共采表土样9个，PM1样7个、PM2样14个、PM3样7个；
　　（2）森林公园剖面：采自江北区铁山坪森林公园剖面，记为TSPGY，共20个，处理过程中损失剖面最上层土样6个，现有土样14个；
　　（3）农化集团土样：采集重庆农化集团厂区内土壤剖面，记为NHJT，共17个，其0～20 cm为黄褐色粘土层，20 cm～55 cm为黑色的沙壤土，55 cm以下为黑色的粘土层，并采集炉渣堆积区炉渣表土5个.
　　所有土壤样品磁化率测试在西南大学地理科学学院实验室完成，土壤样品自然风干，磨碎后过2 mm筛，用卡帕桥多频各向异性磁化率仪（MFK1FA）进行低频（976 Hz）和高频（15 616 Hz）磁化率（分别用χlf和χhf表示）测试，换算成质量磁化率.频率磁化率（χfd）的换算公式为：
　　χfd=（χlf-χhf）/ χlf×100%. （1）
　　其中，χlf为低频磁化率，χhf为高频磁化率[17].
　　2 结果与讨论
　　3地土壤剖面以及表土的低频磁化率和频率磁化率特征如表1所示.
　　磁化率为外磁场作用下物质磁化的能力，是指在弱磁场中（01 mT）样品的磁化强度与磁场强度之比[17]，它反映了样品中亚铁磁性矿物的富集程度[18].5个剖面相比，农化集团的χlf平均值最大，依次是PM1、铁山坪公园剖面、PM2、PM3，而所有样品中炉渣的χlf最大，垃圾场表土其次.剖面的χlf变化大多是最大值位于剖面的中上层土壤中.χlf变化幅度最大的是农化集团剖面，其他剖面变化幅度相对较小；垃圾场3个剖面变化趋势都不相同，且变化较为剧烈.从图1中可以看出，农化集团剖面χlf值呈现两头小、中间大的的趋势，且剖面中层土壤磁化率（χlf）出现急剧增大的趋势，最大值也是位于中间层土壤，而频率磁化率（χfd）最大值在表层土壤；黑石子垃圾场3个剖面中，PM1土壤磁化率的变化趋势是0～5 cm深度时增大，5～25 cm逐渐减小，而25 cm以下则急剧增大.PM3的变化趋势则跟PM1的基本相反；然而，PM2的则跟其他两个剖面的变化完全不同，0～5 cm其磁化率值呈现增大趋势，5 cm以下则呈现逐渐减小的趋势，到了底层其变化的幅度很小.表土样品的磁化率值随着与小河沟距离的增大而增大，尤其是50 m距离之后，χlf值急剧增大；铁山坪森林公园剖面的变化跟PM2较相似，但其值变化较PM2复杂，总体上呈现为小幅度波动的减小.垃圾场剖面、表层土χlf的急剧增大，可能是大量的污染物沉积于表层土壤，磁性颗粒积聚引起的.虽然PM2与铁山坪的变化基本相似，但是铁山坪剖面出现波动变化，而PM2则是较单一的变化，可能是由于铁山坪剖面的扰动因素较为复杂，从而导致其磁化率的波动变化.农化集团剖面在20～55 cm黑色沙壤层出现的急剧变化则是由于土壤受农化工业生产污染积淀的影响，大量的外来强磁性颗粒进入到了土壤中.从χlf平均值来看，垃圾场上、中、下游的3个剖面，其值从上游往下游减小，即从上游往下游方向，进入土壤中的外来磁性颗粒逐渐减少.说明从上 游到下游的污染程度逐渐减轻，流水对污染有稀释作用.χfd指示了样品中超顺磁（SP）和细粘滞性（FV）颗粒的相对重要性[1920]，根据Dearing 提出的应用χfd来估算SP颗粒的模式，χfd≤3%的样品基本没有SP颗粒，χfd在3%～10%的样品，SP和粗粒颗粒同时存在[21].黑石子垃圾场3个剖面、农化集团剖面以及垃圾场表土中，χfd平均值都小于10%，说明样品中SP颗粒含量比较少，SP颗粒对χlf的贡献很小，磁性颗粒以粗颗粒为主，粗颗粒是样品χlf的主导因素.铁山坪森林公园剖面中χlf较大，χfd也较大，说明其样品中含有相当数量的SP颗粒；炉渣样品的χlf平均值大于500×10-11m3/g，说明炉渣样品中含有相当数量的磁性物质，χfd>10%，说明样品中存在较多的SP颗粒.
　　3 结论
　　通过对重庆市两个不同类型污染地区以及一个公园剖面和表土磁化率的综合分析，得出以下结论：
　　（1）重庆市污染土壤的磁化特征为：研究区土壤磁化率值差异很大，剖面样品中，χlf平均值变化范围为21.452×10-11～60.685×10-11 m3/g，农化集团剖面的χlf最大，铁山坪第三，垃圾场3个剖面的χlf是从上游往下游减小，而表土的χlf平均值为61.688×10-11～544.442×10-11 m3/g.黑石子垃圾场3个剖面、农化集团剖面以及垃圾场表土中，χfd平均值都小于10%，说明样品中SP颗粒很少，磁性颗粒以粗颗粒为主，样品中χlf的变化主要来源于人为的污染物质的积累；炉渣和铁山坪样品中，χfd>10%，说明样品中存在较多的SP颗粒.
　　（2）研究区剖面χlf与χfd呈负相关关系，其中TSPGY、PM1、PM2负相关性显著，PM3、NHJT呈较弱的负相关性.样品的χlf与χfd也呈负相关关系，这与前人的研究结果相符，说明样品中χlf的变化主要来源于人为的污染.其中TSPGY的χlf的变化可能不完全是由污染造成的，而是在人为和自然的相互作用下导致的.
　　（3）通过分析重庆市污染土壤磁化率特征并与前人研究结论对比，说明磁化率与频率磁化率是识别土壤污染的有效手段，为有效识别监测土壤环境污染提供了一种简单易行的方法.
　　参考文献：
　　[1] THOMPSON R， OLDFIELD E. Environmental magnetism [M].London： Allenand Unwin， 1986：1227.
　　[2] HUNT A， JONES J， OLDFIELD F. Magnetic measurements and heavy metals in atmospheric particulates of anthropogenic origin[J].Sci Total Environ， 1984，33（14）：129139.
　　[3] CHAN L S， NG S L， DAVIS A M， et al. Magnetic properties and heavymetal contents of contaminated seabed sediments of Pennys Bay， Hong Kong [J]. Mar Pollut Bull， 2001，42（7）：569583.
　　. Phys Chem Earth， 1998，23（910）：11231126.
　　. Water， Air， Soil Pollut， 2004，152（14）：279312.
　　.Phys Chem Earth， 2004，29（1314）：973984.
　　[7] GODDU S R， APPEL E， JORDANOVA D， et al. Magnetic properties of road dust from Visakhapatnam （India） relationship to industrial pollution and road traffic [J]. Phys Chem Earth， 2004，29（1314）：985995.
　　[8] 欧阳婷萍，万洪富，张金兰，等.珠江三角洲农业土壤磁化率空间分布特征及其影响因素分析[J].第四纪研究， 2012，32（6）：11991206.
　　[9] HOFFMANM V， KNAB M， APPEL E. Magnetic susceptibility mapping of roadside pollution [J].J Geochem Explor， 1999，66（12）：313326.
　　[10] 旺 罗，刘东生，吕厚远.污染土壤磁化率特征[J].科学通报， 2000，45（10）：10911094.
　　[11] 李晓庆，胡雪峰，孙为民，等.城市土壤污染的磁学监测研究[J].土壤， 2006，38（1）：6674.
　　[12] 琚宜太，王少怀，张庆鹏，等.福建三明地区被污染土壤的磁学性质及其环境意义[J].地球物理学报， 2004，47（2）：282288.
　　[13] 王 博，夏敦胜，余 晔，等.兰州城市土壤磁性特征及其对环境污染的指示[J].中国环境科学， 2013，33（6）：10331044.
　　[14] 夏敦胜，王 博，许淑婧，等.乌鲁木齐城市表土重金属污染的环境磁学记录[J].兰州大学学报：自然科学版， 2013，49（2）：173181.
　　[15] 夏敦胜，余 晔，马剑英，等.兰州市街道尘埃环境磁学特征及其环境意义[J].环境科学， 2007，28（5）：937944.