金華市土壤磁化率與重金屬Pb含量的關(guān)系

王思思，李鳳全，王志剛，陳艷瑛，謝 建，吳征南

（1.浙江師范大學(xué)地理系，浙江 金華 321004；2.浙江師范大學(xué)計(jì)算機(jī)系，浙江 金華 321004）

城市土壤是各種重金屬和有機(jī)污染物累積富集的場(chǎng)所，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等人類活動(dòng)產(chǎn)生的三廢、化學(xué)農(nóng)藥、汽車尾氣所攜帶的污染物以各種方式進(jìn)入開放的城市土壤，并造成不同程度的污染。由于進(jìn)入土壤的污染物往往富含磁性顆粒，導(dǎo)致土壤磁性增強(qiáng)，而人為成因的磁性顆粒往往富含重金屬，所以土壤的磁化率與其重金屬含量密切相關(guān)，是環(huán)境磁學(xué)研究中的一個(gè)重要研究方向[1-2]。磁化率測(cè)量具有樣品用量少、靈敏度高、簡(jiǎn)單快捷、費(fèi)用低、無(wú)破壞性等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此將磁化率與土壤重金屬含量相結(jié)合，探索土壤環(huán)境變化對(duì)磁性質(zhì)的影響以及磁化率與土壤重金屬含量的相關(guān)性，是近些年環(huán)境磁學(xué)研究新的發(fā)展趨勢(shì)之一[4-5]。大量研究表明，重金屬含量與磁性參量之間存在著一定關(guān)聯(lián)關(guān)系。Charlesworth and Lees[6]認(rèn)為：英國(guó)Coventry城Wyken湖粒度＜2 mm沉積物的高磁化率是由工業(yè)或者城市排污口物質(zhì)中顆粒較細(xì)的鐵的氧化物引起的，磁化率與重金屬含量間存在很強(qiáng)的成因關(guān)系，而Coventry城Swanswell湖＜63μm的沉積物的磁化率與重金屬含量無(wú)關(guān)。依艷麗等[7]認(rèn)為：葫蘆島市土壤磁化率值與重金屬元素Pb、Zn、Hg、Ni的含量呈極顯著正相關(guān)，與Cu的含量呈顯著正相關(guān)。劉振東等[8]在對(duì)武漢市東湖研究時(shí)發(fā)現(xiàn)：沉積物來(lái)源復(fù)雜的郭鄭湖只有部分金屬與磁性相關(guān)，如Pb與磁化率、Cu與飽和等溫剩磁；而有工業(yè)源污染的塘林湖沉積物中重金屬Fe、Co、V、Mn、Ti、Ba、Cr、Ni和Cu與磁參數(shù)飽和等溫剩磁、磁化率關(guān)系密切。

從目前相關(guān)研究狀況可以看出，一方面，有關(guān)城市土壤磁性參數(shù)與重金屬含量關(guān)系的研究，主要限于工業(yè)發(fā)達(dá)的大城市，對(duì)于中小城市或工業(yè)發(fā)展較慢的地區(qū)研究則較少，存在研究的薄弱區(qū)；另一方面，在土壤重金屬污染較重的地區(qū)研究較多，并指出可用磁化率指示重金屬污染水平，但對(duì)于較清潔土壤或未知重金屬含量水平的土壤，能否直接用已知區(qū)域磁學(xué)參數(shù)與重金屬的線性關(guān)系指示未知區(qū)域的土壤重金屬狀況，尚需要大量開展二者之間關(guān)系的基礎(chǔ)性研究工作，以便明晰使用磁學(xué)參數(shù)估計(jì)重金屬含量的條件。

金華是一個(gè)中等城市，工業(yè)污染相對(duì)較輕。本文通過(guò)對(duì)金華市城區(qū)59個(gè)表層土壤樣品的磁化率、頻率磁化率、重金屬Pb含量進(jìn)行測(cè)試分析，揭示金華土壤Pb含量與磁化率的關(guān)系，辨析磁性參數(shù)指示中小城市土壤Pb含量的可行性，從而為一些污染較輕的中小城市能否直接用磁學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)重金屬含量提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金華市位于浙江省中部，北緯28°32′～29°41′，東經(jīng)119°14′～120°46′30″，地處金衢盆地東段，為浙中丘陵盆地地區(qū)，土壤以紅壤和黃壤為主。本文的土壤樣品均采于金華市城區(qū)，GPS定位，采用網(wǎng)格法布置樣品點(diǎn)，將金華城區(qū)劃為9個(gè)大小相近的矩形網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)較均勻地采集了4～7個(gè)樣品，并兼顧到不同土地類型之間的平衡。共采集59個(gè)樣品，每個(gè)樣品采集深度均在0～20 cm內(nèi)。

1.2 研究方法

將土樣自然風(fēng)干后，剔除植物根系等雜質(zhì)，平均稱取8 g的土樣，裝于直徑2.54 cm、高3 cm的無(wú)磁性塑料小圓盒中，采用英國(guó)Bartington MS2磁化率儀進(jìn)行低頻（470 Hz）磁化率、高頻磁化率（4700 Hz）的測(cè)定，在算出高頻磁化率（χhf）和低頻磁化率（χlf）的基礎(chǔ)上計(jì)算樣品的頻率磁化率，計(jì)算公式如下：

另取土樣置于110℃烘箱烘干后，剔除植物根系、小碎石等雜質(zhì)，使用粉碎機(jī)將剔除雜質(zhì)的樣品研磨20 s；取4.0 g研磨后的土壤樣品，放在聚氯乙烯環(huán)內(nèi)，用壓片機(jī)以30 t的壓力保持20 s壓制成測(cè)試樣片，使用吸塵器吸去表面顆粒物，編號(hào)后放入樣品袋中；利用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀Axios測(cè)定土壤樣品中Pb元素的含量。測(cè)定過(guò)程用國(guó)家一級(jí)標(biāo)樣（GSS－5、GSS－6、…）和重復(fù)樣進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，其準(zhǔn)確度和精密度均滿足要求。

對(duì)上述測(cè)試結(jié)果，首先開展磁化率與Pb含量的相關(guān)分析，探索Pb含量與磁化率是否存在線性相關(guān)關(guān)系；然后以土壤磁化率和頻率磁化率為自變量，土壤Pb含量為因變量，利用GIS技術(shù)方法進(jìn)行趨勢(shì)面分析，綜合探討磁化率、頻率磁化率與Pb含量之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 金華市土壤的Pb含量與磁化率分布概況

對(duì)金華市59個(gè)表層土壤樣品的鉛含量、磁化率與頻率磁化率進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果表明：在研究區(qū)范圍內(nèi)，Pb含量平均值為24.3 mg/kg，小于金衢盆地區(qū)土壤環(huán)境Pb的背景上限值42.4 mg/kg[9]，Pb含量超過(guò)GB 15618—1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值35 mg/kg的僅占樣品總量的5.9%?？梢娊鹑A市區(qū)的土壤基本屬于清潔土壤。

金華市土壤的磁化率值變化較大。研究區(qū)范圍內(nèi)，土壤低頻質(zhì)量磁化率平均值為38.87×10-8m3/kg，變幅為（10.5～120.8）×10-8m3/kg，其中最小值出現(xiàn)在清風(fēng)苑居住小區(qū)，最大值出現(xiàn)在佳友園居住小區(qū)。59個(gè)樣品中，51.61%的土樣的磁化率＜30×10-8m3/kg；75.81%的土樣的磁化率＜50×10-8m3/kg；只有6.45%的土樣其磁化率＞100×10-8m3/kg，分別分布于銀泰廣場(chǎng)、興家紙業(yè)、金華十五中和佳友園小區(qū)；其余17.74%的土樣在（50～100）×10-8m3/kg之間。因此，從整體上分析，研究區(qū)范圍內(nèi)土壤的低頻磁化率普遍較低。另外，低頻磁化率的變異系數(shù)為0.706，屬?gòu)?qiáng)變異性，較大的變異可能與環(huán)境中磁性礦物來(lái)源和成土過(guò)程的多樣性有關(guān)。

圖1 金華市土壤Pb含量、磁化率和頻率磁化率的頻率分布

頻率磁化率反映土壤中超順磁顆粒含量，其平均值為7.09%，變幅為0.42%～19.14%。其中，16.95%的土樣的頻率磁化率<3%，剩余83.05%的土樣的頻率磁化率>3%，74.50%的土樣頻率磁化率>5%。變異系數(shù)為0.559，非常接近強(qiáng)變異，反映了土壤中磁性礦物來(lái)源的空間變異較大。

2.2 金華市土壤磁化率與Pb含量的相關(guān)分析

為了揭示土壤磁性參數(shù)與Pb含量的關(guān)系，并與已開展工作地區(qū)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文對(duì)土壤磁化率與Pb含量進(jìn)行相關(guān)分析，散點(diǎn)圖見圖2?？芍獜目傮w上來(lái)說(shuō)，Pb含量在0.05置信水平上與低頻磁化率存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.285；頻率磁化率與Pb含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.109，但不顯著。另外通過(guò)對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行探索性分析，可以看出，Pb含量與低頻磁化率、頻率磁化率之間似乎存在著一定的非線性關(guān)系，這可能是導(dǎo)致線性關(guān)系較弱的原因。

圖2 金華市Pb含量與頻率磁化率、磁化率的相關(guān)關(guān)系圖

2.3 金華市土壤磁化率、頻率磁化率和Pb含量的趨勢(shì)面分析

圖3 金華市土壤磁化率、頻率磁化率、Pb含量的趨勢(shì)面圖

為了進(jìn)一步探究金華表層土壤Pb含量與磁化率、頻率磁化率之間的關(guān)系，下面利用趨勢(shì)面分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理時(shí)，以磁化率、頻率磁化率為自變量，Pb含量為響應(yīng)變量。經(jīng)過(guò)擬合與對(duì)比，本文采用三次趨勢(shì)面進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3，其中橫軸為磁化率，縱軸為頻率磁化率。從圖3中可以看出，當(dāng)頻率磁化率小于3%時(shí)，Pb含量隨磁化率的升高而升高；當(dāng)頻率磁化率處于3%～7%間時(shí)，Pb含量隨磁化率的增加未見明顯變化；當(dāng)頻率磁化率大于7%時(shí)，Pb的含量隨磁化率的升高而升高。從而表明，土壤磁化率與Pb含量存在一定的非線性關(guān)系，并非簡(jiǎn)單地線性相關(guān)關(guān)系。

3 討 論

近年來(lái)，中國(guó)城市飛速發(fā)展，城鄉(xiāng)人口流動(dòng)頻繁，農(nóng)業(yè)人口、非農(nóng)業(yè)人口之間的界限模糊化，城市人口規(guī)模迅速膨脹。根據(jù)《中國(guó)中小城市發(fā)展報(bào)告（2010）》，按經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)城市的劃分，沈陽(yáng)、南京、杭州、上海、武漢等屬于第一級(jí)的直轄市、特別行政區(qū)、GDP大于1600億且市區(qū)人口大于200萬(wàn)的大城市；金華屬于第三級(jí)的14個(gè)沿海開放城市之一、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且收入高的中小城市[10]。作為第一級(jí)城市，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，沈陽(yáng)[11－12]、南京[13－14]、杭州[15－16]、上海[17－18]、武漢[19－20]土壤中的Pb含量較高，磁化率平均值也普遍都在100×10-8m3/kg以上。具體數(shù)據(jù)如表1所列。另外，杭州城區(qū)[16]土壤頻率磁化率平均值為3.6%，南京[14]土壤頻率磁化率平均值為6.3%。金華市的土壤的磁學(xué)性質(zhì)相較上述城市而言，磁化率明顯偏小，頻率磁化率偏大。表明金華市的磁學(xué)特征與上述城市存在一定的差異。

表1 各城市土壤的Pb含量和磁化率

在第一級(jí)城市土壤鉛含量與磁化率、頻率磁化率關(guān)系的研究中，沈陽(yáng)[11]、南京[12]、杭州[13]、上海[14]等城市的研究表明土壤磁化率與Pb含量呈極顯著正相關(guān)，武漢的研究表明土壤磁化率和Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)一般大于0.7[15]。而本文的相關(guān)系數(shù)為0.285，在樣品個(gè)數(shù)相差較小的情況下，低于上述城市。上述列舉的第一級(jí)大城市工業(yè)化程度高，重金屬污染相對(duì)嚴(yán)重，但從上面的分析可以看出，對(duì)未見明顯Pb污染的金華市城市土壤而言，磁學(xué)參數(shù)、磁化率與Pb含量之間的關(guān)系與大城市呈現(xiàn)不完全一致的規(guī)律，因此難以簡(jiǎn)單地將大城市的研究結(jié)論直接應(yīng)用于中小城市。

就采用土壤磁化率和頻率磁化率對(duì)重金屬污染土壤的指示而言，旺羅[16]等人提出自然土壤的磁化率和頻率磁化率呈正相關(guān)，污染土壤的磁化率和頻率磁化率呈負(fù)相關(guān)。金華市的城市土壤磁化率與頻率磁化率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不顯著，有別于純自然土壤，也與污染土壤不完全一致?？赡鼙砻鹘鹑A土壤受人類干擾下，磁學(xué)參數(shù)特征上處于自然土壤與污染土壤之間的過(guò)渡狀態(tài)。另外，金華土壤也不適用于其提出的磁化率大于100×10-8m3/kg，頻率磁化率小于3%作為污染土壤評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）金華市土壤Pb含量總體低于背景值，幾乎不存在污染，與很多一級(jí)大城市顯著不同，土壤的磁化率相對(duì)較低，頻率磁化率相對(duì)較高。

（2）土壤磁化率，頻率磁化率與Pb含量間分別都成非線性關(guān)系，這和以往很多其他地區(qū)的土壤三者之間的線性相關(guān)的結(jié)果不同。

（3）對(duì)于金華市這類接近于清潔土壤的城市的土壤磁化率對(duì)Pb含量的指示作用只能用磁化率和頻率磁化率的范圍組合來(lái)判斷，而不是用單一的線性關(guān)系來(lái)概括。

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