福州市公園灰塵磁學(xué)特征及其環(huán)境意義

郭利成,陳秀玲,賈麗敏

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院福建省濕潤亞熱帶山地生態(tài)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福建 福州 350007；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；4.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門361021)

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),城市地表不透水面積增加,地表灰塵在城市地表的分布不斷擴(kuò)張,成為典型的非點(diǎn)源污染之一[1-5].對(duì)此,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為城市地表灰塵是指分布于城市不同區(qū)域表面,易于遷移并且粒徑小于0.920mm的固體顆粒物[6],是城市大氣塵埃與地表塵土長期在人與自然力作用下的綜合體,是城市環(huán)境中各種污染物質(zhì)的“源”和“匯”[1,7].在一定的外動(dòng)力條件(如風(fēng)、車輛行駛等)下,城市地表灰塵能夠和大氣顆粒物相互混合,成為城市環(huán)境中典型的“點(diǎn)、線、面”型污染[8-9].此外,城市地表灰塵所附帶的各種污染物質(zhì)能夠在城市不透水下墊面上發(fā)生強(qiáng)烈的徑流效應(yīng),從而進(jìn)入城市流域,通過城市生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán),形成潛在的污染生態(tài)效應(yīng)[10].因此,城市地表灰塵引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[7,8,11-19].

目前,對(duì)于城市地表灰塵的研究成果主要依賴于傳統(tǒng)的物理和化學(xué)分析方法,其測樣成本高、樣品受損程度大、方法復(fù)雜等缺點(diǎn)限制了城市地表灰塵的研究,而環(huán)境磁學(xué)具有進(jìn)樣量少、靈敏度高、操作簡單、耗時(shí)少、破壞小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)[20-21],在相關(guān)學(xué)科研究中得到廣泛的應(yīng)用[22-23].大量研究表明[21],工業(yè)活動(dòng)、燃料燃燒、汽車尾氣等污染物主要的成分是不同磁性礦物,具有不同磁學(xué)特征,故環(huán)境磁學(xué)是研究城市污染程度的有效手段之一.國內(nèi)外不同學(xué)者對(duì)城市降塵、街道塵埃等城市顆粒污染物的來源、粒度、元素濃度、磁學(xué)特征及其環(huán)境意義進(jìn)行多角度研究[24-45],且我國對(duì)城市灰塵磁學(xué)特征的大部分研究集中在北京、西安、蘭州等污染嚴(yán)重的城市,而福州市的研究鮮有報(bào)道[46-47].其中,福州市作為海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的中心城市,是福建省的文化、政治、科研中心,也是中國市場化程度和對(duì)外開放度較高的地區(qū)之一,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,環(huán)境污染物排放量和經(jīng)濟(jì)增長呈正相關(guān)[48],故環(huán)境污染物的有效監(jiān)控是保障福州城市居民生活質(zhì)量的關(guān)鍵.城市公園是城市居民提高身心健康的最佳場所之一.因此,本文對(duì)海峽西岸中心城市——福州市進(jìn)行公園灰塵的磁學(xué)特征及其環(huán)境意義研究,有助于提高福州城市環(huán)境質(zhì)量,對(duì)深入開展海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)環(huán)境磁學(xué)的研究具有重要意義.

1 研究區(qū)概況

福州市(25°15′～26°39′N、118°08′～120°31′E)位于大陸東南沿海的閩江下游地區(qū),所在地屬于典型的河口盆地,盆地四周群山峻嶺所環(huán)抱,海拔多在600～1000m,地勢自西向東傾斜.福州市屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候,夏長冬短,年平均溫度為16～20℃,1月平均溫度6～10℃,7月平均溫度24～29℃,年均降水量 900～2100mm,無霜期達(dá) 326d,年平均日照數(shù)為1700～1980h,年相對(duì)濕度約77%.地帶性土壤為紅壤,市區(qū)河漫灘和河流階地上的隱域性土壤類型為潴育水稻土.2010年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,福州市市區(qū)面積1786hm2,常駐人口 292.18萬人, GDP為1545.23億元,福州市規(guī)劃人均綠化面積到2020年達(dá)15m2,綠化覆蓋率達(dá)到48%.

圖1 福州市公園灰塵樣品采集點(diǎn)分布示意Fig.1 Distribution of dust sampling sites of parks in Fuzhou

2 材料與方法

2.1 樣品采集

為了較系統(tǒng)的研究福州市公園灰塵磁學(xué)特征,本文以福州市區(qū)范圍內(nèi)的 11個(gè)公園(森林公園、溫泉公園、西湖公園、茶亭公園、南江濱公園、金山公園、烏龍江濕地公園、倉前公園、亞峰公園、長安山公園、勞動(dòng)者公園)作為研究對(duì)象(采樣點(diǎn)分布見圖1).于2011年6～10月,按照梅花均勻采樣法,每個(gè)公園布 26個(gè)采樣點(diǎn),根據(jù)各個(gè)公園的規(guī)模以及人群集散程度,分別在人群比較密集的公園門口、公園道路、休憩區(qū)、娛樂區(qū)等地,用塑料鏟和毛刷清掃灰塵,將每個(gè)公園中各點(diǎn)采集樣品混合成一個(gè)混合樣,分別放入事先已標(biāo)記好的聚乙烯塑料袋中密封保存.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

所有采集樣品自然風(fēng)干,過2mm尼龍分樣篩以剔除非灰塵物質(zhì),裝入8mL磁學(xué)專用樣品盒、稱量、壓實(shí),供磁測.選用英國Bartington 公司生產(chǎn)的 MS2型磁化率儀測定樣品磁化率(χ)：包括低頻磁化率(0.47kHz)和高頻(4.7kHz)磁場中的磁化率(χlf、χhf),并計(jì)算出百分頻率磁化率值(χfd%=(χlf-χhf)/χlf×100%);用美國 ASC 公司生產(chǎn)的IM-10-30脈沖磁化儀(磁場范圍在0～300 mT和1T)磁化,用Minspin小旋轉(zhuǎn)磁力儀測定樣品的等溫剩磁(IRM)和飽和等溫剩磁(SIRM);選擇部分代表樣品,用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM-VersaLab)及磁電效應(yīng)綜合測試系統(tǒng)測量樣品的磁滯回線,其中最大磁場設(shè)定為 1T.環(huán)境磁學(xué)通常設(shè)定 1T的磁場中所獲得的等溫剩磁為飽和等溫剩磁(SIRM),反向磁場包括-20,-40,-100和-300mT,在本文中表示為 SIRM 的百分含量,依次為

S-20mT,S-40mT,S-100mT 和 S-300mT,樣品在剩磁值為

零時(shí)的反向磁場大小,稱之為剩磁矯頑力Bcr;定義軟剩磁 Soft=(SIRM-IRM-20mT)/2,硬剩磁HIRM=(SIRM+IRM-300mT)/2,F300mT(%)=(IRM300mT/SIRM)×100%,S-20mT(%)=(IRM-20mT)/SIRM)×100%,S-100mT(%)=[(SIRM-IRM-100mT)/(2×SIRM)]×10 0%,S-ratio=-IRM-300mT/SIRM.樣品前處理和測量均在福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和福建師范大學(xué)材料與物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室完成.所測量的磁化率、等溫剩磁結(jié)果均用質(zhì)量進(jìn)行校正,獲得質(zhì)量磁化率(χ)、等溫剩磁(SIRM、IRM)等.

3 結(jié)果與分析

3.1 福州市公園灰塵的磁化率和頻率磁化率

福州市公園灰塵χ變化范圍為 42.50×10-8～895.51×10-8m3/kg,平 均 值 為 269.80×10-8m3/kg;χfd%變化范圍為 0～2.18,平均值為 0.73.福州市公園不同功能區(qū)中,公園門口和道路灰塵χ相當(dāng)且最高(表 1),休憩區(qū)最低;公園灰塵χfd%最高為休憩區(qū),而門口最低.χ和樣品的磁性礦物的類型、粒徑和含量直接相關(guān),可粗略估算樣品中亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦)的含量[21],而χfd%是反映沉積物中接近穩(wěn)定單疇(SSD)與超順磁性過渡態(tài)的磁性顆粒存在的指標(biāo),可以反映超順磁性顆粒的相對(duì)含量[49].福州市公園灰塵χ總體偏高,且χfd%總體偏低,直接反映了福州市公園灰塵中磁性礦物含量總體較高,超順磁性顆粒幾乎不存在.旺羅等[28]研究發(fā)現(xiàn),污染區(qū)χ越高,而χfd%越低,樣品污染程度越高,故福州市公園灰塵污染程度較高,不同功能區(qū)污染程度：門口＞道路＞娛樂區(qū)＞休憩區(qū).

3.2 福州市公園灰塵的剩磁及其組合參數(shù)

由表1可知,福州市公園灰塵SIRM總體偏高,變化范圍 1048.84×10-5～15991.40×10-5(A·m2)/kg,平均值為 6175.07×10-5(A·m2)/kg,休憩區(qū)和門口SIRM較道路和娛樂區(qū)高.由于SIRM不受順磁性和抗磁性礦物影響,但極易受磁性顆粒大小、形狀的影響,主要體現(xiàn)樣品中等溫剩磁的主要貢獻(xiàn)者(亞鐵磁性及不完全反鐵磁性)含量,和χ散點(diǎn)分布圖可以指示磁性礦物類型和數(shù)量[20].因此,福州市公園灰塵SIRM總體偏高,表明福州市公園灰塵中亞鐵磁性和反鐵磁性礦物含量較高,公園灰塵的磁性礦物中游客停滯區(qū)比流動(dòng)區(qū)高;SIRM與χ關(guān)系圖呈散點(diǎn)分布(圖2),線性關(guān)系差(R2=0.101),說明福州市公園灰塵部分樣品以亞鐵磁性礦為主,而其余部分樣品則以高矯頑力的反鐵磁性礦物(赤鐵礦等)為主,但均為高低矯頑力磁性礦物的混合樣品.

福州市公園灰塵Soft變化范圍313.50×10-5～6425.16×10-5(A·m2)/kg,平均值 為 2174.03×10-5(A·m2)/kg,HIRM 變化范圍 22.31×10-5～2314.18×10-5(A·m2)/kg,平 均 值 為 312.74×10-5(A·m2)/kg,Soft遠(yuǎn)大于 HIRM,在公園的四個(gè)不同的功能區(qū)也是 Soft遠(yuǎn)大于 HIRM; S-ratio變化范圍0.71～0.99,平均值為 0.91; S-20mT平均值 29.59%,S-100mT平均值為 85.84%,F300mT平均值達(dá) 91.41,公園四個(gè)功能區(qū)規(guī)律基本一致;SIRM/χ變化范圍 1.99～ 137.62×103A/m,平均值為 30.82×103A/m,門口、道路和娛樂區(qū)的SIRM/χ值接近,小于休憩區(qū),但總體偏小.其中 Soft主要反映多疇(MD)和假單疇磁性晶粒(PSD)的低矯頑力亞鐵磁性礦物含量,HIRM 反映高矯頑力的不完全反鐵磁性礦物含量[44];S-ratio通常也可以反映樣品中高矯頑力組分(如赤鐵礦)與低矯頑力組分(如磁鐵礦)含量的相對(duì)多少[20],且已有報(bào)道中表明三價(jià)鐵磁性礦物 S-ratio值高于斜反磁性礦物[49];S-20mT、S-100mT和F300mT可以指示樣品中亞鐵磁性礦物的含量和相對(duì)含量[42],S-20mT達(dá) 30%和 S-100mT達(dá)80%可以說明樣品主要磁性礦物為亞鐵磁性礦物[50], F300mT隨著亞鐵磁性礦物含量的增加而增加[51]; SIRM/χ也可以反映磁性礦物的類型[52],實(shí)驗(yàn)證實(shí),磁鐵礦 SIRM/χ值約為 1.5×103～50×103A/m,赤鐵礦 SIRM/χ值大于 200×103A/m,而磁黃鐵礦 SIRM/χ值也較高.綜合分析,可知福州市公園灰塵Soft遠(yuǎn)大于HIRM,四個(gè)不同的功能區(qū)也是Soft遠(yuǎn)大于HIRM,S-ratio整體較高,SIRM/χ低于 137.62×103A/m,且 4個(gè)不同的功能區(qū)SIRM/χ均值較小.因此,福州市公園灰塵的剩磁組合參數(shù)均表明福州市公園灰塵磁性礦物整體上表現(xiàn)為亞鐵磁性礦物特征,即部分樣品以低矯頑力磁性礦物為主導(dǎo)的磁學(xué)特征掩蓋以高矯頑力磁性礦物為主的樣品.

表1 福州市公園灰塵樣品的環(huán)境磁學(xué)基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of magnetic parameters of park dust samples in Fuzhou City

由圖2可看出,SIRM和Soft的呈良好的線性相關(guān)(R2=0.9544),而觀察福州市公園灰塵等溫剩磁獲得曲線(圖 3)和退磁曲線(圖 4)特征,磁場強(qiáng)度在300mT時(shí),灰塵的等溫剩磁占飽和值 80%以上,且灰塵剩磁矯頑力在30mT左右,反映低矯頑力的亞鐵磁性礦物主導(dǎo)了公園灰塵的剩磁[46,53],而灰塵剩磁在 300mT之后繼續(xù)增加[54],證實(shí)了公園灰塵磁性礦物存在高矯頑力磁性礦物組分.結(jié)合SIRM與χ關(guān)系圖呈散點(diǎn)分布特征,再次證實(shí)了福州市公園灰塵部分樣品以高矯頑力特征為主導(dǎo),但被以低矯頑力特征主導(dǎo)的樣品所掩蓋.

3.3 福州市公園灰塵的磁滯參數(shù)

磁滯曲線(loop)是分析樣品軟、硬剩磁組分的有效手段之一[42],其閉合處的場強(qiáng)能夠有效反映主導(dǎo)磁滯行為的磁性礦物.圖5和圖6顯示,除二環(huán)公園娛樂區(qū)外,其余功能區(qū)均表現(xiàn)蜂腰型特征.但磁場強(qiáng)度均在 0～200mT 之間,灰塵磁化強(qiáng)度快速增強(qiáng),200～1000mT之間增強(qiáng)速率減小,且直到500mT曲線才開始閉合且趨于飽和,500mT以上隨著磁場的增加磁化強(qiáng)度仍有增加,Bcr在10～50mT之間.表明二環(huán)內(nèi)公園娛樂區(qū)磁性礦物主要是低矯頑力的亞鐵磁性礦物(主要是磁鐵礦)和少量的高矯頑力磁性礦物(主要是赤鐵礦)混合物[44].而其余功能區(qū)磁性礦物為高矯頑力的反鐵磁性礦物和少量的低矯頑力磁性礦物混合物.對(duì)比二環(huán)內(nèi)外磁滯回線特征,發(fā)現(xiàn)二環(huán)外磁滯回線的閉合區(qū)間面積明顯大于二環(huán)內(nèi),揭示了二環(huán)外公園灰塵樣品磁性礦物以硬磁性礦物為主,也反映二環(huán)內(nèi)外的磁性特征受到不同的因素影響.二環(huán)內(nèi)集中了城市人類活動(dòng),而二環(huán)外人類活動(dòng)減弱,自然環(huán)境影響增強(qiáng),故二者的磁滯回線特征差異很可能與不同因素組合有關(guān).

圖2 福州市公園灰塵樣品χ和χfd%、SIRM和χ、Soft和SIRM相關(guān)關(guān)系Fig.2 The relationship between χ and χfd%,SIRM and χ, Soft and SIRM for park dust samples

圖3 福州市公園灰塵樣品的等溫剩磁獲得曲線Fig.3 Isothermal remanent magnetization (IRM)acquisition curves for selected dust samples

圖4 福州市公園灰塵樣品的退磁曲線Fig.4 Back-field demagnetization curves for selected dust samples

圖5 福州市二環(huán)內(nèi)公園灰塵樣品磁滯回線Fig.5 Magnetic hysteresis loops for park dust samples from inside area of the second ring road

圖6 福州市二環(huán)外公園灰塵樣品磁滯回線Fig.6 Magnetic hysteresis loops for park dust samples from outside area of the second ring road

前文分析可知,公園灰塵樣品均以低矯頑力或高矯頑力磁性礦物為主,故以剩余磁化強(qiáng)度和飽和磁化強(qiáng)度比值(Mrs/Ms)為縱坐標(biāo),以剩磁矯頑力和矯頑力比值(Bcr/Bc)為橫坐標(biāo)繪制的 Day圖是確定福州市公園灰塵磁性礦物的粒度最理想的方法[55],實(shí)驗(yàn)證實(shí),Mrs/Ms＞0.5 且Bcr/Bc＜1.5的樣品以單疇(SD)顆粒為主;Mrs/Ms＜0.5且Bcr/Bc＞4的樣品以多疇(MD)顆粒為主;介于二者之間的樣品以假單疇(PSD)顆粒為主.由福州市公園Day圖(圖7)可知,公園灰塵磁性顆粒位于單疇(SD) 顆粒下方和假單疇(PSD)顆粒的左側(cè)及其邊界線上,顯示福州市公園灰塵磁性礦物主要為較粗的SD顆粒和較細(xì)的PSD顆粒,但二環(huán)外公園磁性礦物顆粒較二環(huán)內(nèi)粗.

圖7 福州市公園灰塵樣品Day圖Fig.7 Day plot of the ratios Mrs/Ms and Bcr/Bc for park dust samples

4 討論

4.1 福州市公園灰塵磁學(xué)參數(shù)特征及其環(huán)境意義

前文分析表明,福州市公園灰塵整體表現(xiàn)出主要磁性礦物以多種低矯頑力較粗SD顆粒與較細(xì)PSD顆粒的亞鐵磁性礦物為主,帶有少量的高矯頑力磁性礦物(赤鐵礦等).其中福州市公園灰塵χ和SIRM總體偏高,灰塵χfd%低,直接反映了福州市公園灰塵中磁性礦物含量總體較高,而幾乎不含超順磁顆粒,且χ與χfd%之間呈負(fù)相關(guān)(圖2),即公園灰塵χ偏高的主要貢獻(xiàn)者是非自然沉降物質(zhì)的積累[28];Soft遠(yuǎn)大于HIRM,S-ratio均大于 0.9,S-20mT平均值 29.59%,S-100mT平均值為85.84%,F300mT平均值達(dá) 92.7,分析等溫剩磁獲得曲線和退磁曲線特征發(fā)現(xiàn)灰塵Bcr小于 50mT,而SIRM/χ也總體偏低,均說明了福州市公園灰塵磁性礦物整體以低矯頑力亞鐵磁性礦物特征為主,但SIRM與χ線性關(guān)系差(R2=0.101),磁滯回線的蜂腰型特征,進(jìn)一步說明了福州市公園灰塵部分樣品是高矯頑力的反鐵磁性礦物為主,剩余部分樣品以低矯頑力的亞鐵磁性礦物為主,尤其在二環(huán)內(nèi)公園娛樂區(qū)表現(xiàn)明顯,且這部分樣品的磁學(xué)特征在整體上掩蓋了高矯頑力特征.這很可能與福州城市化發(fā)展密切相關(guān).

福州市由于現(xiàn)代工業(yè)、交通建設(shè)和城市建設(shè)的發(fā)展,大量建筑廢棄物、水泥、磚塊等碎屑物質(zhì)進(jìn)入公園綠地土壤,且福州市為盆地地形,由西向東傾斜的地形條件易于夏季臺(tái)風(fēng)的進(jìn)入,并在盆地中停滯一段時(shí)間,導(dǎo)致灰塵吹揚(yáng)混合降落公園地表,而公園游客步行或乘車游行與游玩活動(dòng)、公園植樹、拆遷建設(shè)等人為活動(dòng)增加了灰塵進(jìn)入公園并遷移擴(kuò)散,同時(shí)福州市公園基本上靠近交通要道,汽車尾氣污染物顆粒也容易進(jìn)入公園上空,隨著降雨而到達(dá)地表,大量不同來源鐵磁性礦物顆粒的進(jìn)入直接導(dǎo)致公園灰塵磁性礦物含量增加.然而,夏季臺(tái)風(fēng)所攜帶風(fēng)化殼殘積物,如南方紅土中的高矯頑力磁性礦物(赤鐵礦和針鐵礦)[47],由于福州市盆地地形的滯留效應(yīng),也能夠引起公園灰塵磁性礦物含量的增加.采用 Day圖對(duì)福州市公園灰塵顆粒大小進(jìn)行判別,發(fā)現(xiàn)福州市公園灰塵磁性礦物主要為較粗的SD顆粒和較細(xì)的 PSD 顆粒.同時(shí),大部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[56-58],人類活動(dòng)帶來的磁性礦物顆粒大小主要分布在PSD～MD附近.福州市公園灰塵磁性礦物的顆粒大小較前人研究結(jié)果細(xì),一方面,福州市受冬季風(fēng)影響小,而西安和蘭州地區(qū)冬季風(fēng)影響大,也有可能導(dǎo)致福州市公園灰塵磁性礦物顆粒較細(xì);另一方面,其與夏季臺(tái)風(fēng)對(duì)人類活動(dòng)所排放的磁性礦物顆粒與臺(tái)風(fēng)攜帶的風(fēng)化殼殘積物中的磁性礦物顆粒進(jìn)行混合后沉降過程密切相關(guān).因此,福州市公園灰塵磁學(xué)參數(shù)特征揭示了福州市作為海西建設(shè)的中心城市受交通、城市建設(shè)等人類活動(dòng)的干擾、由西向東傾斜的盆地地形條件與公園高綠化覆蓋率的影響,夏季臺(tái)風(fēng)攜帶灰塵顆粒在盆地中產(chǎn)生滯留效應(yīng),且公園覆被截留作用,導(dǎo)致公園灰塵磁性礦物含量較高,其中臺(tái)風(fēng)攜帶的南方紅色風(fēng)化殼殘積物的反鐵磁性礦物主導(dǎo)了部分樣品的磁性特征,但其余部分樣品以人為活動(dòng)排放的污染物顆粒的亞鐵磁性礦物特征為主,同時(shí)整體上掩蓋了部分樣品的反鐵磁性礦物特征,直接說明了公園灰塵樣品的磁性礦物特征是其磁學(xué)特征變化的一個(gè)良好指示劑.

4.2 福州市公園灰塵磁性關(guān)系分析

樣品磁性主要受控于磁性礦物組成和含量及其晶粒特征[59].福州市公園灰塵χ變化范圍為42.50×10-8～895.51×10-8m3/kg,平均值為 269.80×10-8m3/kg,比福州市公園土壤χ平均值[60](123.50×10-8m3/kg)高,指示了公園灰塵磁性礦物含量較高.其中前文分析已表明,福州市公園灰塵磁性礦物主要是較粗SD顆粒與較細(xì)PSD顆粒的亞鐵性磁性礦物(磁鐵礦)或反鐵磁性礦物(赤鐵礦),即夏季臺(tái)風(fēng)對(duì)人類活動(dòng)所排放的磁性礦物顆粒與臺(tái)風(fēng)攜帶的風(fēng)化殼殘積物中的磁性礦物顆粒進(jìn)行混合后沉降引起福州公園灰塵的磁鐵礦含量高,較大部分污染物磁性礦物顆粒細(xì).但福州市公園灰塵磁性礦物磁性主要受哪些灰塵自身內(nèi)部因素影響需要進(jìn)一步分析.

城市地表灰塵主要來源于人類活動(dòng)、工業(yè)活動(dòng)、燃料燃燒、汽車尾氣等非自然沉積物遷移[6],故灰塵磁性礦物含量與粒徑大小對(duì)磁性大小影響需要通過磁性礦物的遷移規(guī)律及其與磁化率的回歸模型來定性和定量判定.從沉積動(dòng)力學(xué)角度對(duì)磁性礦物的沉積規(guī)律進(jìn)行定性分析[61],根據(jù)物質(zhì)遷移規(guī)律公式：J=β(ρs-ρ)D,其中J為臨界剪應(yīng)力,ρs和D為泥沙顆粒密度和粒徑,ρ為水的密度,β為與顆粒形狀及遷移介質(zhì)雷諾數(shù)有關(guān)的系數(shù).在一定的動(dòng)力條件下,泥沙能否遷移顆粒粒徑和密度,據(jù)此來討論同一動(dòng)力條件下,不同顆粒粒徑 和 密 度 的 顆 粒 遷 移 規(guī) 律 ,即β1(ρ1-ρ)D1=β2(ρ2-ρ)D2,假設(shè)顆粒的形狀與遷移介質(zhì)的性質(zhì)相同,β1=β2,故(ρ1-ρ)D1=(ρ2-ρ)D2,表明同一動(dòng)力條件下,顆粒密度越大,所能遷移的顆粒粒徑越小.依據(jù)沉積動(dòng)力學(xué)分析,假設(shè)公園灰塵來源主要是高密度的磁鐵礦(5.175g/cm3),利用 Maher等[59]研究得出χ在0.03～0.01μm出現(xiàn)一個(gè)高峰的結(jié)果,采用王建等[62]建立的χ與磁鐵礦百分含量之間的回歸方程S=49.18P+4.95(其中S為χ/10-7m3/kg,P為磁鐵礦百分含量,%),模擬計(jì)算出福州市公園灰塵部分以磁鐵礦為主的樣品中磁鐵礦含量平均值為44.79%.模擬結(jié)果中出現(xiàn)磁鐵礦含量異常高的現(xiàn)象,這與二環(huán)內(nèi)公園娛樂區(qū)灰塵樣品的亞鐵磁性礦物特征掩蓋了其余樣品的高矯頑力特征及福州市公園灰塵整體表現(xiàn)低矯頑力特征不符,說明灰塵樣品還存在大量弱磁性礦物,但另一個(gè)方面也說明福州市公園灰塵磁化率的增加主要是受到磁性礦物含量的影響.

4.3 福州市公園灰塵磁學(xué)特征的空間變化

福州市公園灰塵具備高χ、低χfd%的特征組合,和蘭州[26,38]、昆明[63]和西安[43]街道塵埃磁性特征一致,然而不同地區(qū)χ不同,控制因素也有所差異.福州市公園灰塵χ(269.80×10-8m3/kg)低于蘭州街道塵埃(399.51×10-8m3/kg)[38]和西安街道塵埃(487.05×10-8m3/kg)[43],高于武漢街道塵埃(70.1×10-8m3/kg)[64]和昆明街道塵埃(46.50×10-8m3/kg)[63].其中,蘭州市受地形、氣候、工業(yè)布局影響,導(dǎo)致街道塵埃χ升高,西安市街道塵埃χ升高的主要人為源是交通污染及冶金行業(yè),昆明作為旅游發(fā)展城市,其χ和日常生產(chǎn)與生活活動(dòng)有關(guān),武漢遠(yuǎn)離西北沙塵源,工業(yè)污染及交通因素影響其χ大小.而福州市作為海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)中心城市,其工業(yè)活動(dòng)影響弱,主要受制于城市化建設(shè)過程中人為活動(dòng)頻繁,交通污染物不斷增加,自西向東傾斜的盆地地形有力于夏季臺(tái)風(fēng)的進(jìn)入產(chǎn)生滯留效應(yīng),公園內(nèi)娛樂活動(dòng)活動(dòng)等影響均直接或間接導(dǎo)致公園灰塵χ升高.由此可知,不同地區(qū)不同地表功能區(qū)χ的升高和不同的城市化水平和地帶性環(huán)境差異有關(guān).

同一地區(qū)不同功能區(qū)的磁學(xué)參數(shù)特征也存在一定的差異,表征不同的環(huán)境意義.本文發(fā)現(xiàn)大部分灰塵磁學(xué)特征在公園內(nèi)部功能區(qū)基本一致,但福州市公園不同功能區(qū)中,公園門口和道路灰塵χ相當(dāng)且最高,休憩區(qū)最低,公園灰塵χfd%最高為休憩區(qū),而門口最低,說明了公園門口和道路灰塵磁性礦物較休憩區(qū)多.主要是公園門口人流量大,日常生產(chǎn)和生活活動(dòng)頻繁,及公園道路有一定量游客出行都將產(chǎn)生大量的磁性顆粒,導(dǎo)致灰塵χ的增加,即污染程度較高.同時(shí),對(duì)比福州市二環(huán)內(nèi)外公園灰塵χ與磁滯回線特征,二環(huán)外公園(森林公園、金山公園、烏龍江公園、勞動(dòng)者公園和南江濱公園)灰塵χ普遍較低,且二環(huán)外磁滯回線閉合區(qū)間較寬,除二環(huán)內(nèi)娛樂區(qū)外,其余功能區(qū)磁滯回線為蜂腰型,即二環(huán)內(nèi)娛樂區(qū)以低矯頑力特征為主導(dǎo),其余功能區(qū)表現(xiàn)為高矯頑力特征.由于福州二環(huán)線以內(nèi)的區(qū)域是交通最主要的通道,大量以公交車、出租車和私家車為主的機(jī)動(dòng)車輛在該區(qū)域行駛,且福州城市建設(shè)力度不斷加大,市政工程、內(nèi)河整治工程、房地產(chǎn)開發(fā)等建設(shè)活動(dòng)產(chǎn)生高含量的磁鐵礦顆粒物在建筑材料運(yùn)輸過程中灑落,尤其在夏季臺(tái)風(fēng)進(jìn)入福州盆地產(chǎn)生滯留作用下,易于進(jìn)入公園灰塵中,造成二環(huán)內(nèi)公園灰塵磁性礦物含量較高,而疊加季風(fēng)作用的二環(huán)外公園的人為活動(dòng)影響小,其磁性礦物含量較低,但二環(huán)內(nèi)公園娛樂區(qū)娛樂活動(dòng)頻繁,擋風(fēng)設(shè)施良好,減弱夏季臺(tái)風(fēng)滯留效應(yīng),而交通、城市建設(shè)、人為活動(dòng)帶來的污染物影響更為強(qiáng)烈,故表現(xiàn)出明顯的亞鐵磁性礦物特征.因此,福州市公園灰塵磁學(xué)特征(χ、χfd%、IRM及其組合參數(shù)、磁滯回線)可以作為福州市城市污染物監(jiān)測的一種重要的替代指標(biāo).

5 結(jié)論

5.1 福州市公園灰塵χ、χfd%、SIRM、S-ratio、SIRM/χ平均值分別為 269.80×10-8m3/kg、0.73、6175.07×10-5(A·m2)/kg、0.91、30.82A/m,其主要磁性礦物以亞鐵磁性礦物或者反鐵磁性礦物為主,為較粗SD顆粒與較細(xì)PSD顆粒.

5.2 交通、城市建設(shè)等人類活動(dòng)的干擾、以及由西向東傾斜的地形條件、夏季臺(tái)風(fēng)的滯留效應(yīng)等因素導(dǎo)致福州市公園灰塵部分樣品是高矯頑力的反鐵磁性礦物為主,剩余部分樣品以低矯頑力的亞鐵磁性礦物為主,且灰塵磁化率的增加主要是受到磁性礦物含量的影響.

5.3 磁性特征在空間上具有明顯的差異性,受城市化和地帶性環(huán)境影響,和區(qū)域功能區(qū)差異也密切相關(guān).通過福州市公園灰塵磁性特征的空間變化分析,發(fā)現(xiàn)其磁學(xué)特征(χ、χfd%、IRM及其組合參數(shù)、磁滯回線)可以作為福州市城市污染物監(jiān)測的一種重要的替代指標(biāo).

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致謝：本實(shí)驗(yàn)的室內(nèi)分析測樣工作由福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院胡凡根研究生、福建師范大學(xué)能源與物理學(xué)院吳建鵬研究生等協(xié)助完成,中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所強(qiáng)小科研究員、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室劉平老師、張春霞老師對(duì)本文英文摘要校正、相應(yīng)圖件繪制、相關(guān)磁學(xué)參數(shù)及其意義等給予了大量幫助,謹(jǐn)此致謝！