中國(guó)西北地區(qū)典型鋼鐵工業(yè)城市表土重金屬污染的環(huán)境磁學(xué)響應(yīng)

王 博，夏敦勝，，賈 佳，余 曄，許淑婧

1.蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

2.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

隨著近年來(lái)工業(yè)和城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)、交通等產(chǎn)生的重金屬顆粒沉降在土壤表層，并經(jīng)過(guò)一系列物理、化學(xué)以及生物作用進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，參與和干擾各種生物地球化學(xué)過(guò)程和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，最終以一種或多種形態(tài)長(zhǎng)期滯留在環(huán)境中，造成永久性的潛在危害［1－2］。盡管近年來(lái)我國(guó)在土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)和治理方面取得了重要成果，但傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法難以大面積、快速監(jiān)測(cè)土壤重金屬污染狀況，為污染的防治提供及時(shí)的參考信息。環(huán)境磁學(xué)技術(shù)作為近年來(lái)迅速發(fā)展的一種簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)、靈敏度高和非破壞性的新方法，能夠在較大范圍內(nèi)快速獲取土壤污染分布狀況，追蹤污染物來(lái)源，從而有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有的化學(xué)方法分析周期長(zhǎng)且布點(diǎn)比較盲目的不足。大量研究［3－8］結(jié)果表明，受到各種重金屬污染的沉積物、土壤和道路塵埃，其重金屬（Cr、Cu、Pb、Zn）質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磁性參量之間存在很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。大量學(xué)者對(duì)此現(xiàn)象做出嘗試性的研究［9－11］，目前主要觀點(diǎn)為燃燒產(chǎn)生的重金屬Cu、Cr、As、Zn、Pb等總是伴隨鐵的氧化物出現(xiàn)，即磁性顆粒是重金屬的強(qiáng)吸附劑和載體，因此磁性參數(shù)是土壤中某些污染物質(zhì)含量的定量指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼鐵廠周邊介質(zhì)重金屬污染的磁響應(yīng)研究大多集中于東部，西北地區(qū)研究較少。張春霞等［8，12］研究表明，河北興隆縣建龍鋼鐵廠周?chē)廴驹粗械闹饕诸w粒磁性礦物為磁鐵礦、赤鐵礦和純鐵，其中8～50μm的球形磁鐵礦顆粒和呈棱角狀的鐵顆粒是鋼鐵廠污染物的特征磁性礦物，同時(shí)朝向鋼鐵廠方向的樹(shù)木年輪樣品飽和等溫剩磁（SIRM）與對(duì)應(yīng)年份鋼鐵廠年生產(chǎn)量之間高度相關(guān)，顯示了環(huán)境磁學(xué)方法在鋼廠污染監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)；胡守云等［13］研究表明，首都鋼鐵廠周?chē)鷺?shù)葉樣品的主要磁性參數(shù)（低頻磁化率χlf、非磁滯剩磁磁化率ARM和SIRM）與元素Fe、Pb、Cr、V和Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，揭示了樹(shù)葉可以作為大氣重金屬污染的替代指標(biāo)；段雪梅等［14－15］研究發(fā)現(xiàn)，首都鋼鐵廠和南京梅山鋼鐵廠周邊土壤剖面樣品的Cu、Pb、Zn、Fe和 Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與χlf、SIRM和ARM存在著十分相似的垂向變化特征。然而由于東西部環(huán)境差異顯著，如本底土壤的磁性差異、氣候差異等，均會(huì)導(dǎo)致其磁性特征對(duì)污染的指示存在異同。因此選取西北地區(qū)典型鋼鐵廠表土進(jìn)行磁性特征分析，有助于區(qū)別東西部地區(qū)典型污染源磁性差異，探討磁參數(shù)在不同區(qū)域的適用范圍，進(jìn)而建立磁參數(shù)在不同區(qū)域的重金屬污染診斷模型。

嘉峪關(guān)是隨著酒泉鋼鐵集團(tuán)公司的發(fā)展而建立的人工綠洲城市，城市周邊為地勢(shì)平坦的戈壁荒灘。鋼鐵工業(yè)是嘉峪關(guān)市經(jīng)濟(jì)的引擎，占城市經(jīng)濟(jì)總量的80%以上［16］。酒鋼廠位于城區(qū)東北部，化學(xué)建材工業(yè)區(qū)位于城區(qū)北部邊緣地帶，輕紡工業(yè)位于城區(qū)南部邊緣地帶，主要居住區(qū)和商業(yè)區(qū)位于城區(qū)西南部，且市區(qū)夏秋季節(jié)以東南風(fēng)為主，冬春季節(jié)以西北風(fēng)為主，結(jié)構(gòu)規(guī)劃較為合理［16］。筆者以嘉峪關(guān)市表土為研究對(duì)象，通過(guò)環(huán)境磁學(xué)技術(shù)和重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析，探討嘉峪關(guān)市磁參數(shù)和重金屬的空間分布特征以及二者之間的內(nèi)在聯(lián)系，目的是探索環(huán)境磁學(xué)對(duì)西北地區(qū)重工業(yè)城市重金屬污染指示的可行性，進(jìn)而建立嘉峪關(guān)市土壤重金屬污染的磁診斷模型。

1 樣品采集與實(shí)驗(yàn)分析

本研究以嘉峪關(guān)市區(qū)及其周?chē)紴檠芯康闹攸c(diǎn)區(qū)域（圖1）。由于城市土壤多受到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，在物理、化學(xué)、生物等方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性狀，如時(shí)空分布差異性顯著，層次排列混亂且含有豐富的外源物等，為了最大程度保證土壤樣品的代表性，特選取馬路兩側(cè)綠化帶作為樣品重點(diǎn)采集區(qū)域；同時(shí)根據(jù)嘉峪關(guān)市土壤的主要利用類型，按照網(wǎng)格布點(diǎn)與實(shí)際情況相結(jié)合的原則，系統(tǒng)采集具有代表性的表層土壤（0～2cm）樣品共58件。每個(gè)采樣點(diǎn)的土壤分析試樣均由多點(diǎn)采集混合而成。

將表土樣品在室溫下自然風(fēng)干，去除碎石、雜草等雜質(zhì)，研磨過(guò)篩后稱取5.5g，用保鮮膜包緊裝入8cm3磁學(xué)專用樣品盒中并壓實(shí)。

對(duì)所有樣品進(jìn)行環(huán)境磁學(xué)參數(shù)的測(cè)定（表1）。其中：χlf和χhf用Bartington磁化率儀測(cè)量，并計(jì)算百分頻率磁化率（χfd% ＝［χlf－χhf］/χlf×100）；ARM用交變退磁儀、Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀測(cè)量，并計(jì)算χARM及χARM/χlf等參數(shù)；IRM使用 Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀和MMPM10脈沖磁化儀測(cè)量，首先獲得1T磁場(chǎng)下的IRM計(jì)為SIRM，并測(cè)得反向磁場(chǎng)中的IRM（常選用的磁場(chǎng)強(qiáng)度為－20、－60、－100和－300mT），根據(jù)等溫剩磁及飽和等溫剩磁測(cè)量結(jié)果可計(jì)算獲得HIRM（HIRM＝［（SIRM＋I(xiàn)RM－300）/2］/mass）（式中，mass代表質(zhì)量）、SOFT（SOFT＝［（SIRM－IRM－20）/2］/mass）等參數(shù)以及比值參數(shù)SOFT%、HARD%、χARM/SIRM、SIRM/χlf和S－ratio（在300mT的反向磁場(chǎng)下獲得的等溫剩磁視為IRM－300，其比值（IRM－300/SIRM）為S－ratio）；測(cè)量磁滯回線（包括Mrs、Ms、Bc）及熱磁曲線所采用的儀器為VFTB居里秤；Bcr由線性內(nèi)插獲得。以上實(shí)驗(yàn)均在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites

樣品經(jīng)磨細(xì)小于100目，采用氫氟酸－硝酸－高氯酸微波消解處理后，以IRIS Advantage全譜直讀型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP－AES）測(cè)定了Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn和Fe 8種重金屬元素的全量。各重金屬測(cè)定值的相對(duì)誤差均小于5%，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加標(biāo)回收率為100%±5%。重金屬元素的測(cè)定在蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院分析測(cè)試中心完成。

2 結(jié)果

2.1 巖石磁學(xué)特征

2.1.1 高溫磁性特征

熱磁曲線廣泛應(yīng)用于分析樣品中的磁性礦物種類。如圖2所示：嘉峪關(guān)土壤樣品熱磁曲線形狀較為簡(jiǎn)單，總體表現(xiàn)為：曲線斜率在480℃之前變化幅度較??；之后磁化強(qiáng)度急劇降低，在580℃（磁鐵礦居里溫度）左右磁化強(qiáng)度幾乎降低到0，說(shuō)明磁鐵礦為主要載磁礦物；同時(shí)當(dāng)溫度超過(guò)600℃磁化強(qiáng)度仍然降低，直至接近680℃左右，磁化強(qiáng)度平穩(wěn)且大于0，表明樣品中可能含有少量赤鐵礦［17］。JYG－8和JYG－26號(hào)樣品的升溫曲線在400～450℃時(shí)有微小的峰值，此峰值可能是表土中的有機(jī)質(zhì)在高溫條件下形成一個(gè)相對(duì)還原的局部環(huán)境，含鐵硅酸鹽礦物或黏土礦物（如綠泥石）等轉(zhuǎn)化成磁鐵礦所致［18－20］，此現(xiàn)象在表土樣品中比較普遍；而JYG－14和JYG－44則無(wú)此峰值，表明樣品中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)很少或幾乎不含有機(jī)質(zhì)。同時(shí)由加熱冷卻曲線可以看出：JYG－8、JYG－14、JYG－26號(hào)樣品的冷卻曲線均位于加熱曲線上方，說(shuō)明樣品經(jīng)加熱以后有部分弱磁性礦物轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性礦物；JYG－44號(hào)樣品選自廢渣場(chǎng)，樣品冷卻曲線位于加熱曲線下方，且冷卻曲線存在磁性礦物的轉(zhuǎn)變，說(shuō)明樣品經(jīng)高溫加熱以后，一部分強(qiáng)磁性礦物轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的弱磁性礦物，可見(jiàn)廢渣場(chǎng)樣品的磁性特征顯著區(qū)別于其他區(qū)域土壤樣品。

表1 選取的環(huán)境磁學(xué)參數(shù)Table 1 Selected magnetic parameters

圖2 典型樣品熱磁曲線Fig.2 Thermomagnetic curves for representative samples

2.1.2 強(qiáng)磁場(chǎng)特征

磁滯回線（loop曲線）的形狀能夠較好地指示磁性礦物的種類，而磁滯回線閉合處的場(chǎng)強(qiáng)可以用來(lái)指示主導(dǎo)磁滯行為的磁性礦物［17，21］。嘉峪關(guān)表土樣品的loop曲線（圖3）結(jié)果顯示：在施加0～200 mT磁場(chǎng)時(shí)，樣品的磁化強(qiáng)度快速上升，表明樣品中含有大量低矯頑力的亞鐵磁性礦物；曲線在200mT附近已接近閉合且趨于平滑，進(jìn)一步表明樣品以亞鐵磁性礦物為主導(dǎo)。4個(gè)樣品矯頑力值為6.03～8.12mT，相對(duì)較低，進(jìn)一步表明磁鐵礦主導(dǎo)了樣品的磁滯特征。Mrs和Ms常用于判斷樣品中鐵磁性礦物的含量，可以看出4個(gè)典型樣品的Mrs和Ms均顯示高值，表明樣品中鐵磁性礦物含量很高。

2.2 常規(guī)磁學(xué)性質(zhì)

圖3 典型樣品磁滯回線Fig.3 Magnetic hystersis loops for representative samples

χlf反映了樣品中亞鐵磁性礦物（如磁鐵礦）的富集程度，可以初步估算物質(zhì)中磁性礦物含量［17］。SIRM不受順磁性和抗磁性物質(zhì)影響，主要由亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物所貢獻(xiàn)［17］。由表2可知，嘉峪關(guān)市表土χlf平均值為930.92×10－8m3·kg－1，SIRM平均值為7 779.27×10－5A·m2·kg－1，均顯示高值。SOFT近似反映磁鐵礦含量，尤其是MD和SP/SSD邊界范圍的低矯頑力磁性顆粒含量［18］。HIRM反映高場(chǎng)強(qiáng)中獲得的等溫剩磁強(qiáng)度，通常用來(lái)指示物質(zhì)中赤鐵礦的含量［17］。本研究區(qū)域樣品HIRM值為（10.65～829.25）×10－5A·m2·kg－1，平均值為150.11×10－5A·m2·kg－1，顯著低于低磁場(chǎng)中獲得的等溫剩磁，進(jìn)一步支持了樣品以磁鐵礦為主導(dǎo)。S－ratio值是指示樣品中亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物相對(duì)含量的磁學(xué)參數(shù)［17］，本次實(shí)驗(yàn)S－ratio值為0.90～1.00，平均值為0.96，進(jìn)一步顯示了亞鐵磁性礦物為主要載磁礦物。綜合以上各參數(shù)的分析可知，嘉峪關(guān)市土壤樣品以低矯頑力磁鐵礦為主導(dǎo)，且磁性礦物含量較高。

χfd%值反映樣品中超順磁顆粒物的顆粒分?jǐn)?shù)［17，22］。表2顯示，嘉峪關(guān)市表土樣品χfd%值較低，均在2.65%以下，平均值為0.64%，反映了嘉峪關(guān)市表土SP顆粒含量很低。χARM/SIRM與χARM/χlf這2個(gè)比值參數(shù)可作為磁鐵礦粒度大小的指示器，通常穩(wěn)定的單疇晶粒數(shù)值最高，并隨著磁晶粒度的增加而逐漸降低［17，22－23］。由表2可以看出，χARM/SIRM和χARM/χlf平均值均較低，分別為0.12×10－3m·A－1和1.07，反映嘉峪關(guān)表土樣品磁晶粒度均較粗。同時(shí)上文分析表明，嘉峪關(guān)市表土樣品以磁鐵礦為主導(dǎo)。研究［24－25］表明，若主要磁性礦物為磁鐵礦時(shí)，飽和剩磁與飽和磁化強(qiáng)度之比（Mrs/Ms）和矯頑力比（Bcr/Bc）之間的關(guān)系是確定磁性礦物粒度最理想的方法。由Day圖（圖4a）對(duì)磁晶粒度的指示可以看出，嘉峪關(guān)市表土以粗粒的PSD和MD顆粒為主導(dǎo)，且MD顆粒體積分?jǐn)?shù)均在80%以上。同時(shí) Dearing等［26］研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)比χfd%和χARM/SIRM可以半定量化地指示樣品中磁性礦物顆粒大小。利用此種方法分析發(fā)現(xiàn)嘉峪關(guān)市表土（圖4b）以MD和PSD顆粒為主導(dǎo)，并且SP顆粒體積分?jǐn)?shù)均小于10%。χARM與χlf關(guān)系圖（King圖）也可用于快速分析樣品中磁性顆粒的粒度［27］。結(jié)果（圖4c）顯示，嘉峪關(guān)市表土樣品均位于5μm左右甚至略大于5μm的范圍內(nèi)，以粗磁晶顆粒為主。綜合以上分析可知，MD顆粒主導(dǎo)了嘉峪關(guān)市表土樣品的磁晶粒度特征。

2.3 重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及評(píng)價(jià)

表3顯示，嘉峪關(guān)市表土重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體較高，特別是Cd的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)超出背景值［28］20倍，Cr、Mn、Pb、Zn超出背景值2～5倍，Cu和 V質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較少，但其平均值仍舊高于背景值，顯示較多的富集。為更明確地反映重金屬污染的總體趨勢(shì)，本研究采用污染負(fù)荷指數(shù)（PLI）［29－30］對(duì)嘉峪關(guān)市重金屬總體污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果（圖5）顯示：PLI的高值區(qū)域主要分布在嘉峪關(guān)市北部，并且大多數(shù)樣品PLI＞2，顯示出強(qiáng)污染到極強(qiáng)污染的特征；PLI＞3的區(qū)域主要分布在鋼鐵廠周?chē)约皬U渣場(chǎng)一帶；PLI＞5的區(qū)域主要分布在鋼鐵廠西北部，說(shuō)明距離鋼鐵廠越近，污染越嚴(yán)重。

表2 基本磁學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Magnetic parameter values

圖4 磁參數(shù)散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plots of magnetic parameter

表3 嘉峪關(guān)表土重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Heavy metal content of Jiayuguan urban soils

圖5 PLI等值線圖Fig.5 Isoline plot of PLI values

3 討論

3.1 磁參數(shù)對(duì)重金屬污染的指示

為了深入揭示本研究區(qū)內(nèi)干旱環(huán)境下鋼鐵廠磁參數(shù)與重金屬之間的本質(zhì)聯(lián)系，本研究運(yùn)用SPSS軟件，通過(guò)主成分分析法對(duì)嘉峪關(guān)表土磁參數(shù)和重金屬元素關(guān)系進(jìn)行探討，抽取經(jīng)方差最大旋轉(zhuǎn)后累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已超過(guò)76%的3個(gè)主因子進(jìn)行分析。其中：第一主因子包括磁參數(shù)χlf、SIRM、HIRM、SOFT、χARM以及重金屬元素 Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn、Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；第二主因子包括參數(shù)χARM/SIRM、χfd%、χARM/χlf；第三主因子包括HARD%、SOFT%、S－ratio。以第一主因子作為橫坐標(biāo)，第二、第三主因子作為縱坐標(biāo)，獲得主因子分析圖（圖6）。結(jié)果顯示，表示磁性礦物含量的參數(shù)χlf、SIRM、HIRM、SOFT、χARM以及重金屬元素（Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn、Fe）質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在明顯的共變關(guān)系，進(jìn)一步表明了嘉峪關(guān)市表土磁性礦物與重金屬互相伴隨共生，同時(shí)χARM/SIRM、χfd%、χARM/χlf等反映磁晶粒度的參數(shù)也存在顯著的共變關(guān)系。進(jìn)一步通過(guò)第一主因子和第二主因子得分的空間分布圖（圖7）發(fā)現(xiàn)：第一主因子（χlf、SIRM、HIRM、SOFT、χARM及Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn、Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)）得分的高值分布在鋼鐵廠周邊以及廢渣場(chǎng)北邊；第二主因子（χARM/SIRM、χfd%、χARM/χlf）得分的高值分布在整個(gè)城區(qū)周邊以及廢渣場(chǎng)北部?？梢?jiàn)距離鋼鐵廠越遠(yuǎn)的樣品，磁性礦物含量越低，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，磁性顆粒越細(xì)，表明鋼鐵廠所產(chǎn)生的磁性顆粒物向外遷移，并隨著離鋼鐵廠距離的增大，所遷移的磁性顆粒物越少，磁性顆粒越細(xì)，重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越少。這一分析結(jié)果進(jìn)一步表明亞鐵磁性礦物濃度與重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在嘉峪關(guān)表土中的分布具有一致性，而磁性顆粒大小與重金屬元素的分布則呈盈缺呼應(yīng)關(guān)系。可見(jiàn)磁性礦物與重金屬Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn、Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高值主要由鋼鐵廠污染所貢獻(xiàn)。磁參數(shù)與重金屬之間的相關(guān)性分析（表4）結(jié)果進(jìn)一步指示：χlf、χARM、SIRM和SOFT與重金屬 Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn、Fe均具有良好的相關(guān)性（0.507≤R≤0.936），與PLI的相關(guān)系數(shù)R均大于0.86；而χfd%、χARM/SIRM、χARM/χlf等反映磁性礦物顆粒大小的參數(shù)與重金屬Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn、Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性則不顯著，與PLI的相關(guān)性則更低，進(jìn)一步顯示了亞鐵磁性礦物濃度和重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系密切，亞鐵磁性礦物濃度相對(duì)磁晶粒度可以更好地定量指示鋼鐵廠周邊土壤重金屬的污染程度。

值得注意的是，廢渣場(chǎng)樣品呈現(xiàn)出高磁性礦物含量、低χfd%、高重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)第二主因子得分也指示廢渣場(chǎng)北部顯示出相對(duì)較細(xì)的磁晶粒度特征，這一特征顯著區(qū)別于其他表土樣品，因此在運(yùn)用磁學(xué)手段監(jiān)測(cè)鋼鐵廠排放的工業(yè)廢渣樣品的磁性特征時(shí)需要區(qū)別對(duì)待。

3.2 磁參數(shù)代用指標(biāo)的可行性探討

圖6 主成分分析Fig.6 Principal component analysis

表4 磁參數(shù)與重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation analysis between magnetic parameters and element contents

圖7 主成分得分分布圖Fig.7 Main component scores distribution

如前文所述，熱磁曲線、loop曲線以及S－ratio值等表明嘉峪關(guān)市表土樣品與其他大型綜合型城市表土［31－33］的磁性礦物組成一致，均以低矯頑力的亞鐵磁性礦物為主導(dǎo)。就磁性礦物含量而言，嘉峪關(guān)市表土樣品磁性礦物含量遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)其他綜合性大城市的表土樣品［31－33］；就磁性顆粒大小而言，Day圖、Dearing圖以及King圖結(jié)果均表明嘉峪關(guān)市表土樣品中的磁顆粒粒徑顯著粗于其他城市。已有研究［31］表明，土壤中微生物和趨磁細(xì)菌等均會(huì)形成細(xì)粒（單疇或超順磁）的磁鐵礦，而燃燒和摩擦等人為原因產(chǎn)生的磁顆粒偏粗，以準(zhǔn)單疇和多疇為主。然而近年來(lái)對(duì)于沙漠戈壁表土磁性特征的研究［34］表明：中國(guó)北方戈壁表土χARM/SIRM均值為0.1×10－3m·A－1，分布在0.08×10－3～0.16×10－3m·A－1；χARM/χlf均值為1.34，分布在0.65～2.29，其磁性特征同樣以粗顆粒的亞鐵磁性礦物為主導(dǎo)，可見(jiàn)嘉峪關(guān)市作為西北地區(qū)典型的工礦型綠洲城市，其土壤母質(zhì)中粗磁晶顆粒組分對(duì)樣品磁性特征的影響不可忽略，因此磁晶粒度參數(shù)并不能作為嘉峪關(guān)地區(qū)表土污染的代用指標(biāo)。Xia等［34］對(duì)中國(guó)北方戈壁表土磁化率測(cè)量結(jié)果顯示，中國(guó)北方戈壁表土χlf為51.41×10－8～293.02×10－8m3·kg－1，均值為137.81×10－8m3·kg－1，遠(yuǎn)低于嘉峪關(guān)市表土的χlf均值（930.92×10－8m3·kg－1），并與嘉峪關(guān)市表土最低值（91.64×10－8m3·kg－1）較為接近，進(jìn)一步表明嘉峪關(guān)市表土磁性礦物含量的升高主要由鋼鐵廠污染所致，亞鐵磁性礦物濃度可以作為城市表土污染程度的代用指標(biāo)。

表層土壤的低場(chǎng)磁化率測(cè)量已成功應(yīng)用于圈定人為污染范圍，不僅可應(yīng)用于城市、道路周邊、河流等小范圍污染區(qū)的圈定［8，35－40］，在英格蘭、英國(guó)、保加利亞以及波蘭等國(guó)的大范圍污染區(qū)的應(yīng)用也獲得了成功［41－44］。在本研究中，第一主因子的空間分布圈定范圍與PLI＞3的圈定范圍出現(xiàn)高度的相似性，顯示磁參數(shù)在圈定污染范圍方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)前文分析表明亞鐵磁性礦物含量可以作為嘉峪關(guān)市土壤重金屬污染程度的代用指標(biāo)。為此，本研究以PLI為自變量，并分別以χlf、χARM、SIRM和SOFT為因變量做回歸分析。結(jié)果顯示（圖8）4個(gè)參數(shù)回歸結(jié)果的R2均大于0.75，回歸方程分別為：PLI＝0.001 1χlf＋1.638 5，PLI＝0.001 3χARM＋1.533 9，PLI＝0.000 1SIRM＋1.626 1和PLI＝0.000 4SOFT＋1.612 3，此研究結(jié)果可以作為磁測(cè)技術(shù)定量監(jiān)測(cè)嘉峪關(guān)市表土重金屬污染程度的依據(jù)。

4 結(jié)論

1）嘉峪關(guān)市表土以低矯頑力磁鐵礦為主導(dǎo)，磁晶粒度以粗顆粒的PSD和MD顆粒為主。磁性礦物含量和粗磁晶顆粒含量呈現(xiàn)出以酒鋼廠為中心的高值區(qū)域，并呈現(xiàn)出隨著離污染源距離的增加向周?chē)f減的模式。

2）嘉峪關(guān)市表土重金屬Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn已存在普遍的污染特征，且所測(cè)重金屬與其磁性礦物來(lái)源一致，主要由酒鋼廠的工業(yè)生產(chǎn)所致。PLI與χlf、χARM、SIRM、SOFT呈顯著正相關(guān)（R＞0.86），而與表示磁晶粒度的參數(shù)相關(guān)性不顯著，并且嘉峪關(guān)市土壤母質(zhì)磁性顆粒本底值較粗，因此對(duì)西北地區(qū)而言，亞鐵磁性礦物濃度相對(duì)磁晶粒度可以更好地指示鋼鐵廠周邊土壤重金屬的污染程度。

圖8 嘉峪關(guān)PLI與χlf、χARM、SIRM、SOFT回歸分析Fig.8 Regression analysis betweenχlf、χARM 、SIRM、SOFTand PLIin Jiayuguan

3）PLI＝0.001 1χlf＋1.638 5，PLI＝0.001 3χARM＋1.533 9，PLI＝0.000 1SIRM＋1.626 1和PLI＝0.000 4SOFT＋1.612 3可以作為磁測(cè)技術(shù)定量監(jiān)測(cè)嘉峪關(guān)市表土重金屬污染程度的依據(jù)。該項(xiàng)研究進(jìn)一步證實(shí)環(huán)境磁學(xué)技術(shù)作為一種快速、經(jīng)濟(jì)、無(wú)破壞性的監(jiān)測(cè)方法，可以有效指示城市土壤重金屬污染程度，為城市重金屬污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

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