夏爾希里地區(qū)土壤磁化率、重金屬特征及相關(guān)性分析①

趙珊珊，王勇輝

(新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054)

夏爾希里地區(qū)土壤磁化率、重金屬特征及相關(guān)性分析①

趙珊珊，王勇輝*

(新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054)

現(xiàn)今環(huán)境學研究的熱點問題之一是探討土壤地磁特征與重金屬的耦合關(guān)系。為了探明夏爾希里地區(qū)土壤磁化率與重金屬的特征，以及它們之間的相關(guān)性，本文選取夏爾希里地區(qū)的 67個土壤剖面進行磁化率、重金屬含量的測定，通過統(tǒng)計分析，研究表明：①低頻磁化率的特征為：除了綠洲的土壤低頻磁化率與土壤深度關(guān)系不明確外；山地和荒漠都是隨土層深度的增加，低頻磁化率值遞減。此外，新疆土壤的頻率磁化率值都較低。②山地土壤類型重金屬元素含量排序為 Mn>Zn>Pb>Cr>Cu>As>Ni>Co>Hg；綠洲土壤類型重金屬元素含量排序為 Mn>Zn>As>Cr>Pb> Cu>Ni>Co>Hg；荒漠土壤類型重金屬元素含量排序為Mn>Zn>Cr>As>Pb>Cu>Ni>Co>Hg。③通過對夏爾希里地區(qū)土壤磁化率、重金屬特征及相關(guān)性分析得出：研究區(qū)土壤類型不同土層中，山地低頻磁化率與土壤深度的相關(guān)性顯著，重金屬之間相關(guān)性顯著。上述分析可以對區(qū)域環(huán)境的治理及保護提供科學參考。

夏爾希里地區(qū)；土壤；磁化率；重金屬；相關(guān)性

土壤磁性基本上決定于它的礦物成分,主要是各種氧化鐵的貢獻[1]。土壤磁性是土壤本身的固有性質(zhì)，它的強弱常用磁化率來表示[2]。土壤發(fā)育程度、氣候、植被和生態(tài)環(huán)境等信息都可以通過土壤磁化率來反映。土壤重金屬污染情況可通過土壤磁性特征反映，且這是土壤環(huán)境研究的重要方向之一[3]。土壤磁化率測定的特點包括快速便捷、靈敏度高、非破壞性等，在地學領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛[4]。隨著城鎮(zhèn)化的進程加快，土壤遭受到嚴重的人為活動的影響，使土壤面臨著巨大的環(huán)境壓力[5]。污染源中含有的磁性礦物與重金屬元素等污染物關(guān)系密切，使磁性測量方法在環(huán)境污染監(jiān)測及環(huán)境評價研究中廣泛應(yīng)用[6]。在土壤和沉積物金屬污染監(jiān)測中得到較好應(yīng)用[7]。土壤的一個重要組成部分是磁性礦物顆粒[8]。土壤磁性礦物可分為自然成因和人為成因[9]。大量研究結(jié)果表明，遭到各種重金屬污染的沉積物、土壤和道路塵埃，其重金屬質(zhì)量分數(shù)與磁性參量之間存在很強的正相關(guān)關(guān)系[10]。近年來，國內(nèi)外對土壤重金屬大量研究表明土壤中某些污染物質(zhì)含量的有效指標是區(qū)域氣候、環(huán)境狀況和磁性參數(shù)，顯示了作為污染物指示的磁性參數(shù)的潛在價值[11–14]。人類活動對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響隨著我國城鎮(zhèn)化速度的加快而加大[15]。因此研究開發(fā)先進、有效的土壤重金屬污染監(jiān)測技術(shù)十分必要[16]。磁化率的高低與土壤中部分重金屬含量密切相關(guān)[17]。研究表明，重金屬(Pb、Zn、Cu、Mn等)與土壤磁化率值顯著相關(guān)，尤其是土壤被重金屬污染后，重金屬含量與磁性參量有很強的相關(guān)性；現(xiàn)代工業(yè)排放的廢棄物使土壤污染，磁化率值升高[18–20]。這些研究結(jié)論對土壤重金屬含量污染評價意義深刻[21–22]?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)論，本文擬對夏爾希里地區(qū)3種類型土壤的磁化率與重金屬含量進行測試，并對其相關(guān)性進行分析，用以了解夏爾希里地區(qū)的環(huán)境磁性特征，探討磁化率與重金屬元素的相關(guān)關(guān)系。據(jù)查詢，對于該區(qū)域的土壤磁化率與重金屬相關(guān)性研究還有限，因此，在此區(qū)域開展相關(guān)研究，具有極高的科學價值，因為其研究結(jié)果對于其他區(qū)域土壤的研究具有很好的參考價值，研究結(jié)果可為地區(qū)環(huán)境治理及保護提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

夏爾希里自然保護區(qū)地理位置為 81°43′09″ ~82°33′18″E，45°07′43″ ~ 45°23′15″N，地處新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)的阿拉套山北麓，是國家級自然保護區(qū)，北以阿拉套山山脊為界與哈薩克斯坦共和國接壤。夏爾希里自然保護區(qū)新北區(qū)，原屬中、哈兩國爭議區(qū)，直到20世紀末夏爾希里才完整地回歸中國版圖。由于長期屬于軍事爭議區(qū)，這里鮮有人員活動，所以自然資源保存完好。夏爾希里由保爾德河區(qū)(西段)、江巴斯區(qū)(東段)和聯(lián)接兩個區(qū)域的邊境廊道(中段) 3段組成；屬于溫帶大陸性氣候，地貌類型有戈壁荒漠、山地森林、高山草甸、雪山等多種。

1.2 土壤樣品的采集

采樣時間為2013、2014年8月，地點位于夏爾希里地區(qū)，分別在山地、綠洲、荒漠3類地形按照隨機取樣法布點67個，山地采集點分為4層，分別為0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80 cm，綠洲采集點分為5層，分別為0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm，荒漠采集點分為3層，分別為0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60 cm，共采集土壤樣品 317個(采樣點見圖1)。

圖1 采樣點分布圖Fig. 1 Distribution of the soil sampling sites

1.3 樣品分析和方法

磁化率測定：將所選取樣品帶回實驗室，自然風干后，去除小石子、草根等外源物質(zhì)，研磨成粉末狀，稱取一定質(zhì)量裝入100 cm3的磁學專用樣品盒內(nèi)壓實密封，使用Bartington MS2磁化率儀測量低頻磁化率(Xlf，470 HZ)和高頻磁化率(Xhf，4 700 HZ)。根據(jù)Xlf和Xhf，計算樣品中的頻率磁化率(Xfd)。三者的關(guān)系為：Xfd(%)= (Xlf–Xhf)/Xlf× 100%。由于低頻、高頻磁化率一般高度相關(guān)，因此夏爾希里地區(qū)土壤樣品中重金屬含量與磁化率的關(guān)系主要通過低頻磁化率(Xlf)與頻率磁化率(Xfd)進行分析。

重金屬元素測定：土壤樣品中重金屬(Co、Cr、Cu、Mn、Pb、Ni、Zn)采用鹽酸–硝酸–氫氟酸微波消解體系，消解后趕酸，電感耦合等離子體光譜(ICP)測定；As和 Hg采用鹽酸–硝酸–氫氟酸微波消解體系，消解后回流趕酸，原子熒光法(AFS)測定。此外，本文主要運用了傳統(tǒng)地球?qū)W統(tǒng)計方法統(tǒng)計了磁化率和重金屬的平均值、變異系數(shù)、相關(guān)性等描述性統(tǒng)計，利用統(tǒng)計軟件SPSS17.0和Excel進行數(shù)據(jù)分析，部分圖形利用ArcGIS10制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏爾希里地區(qū)土壤磁化率特征分析

表 1 反映的是夏爾希里地區(qū)山地地貌類型的土壤低頻磁化率和頻率磁化率統(tǒng)計特征。低頻磁化率均值分析結(jié)果顯示：隨著土層深度的增加，低頻磁化率值遞減。當變異系數(shù) CV<10% 時，表現(xiàn)為弱變異；當CV介于10% ~ 100% 時，表現(xiàn)為中等變異；當CV> 100% 時表現(xiàn)為強變異。因此，夏爾希里地區(qū)土壤低頻磁化率不同土層的變異結(jié)果顯示：中等變異的土層包括0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80 cm，僅 80 ~ 100 cm土層為弱變異性。

表1 山地低頻磁化率和頻率磁化率特征分析Table 1 Characteristics of low-frequency and frequency magnetic susceptibility of the mountainous region

頻率磁化率是用來測定土壤中超順磁性顆粒的含量，一般當物質(zhì)中Xfd值為 5% 左右時，就說明超順磁物質(zhì)較多，當Xfd>10% 時，已相當可觀[9]。通過測試夏爾希里地區(qū)山地土壤的頻率磁化率均值可以看出：0 ~ 20 cm土層的超順磁性顆粒較多，為5%；其他土層均未超過 5%，所含超順磁性顆粒比較少。變異系數(shù)分析結(jié)果顯示20 ~ 40、40 ~ 60、80 ~ 100 cm均為中等變異，0 ~ 20和60 ~ 80 cm土層均屬于強變異。

表 2反映的是夏爾希里地區(qū)綠洲地貌類型土壤低頻磁化率和頻率磁化率統(tǒng)計特征。低頻磁化率均值分析結(jié)果顯示：低頻磁化率值先減小，然后增大，再減小；夏爾希里地區(qū)綠洲土壤低頻磁化率不同土層的變異結(jié)果顯示：所有土層均為中等變異。

通過測試夏爾希里地區(qū)綠洲土壤的頻率磁化率均值可以看出：20 ~ 40、40 ~ 60、80 ~ 100 cm土層的超順磁性顆粒較多，超過了 5%；其他土層均未超過5%，所含超順磁性顆粒比較少。變異系數(shù)分析結(jié)果顯示60 ~ 80 cm為中等變異，其他土層均屬于強變異。

表 3反映的是夏爾希里地區(qū)荒漠地貌類型土壤低頻磁化率和頻率磁化率統(tǒng)計特征。低頻磁化率均值分析結(jié)果顯示：隨著土壤層次的增加，低頻磁化率遞減；夏爾希里地區(qū)荒漠土壤低頻磁化率不同土層的變異結(jié)果顯示：所有土層均為中等變異。

表2 綠洲低頻磁化率和頻率磁化率特征分析Table 2 Characteristics of low-frequency and frequency magnetic susceptibility of the oasis

表3 荒漠低頻磁化率和頻率磁化率特征分析Table 3 Characteristics of low-frequency and frequency magnetic susceptibility of the desert

通過測試夏爾希里地區(qū)荒漠土壤的頻率磁化率均值可以看出：所有土層均未超過5%，所含超順磁性顆粒比較少。變異系數(shù)分析結(jié)果顯示0 ~ 20 cm土層為強變異，其他土層均屬于中等變異。

根據(jù)以上夏爾希里地區(qū) 3種地貌類型土壤低頻磁化率和頻率磁化率統(tǒng)計特征可以看出，新疆土壤的頻率磁化率值都較低，造成上述可能的原因主要是：新疆氣候干冷，成土過程比較弱，鐵的氧化物含量就會相對減少，鐵磁性礦物也相對較少。因此，土壤一般屬于弱磁性，頻率磁化率一般很低。

此外，夏爾希里地區(qū)3種地貌類型的土壤基本上全屬于中等變異，只有山地土壤的 80 ~ 100 cm土層屬于弱變異。低頻磁化率的特征為：除了綠洲的土壤低頻磁化率為先減少，然后增大，最后又減少外；山地和荒漠都是隨土層深度的增加，低頻磁化率值遞減。造成上述可能的原因主要是：夏爾希里長期屬于軍事爭議區(qū)，很少有人員活動，特別是山地與荒漠土壤受人為因素干擾比綠洲要少，沒有影響土壤特性。

2.2 夏爾希里地區(qū)土壤重金屬特征分析

表4為夏爾希里地區(qū)山地土壤重金屬特征分布，結(jié)果表明：山地土壤類型重金屬元素含量高低次序為Mn>Zn>Pb>Cr>Cu>As>Ni>Co>Hg，其中Mn元素含量最高，Hg元素含量最低。9種元素的垂直分布規(guī)律為：Cr、Co元素重金屬含量基本隨著土壤深度的增加而遞減；Cu元素變化不明顯；Pb、Zn、Hg元素表現(xiàn)出20 ~ 40 cm的含量高于0 ~ 20 cm的規(guī)律；其他幾種元素均表現(xiàn)出20 ~ 40 cm的含量低于0 ~ 20 cm的規(guī)律。根據(jù)變異系數(shù)的劃分，夏爾希里地區(qū)山地土壤重金屬的變異規(guī)律為：除了Hg為強變異性，其他重金屬元素都為中等變異。

表4 山地土壤重金屬特征分布(mg/kg)Table 4 Distribution of soil heavy metal of the mountainous region

表5為夏爾希里地區(qū)綠洲土壤環(huán)境背景值含量統(tǒng)計，結(jié)果顯示：綠洲土壤類型重金屬元素含量高低次序為Mn>Zn>As>Cr>Pb>Cu>Ni>Co>Hg，Mn元素含量最高，Hg元素含量最低。9種元素的垂直分布

規(guī)律為：Cr、Cu、Ni、Pb元素表現(xiàn)為先隨深度增加而加深，在20 ~ 40 cm達到頂峰，然后隨深度增加而降低；Zn、Hg元素含量隨土層深度加深而增加，在40 ~ 60 cm時含量達到頂峰，然后又隨深度加深而含量減少；其他幾種元素均表現(xiàn)出20 ~ 40 cm的含量低于0 ~ 20 cm的規(guī)律。根據(jù)變異系數(shù)的劃分，夏爾希里地區(qū)綠洲土壤重金屬的變異規(guī)律為：除了Hg為強變異性，其他重金屬元素都為中等變異。

表5 綠洲土壤重金屬特征分布(mg/kg)Table 5 Distribution of soil heavy metal of the oasis

表 6為夏爾希里地區(qū)荒漠土壤重金屬特征分布，結(jié)果表明：荒漠土壤類型重金屬元素含量高低次序為Mn>Zn>Cr>As>Pb>Cu>Ni>Co>Hg，其中Mn元素含量最高，Hg元素含量最低。9種元素的垂直分布規(guī)律為：Co、Mn、Ni元素表現(xiàn)為重金屬含量隨著土壤深度的增加而遞減；Cr、Pb、Hg元素含量隨土層深度的增加而遞增；As元素含量表現(xiàn)出20 ~ 40 cm的含量高于0 ~ 20 cm的規(guī)律；其他幾種元素均表現(xiàn)出20 ~ 40 cm的含量低于0 ~ 20 cm的規(guī)律。根據(jù)變異系數(shù)的劃分，夏爾希里地區(qū)荒漠土壤重金屬的變異規(guī)律為：除了 Hg為強變異性，其他重金屬元素均為弱或中等變異。夏爾希里地區(qū)3種土壤類型環(huán)境背景值含量統(tǒng)計結(jié)果表明：Hg為強變異性，其他元素均為弱或中等變異。造成夏爾希里地區(qū)土壤重金屬上述統(tǒng)計特點的成因和機理比較復雜，既有內(nèi)在因素，也有外在因素。內(nèi)在因素主要是由于夏爾希里地區(qū)長期特殊的地理位置和歷史背景所決定的。

表6 荒漠土壤重金屬特征分布(mg/kg)Table 6 Distribution of soil heavy metal of the desert

2.3 夏爾希里地區(qū)土壤磁化率與重金屬含量的相關(guān)性分析

表 7反映的是夏爾希里地區(qū)山地土壤低頻磁化率、頻率磁化率與重金屬含量的相關(guān)性特征。結(jié)果顯示：在P<0.05水平上，低頻磁化率、As與土壤深度呈顯著負相關(guān)；Co、Cr與Mn，Zn與Cu顯著正相關(guān)。

表7 山地低頻磁化率、頻率磁化率與重金屬含量的相關(guān)性分析Table 7 Correlation analysis of low frequency magnetic susceptibility, frequency magnetic susceptibility and heavy metal contents of the mountainous region

表 8反映的是夏爾希里地區(qū)綠洲土壤低頻磁化率、頻率磁化率與重金屬含量的相關(guān)性特征。結(jié)果顯示：在P<0.01水平上，Co、As與低頻磁化率，Co與As，Cr與Ni、Pb，Ni與Pb均呈極顯著正相關(guān)。在P<0.05水平上，Cr與低頻磁化率、As顯著負相關(guān)；Cu與低頻磁化率、Co、As顯著負相關(guān)，與Cr、Ni、Pb、Hg顯著正相關(guān)；Ni與土壤深度、低頻磁化率顯著負相關(guān)；Pb與Zn顯著正相關(guān)。

表 9反映的是夏爾希里地區(qū)荒漠土壤低頻磁化率、頻率磁化率與重金屬含量的相關(guān)性特征。結(jié)果顯示：在P<0.01水平上，Pb與Cr極顯著正相關(guān)。在P<0.05水平上，Cr與低頻磁化率、Mn與土壤深度、Pb與低頻磁化率、As與Cu顯著負相關(guān)；Co與低頻磁化率顯著正相關(guān)。

表8 綠洲低頻磁化率、頻率磁化率與重金屬含量的相關(guān)性分析Table 8 Correlation analysis of low frequency magnetic susceptibility, frequency magnetic susceptibility and heavy metal contents of the oasis

3 結(jié)論

1) 夏爾希里地區(qū)3種地貌類型的土壤基本上全屬于中等變異，只有山地土壤的80 ~ 100 cm土層屬于弱變異。低頻磁化率的特征為：除了綠洲的土壤低頻磁化率先減少，后增大，再減少以外；山地和荒漠都是隨土層深度的增加，低頻磁化率值遞減。此外，新疆土壤的頻率磁化率值都較低。

2) 山地土壤類型重金屬元素含量排序為 Mn>Zn> Pb>Cr>Cu>As>Ni>Co>Hg；綠洲土壤類型重金屬元素含量排序為Mn>Zn>As>Cr>Pb>Cu>Ni>Co>Hg；荒漠土壤類型重金屬元素含量排序為Mn>Zn>Cr>As>Pb>Cu> Ni>Co>Hg。夏爾希里地區(qū)3種地貌類型的土壤中的重金屬，除了Hg為強變異性，其他金屬元素均為弱或中等變異。

表9 荒漠低頻磁化率、頻率磁化率與重金屬含量的相關(guān)性分析Table 9 Correlation analysis of low frequency magnetic susceptibility, frequency magnetic susceptibility and heavy metal contents of the desert

3) 夏爾希里地區(qū)山地、綠洲、荒漠土壤的低頻磁化率和頻率磁化率與重金屬不同土層的相關(guān)性結(jié)果顯示：山地土壤中，在P<0.05水平上，低頻磁化率、As與土壤深度呈顯著負相關(guān)；Co、Cr與Mn，Zn與Cu顯著正相關(guān)。綠洲和荒漠土壤中，在P<0.01水平上，Pb與Cr極顯著正相關(guān)；在P<0.05水平上，Cr與低頻磁化率顯著負相關(guān)，As與Cu顯著負相關(guān)。

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The Soil Magnetic Susceptibility, Heavy Metal Characteristics and Correlation Analysis in the Xiaerxili

ZHAO Shanshan, WANG Yonghui*
(College of Geography and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi830054,China)

The coupling relationship between soil magnetic characteristics and heavy metal is one of the hot issues in the study of environmental science. In order to ascertain the soil magnetic susceptibility, heavy metal characteristics and their correlation, 67 soil profiles in the Xiaerxili area was selected to determine the magnetic susceptibility and heavy metal contents. The results showed that: 1) Low frequency magnetic susceptibility features: the relationship between the low frequency magnetic susceptibility and the soil depth of the oasis was uncertainly; while the low frequency magnetic susceptibility value was decreased both in mountainous region and desert with the increases of the soil depth. In addition, the soil frequency magnetic susceptibility values were low in Xinjiang. 2) The order of heavy metal elements contents in mountainous region was as follow: Mn>Zn>Pb> Cr>Cu>As>Ni>Co>Hg; which in oasis was: Mn>Zn>As>Cr>Pb>Cu>Ni>Co>Hg; and in desert was: Mn>Zn>Cr> As>Pb>Cu> Ni>Co>Hg. 3)By the analysis of soil magnetization, characteristics of heavy metals and their correlation in the Xiaerxili area, it was concluded that: in different types of soils in the study area, low frequency magnetic susceptibility and soil depth was significantly correlated in mountainous region, and significant correlation among heavy metals. Through the above analysis, it could provide a scientific reference for the management and protection of the regional environment.

Xiaerxili; Soil; Magnetic susceptibility; Heavy metal; Correlation

K903；P934

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.017

國家自然科學基金項目(41261055)資助。

* 通訊作者(wyhsd_3011@163.com)

趙珊珊(1994—)，女，四川閬中人，碩士研究生，主要研究方向為干旱區(qū)資源利用與環(huán)境演變。E-mail: shiqudeshi@126.com