許昌市園林綠地表層土壤磁性特征研究

孫艷麗，郝瑩雷

(許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院， 河南 許昌 461000)

近年來，隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)城市土壤的影響越來越重要.綠地土壤作為城市污染物重要的載體，影響著城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和人體健康[1].磁化率指標(biāo)是土壤在外磁場(chǎng)中受感應(yīng)產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值，反映了土壤中磁性礦物的數(shù)量[2]，因磁性顆粒常吸附各種重金屬元素，所以其在一定程度上可以指示土壤的污染狀況[3].Hanesch、Blundell、Hay等曾運(yùn)用土壤磁性參數(shù)分析了城市綠地土壤重金屬污染狀況[4-6].Bityukova、Baghdadi等進(jìn)行了綠地土壤磁化率與重金屬元素間關(guān)系的研究[7，8].盧升高、李曉慶等分別從土壤磁化率特征、磁化率與土壤重金屬元素的相關(guān)性、影響因素等方面對(duì)綠地土壤進(jìn)行了相關(guān)研究[9，10].

許昌市是“國(guó)家園林城市”、“國(guó)家森林城市”，城市園林綠地土壤環(huán)境質(zhì)量對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境建設(shè)和園林綠地的合理開發(fā)與健康發(fā)展具有重要意義.目前，對(duì)許昌市園林綠地土壤磁學(xué)特征的相關(guān)研究還未見報(bào)道，通過研究許昌市園林綠地表層土壤磁性特征，初步判斷土壤環(huán)境質(zhì)量，為改善許昌市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和開展城市生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

許昌市位于河南省中部(東經(jīng)113°03′～114°19′，北緯33°42′～34°24′).屬北溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.3 ℃，年平均降水量640.9 mm；主要土壤類型為潮土、褐土.市區(qū)面積88 km2，建成區(qū)人口50萬.全市綠地總面積12.27 km2，森林覆蓋率達(dá)33.5%，建成區(qū)綠化覆蓋率42.68%，中心區(qū)人均公共綠地6.5 m2.植被類型屬暖溫帶闊葉林與針葉林混交林，植物區(qū)系具有過渡性特征.園林植物分屬64科、201種，其中以薔薇科、木犀科、忍冬科、豆科較多.建成區(qū)常見植物種類有大葉女貞(Ligusrunlucidum)、黃山欒樹(Koelreuteriaintegrifoliola)、楓楊(Pterocaryastenoptera)、雪松(Cedrusdeodara)、鳶尾(Iristectorum)、紅葉石楠(Photiniaserrulata)等[11].

2 研究方法

2.1 樣品采集

土壤樣品采集依照正方形網(wǎng)格法布點(diǎn)，在1：50 000許昌市區(qū)圖上劃分1×1 km網(wǎng)格，在每個(gè)有效網(wǎng)格內(nèi)選取代表性綠地布設(shè)采樣點(diǎn)，用GPS進(jìn)行定位.在各采樣點(diǎn)4 m2范圍內(nèi)，按照梅花形采樣法進(jìn)行表層(0～20 cm)土壤樣品采集.同時(shí)，在郊外農(nóng)田布設(shè)對(duì)比樣點(diǎn).本研究共采集市區(qū)表層土壤樣品99個(gè)(其中，工業(yè)區(qū)和公園各17個(gè)，學(xué)校和交通道路各22個(gè)，居住區(qū)9個(gè))，農(nóng)田對(duì)照樣品12個(gè)(圖1).

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將采集的土樣自然風(fēng)干，過1 mm土壤篩后，稱取10 g左右，置于10 mL的圓柱狀聚乙烯樣品盒中，用英國(guó)Bartington MS2型雙頻磁化率儀進(jìn)行低頻磁化率(0.47 kHz)和高頻磁化率(4.7 kHz)的測(cè)定.

2.3 頻率磁化率計(jì)算方法

頻率磁化率常用來指示當(dāng)測(cè)量場(chǎng)頻率增加時(shí)磁化率增減的百分?jǐn)?shù)，反映磁性礦物顆粒大小分配和超順磁顆粒的相對(duì)含量，對(duì)判別土壤磁性礦物的物源和成因有重要意義[8].計(jì)算公式為

Xfd(%)=(Xlf-Xhf)/Xlf×100 ，

其中，Xfd為頻率磁化率，Xlf為低頻磁化率，Xhf為高頻磁化率.

2.4 土壤重金屬污染分級(jí)

已有研究表明，土壤磁化率與土壤重金屬污染負(fù)荷指數(shù)PLI呈正相關(guān)，磁化率越大，重金屬的污染等級(jí)越高[12].本研究以劉德新等的土壤重金屬污染分級(jí)[13]為依據(jù)(表1)，評(píng)價(jià)許昌市園林綠地土壤的污染狀況.

表1 基于磁化率的土壤重金屬污染分級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 園林綠地表層土壤磁化率的一般特征

園林綠地表層土壤磁化率為15.24×10-8～139.33×10-8m3·kg-1，均值為56.97×10-8m3·kg-1，變異系數(shù)為36.54 %.土壤頻率磁化率變幅為1.12%～17.51%，均值為7.33%，變異系數(shù)為41.82%.土壤磁化率與頻率磁化率之間呈負(fù)相關(guān)(p<0.05).

基于磁化率的土壤重金屬污染標(biāo)準(zhǔn)，許昌市區(qū)園林綠地73.0%樣點(diǎn)的土壤磁化率低于62×10-8m3·kg-1，對(duì)應(yīng)PLI小于1，屬無污染級(jí)別；27.0%的樣點(diǎn)土壤磁化率在62×10-8和153×10-8m3·kg-1之間，屬于輕度污染級(jí)別.

3.2 不同功能區(qū)園林綠地表層土壤磁化率特征

不同功能區(qū)表層土壤磁化率均值表現(xiàn)為工業(yè)區(qū)>公園>居住區(qū)>交通道路>學(xué)校>農(nóng)田，頻率磁化率表現(xiàn)為農(nóng)田>交通道路>居住區(qū)>學(xué)校>公園>工業(yè)區(qū)(圖2).44%的工業(yè)區(qū)綠地土壤和33.3%的公園綠地土壤重金屬污染等級(jí)為輕度污染；居住區(qū)和學(xué)校綠地土壤屬于輕度污染的樣點(diǎn)比例分別為22.2%和22.7%；交通道路綠地土壤環(huán)境狀況較好，僅13.64%的樣點(diǎn)屬輕度污染級(jí)別；農(nóng)田土壤磁化率均低于62×10-8m3·kg-1，屬于無污染級(jí)別.

3.3 園林綠地表層土壤磁化率的空間分布

從許昌市園林綠地表層土壤磁化率的空間分布等值線圖可以看出，土壤磁化率表現(xiàn)出由中心市區(qū)向外呈帶狀遞減的空間分布格局(圖3).在中部和北部出現(xiàn)兩個(gè)高值分布區(qū)，磁化率范圍為49.78×10-8～139.33×10-8m3·kg-1.市區(qū)西部和東部為低值區(qū)，磁化率范圍為15.24×10-8～49.78×10-8m3·kg-1.頻率磁化率則表現(xiàn)出中部和東北部較低，西部和東南部較高的空間分布格局，其分布特征與土壤磁化率相反(圖4).

圖2 許昌市不同功能區(qū)綠地表層土壤磁化率

圖3 園林綠地表層土壤磁化率空間分布

圖4 園林綠地表層土壤頻率磁化率空間分布

4 結(jié)果與討論

許昌市園林綠地表層土壤磁化率低于上海市、咸陽(yáng)市的表層土壤，顯示了人類活動(dòng)對(duì)園林綠地土壤磁化率的不同影響[14，15].多數(shù)樣點(diǎn)的表層土壤磁化率值對(duì)應(yīng)于土壤重金屬無污染級(jí)別，表明整體土壤環(huán)境質(zhì)量較好.Dearing曾以土壤頻率磁化率推算了超順磁性顆粒的濃度，得出頻率磁化率小于3%時(shí)，基本上沒有超順磁性顆粒；在3%～10%時(shí)，為超順磁性顆粒和粗顆粒混合存在.許昌園林綠地65%樣點(diǎn)的土壤頻率磁化率在3%～10%之間，小于3%的樣點(diǎn)僅為4.5%，這表明土壤污染物的晶體粒徑較粗，多為超順磁和粗顆?；旌希寥来判灶w粒的累積受成土過程和人類污染的共同影響.

綠地表層土壤磁化率在不同功能區(qū)間的差異表現(xiàn)反映出了不同人類活動(dòng)的影響.工業(yè)區(qū)綠地土壤磁化率高，污染較大，可能是由于該區(qū)分布有制造業(yè)、紡織業(yè)、建材公司等部門，工業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生的粉塵、煙塵及廢棄物中含有的亞鐵磁性礦物造成了土壤中磁性顆粒增多.公園位于市區(qū)中心，周邊道路交通流量大，園內(nèi)游客量密集及存在餐飲攤位經(jīng)營(yíng)，綠地土壤受到機(jī)動(dòng)車尾氣排放、游客丟棄物和餐余垃圾的影響較強(qiáng)，使其土壤磁化率較高.居住區(qū)和學(xué)校因生活垃圾的排放，使土壤也呈現(xiàn)出一定程度的污染.交通道路綠地土壤的污染在功能區(qū)中較弱，與盧升高[9]、張孔合[16]研究得出交通沿線土壤磁化率在功能區(qū)中較高的結(jié)論不同.一方面可能是因?yàn)樵摴δ軈^(qū)樣點(diǎn)多位于許昌市區(qū)外圍車流量較少的道路；另一方面，隔離帶綠地管理養(yǎng)護(hù)狀況較好，使交通活動(dòng)對(duì)土壤污染的影響并不顯著.

土壤磁化率空間分布格局與許昌市的土地利用方式有關(guān).城市的中部和北部分別是老城區(qū)和工業(yè)區(qū)，老城區(qū)建成歷史比較悠久，人口密集，生活垃圾量大，交通道路密集，車流量大.北部主要集聚了污水處理廠、造紙廠、紡織廠及建材廠等工業(yè)生產(chǎn)企業(yè).工業(yè)生產(chǎn)、交通排放及人類生活排放產(chǎn)生的污染物，使這兩個(gè)區(qū)域的土壤磁化率較高.市區(qū)的西部和東部區(qū)域?qū)儆诮紖^(qū)，以農(nóng)田為主，工業(yè)企業(yè)分布相對(duì)較少，且多是一些對(duì)環(huán)境污染較小的新興工業(yè)，土壤受人為因素影響較小，磁性顆粒主要來源于成土過程.