鹽池縣禁牧封育區(qū)國(guó)道兩側(cè)土壤磁化率與土壤重金屬含量的關(guān)系研究

馬 博，孫 虎

(陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院 ，西安 710000)

環(huán)境磁學(xué)誕生于20世紀(jì)70年代，由其快速、簡(jiǎn)捷和對(duì)樣品不造成二次污染的特點(diǎn)[1]，在地球科學(xué)與環(huán)境科學(xué)中的許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中在土壤和金屬沉積物污的監(jiān)測(cè)中得到了較好的應(yīng)用。利用磁學(xué)測(cè)量技術(shù)研究土壤中重金屬污染程度已有許多成果的實(shí)踐，并且受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。在磁學(xué)研究中，磁化率是其中重要的參數(shù)，將磁化率與化學(xué)元素(尤其是重金屬元素)相結(jié)合進(jìn)行探索環(huán)境變化對(duì)土壤磁性物質(zhì)的影響[2-3]，土壤磁化率與土壤重金屬元素含量的相關(guān)性研究是近年來(lái)環(huán)境學(xué)的發(fā)展熱點(diǎn)問題[4～6]。當(dāng)代，土壤表層受人為活動(dòng)劇烈的沖擊，土壤表層磁化率通常作為受人為影響強(qiáng)烈區(qū)域[7-8](如城市[9]、工業(yè)區(qū)[10]、農(nóng)田、交通用地[11]等)的土壤金屬污染指示。劉德新等運(yùn)用土壤低頻磁化率與污染綜合評(píng)價(jià)指數(shù)建立線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)在0.42～0.90(p<0.01)。因此，磁化率可以展示土壤的綜合污染水平。筆者通過對(duì)寧夏回族自治區(qū)鹽池縣北部禁牧封育區(qū)內(nèi)G20路段兩側(cè)土壤進(jìn)行磁化率和重金屬元素含量的測(cè)定，來(lái)分析土壤磁化率與重金屬元素含量的關(guān)系，并揭示其環(huán)境意義。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣。鹽池縣位于寧夏東部，東經(jīng)106°30′～107°47′，北緯37°04′～38°10′，全縣南北長(zhǎng)約120km,東西寬約100km，總面積約為8 661.3km2。全縣地勢(shì)北部比南部低，東西兩側(cè)低、中間高的趨勢(shì)，南北分為黃土丘陵和鄂爾多斯緩坡丘陵。 鹽池縣北部與毛烏素沙地相連，東南部與黃土高原相連，屬于典型的過渡地帶，即自東南向北，地形是從黃土丘陵向鄂爾多斯緩坡丘陵的過渡帶。 鹽池屬典型中溫帶大陸性氣候,光能豐富,熱量較適中。多年平均降水量約為285mm,但鹽池縣的年蒸發(fā)量遠(yuǎn)超過與降水量。多年平均蒸發(fā)量為2 403.7mm。根據(jù)1983年對(duì)鹽池縣進(jìn)行的第二次土壤普查顯示，鹽池縣的土壤類型以灰鈣土。風(fēng)沙土為主。其中風(fēng)沙土在中北部分布較廣泛。

2002年8月，在鹽池縣召開了寧夏中部干旱帶生態(tài)建設(shè)的工作會(huì)議，會(huì)議決定了率先實(shí)行全面禁牧封育。在當(dāng)年11月，鹽池縣在全區(qū)展開禁牧封育工作。本文所研究區(qū)域大部分地區(qū)就在禁牧封育地區(qū)。 國(guó)道G20從其中北部穿過，其長(zhǎng)度約67.57km，因此研究區(qū)所研究的范圍屬于人類活動(dòng)較輕的，但是車輛，尤其是大型運(yùn)輸煤炭的貨車較多。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

從鹽池縣西北部，沿著國(guó)道G20進(jìn)入鹽池縣。根據(jù)國(guó)道在研究范圍內(nèi)總長(zhǎng)約67.57km，在G20兩側(cè)，共設(shè)定24個(gè)采樣點(diǎn)(其中12樣點(diǎn)位于G20北側(cè)、12各樣點(diǎn)位于采樣點(diǎn)南側(cè))，每個(gè)采樣點(diǎn)劃分為5×5m的范圍，在范圍內(nèi)隨機(jī)采取3～5個(gè)剖面土壤混合，深度范圍：0～60cm,每10cm為一個(gè)剖面樣。共采集了143個(gè)樣品。

2.2 試驗(yàn)方法

將采集好的樣品裝入塑封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，讓樣品在通風(fēng)，干燥的條件下自然風(fēng)干,用玻璃研缽破碎。將所有樣品通過2mm篩，剔除植物根莖等雜物，取出其中5g放入無(wú)磁性塑料瓶中，用于測(cè)定土壤磁化率。測(cè)定磁化率使用的是配有雙頻傳感器(0.47kMz、4.7kMz)的Bartington MS2磁化儀。每個(gè)樣品均進(jìn)行了低頻和高頻的磁化率測(cè)定，測(cè)定感量為1.0。每個(gè)樣品測(cè)試3次，取平均值.頻率磁化率(Χlf)通過公式Χfd(%)=(Χlf-Χhf)/Χlf×100%來(lái)計(jì)算(式中Χlf、Χhf分別為低頻、高頻磁化率)。土壤重金屬元素含量的測(cè)定使用的是X-Ray熒光光譜儀(PW2403,荷蘭帕納科儀器公司)。

3 分析結(jié)果與討論

3.1 土壤磁化率特征

磁化率可以近似地指示土壤中亞鐵磁性礦物的含量，而頻率磁化率可以反映出超順磁性顆粒(SP顆粒)的相對(duì)含量。鹽池縣路邊土壤低頻磁化率的特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表1)表明：研究區(qū)土壤低頻磁化率Χlf的變化范圍在在13～54×10-8m3/kg，隨著土壤層深度的增加，土壤Χlf總體呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，在0～40cm土層中隨著深度的增加而土壤Χlf降低，40～60cm土層中，隨著深度的增加，土壤Χlf又有了輕微的增加。各個(gè)土層土壤Χlf的平均值變化范圍為33.88～38.79×10-8m3/kg之中，而且在0～10cm土層整體中較高，土壤Χlf變化范圍在54～17×10-8m3/kg之間。

表1 鹽池縣路邊土壤低頻磁化率特征Tab.1 Low-frequency magnetic susceptibility characteristics of roadside soil in Yanchi County

研究區(qū)路邊土壤頻率磁化率的特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表2)表明：土壤頻率磁化率的變化范圍在1.92%～13.51%之間，各個(gè)土層中土壤Χfd的均值在2.91%～3.77%之間。從圖1中可以看出土壤Χlf與土壤Χfd的變化特征不同， 土壤Χfd呈現(xiàn)出的是隨著土層深度的增加，土壤Χfd先降低在增加之后輕微的降低的趨勢(shì)。而且研究區(qū)各個(gè)樣地的土樣的土壤Χfd平均值均2.91～3.77之間。同時(shí)，在表3中，研究區(qū)內(nèi)土壤的低頻和高頻磁化率相關(guān)系數(shù)是0.997，低頻磁化率和頻率磁化率之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.418(Χlf-Χfd)。高頻磁化率和頻率之間也呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.481(Χhf-Χfd)。由此可見由沉積母質(zhì)發(fā)育過程中的磁化率和頻率磁化率之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，表明了研究區(qū)內(nèi)土壤中的SP顆粒對(duì)磁性的貢獻(xiàn)很少。同時(shí)可見研究區(qū)內(nèi)表層土壤Χlf均大于樣地平均土壤Χlf，而表層土壤Χfd和樣地平均Χfd基本相當(dāng)或偏低，表明研究區(qū)內(nèi)表土層可能存在著污染。 將土樣的土壤Χlf和土壤Χfd用SPSS進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)土壤Χlf和土壤Χfd均符合正態(tài)分布。而且研究區(qū)內(nèi)土壤Χlf和土壤Χfd的變異系數(shù)平均值分別為：21.46%和46.77%，均屬于中等變異強(qiáng)度。

表2 鹽池縣路邊土壤頻率磁化率特征Tab.2 Magnetic frequency susceptibility characteristics of roadside soil in Yanchi County

表3 土壤磁化率相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient of soil susceptibillity

注：P<0.01;*表示極顯著相關(guān)性。

3.2 Pb、Cu、Mn和As與磁化率的關(guān)系

根據(jù)Versteeg等提出的利用磁化率來(lái)作為沉積物中的重金屬污染的代用指標(biāo)必須滿足：磁化率數(shù)值與所研究的重金屬元素的含量之間要具有顯著的相關(guān)性。所以，分析樣品中磁化率與樣品中重金屬含量之間的相關(guān)關(guān)系就顯得極其重要了。

研究區(qū)內(nèi)樣品中Pb、Cu、Mn和As元素含量與低頻磁化率之間的關(guān)系如圖1所示。

Mn、As和Pb 3種重金屬元素含量都與磁化率有著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R)從大到小的順序?yàn)镸n>Pb>As，經(jīng)過SPSS仔細(xì)計(jì)算，Cu元素含量與低頻磁化率在L1-l14上有著顯著的相關(guān)性。低頻磁化率與Mn、As、 Pb呈現(xiàn)處顯著正相關(guān)，與Cu的含量呈弱相關(guān)。而樣品土壤頻率磁化率與Mn、As、 Pb和Cu均呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。其中，與Mn、As、 Pb呈現(xiàn)出顯著地負(fù)相關(guān)，與Cu呈現(xiàn)出弱相關(guān)。這正好與盧瑛[5]等發(fā)現(xiàn)的南京市土壤的磁化率與重金屬Cu、Zn、Pb、CR存在顯著正相關(guān)、與王學(xué)松[12]等發(fā)現(xiàn)的徐州城市路邊表層土壤Pb、Cu和Zn污染的磁化率表征等都相類似。

圖1 樣品中4種重金屬元素含量與低頻磁化率的關(guān)系Fig.1 Relationship between content of four heavy metal elements in sample and low frequency magnetic susceptibility

除少量樣地外，大部分樣地的低頻磁化率最高值都出現(xiàn)在表層0～20cm土層中，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，磁化率偏高的地方，重金屬含量也要偏高。表層土壤中重金屬M(fèi)n、As、Cu和Pb的平均含量為別為312.9、8.1、10.3和15.6mg/kg，分別是風(fēng)沙土壤背景值[13]的1.09、1.50、1.36和1.24倍。

土壤重金屬含量是在以背景值含量之上疊加了汽車尾氣，農(nóng)業(yè)活動(dòng)等人為因素的綜合結(jié)果。有研究表明，在沒有人為活動(dòng)影響的情況下，自然過程中也可能造成土壤重金屬含量的超標(biāo)，但這種情況特殊情況都是由于土壤的礦物特征、成土過程和分化方式的特殊引起的[14]。一般認(rèn)為城市土壤重金屬的主要來(lái)源還是由人為活動(dòng)引起的。頻率磁化率主要反映了樣品中SP顆粒的含量，而土壤中SP顆粒主要來(lái)源于母質(zhì)風(fēng)化和成壤過程。因此通過前人的研究表明：當(dāng)土壤中頻率磁化率與重金屬含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，說明重金屬主要來(lái)源于人為擾動(dòng)輸入；若呈現(xiàn)出正相關(guān)，則說明重金屬主要源于土壤母質(zhì)[15]。鹽池縣G20國(guó)道兩旁表層土壤中Mn、As、Pb和Cu 4種重金屬元素含量與頻率磁化率呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，表明研究區(qū)內(nèi)的土壤重金屬污染主要源于人為擾動(dòng)輸出。

本研究顯示，鹽池縣境內(nèi)G20國(guó)道邊土壤中Mn、As和Pb含量與磁化率顯著相關(guān)，指示了路邊土壤表層磁性礦物來(lái)源與重金屬M(fèi)n、As和Pb有著密切的聯(lián)系。即是說，土壤污染受到交通污染影響。

3.3 磁化率與重金屬負(fù)荷污染

PLI即為污染負(fù)荷指數(shù)，能夠反映土樣中多種元素共同作用的結(jié)果。所以可以用作為綜合評(píng)價(jià)樣品中重金屬污染強(qiáng)度的一個(gè)有效的參數(shù)[11]。計(jì)算公式：

其中：CK為土壤中K元素的含量；C為元素K背景值；FK為元素K的最高污染系數(shù)；n是樣品中所需要的元素?cái)?shù)量。

通過SPSS將土壤磁化率與4種重金屬元素的單項(xiàng)污染指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析得出，土壤磁化率與4種重金屬元素的單項(xiàng)污染指數(shù)的相關(guān)性與土壤磁化率與4種重金屬元素含量相似。土壤低頻磁化率與Mn、As和Pb的單項(xiàng)污染指數(shù)在L1-L18剖面中呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.598、0.338和0.521(P<0.01)；在L19-L24剖面中呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.353、-0.623和-0.486(P<0.01)。頻率磁化率與Mn、As和Pb的單項(xiàng)污染指數(shù)在L1-L18剖面中呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.354、-0.273和-0.332(P<0.01)；在剖面L19-L24剖面中相關(guān)性不大。而Cu單項(xiàng)污染指數(shù)與低頻磁化率在L1-L14剖面中呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.222(P<0.05)，在剖面L15-L24剖面中呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.479(P<0.01)；Cu單項(xiàng)污染指數(shù)與頻率磁化率在L1-L14剖面中呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.292(P<0.01)，在L15-L24剖面中顯著性不高。內(nèi)梅羅污染指數(shù)與低頻磁化率之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.455(P<0.01)，與頻率磁化率之間沒有顯著相關(guān)性。

通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，鹽池縣G20道路兩側(cè)土壤中Mn、As、Cu和Pb 4種元素的PLI與土壤磁化率的一元線性回歸方程模型如圖2 所示。相關(guān)系數(shù)分別為R(Xhf-IPL)=0.422、R(Χlf-IPL)=0.421和R(Xfd-IPL)=-0.328；在P<0.01下，PLI與Xhf、Χlf和Xfd具有顯著相關(guān)性。這說明磁化率不僅可以指示一種重金屬元素的污染強(qiáng)度，也可以指示該研究區(qū)內(nèi)Mn、As、Cu和Pb的綜合污染強(qiáng)度。這一結(jié)論基本與李鵬[14]和王冠等[15]所得出的結(jié)論基本一致。

圖2 磁化率與4種重金屬元素IPL的關(guān)系Fig.2 Relationship between magnetic susceptibility and IPL of four heavy metal elements

4 結(jié) 論

以鹽池縣G20道路兩旁土壤樣品為研究對(duì)象，對(duì)其磁化率和重金屬元素含量進(jìn)行了特征對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

4.1 研究區(qū)內(nèi)土壤低頻與高頻磁化率呈正相關(guān)，兩者皆與頻率磁化率呈負(fù)相關(guān)，與Mn、As和Pb含量呈顯顯著正相關(guān)，在一定范圍內(nèi)與Cu也呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)。指示著道路兩旁土壤中Mn、As、Pb和Cu和磁性礦物有著相同來(lái)源，也說明了通過監(jiān)測(cè)土壤磁化率可以快速地診斷路邊土壤中Mn、As、Pb和Cu的污染情況。

4.2 磁化率不僅能夠指示一種重金屬元素含量的污染強(qiáng)度，也能夠指示該區(qū)土壤中的Mn、As、Pb和Cu的復(fù)合污染程度，反映了路邊土壤污染物主要來(lái)源與交通污染。

4.3 與其他方法相比，磁化率測(cè)量具有靈敏、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，因此可以當(dāng)確定一區(qū)域內(nèi)所需要監(jiān)測(cè)的重金屬元素含量與磁化率呈現(xiàn)顯著相關(guān)，就可以大規(guī)模開展該區(qū)域內(nèi)相關(guān)重金屬的磁化率監(jiān)測(cè)。