新疆天山天池景區(qū)表土磁性特征的時(shí)空變化①

常 潔，陳學(xué)剛,2*，董 煜,2

(1 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054；2 新疆師范大學(xué)新疆維吾爾自治區(qū)干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054)

旅游過(guò)程中旅游景區(qū)是游客游覽的核心要素。但是，隨著景區(qū)內(nèi)游客活動(dòng)量的增加，在消耗景區(qū)內(nèi)外資源的同時(shí)，景區(qū)污染物的排放也顯著增加。景區(qū)內(nèi)土地踐踏、旅游設(shè)施建設(shè)、尾氣排放、旅游垃圾等一系列的旅游活動(dòng)導(dǎo)致的生態(tài)污染直接影響到人們的健康[1]。土壤作為旅游景區(qū)生態(tài)圈中游客直接接觸的部分，在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡與穩(wěn)定的同時(shí)也極易受到旅游活動(dòng)的干擾。而景區(qū)內(nèi)表土對(duì)旅游活動(dòng)的敏感性響應(yīng)會(huì)通過(guò)土壤理化性質(zhì)的改變表現(xiàn)出來(lái)[2]，所以對(duì)景區(qū)內(nèi)土壤污染的研究是評(píng)價(jià)景區(qū)環(huán)境質(zhì)量的重要手段[3]。土壤磁性作為土壤性質(zhì)的一個(gè)重要組成部分，能夠表征人為活動(dòng)影響下的表土磁性特征與自然成土下的表土磁性特征的差異性[4-5]。如，在景區(qū)自助游帶動(dòng)下，私家車(chē)和區(qū)間車(chē)增多等一系列能源消耗與排放的旅游活動(dòng)中產(chǎn)生的污染物通常含磁性礦物顆粒，而這些礦物顆粒主要是與交通活動(dòng)如尾氣排放、輪胎磨損、垃圾焚燒等有關(guān)的Pb、Cu、Zn的污染來(lái)源[6]。研究顯示，污染物中磁學(xué)參數(shù)值與重金屬含量具有顯著正相關(guān)性，這使得磁學(xué)參數(shù)不僅成為重金屬元素含量的代用指標(biāo)同時(shí)也能指示人為污染[7]。由于磁學(xué)參數(shù)能夠靈敏地判斷樣品中磁性礦物含量、礦物種類(lèi)和粒徑大小，且通過(guò)磁學(xué)參數(shù)分析可推斷磁性顆粒受時(shí)空變化影響的過(guò)程，因而其也成為環(huán)境污染變化評(píng)估的代用指標(biāo)[8-9]。磁學(xué)參數(shù)測(cè)量方法有迅速、靈敏、對(duì)環(huán)境無(wú)破壞性、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于土壤污染源的測(cè)定和追蹤、污染評(píng)價(jià)等方面[10]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土壤性質(zhì)的時(shí)空變化分析主要集中在土壤的養(yǎng)分[11-12]、重金屬[13]和鹽分[14]

等，而針對(duì)土壤磁性的研究主要在單一時(shí)間點(diǎn)的分析并僅見(jiàn)于農(nóng)田土壤磁化率空間變異研究[15]，關(guān)于景區(qū)內(nèi)土壤磁性時(shí)空變異的報(bào)道尚不多見(jiàn)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)天池景區(qū)表土磁性隨時(shí)間變化引起的空間分布變化進(jìn)行研究，并繪制空間分布圖，以期能得到天池景區(qū)表土磁性污染的時(shí)空變異特征，明晰表土的污染特點(diǎn)、污染程度、磁性分布規(guī)律等。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天山天池風(fēng)景區(qū)位于天山東段博格達(dá)主峰北坡的新疆阜康市南，距阜康市區(qū)37 km，距首府97 km，地理坐標(biāo) 88°00′ ~ 88°20′E，43°45′ ~ 43°59′N(xiāo)，面積248 km2，海拔1 910 m。研究區(qū)氣候?qū)俚湫偷拇箨懶愿珊禋夂?，年平均氣?.55 ℃，年降水量為500 ~600 mm；區(qū)內(nèi)土壤類(lèi)型以灰褐色森林土、山地栗鈣土、山地棕鈣土為主；地質(zhì)構(gòu)造方面，天山天池屬東天山博格達(dá)造山帶，呈東–西走向夾持于準(zhǔn)噶爾和吐魯番–哈密兩個(gè)中、新生代盆地之間，處于博格達(dá)晚古生代弧后斷陷盆地與準(zhǔn)噶爾中央地塊的接合部，斷層、褶皺發(fā)育，由一系列推覆構(gòu)造巖片組成[16]。豐富的自然景觀和人文資源，不僅為天池景區(qū)旅游活動(dòng)的開(kāi)展提供了良好的環(huán)境基礎(chǔ)，且使其在新疆旅游業(yè)發(fā)展中居于重要地位，其于2007年被評(píng)為國(guó)家5A級(jí)旅游景區(qū)。

1.2 樣品采集和分析方法

2015年8月和2017年5月分別對(duì)天山天池景區(qū)內(nèi)表土進(jìn)行樣品采集，采樣點(diǎn)的選取主要以旅游交通區(qū)、旅游活動(dòng)頻繁區(qū)和旅游活動(dòng)稀少的未干擾區(qū)為主。采用以100 m間隔的系統(tǒng)采樣法均勻地在景區(qū)內(nèi)進(jìn)行布點(diǎn)采樣，分別采集79個(gè)(2015年)、35個(gè)(2017年)表土樣品，其中2017年采樣點(diǎn)與2015年采樣點(diǎn)重合。每個(gè)樣品利用梅花點(diǎn)采樣法采集表土0 ~ 10 cm，每個(gè)樣品混合而成1 kg左右的樣品，裝入雙層聚乙烯塑料密封袋中，標(biāo)注樣品信息及編號(hào)。

采集的表土樣品經(jīng)過(guò)放置在陰涼、干燥、通風(fēng)、無(wú)塵土污染的室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干后，揀出雜質(zhì)、植物根系、大塊石礫等，過(guò)1 mm的尼龍篩，稱(chēng)重并用塑料保鮮膜包緊后裝入10 cm3的測(cè)磁專(zhuān)用樣品盒內(nèi)壓實(shí)封口，供測(cè)試使用。樣品送至中國(guó)地質(zhì)大學(xué)古地磁實(shí)驗(yàn)檢測(cè)室進(jìn)行測(cè)試，樣品的低頻磁化率χLF(976Hz)和高頻磁化率χHF(15 616 Hz)采用卡帕橋MFK1-FA多頻磁化率儀測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算頻率磁化率χFD，χFD(%)=(χLF–χHF)/χLF×100。表土樣品的等溫剩磁(IRM)和飽和等溫剩磁(SIRM)利用IM-10-30脈沖磁化儀和旋轉(zhuǎn)磁力儀測(cè)量，SIRM外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 000 mT；并測(cè)量樣品的–20、–100、–300 mT反向磁場(chǎng)的等溫剩磁。軟剩磁SOFT=(SIRM – IRM–20mT)/(2·m)(其中m代表質(zhì)量)和硬剩磁HIRM=(SIRM +IRM–300mT)/(2·m)，SIRM/χLF以及比值參數(shù)通過(guò)已測(cè)磁性參數(shù)計(jì)算得到，Sratio(%)= –IRM–300mT/SIRM×100。

1.3 數(shù)據(jù)處理

樣品磁性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 20.0 軟件完成，磁學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)圖和空間分布圖利用 Graph Prism 6和ArcGIS 10. 0軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 磁性礦物類(lèi)型參數(shù)

研究區(qū)兩次樣品的磁性參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。SOFT是反映低矯頑力的亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦或磁赤鐵礦)含量的指標(biāo)[17-19]，HIRM則用于估計(jì)樣品中高矯頑力的不完全反鐵磁性礦物(如赤鐵礦和針鐵礦)含量[20]。從表1可以看出，研究區(qū)土壤SOFT的變化范圍2015年為(134.62 ~ 1 063.04)×10–5Am2/kg(平均值 283.29×10–5Am2/kg)，2017年為(108.98 ~831.57)×10–5Am2/kg(平均值 374.15×10–5Am2/kg)；HIRM的變化范圍2015年為(17.86 ~ 110.58)×10–5Am2/kg(平均值 43.96×10–5Am2/kg)，2017年為(11.48 ~ 144.39)×10–5Am2/kg(平均值 60.58×10–5Am2/kg)。Sratio可用來(lái)評(píng)價(jià)低矯頑力軟剩磁與高矯頑力硬剩磁礦物的相對(duì)含量[21]，其值越接近1時(shí)，表示低矯頑力的亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦或磁赤鐵礦)是樣品中主要的磁性礦物[22]。當(dāng)Sratio<0.8，則說(shuō)明樣品中含有較高比例的硬磁性礦物，反之，0.8

2.2 磁性礦物含量參數(shù)

χLF、SIRM與樣品中磁性礦物含量呈正比。χLF大體反映環(huán)境樣品中磁性礦物(包括抗磁性、順磁性、不完全反鐵磁性和亞鐵磁性礦物)的含量[24]。SIRM與χLF的區(qū)別在于其不受順磁性和抗磁性物質(zhì)的影響，主要表明亞鐵磁性和不完全反鐵磁性礦物的貢獻(xiàn)[25]。天池景區(qū)表土的χLF、SIRM值變化范圍2015年 分 別 為(46.05 ~ 210.32)×10–8m3/kg(平 均 值95.25×10–8m3/kg)、(516.56 ~ 4 219.12)×10–5Am2/kg(平均值 1 110.86×10–5Am2/kg)；2017年分別為(43.20 ~326.54)×10–8m3/kg(平 均 值 113.04×10–8m3/kg)、(454.24 ~ 4 241.40)×10–5Am2/kg(平均值 1 574.40×10–5Am2/kg)。

2.3 磁性礦物粒度參數(shù)

如果樣品中磁鐵礦主導(dǎo)亞鐵磁性礦物，SIRM/χLF可用于估計(jì)磁性礦物粒度，其值越高，表明磁性礦物顆粒越粗，其低值指示樣品以多疇和超順磁性顆粒(SP)為主，低值到中值時(shí)以假單疇顆粒主導(dǎo)，其高值說(shuō)明穩(wěn)定單疇顆粒占優(yōu)[26]。天池景區(qū)表土SIRM/χLF的平均值2015年、2017年分別為11.62×103、13.83×103A/m，屬于低值到中值過(guò)渡范圍；同時(shí)，2017年平均值高于2015年，表明粗顆粒磁性礦物增加。χFD反映細(xì)小的SP對(duì)磁化率的貢獻(xiàn)，值越高表明整體磁性顆粒越細(xì)；χFD值的大小也指示SP比例的多少，同時(shí)能夠辨別土壤顆粒是自然形成還是人為活動(dòng)所致[27]。研究區(qū)土壤χFD變化范圍2015年為1.54% ~11.08%(平均值 7.59%)，2017年為1.53% ~ 13.71%(平均值 5.75%)。Dearing[28]指出，若χFD<2%，樣品中基本無(wú)SP的存在；2%<χFD<11%，樣品中SP含量介于10% ~ 50%；11%<χFD<14%，樣品中SP含量>75%，樣品中以SP顆粒為主。研究區(qū)2015年樣品中χFD% 值在8% ~ 11% 的樣品占比較高，而2017年樣品中χFD值在2% ~ 8% 的樣品占比較高，說(shuō)明2017年樣品中粗顆粒比例明顯增多，兩次樣品中多數(shù)樣品的磁性載體含有10% ~ 50% 不等的SP顆粒。

表1 不同時(shí)期表土樣品磁性參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistics of magnetic parameters of topsoil samples in different periods

3 討論

3.1 天池景區(qū)表土磁性特征

不同磁參數(shù)的雙變量圖是一種有用、有效的定性圖形技術(shù)，無(wú)需昂貴的化學(xué)分析，也可以快速、簡(jiǎn)便地鑒別某些磁性礦物特征和疇?wèi)B(tài)[26]。當(dāng)磁性礦物由單一磁性礦物構(gòu)成或磁性礦物的混合物以恒定比率控制時(shí)，χLF和SIRM呈線性關(guān)系。天池景區(qū)兩次表土樣品的χLF與SIRM變化趨勢(shì)相似且呈顯著正相關(guān)(r=0.75，0.74；圖2)，反映了樣品中磁性礦物主要是亞鐵磁性礦物質(zhì)和不完全反鐵磁性礦物，同時(shí)較高的相關(guān)性說(shuō)明表土樣品中磁性礦物來(lái)源的多樣性；χLF與SOFT呈極顯著正相關(guān)(r=0.90，0.89)，與HIRM呈中低度相關(guān)性(r=0.45，0.64)，反映表土樣品的磁學(xué)性質(zhì)主要受低矯頑力亞鐵磁性礦物所主導(dǎo)，且伴有一定不完全反磁性礦物；SOFT平均值遠(yuǎn)高于HIRM，也進(jìn)一步證明了上述結(jié)果；Sratio值大于90%，表示低矯頑力的亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦或磁赤鐵礦)是樣品中主要的磁性礦物；從SIRM/χLF結(jié)果看，兩次樣品的載磁礦物以亞鐵磁性礦物(鈦磁鐵礦)為主。

天池景區(qū)2017年樣品χLF的平均值高于2015年，且變化幅度大于2015年。與其他研究區(qū)表土樣品相比，該景區(qū)表土樣品χLF平均值略低于喀納斯景區(qū)表土樣品(平均值 122.30×10–8m3/kg)[3]、銀川市城市表土樣品(平均值 117×10–8m3/kg)[29]?？紤]近兩年自然因素的不變性，因此，2017年樣品磁性的增強(qiáng)主要是由旅游活動(dòng)產(chǎn)生的生活排污、汽車(chē)尾氣、化石燃料燃燒等人為因素造成。

已有研究表明，自然成土土壤的χLF與χFD具有良好的正相關(guān)性，而污染土壤的相關(guān)性一般表現(xiàn)較高的χLF和較低的χFD[7]。2015年樣品χFD與χLF無(wú)相關(guān)性(r=0.07)，2017年樣品呈低相關(guān)性(r= –0.21)，表明景區(qū)表土樣品磁性未受SP顆粒主導(dǎo)，2017年樣品中粗顆粒明顯增加，磁性增強(qiáng)。人為磁性礦物的磁性不同于自然產(chǎn)生的磁性礦物，因?yàn)樗鼈兙哂休^粗的磁性顆粒尺寸(多疇和假單疇)[30]。綜合來(lái)看，天池景區(qū)表土樣品中存在人為形成的假單疇粗顆粒和一定量的SP細(xì)顆粒。

3.2 天池景區(qū)表土磁性特征的時(shí)間變化

不同時(shí)間段表土樣品表現(xiàn)出的磁性特征差異，在一定程度上可以追蹤當(dāng)?shù)赝寥牢廴镜臅r(shí)間變化。以天池景區(qū)表土磁性參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系作圖(圖3)，且以1% ~ 99%、25% ~ 75% 的概率作為時(shí)間變化下磁性參數(shù)變化分布范圍，比較兩個(gè)時(shí)間段的各項(xiàng)參數(shù)值，由圖3可知，景區(qū)2017年表土樣品的χLF、SIRM、SOFT和HIRM值明顯高于2015年。研究區(qū)遠(yuǎn)離城市和工業(yè)區(qū)，受工礦污染排放影響很小，磁性礦物含量的增強(qiáng)可能與近兩年景區(qū)旅游活動(dòng)排放的污染物累積有關(guān)，如景區(qū)內(nèi)汽車(chē)尾氣排放及輪胎磨損、筑路材料等磁性礦物顆粒，這與其他學(xué)者研究結(jié)論類(lèi)似[31]。比較兩次樣品的Sratio值和χFD，如圖3所示，2017年樣品的Sratio高于2015年，同時(shí)2017年樣品的χFD整體又小于2015年，這表明雖然兩組樣品的磁性顆粒都以粗顆粒為主，但2017年樣品的磁性顆粒矯頑力更低，磁性顆粒更粗。比較兩次景區(qū)表土樣品的SIRM/χLF平均值，可見(jiàn)，隨時(shí)間的進(jìn)展磁性礦物顆粒粒徑增加。

3.3 天池景區(qū)表土磁性特征的空間變化

研究區(qū)2017年樣品的χLF、χFD、SIRM、SOFT和HIRM呈現(xiàn)出較高的CV值，均大于0.4，除了SOFT，其他變化程度都高于2015年樣品，兩次樣品Sratio的CV值最低，反映出2017年表土樣品的磁性參數(shù)變化幅度大，空間分布不均勻。研究區(qū)兩次表土樣品磁性礦物含量空間變化明顯，在磁性礦物含量的高值區(qū)可能存在土壤污染，為比較兩個(gè)時(shí)期景區(qū)表土樣品磁性礦物含量的空間變化規(guī)律，圈定受游客旅游活動(dòng)影響的可能污染范圍和程度，對(duì)兩次樣品的χLF、SIRM、SOFT和HIRM值，采用反距離插值法進(jìn)行空間插值，繪制出兩次樣品4種磁性參數(shù)的空間分布圖。從圖4可以看出，無(wú)論是2015年還是2017年樣品的χLF值，高值都主要出現(xiàn)在天池北部的西王母祖廟、定海神針幾個(gè)核心景點(diǎn)區(qū)域，并隨著樣品離核心景點(diǎn)區(qū)域距離的增加，χLF值呈逐漸下降的趨勢(shì)；在西北部停車(chē)場(chǎng)附近及天池湖南部周邊，兩次采樣點(diǎn)的χLF值均出現(xiàn)了相似的變化趨勢(shì)。2017年的χLF值相對(duì)于2015年增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯增大，范圍變廣，尤其是在天池北部的核心區(qū)域、天池湖三面以及天池中部的民族文化村，2017年高值點(diǎn)是2015年高值點(diǎn)的1.5倍，且污染面積明顯擴(kuò)大，這可能是兩年內(nèi)天池景區(qū)頻繁的旅游活動(dòng)造成?？梢?jiàn)，旅游活動(dòng)對(duì)景區(qū)表土樣品的磁性礦物含量的貢獻(xiàn)很大。兩次采樣的SIRM、SOFT空間變化與χLF變化趨勢(shì)基本相似，亞鐵磁性礦物含量也呈現(xiàn)出沿環(huán)湖區(qū)高值并向外圍逐漸遞減的分布趨勢(shì)。2017年的SIRM高值點(diǎn)是2015年高值點(diǎn)的1.8倍，2017年的SOFT高值點(diǎn)是2015年高值點(diǎn)的1.3倍，與χLF相似，天池景區(qū)2017年西南部及環(huán)湖區(qū)域的SIRM與SOFT值明顯高于2015年。兩次采樣HIRM呈現(xiàn)從環(huán)湖區(qū)域值高并隨著遠(yuǎn)離核心景點(diǎn)區(qū)域向外圍減少的趨勢(shì)，湖的北部值高，說(shuō)明不完全反鐵磁性礦物顆粒較多。對(duì)比兩次采樣的HIRM，2017年的高值點(diǎn)小于2015年的高值點(diǎn)，但整體上2017年大于2015年；同時(shí)出現(xiàn)了湖的北部核心景點(diǎn)區(qū)域及環(huán)湖的值明顯增大。

綜上所述，4種磁性參數(shù)的空間分布狀況均表現(xiàn)出不連續(xù)分布的高值區(qū)域，兩次采樣點(diǎn)均顯示湖的北部游艇?？繀^(qū)、停車(chē)場(chǎng)及周邊、核心景點(diǎn)區(qū)域值較高，2017年樣品的磁性參數(shù)高值區(qū)與2015年高值區(qū)相似且在2015年高值區(qū)基礎(chǔ)上范圍顯著擴(kuò)大?？赡茉蚴茄芯繀^(qū)北部分布著3個(gè)核心景點(diǎn)(定海神針的游客密集區(qū)、西王母神廟和飛龍?zhí)?，景區(qū)內(nèi)周?chē)植贾缆?、乘船碼頭。該區(qū)域表土頻繁有尾氣的排放及游客踐踏、旅游垃圾等人為活動(dòng)影響。環(huán)湖的西北部、西部和西南部土壤磁性參數(shù)富集程度僅次于環(huán)湖北部區(qū)域，可能是由于環(huán)湖周?chē)？吭诖a頭邊的游艇尾氣累積及游客增多導(dǎo)致交通區(qū)間車(chē)增加帶來(lái)的影響。湖的西南部和西北部不連續(xù)分布的高值點(diǎn)的增高是由于停車(chē)場(chǎng)周?chē)?chē)的增多導(dǎo)致尾氣排放量增大導(dǎo)致，西部區(qū)域富集增大是由于靠近福壽觀和民俗文化區(qū)受到了旅游餐飲和住宿區(qū)燃煤飛灰的影響。

4 結(jié)論

1)天山天池景區(qū)表土樣品中磁性礦物以低矯頑力亞鐵磁性礦物(磁鐵礦和磁赤鐵礦)為主，同時(shí)伴有赤鐵礦和針鐵礦組成的不完全反鐵磁性礦物；樣品磁性礦物含量適中，低于喀納斯景區(qū)和銀川市區(qū)；兩次樣品中磁性礦物主要由假單疇粗顆粒，同時(shí)含有相對(duì)較低的SP顆粒混合構(gòu)成。

2)天山天池景區(qū)表土樣品中磁性礦物特征隨時(shí)間變化顯著，2017年磁性礦物含量、粗顆粒比例高于2015年；除自然因素外，由于景區(qū)遠(yuǎn)離城市和工業(yè)區(qū)，兩年的旅游活動(dòng)產(chǎn)生的含有磁性礦物的污染物不斷的累積，因而造成兩次樣品磁性礦物含量和粒度的差異。

3)天山天池景區(qū)表土樣品的磁性參數(shù)空間分布變化明顯，兩期的磁性參數(shù)空間分布圖呈現(xiàn)出在受人為活動(dòng)影響較大的停車(chē)場(chǎng)及交通要道等旅游活動(dòng)密集區(qū)的磁性礦物含量明顯高于其他地區(qū)的格局。研究發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)景區(qū)表土磁性參數(shù)的時(shí)空變化有助于圈定可能污染范圍的變化和判別污染物來(lái)源。