許昌市土壤磁化率垂向分布特征研究

閆　慧， 陳　杰， 馬艷松

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

許昌市土壤磁化率垂向分布特征研究

閆慧， 陳杰， 馬艷松

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

摘要：利用環(huán)境磁學(xué)的方法對(duì)許昌市城區(qū)不同功能區(qū)(交通區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū))的土壤磁化率進(jìn)行了研究，以期獲得土壤污染信息，結(jié)果表明：①許昌市不同功能區(qū)土壤磁化率垂向分布的范圍及平均值差異較大.商業(yè)區(qū)磁化率范圍是9.96×10-8m3/kg～36.22×10-8m3/kg，平均值為20.82×10-8m3/kg.交通區(qū)磁化率范圍是55.59×10-8m3/kg～84.53×10-8m3/kg，平均值為61.92×10-8m3/kg.工業(yè)區(qū)磁化率范圍是31.23×10-8m3/kg～200.53×10-8m3/kg，平均值為94.03×10-8m3/kg.②許昌市土壤磁化率垂向分布特征均呈現(xiàn)從上至下遞減的趨勢(shì)，但具體特征不同，這說(shuō)明人類活動(dòng)所產(chǎn)生的各種污染物主要集中在土壤表層，且不同強(qiáng)度的人類活動(dòng)影響深度不同，人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響最深約為60 cm.③許昌市不同功能區(qū)土壤受污染程度的大小不同，工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>商業(yè)區(qū).

關(guān)鍵詞：土壤；磁化率；垂向特征

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響人類的生產(chǎn)生活.現(xiàn)在城市中的汽車尾氣排放、工廠排污、生活垃圾、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用農(nóng)藥化肥和污水灌溉等因素均會(huì)造成土壤的污染[1].研究土壤污染具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.土壤中含有自然源和人為源的磁性礦物，土壤中各種污染元素常常吸附在磁性顆粒上，導(dǎo)致土壤中污染元素與土壤的磁化率具有顯著的相關(guān)性.因此，可以利用磁學(xué)方法監(jiān)測(cè)城市土壤的污染，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究.Blundell等[2]研究了英國(guó)土壤表層樣品磁化率，發(fā)現(xiàn)被污染樣品的磁性參數(shù)與具城區(qū)距離呈負(fù)相關(guān)，與土壤Cu、Pb、Zn含量呈正相關(guān)[3].Blaha等[4]用土壤磁化率作為人類活動(dòng)造成的土壤重金屬污染半定量分析的有效工具.李曉慶等[5]人研究發(fā)現(xiàn)，上海市寶山區(qū)吳淞工業(yè)區(qū)表土磁化率顯著高于遠(yuǎn)郊農(nóng)業(yè)區(qū)，并且工業(yè)區(qū)表土磁化率與重金屬含量有顯著的相關(guān)性[6].南京研究結(jié)果表明，城區(qū)表土磁化率顯著高于非城區(qū)自然土壤，且城區(qū)土壤磁化率與Cu、Zn、Pb元素的含量具有極顯著的正相關(guān)[7].Lu等[8]通過(guò)對(duì)杭州城區(qū)土壤磁性參數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，該地土壤磁性參數(shù)與Cu、Zn、Cd、Pb存在顯著的線性相關(guān)性，土壤磁性參數(shù)可以用作重金屬含量的代用指標(biāo).這些研究說(shuō)明磁學(xué)方法可以用于監(jiān)測(cè)城市土壤的污染.

已有研究多局限在城市表層土壤，而研究城市土壤磁化率垂向分布特征，對(duì)于揭示城市土壤受污染的歷史有重要意義.本文對(duì)許昌市不同功能區(qū)土壤磁化率垂向特征進(jìn)行研究，以期獲得許昌市不同功能區(qū)土壤受污染信息，為認(rèn)識(shí)和治理城市土壤環(huán)境污染提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1研究區(qū)域概況

許昌位于河南省中部.其經(jīng)緯度分別為113°03′E～114°190′E、33°16′N～34°24′N.面積和人口分別為4 996 km2和 458.37萬(wàn)，其中市區(qū)人口48萬(wàn)人.許昌是河南中部的區(qū)域性經(jīng)濟(jì)、文化、政治中心，在河南的快速發(fā)展中具有舉足輕重的地位.隨著許昌市發(fā)展的不斷加快，人類活動(dòng)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響越來(lái)越大，然而對(duì)于許昌市土壤磁化率及其垂向分布特征的研究還未見(jiàn)報(bào)道.

2材料與方法

選取三個(gè)不同功能區(qū)分別采集土壤剖面樣品，交通區(qū)選在汽車客運(yùn)北站附近，商業(yè)區(qū)選在春秋廣場(chǎng)，工業(yè)區(qū)則選在八一路西段的火電廠(圖1).在每個(gè)功能區(qū)選定采樣點(diǎn)后，首先用Eijkelkamp土壤采樣儀垂直向下采集土壤柱狀樣品，每個(gè)柱狀土壤樣品的長(zhǎng)度都為60 cm(交通區(qū)為46 cm)，樣品在0～30 cm段都以2 cm為間距進(jìn)行等距分割，30 cm以下的土柱樣品分別以5 cm為間距進(jìn)行等距分割.樣品自然風(fēng)干后，去除沙礫、石塊、樹(shù)根、雜草等雜質(zhì)，并將其研碎，然后將研碎的樣品過(guò)直徑為2 mm的尼龍篩，裝入圓柱形無(wú)磁性測(cè)量盒內(nèi).最后利用Bartington MS2磁化率儀測(cè)量樣品低頻和高頻(0.47 KHz和4.7 KHz)磁化率值.

3土壤磁化率分析結(jié)果

許昌市不同功能區(qū)土壤磁化率垂向分布特征見(jiàn)圖2和表1所示.商業(yè)區(qū)土壤磁化率的垂向分布特征呈遞減趨勢(shì)，且磁化率值整體較小，其最大值為36.22×10-8m3/kg，最小值為9.96×10-8m3/kg，平均值為20.82×10-8m3/kg，0～22 cm范圍內(nèi)，土壤磁化率值呈遞減趨勢(shì)，從36.22×10-8m3/kg一直降低到9.96×10-8m3/kg，在22 cm深處則出現(xiàn)磁化率的最小值9.96×10-8m3/kg.22 cm～49 cm范圍內(nèi)，土壤磁化率值基本保持不變.

從圖2可以看出，交通區(qū)土壤磁化率垂向分布的最大值為84.53×10-8m3/kg，最小值為55.59×10-8m3/kg，平均值為61.92×10-8m3/kg.在0 cm～4 cm深處，土壤磁化率值下降幅度較大，從84.53×10-8m3/kg降到61.78×10-8m3/kg.4 cm以下，磁化率值有波動(dòng)，但基本保持在平均值上下.

從圖2可以看出，工業(yè)區(qū)土壤磁化率垂向分布的最大值為200.53×10-8m3/kg，最小值為31.23×10-8m3/kg，平均值為94.03×10-8m3/kg.土壤磁化率的垂向分布特征整體上呈逐漸遞減趨勢(shì)，分別從表層的200.53×10-8m3/kg一直下降到31.23×10-8m3/kg.到底層磁化率值基本穩(wěn)定在左右，與許昌市土壤磁化率背景值(35×10-8m3/kg，未發(fā)表數(shù)據(jù))相當(dāng).

圖1　許昌市土壤樣品采樣點(diǎn)分布圖

圖2　許昌市不同功能區(qū)土壤磁化率垂向分布特征圖

表1　不同功能區(qū)土壤磁化率最值及平均值(10-8 m3/kg)

4討論

工業(yè)區(qū)土壤磁化率表層值為200.53×10-8m3/kg，是許昌市五個(gè)功能區(qū)中表層磁化率值最大的，磁化率值呈現(xiàn)整體遞減趨勢(shì).工業(yè)區(qū)采樣點(diǎn)位于火電廠旁邊，附近還有水泥廠和一些其它小型工廠.工業(yè)區(qū)表層磁化率較大，與火電廠在燃煤發(fā)電的過(guò)程中產(chǎn)生大量的燃煤飛灰、煙塵、廢氣等有關(guān)，水泥廠及其它小型工廠在生產(chǎn)的過(guò)程中同樣也會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵、煙塵，這些污染物中含有大量的磁性物質(zhì).此外，該區(qū)域內(nèi)車輛出入較頻繁，而汽車尾氣的排放和汽車輪胎的磨損同樣會(huì)產(chǎn)生含有磁性物質(zhì)的粉塵，這些粉塵落在地表同樣會(huì)加劇表層土壤的磁化率值.余濤[9]和Muxworthy[10]的研究據(jù)發(fā)現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程會(huì)釋放大量磁性污染物，造成工業(yè)區(qū)土壤磁化率值增大.

交通區(qū)土壤磁化率垂向分布特征整體呈下降趨勢(shì)，上層下降幅度較大，下層下降幅度較小，底層基本趨于穩(wěn)定.交通區(qū)選擇在許昌市汽車北站附近，其車流量很大.Hunt[11]的研究表明汽車尾氣是磁性污染物的主要來(lái)源.Hoffmann[12]發(fā)現(xiàn)在高速公路沿線表層土壤磁化率的增加與交通污染有關(guān).交通污染主要來(lái)源于含Pb汽油的燃燒和汽車輪胎磨損產(chǎn)生的粉塵[13].Olsen和Skogerboe[14]的研究也證明了汽車尾氣排放了大量的非球狀顆粒物，這些顆粒物最終沉降到地面進(jìn)入土壤，隨時(shí)間的積累，土壤表層含有的人為原因的污染元素越來(lái)越多，它們?cè)谟辍⑷?、車等因素的影響下?huì)慢慢向土壤下層滲透，從而造成土壤磁化率自上而下呈遞減趨勢(shì).

商業(yè)區(qū)土壤磁化率值最小，0～30 cm磁化率下降趨勢(shì)較為明顯，30 cm以下磁化率下降趨勢(shì)很小，幾乎沒(méi)有變化.從圖2可以看出，只有表層10 cm內(nèi)磁化率值超過(guò)背景值，說(shuō)明人類活動(dòng)的影響主要對(duì)該區(qū)表層約為10 cm的土壤具有影響.

通過(guò)比較三個(gè)不同功能區(qū)土壤磁化率的范圍及平均值，可以發(fā)現(xiàn)污染狀況工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>商業(yè)區(qū).從污染最重的工業(yè)區(qū)來(lái)看，當(dāng)深度達(dá)到60 cm時(shí)，土壤磁化率值基本與土壤背景值相當(dāng)，這說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響最深約為60 cm.

5結(jié)論

(1)許昌市不同功能區(qū)土壤磁化率垂向分布的范圍及平均值均不相同.其中，商業(yè)區(qū)磁化率范圍是9.96×10-8m3/kg～36.22×10-8m3/kg，平均值為20.82×10-8m3/kg.交通區(qū)磁化率范圍是55.59×10-8m3/kg～84.53×10-8m3/kg，平均值為61.92×10-8m3/kg.工業(yè)區(qū)磁化率范圍是31.23×10-8m3/kg～200.53×10-8m3/kg，平均值為94.03×10-8m3/kg.

(2)許昌市不同功能區(qū)土壤磁化率垂向分布特征也不同.工業(yè)區(qū)整體呈現(xiàn)遞減，底層達(dá)到背景值.商業(yè)區(qū)磁化率表層10 cm呈下降趨勢(shì)，下層下降幅度較小.交通區(qū)磁化率表層4 cm下降趨勢(shì)最大，向下基本保持不變，這說(shuō)明人類活動(dòng)所產(chǎn)生的各種污染物主要集中在土壤表層.

(3)許昌市不同功能區(qū)土壤受污染程度的大小不同，工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>商業(yè)區(qū).

(4)不同強(qiáng)度的人類活動(dòng)影響深度不同，人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響最深約為60 cm.

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Vertical Characteristics of Magnetic Susceptibility in

Soil Profiles of Xuchang City

YAN Hui, CHEN Jie, MA Yan-song

(SchoolofUrban-ruralPlanningandLandscapeArchitecture,XuchangUniversity,Xuchang461000,China)

Abstract:This study analyzes the magnetic susceptibility of soils collected from different function areas(traffic area, commercial area, and industrial area) in Xuchang city. The results show that the range and average value of magnetic susceptibility of soils from different areas are different. Magnetic susceptibility vertical distribution shows a decreasing trend from top to bottom but the specific characteristics of different profiles are different, which shows that human activities mainly affect the surface soil, and the depth of the effect of human activities on the soil can reach as far as 60cm. The ranking of contaminated level is industrial areas﹥traffic area﹥commercial area.

Key words:soil; magnetic susceptibility; vertical characteristics

責(zé)任編輯：衛(wèi)世乾

中圖分類號(hào)：K903

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9824(2015)02-0122-03

作者簡(jiǎn)介：閆慧(1980—)，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，副教授，博士，研究方向：環(huán)境污染與氣候變化.

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校青年骨干教師項(xiàng)目 (2013GGJS-167)，許昌市科技局項(xiàng)目(3009)資助

收稿日期：2013-12-03