金華城區(qū)表層土壤剖面磁化率變化規(guī)律

趙慶磊, 李鳳全, 王天陽, 葉 瑋, 朱麗東, 周國成, 岳明珠

(浙江師范大學 地理與過程實驗室, 浙江 金華 321004)

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金華城區(qū)表層土壤剖面磁化率變化規(guī)律

趙慶磊, 李鳳全, 王天陽, 葉 瑋, 朱麗東, 周國成, 岳明珠

(浙江師范大學 地理與過程實驗室, 浙江 金華 321004)

以金華城區(qū)表層土壤剖面為研究對象，分析土壤剖面磁化率的分布特點。結(jié)果表明：19個土壤剖面的磁化率分布在11.22×10-8～94.29×10-8m3/kg之間；19個剖面土壤磁化率在0—10 cm的垂向剖面上的變化有三種不同形式：一是先增大后減小且在3 cm左右出現(xiàn)極值，二是單調(diào)變化，又可細分為單增和單減，三是波動變化，也可細分為波動增加和波動減??；通過對比不同采樣間隔下磁化率的變化情況，結(jié)合土壤磁化率垂向分布特征和統(tǒng)計結(jié)果，建議以1—3 cm作為采樣深度可以更好地揭示人類活動對土壤磁化率的影響。

表層土壤剖面; 磁化率; 采樣方式; 金華市

隨著現(xiàn)代化進程的加快，人類活動包括工業(yè)活動和交通運輸?shù)?，會產(chǎn)生許多依附有重金屬元素的磁性顆粒，帶來的各種污染已經(jīng)影響到自身健康和城市的生態(tài)環(huán)境；而土壤是城市中分布廣泛的物質(zhì)，會承載著城市污染的信息，那么當這些顆粒沉降到土壤中時，會使土壤磁性和污染物含量同步增加[1-4]，城市環(huán)境中土壤磁化率和磁性參數(shù)一般可以揭示重金屬污染的程度[5-7]。傳統(tǒng)的污染研究主要依賴精確完善的化學分析技術(shù)，具有耗時多、成本高、工作量大的缺點，而最近興起的環(huán)境磁學方法克服了傳統(tǒng)的分析方法的不足，且眾多研究表明其可以較好的表征區(qū)域污染特征[8-13]，因而對城市土壤磁學特征的研究逐漸引起了相關(guān)學者的關(guān)注。

相關(guān)的學者對運用各自的采樣方式獲得的土壤剖面進行研究，袁大剛等研究了南京市主城區(qū)11個道路土壤剖面，深2 m，以約20 cm為間隔所采集的樣品的磁化率[14]；沈明潔等以0.5 cm為間隔采集并研究北京地區(qū)土壤剖面，深80 cm，發(fā)現(xiàn)污染物導致土壤剖面0—3 cm范圍內(nèi)的磁性和重金屬含量增強，3—10 cm重金屬含量與磁性礦物含量均具有逐漸下降的趨勢，3 cm左右出現(xiàn)峰值[15-17]；王學松，秦勇研究了以5 cm為間隔取自徐州鋼鐵廠附近的深50 cm土壤樣芯[18]；張果，胡雪峰等以5 cm為間隔并采取混合采樣的方式采集了上海市寶山區(qū)不同功能區(qū)深120 cm土壤剖面，發(fā)現(xiàn)其磁化率在5 cm左右出現(xiàn)峰值[19]；李珊，胡雪峰等在上海嘉定區(qū)采集表層0—5 cm混合樣，并將附近5個樣點樣品混合，分析磁學特征[20]；旺羅等研究了首都鋼廠、北京三環(huán)和二環(huán)沿線以及拉薩貢嘎機場公路兩旁頂部1 cm土壤磁化率特征,并與未污染第四紀黃土、玄武巖母質(zhì)土壤、合成污染樣品和污染物進行對比[21]，此類研究較多，在此不一一列舉。

目前土壤剖面磁性參數(shù)的研究大部分集中在磁學參數(shù)以及其與某元素的依附變化關(guān)系[18-27],往往剖面深度較大，采樣間隔也較大。表層土壤是目前城市土壤污染重點關(guān)注的對象，采樣時，一般采取表層土壤的混合樣品，而對表層土壤剖面磁化率垂向變化特點研究還比較薄弱。因此，本文以1 cm為間隔分層次采集金華市城區(qū)19個表層土壤剖面(10 cm)并分層測定磁化率，并重點分析每個剖面磁化率變化特征。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金華市位于浙江省中部，經(jīng)緯度范圍：119°14′—120°46′30″E，28°32′—29°41′N，城區(qū)常住人口大約50萬。金華市處于金衢盆地東段，是浙中丘陵盆地地區(qū)，土壤以紅壤和黃壤為主，金華市三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為5.2∶51.8∶43.0；在農(nóng)業(yè)上，經(jīng)濟作物占主導；在工業(yè)上，重工業(yè)產(chǎn)值多于輕工業(yè)，但輕工業(yè)增速要較快[26]；城區(qū)中部有東西流向的金華江穿過，金華城市沿金華江兩岸分布。金華氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L氣候，年主導風向為東北偏東風，盆地小氣候多樣，有一定的垂直差異，年平均氣溫17.3～18.2℃，全年總降水量為1 109.0～1 305.2 mm。

1.2 采樣方案和分析方法

本次采樣時間在2013年8月。為了便于分析，采樣地點基本上限制在金華市城區(qū)二環(huán)以內(nèi)；將采樣區(qū)域劃分為居住區(qū)、工業(yè)區(qū)、綠地、文教、商服和交通用地等6個功能區(qū)，每種類型的功能區(qū)按地理位置選擇3～4個土壤剖面，共選擇19個剖面，均勻的分布在金華城區(qū)；采樣方案設(shè)計為，每個土壤剖面以1 cm為間距等間隔分層次采樣，每個剖面每個深度層次單獨作為一份保存。

采集的土壤樣品在實驗室首先自然風干，挑出石子、樹根等，之后烘干、研磨，混合均勻，取部分樣品過篩，稱重后，用塑料保鮮膜包緊，裝入磁學專用樣品盒內(nèi)并壓實，用來做磁化率的測定。

本試驗土壤磁化率的測定在浙江師范大學地理過程實驗室進行，使用Bartington儀器公司生產(chǎn)的MS2型磁化率測量儀測定灰塵的高頻(4 700 Hz)磁化率χhf和低頻(470 Hz)磁化率χlf；并計算求出頻率磁化率(χfd=[(χlf-χhf)/χlf]×100)的值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤磁化率的總體分布特征

磁化率(χ)，在弱磁場中樣品的感應(yīng)磁化強度與磁場強度之比，它反映了在外磁場作用下物質(zhì)磁化的能力[27]。金華市城區(qū)19個土壤剖面(分別統(tǒng)計每個剖面各深度層次均值作為本剖面的磁化率)的磁化率在1.122×10-7～9.429×10-7m3/kg之間，均值為4.679×10-7m3/kg，最高值出現(xiàn)在乾西工業(yè)區(qū)剖面，最低值出現(xiàn)在保集半島附近剖面；統(tǒng)計19個剖面各深度層次的磁化率均值得表1，由表1可知，0—1 cm均值4.912×10-7m3/kg；1—2 cm均值4.991×10-7m3/kg；2—3 cm均值4.88×107m3/kg；等。金華城區(qū)土壤剖面各層次的磁化率存在差異，并且在1—2 cm層次出現(xiàn)最高值4.991×10-7m3/kg。

表1 19個土壤剖面各深度層磁化率 10-7 m3/kg

而不同功能區(qū)土壤剖面(分別統(tǒng)計每個剖面各深度層次均值作為本剖面的磁化率)的磁化率均值以及各深度層次的磁化率均值見表2。

由表2可見，不同功能區(qū)表層土壤剖面磁化率均值的最高值和最低值分別出現(xiàn)在文教區(qū)和交通區(qū)，但差異不明顯。

經(jīng)過對不同功能區(qū)各層磁化率進行統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)，各功能區(qū)表層土壤剖面磁化率最高值出現(xiàn)層次大體相似，以2 cm左右為主。其中，居民區(qū)在3—4 cm層，工業(yè)區(qū)在1—2 cm層，綠地區(qū)、交通區(qū)在2—3 cm層，商服區(qū)在0—1 cm層，文教區(qū)在7—10 cm層。

頻率磁化率(χfd%)可以表征樣品中超順磁性顆粒的含量，有研究認為，χfd%=5%可作為土壤中超順磁性顆粒存在與否的臨界值[2]，徐州城市土壤的頻率磁化率在0.97%～6.78%的范圍，平均值為3.59%，成土過程較弱，人為影響為主要原因[1]；南京市主城區(qū)的頻率磁化率為1.6%～12.2%，平均值6.28%，說明成土過程形成的超順磁性顆粒較少，土壤發(fā)育比較弱[7]；上海嘉定區(qū)的80%的土壤樣品頻率磁化率小于3%，表示基本不含成土過程中的超順磁性顆粒[13]；朱艷明等分析北京城郊各區(qū)縣土壤的χfd%變動范圍為0.83%～9.14%，平均值為4.36%，這些表層土壤中的超順磁性顆粒含量較少，成土作用不是導致χlf升高的主要原因[18]。金華城區(qū)土壤的χfd%絕大部分接近或小于5%，其頻率磁化率即超順磁性顆粒含量均較低，這表明其所含的磁性顆粒并非成土過程導致，大部分源于人為污染。

表2 不同功能區(qū)土壤剖面各深度層磁化率 107 m3/kg

金華市表層土壤剖面磁化率總體分布特征可能受眾多的因素影響，如土壤的質(zhì)地、利用類型、堆積時間、分布位置等。

2.2 表層土壤磁化率垂向變化特征

利用Excel軟件繪制出19個剖面磁化率垂向變化折線圖，經(jīng)對比，表層土壤剖面磁化率的變化可以概括為三種基本形態(tài)：一是先增大后減小且在3 cm左右出現(xiàn)極值，二是單調(diào)變化，又可細分為單增和單減，三是波動變化，也可細分為波動增加和波動減小；由于篇幅所限，各個變化類型(結(jié)合功能區(qū))選取1到2個剖面作為代表，見圖1。

如圖1所示，環(huán)北公園和金華廣電大學是先增大后減小，在3 cm左右出現(xiàn)極值，其中環(huán)北公園剖面磁化率是由上層的2.807×10-7m3/kg，在3 cm處增大到6.157×10-7m3/kg，之后減小到2.203×10-7m3/kg，金華廣電大學是由上層的5.519×10-7m3/kg，在3 cm處增大到8.243×10-7m3/kg，之后減少到5.514×10-7m3/kg，光華印務(wù)、金磐開發(fā)區(qū)、上海財大浙江學院、婺州公園、保集半島附近、人民廣場、人民路與八一街路口附近、麗澤花園等處樣品亦屬這種情況，占總剖面數(shù)的52.63%；乾西工業(yè)區(qū)是單減變化，剖面由上層的1.340 5×10-6m3/kg，在約2—3 cm處有一個轉(zhuǎn)折點，之后垂直往下一直減少到6.384×10-7m3/kg，李義綠地、回溪公園等樣品亦符合單減形態(tài)，占總剖面數(shù)的15.8%；廣廈公園剖面屬單增變化，由上層的3.192×10-7m3/kg，在約2—3 cm處有一個轉(zhuǎn)折點，之后垂直往下一直增加到9.721×10-7m3/kg，占總剖面數(shù)的5.26%；江濱小區(qū)和金華汽車西站等剖面是波動變化，其中江濱小區(qū)剖面由表層的5.334×10-7m3/kg，在2—3 cm處有一個轉(zhuǎn)折點，之后垂直往下波動增加到6.122×10-7m3/kg，占總剖面數(shù)的5.26%，金華汽車西站剖面由上層的5.409×10-7m3/kg垂直往下減小到4.387×10-7m3/kg，浙師大、永盛新陽光、柳湖花園等處剖面屬于此類，占總剖面數(shù)的21.05%。

圖1 土壤剖面磁化率變化

3 討 論

城市表層土壤中的磁性顆粒除來自母質(zhì)成壤作用外，交通運輸、化石燃料燃燒等人類活動往往會導致一部分磁性物質(zhì)進入表層土壤，后者磁性顆粒具有高磁化率、低頻率磁化率的特點，且其礦物粒徑會較粗，正因如此，往往表層土壤磁化率會存在空間差異。通過上文對不同功能區(qū)表層土壤剖面磁化率均值分析(見表2)可知，不同功能區(qū)表層土壤剖面磁化率差異不明顯。因此，在金華市如僅采用不分層的表層土壤混合樣品磁化率代表表層土壤磁學性質(zhì)，難以揭示磁化率的空間差異狀況。另外，從總體上分析，不同功能區(qū)表層土壤磁化率的垂向分布特征略有差異，工業(yè)區(qū)、綠地區(qū)、交通區(qū)、商服區(qū)磁化率最高值位置較淺，而居民區(qū)和文教區(qū)的磁化率最高值出現(xiàn)位置相對較深。這可能是由于居民區(qū)和文教區(qū)土壤受人類活動擾動較深刻，土壤結(jié)構(gòu)相對疏松，磁性礦物更容易產(chǎn)生遷移，甚至在個別地區(qū)表層土壤被翻耕至深層的原因。

結(jié)合圖1的圖形變化規(guī)律分析，三種不同的剖面磁化率垂向變化在各個功能區(qū)都有分布，僅是數(shù)值上有所不同，如綠地區(qū)的環(huán)北公園和文教區(qū)的金華廣電大學，均屬于先增大后減小且在3 cm左右出現(xiàn)極值，變化形式相似。有研究顯示，土壤剖面磁化率在某一深度會有一個極大值，此深度以上屬于鐵磁性礦物富集區(qū)，若研究區(qū)土壤結(jié)構(gòu)在剖面上較疏松，會導致磁性顆粒在剖面上有一定的遷移[16]，因此，磁化率最高值不一定會出現(xiàn)在土壤的最表層。金華市區(qū)52.63%的剖面土壤磁化率在3 cm處出現(xiàn)極大值而不是在0—1 cm層，原因可能是磁性顆粒在復雜的環(huán)境下發(fā)生一系列的遷移滲透的原因。15.8%由表層到深層單減的樣點，磁性顆粒是在表層富集較多，可能由于樣點土壤結(jié)構(gòu)較致密，滲透作用不明顯。而由表層到深層遞增或者波動變化的樣點原因比較復雜，極有可能是人類對其表層進行了翻耕，造成土壤層次擾動的緣故，具體機制還有待進一步探討。

土壤采樣設(shè)計對于研究工作具有重要的作用。采樣設(shè)計包括采樣方式和采樣數(shù)目，其是決定采樣成本和估測精度的關(guān)鍵因素。目前表層土壤研究中，鑒于不同的目的，有的學者以5—10 cm作為取樣深度間隔[14,18-20]，有的學者以2 cm作為取樣深度間隔[30]，有的學者以0.5—1 cm作為取樣間隔[15,17,21]。為表明采樣間隔對結(jié)果的影響，受篇幅限制，本文僅以5 cm作為例，與1 cm進行對比，加以說明。而從上文分析可知，以1 cm為采樣間隔時，金華市城區(qū)表層土壤剖面磁化率有三種基本變化類型。假如分別將上文中列舉的環(huán)北公園、乾西工業(yè)園區(qū)、江濱小區(qū)三個剖面0—5 cm層次樣品磁化率求平均(相當于以5 cm為垂向采樣間隔)，那么其磁化率由4.344×10-7m3/kg直接減小到2.986×10-7m3/kg，在3 cm處的極值就會被掩蓋；對于乾西工業(yè)區(qū)這種單調(diào)增加類型，其磁化率由1.0735×10-6m3/kg直接變化到6.817×10-7m3/kg，削弱了其原本變化特征；同樣，對于江濱小區(qū)這種波動變化類型，其磁化率由5.238×10-7m3/kg增大到6.122×10-7m3/kg，則忽略掉了其波動變化的形態(tài)。最終可能會導致原本隸屬于三種類型的磁化率變化曲線趨于一致，掩蓋了表層土壤剖面磁化率某些峰值與變化規(guī)律。這表明，采樣間隔的不同會影響土壤磁化率垂向變化規(guī)律的結(jié)果，即研究結(jié)果受采樣間隔的影響。

金華市城區(qū)19個土壤剖面(10 cm混合樣品)的磁化率在1.122×10-7～9.429×10-7m3/kg之間，平均值為4.679×10-7m3/kg，而統(tǒng)計各剖面峰值處的磁化率(1 cm間隔樣)則分布在1.263×10-7～1.3405×10-6m3/kg之間，均值為6.269×10-7m3/kg，兩者差異較大。因此，在研究金華城區(qū)表層土壤磁性特征時，將10 cm表層土壤混合采樣，得到的土壤磁化率比剖面峰值處的磁化率要低，忽略掉了峰值，掩蓋了土壤磁化率增高的現(xiàn)象，降低了人類活動對土壤磁化率的影響程度。鑒于以上分析，在研究金華城區(qū)表層土壤磁化率時，結(jié)合表1與磁化率垂向變化曲線，本區(qū)域大部分土壤剖面磁化率以1—3 cm為最高，建議在研究人類活動對表層土壤磁化率的影響時，可以采集本層次土壤作為代表樣品。

4 結(jié) 論

本文以金華市城區(qū)土壤剖面磁化率為研究對象，分析了土壤剖面磁化率的分布特點，得出以下結(jié)論:

1) 金華市城區(qū)19個土壤剖面(10 cm)磁化率在1.122×10-7～9.429×10-7m3/kg之間，平均值為4.679×10-7m3/kg。

2) 城區(qū)表層土壤剖面由上到下的磁化率變化特征有三種形式：先增大后減小，在3 cm左右出現(xiàn)極值；單調(diào)變化，可細分為單增與單減；波動變化，可進一步劃分為波動增加和波動減小。剖面磁化率最高值主要出現(xiàn)在1—3 cm處，磁性顆粒有向下遷移的現(xiàn)象。

3) 金華市表層土壤磁化率垂向特征受采樣間隔影響較大。以1—3 cm層次為剖面代表樣，在粗略估計人類活動對金華市城區(qū)土壤磁化率時較適宜。

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Research for Variation Rule of Magnetic Susceptibility of Surface Soil in Jinhua City

ZHAO Qinglei, LI Fengquan, WANG Tianyang, YE Wei, ZHU Lidong, ZHOU Guocheng, YUE Mingzhu

(LaboratoryofGeographyProcess,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua,Zhejiang321004,China)

Urban surface soils in Jinhua were seleced as the research examples. The distribution characteristics of surface soil magnetic susceptibility were analyzed to explore the optimization problem of sampling way. Magnetic susceptibility of selected 19 soil samples ranged from 11.22×10-8to 94.29×10-8m3/kg in urban area. Sampling interval is set to 1 cm, statistics showed that each depth level of 19 susceptibility profiles has different valuea. Soil magnetic susceptibility in the depth of 0 to 10 cm changes in three different forms, the first presents the first increase and then decreases, the peak occurs in the depth of about 3 cm, the second is monotonous, and can be subdivided into single increase and decrease, the third demonstrates the fluctuation change, can also be subdivided into fluctuation increase and decrease. Considering the profile magnetic susceptibility variation and studing the magnetic susceptibility of soil profile, we had better to select the investigated soils in the typical research areas, analyze the change character of magnetic susceptibility in the profile, and then determine the optimal sampling thickness or layer. It can be better reflect profile susceptibility peak by using 1—3 cm profile layer to represent the whole soil profile in terms of the general estimate.

surface soil; magnetic susceptibility; sampling way; Jinhua

2014-01-22

2014-06-06

國家自然科學基金項目(41071002)、(41371206)

趙慶磊(1989—),男,山東新泰人,碩士研究生,主要從事地理信息技術(shù)和城市生態(tài)環(huán)境研究。E-mail:zqlsdxt05@163.com

李鳳全(1971—),男,黑龍江五常人,中科院博士后,副教授,主要從事地理信息技術(shù)及其在環(huán)境地理中的應(yīng)用研究。E-mail:lygl45@zjnu.cn

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1005-3409(2015)02-0340-05