閆 倩, 戴 霜,劉海嬌,符超峰,張永全,趙 杰,張明震,劉 學(xué) (1.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,

蘭州某鋼廠附近土壤磁化率特征及其環(huán)境意義

閆 倩1,2, 戴 霜2*,劉海嬌2,符超峰3,張永全2,趙 杰2,張明震2,劉 學(xué)2(1.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,

對蘭州某鋼廠周圍土壤進行了磁化率與化學(xué)元素分析,采用污染指數(shù)評價方法和多元統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),表層2cm以內(nèi)土壤的磁化率顯著增高,達到背景值的 3.5倍,且頻率磁化率相對于深部土壤較低,對比不同位置樣點磁化率值,顯示鋼廠周邊土壤受到了鋼廠生產(chǎn)排放物的污染.污染主要發(fā)生在下風(fēng)向,且在2km以內(nèi)最強,污染深度在2cm以內(nèi).磁化率與重金屬元素含量相關(guān)性顯著表明磁性礦物與重金屬有相同的來源,本研究應(yīng)用磁化率濃集因子S判別污染程度,結(jié)果與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價大致相同,因此S可以作為判斷這類土壤污染程度的指標(biāo).

磁化率；土壤；污染；磁化率濃集因子

常規(guī)環(huán)境監(jiān)測采用的化學(xué)分析法分析周期長、對樣品具有破壞性,且容易對環(huán)境造成二次污染[1-3],因此,在使用時常常受到限制.由于污染源中大都含有磁性礦物,而磁性礦物又和重金屬元素等污染物之間關(guān)系密切,這就使得磁性測量方法很快應(yīng)用到環(huán)境污染監(jiān)測及環(huán)境評價研究中.近 20年來,環(huán)境磁學(xué)的發(fā)展特別是與鐵有關(guān)的金屬礦物在不同環(huán)境中遷移規(guī)律的研究進展[4-11],使得該方法應(yīng)用在如河流[12-13]、河口海岸及工業(yè)設(shè)施外圍環(huán)境污染監(jiān)測中.由于環(huán)境磁學(xué)方法在采樣和測量過程簡便、快速、經(jīng)濟、不破壞樣品且無污染等特點目前已成為國際上進行環(huán)境監(jiān)測、評價和研究的一種重要方法[7-13].但是已有的研究工作大多集中在對污染物來源及空間分布等特征進行了綜合分析[14],在對污染物的污染程度評價方面研究較薄弱.本研究利用磁學(xué)方法,通過對蘭州某鋼廠周邊土壤樣品進行采集與測量,結(jié)合自然地理因素,查明了鋼廠周邊土壤污染的時空分布特征及來源,并在此基礎(chǔ)上提出了判斷土壤污染程度的新的評價參數(shù).

圖1 采樣位置示意Fig.1 Map of sampling location

1 樣品采集與測定

樣品采自蘭州市東北約20km某鋼廠周圍的山坡及殘留黃土梁峁頂部(圖1),樣品采深20cm.表層灰黑色土狀沉積物一般厚2cm,其中0～1cm為深灰黑色,1～2cm為灰黑色,向下至20cm顏色逐漸變淺直至土黃色,野外觀察該黃土為全新世黃土.采樣用連續(xù)刻槽取樣法,自上而下以0.2～1cm不等間距采集樣品,其中在 0～0.5cm之間,每0.2cm一個樣;在0.5～2cm之間,每0.5cm一個樣;在2～20cm之間,每1cm一個樣,樣品用聚乙烯封口袋密封.由于該區(qū)低空常年盛行東風(fēng),夏季以東南風(fēng)為主,因此鋼廠東側(cè)上風(fēng)向地區(qū)采樣密度較小,鋼廠西側(cè)下風(fēng)向地區(qū)采樣密度較大.上風(fēng)向采樣點為A1, A2;下風(fēng)向采樣點為A5, A6, A7, A8, A9, A10; 公路沿線采樣點為A3, A4, A11,共采集樣品253個.

樣品在實驗室中自然風(fēng)干,在瑪瑙研缽中輕輕磨細后裝在2cm×2cm×2cm的聚乙烯樣品盒中,稱重后用 Bartington MS2磁化率儀分別測量得到樣品的高、低頻磁化率值,質(zhì)量校正后獲得樣品的質(zhì)量磁化率,并計算了樣品的質(zhì)量頻率磁化率值.同時,為了明確表土磁化率升高與重金屬元素之間的關(guān)系,選取11個采樣點表土樣品和磁化率值變化最大的A9剖面所有樣品共計33個,稱取4g左右,用1∶2(濃HCl與水的體積比)的 HCl和濃 HNO3消解,采用ICP-AES儀器測定了重金屬元素Zn、Cu、Pb、Fe和Mn的含量.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤磁化率隨深度的變化

由圖2可見,所有樣品的高、低頻磁化率值變化趨勢一致,在5～20cm深度,磁化率基本不變,平均值為25.1×10-8m3/kg(低頻),代表了本地磁化率背景值.在2～5cm深度,磁化率逐漸升高,2 cm處磁化率值是 5cm處的 1.45倍,說明在深度2～5cm隨著深度增大,磁性礦物有逐漸向下遷移的趨勢.而在 0～2cm深度,磁化率值驟然增大,在表層達到最大,平均達93.8×10-8m3/kg,是5cm深度以下樣品磁化率值的 3.5倍;該段土壤為灰黑色,與其下(深度5cm以下)棕黃色-土黃色土壤層顏色迥然不同,這種磁化率值和顏色的顯著差異說明磁性礦物主要集中在2cm以上的土壤中.

一般地,頻率磁化率值可以大致反映樣品中超順磁性顆粒的多少,頻率磁化率值高,說明其中的超順磁性顆粒多[15-17].由圖 2可見,樣品的頻率磁化率值從下向上在8cm深度處開始逐漸降低,5～8cm深度逐漸升高,在0～2cm處突然降低到全剖面最小值,表明在 2cm以上超順磁性顆粒減少,粗顆粒增加,這與在其他鋼廠周邊污染土壤中觀測到的結(jié)果一致[18-20];另外,從圖2還可以看出,表層土壤的磁化率與頻率磁化率呈負相關(guān)關(guān)系,這與土壤自然發(fā)育過程中的磁化率與頻率磁化率呈正相關(guān)[21-24]的關(guān)系相反,說明表層土壤磁化率升高不是成土作用的結(jié)果,而是由臨近的鋼廠在生產(chǎn)過程中排放的工業(yè)廢物造成的.

圖2 樣品磁化率隨深度變化關(guān)系Fig.2 Depth-dependence variation of magnetic susceptibility

2.2 表土磁化率在水平方向變化

每個采樣點最表層樣品的低頻質(zhì)量磁化率值最高,變化范圍為(44～598)×10-8m3/kg,平均為 235× 10-8m3/kg;使用Arcgis軟件對磁化率值大小進行了描繪(磁化率大小用采點的大小來表示),可見磁化率值以A9點為中心向外遞減(圖1).由圖3可以看出,在鋼廠煉鋼爐下風(fēng)向樣品的磁化率值較高,是5cm以下樣品(本地磁化率背景值)的13.2倍;而在上風(fēng)向則低,如 A1樣點僅為 44×10-8m3/kg,不到 5 cm以下樣品的2倍,表明鋼廠下風(fēng)向采樣區(qū)污染較上風(fēng)向采樣區(qū)嚴(yán)重.從磁化率值與鋼廠煉鋼爐的相對位置上看,在下風(fēng)向位置,距離煉鋼爐 2km以內(nèi)表土樣品的質(zhì)量磁化率值最高,是2km以外樣品值的2倍以上,表明污染最嚴(yán)重區(qū)在下風(fēng)向2km以內(nèi).更為重要的是,在距離煉鋼爐下風(fēng)向1.2km范圍內(nèi),磁化率值逐漸升高,然后快速降低,直至約 2km處后緩慢降低,但仍遠高于上風(fēng)向樣品的磁化率值.另外,磁化率最大值并沒有出現(xiàn)在離煉鋼爐最近的樣點,這可能是煉鋼廠處于東南-西北走向的山谷中,且與盛行風(fēng)向(東風(fēng))交角約為30～45°,對流不易發(fā)生,因此導(dǎo)致污染物的最大落地濃度對應(yīng)的落地距離較大.

由圖1和圖3可見,在遠離煙囪與主溝位置的A3、A4和A11點,表土低頻質(zhì)量磁化率值非常接近,變化范圍為(130.3～141)×10-8m3/kg,平均為 134×10-8m3/kg,明顯低于煙囪正下風(fēng)向 A8、A9、A5等采樣點的磁化率平均值 335.6× 10-8m3/kg(圖 3),但高于該區(qū)的背景值,表明也受到了污染,考慮到這幾個采點離公路近(圖 1),不排除公路上行駛的汽車尾氣排放物的疊加污染.

圖3 表土磁化率的的空間變化特征Fig.3 Spatial variation of topsoil magnetic susceptibility

3 評價土壤污染程度的新指標(biāo)-磁化率濃集因子

3.1 土壤重金屬含量與磁化率變化關(guān)系

鋼廠的冶煉過程會產(chǎn)生大量磁性顆粒污染物.這些顆粒狀污染物通過大氣沉降或地表滲濾等途徑將最終沉積在鋼廠周圍土壤中,并導(dǎo)致土壤中的磁性礦物和重金屬含量升高[25].

實驗結(jié)果表明:重金屬 Zn、Cu、Pb、Fe和Mn質(zhì)量濃度隨深度的變化趨勢與磁化率變化趨勢一致.以 Fe為例,在 0～2cm深度含量均最高, 2～10cm 深度逐漸降低,但變化甚小.10cm 以下,含量較低且相對穩(wěn)定,可以代表本地的重金屬背景值.值得注意的是,在2～5cm處,Fe含量的變化沒有磁化率明顯,可能指示磁性礦物主要為磁鐵礦(相對其他鐵的氧化物,它對磁化率的貢獻最高).表土樣品重金屬水平分布與磁化率水平分布特征相同,均在上風(fēng)向含量最低,下風(fēng)向隨著離鋼廠距離越遠含量越低.

為了更好地研究金屬元素和磁化率之間的關(guān)系,對表層樣品的金屬元素和磁化率進行相關(guān)性分析,在0.01的顯著水平下,金屬元素和磁化率之間呈顯著相關(guān)關(guān)系,與磁化率相關(guān)關(guān)系分別為0.837(Pb),0.857(Zn),0.783(Cu),0.951(Fe),0.882(Mn),這與倪劉建等[26]所揭示的鋼鐵公司工業(yè)燃煤、冶煉等過程釋放的氣態(tài)污染物、工業(yè)粉塵中磁性礦物和重金屬元素組合基本一致,反映了表層樣品中Cu, Fe, Pb, Mn和Zn與磁性礦物具有類似的來源或地球化學(xué)行為,也表明了磁化率可以代替金屬含量,指示土壤污染程度.

3.2 污染等級的劃分

利用重金屬含量變化及比值評價土壤污染程度,常用單因子指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價法[27],對本次采樣的表土及磁化率最大的A9剖面樣品重金屬含量按照這兩種方法進行現(xiàn)狀評價.

表1 表層土壤重金屬污染指數(shù)Table 1 Heavy metal pollution degrees of topsoil

由表1～表3可知:所有表土樣品均受到了不同程度的污染,上風(fēng)向表土樣品,下風(fēng)向 2km以外表土樣品及在遠離鋼廠與主溝位置的表土樣品屬于輕度污染,A9樣點屬于重度污染,下風(fēng)向其他樣品屬中度污染,并在下風(fēng)向污染隨著離污染源越遠污染越輕.受污染最嚴(yán)重的A9樣點,表土污染最嚴(yán)重,屬重度污染;0.5～ 10cm深度的樣品屬于輕度污染,且隨著深度的加深污染逐漸減輕;10cm 以下的樣品沒有受到污染.

由于各地土壤磁化率背景值不同,因而無法直接利用磁化率值與內(nèi)梅羅指數(shù)對比來判斷污染程度,因此,提出磁化率濃集因子(S)的概念,即污染后土壤磁化率值與未污染土壤磁化率背景值的比值:式中:Si為土壤中磁化率i的濃集因子;iχ為不同深度磁化率i的實測值;N為磁化率背景值i(本文為5～20cm磁化率平均值25.1×10-8m3/kg).

表2 A9剖面土壤重金屬內(nèi)梅羅指數(shù)Table 2 Heavy metal Nemerow index of A9 profile

表3 單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The evaluation standards of single factor and Nemerow index

表4 A9剖面土壤磁化率濃集因子Table 4 Magnetic susceptibility concentration factor of A9 profile

圖4 磁化率濃集因子和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)回歸曲線Fig.4 Regression curve of concentration factor and Nemerow index

經(jīng)計算 A1～A11點的表層層壤磁化率濃集因子 S值分別為 1.77,5.03,5.2,5.61,13.81,10.44, 9.21,14.87,23.44,7.63,5.2.A9剖面的磁化率濃集因子如表4所示.經(jīng)對本次研究獲得的磁化率濃集因子和內(nèi)梅羅指數(shù)相關(guān)關(guān)系分析(圖4),以重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),計算獲得了磁化率濃集因子污染指數(shù)分級值(取整數(shù)):其中,未污染土壤磁化率濃集因子的上限值定義為 1,即小于等于磁化率背景值的樣品未受到污染.則 Si≤1屬于無污染;1＜Si≤10屬于輕度污染; 10＜Si≤20屬于中度污染;Si＞20屬于重度污染.

根據(jù)磁化率濃集因子分級標(biāo)準(zhǔn)評價污染程度得,研究區(qū)表層土壤的污染濃集因子均大于 1,表明表層土壤均存在一定程度污染,下風(fēng)向且距離鋼廠最近的A9屬于重度污染,下風(fēng)向2km內(nèi)的樣點屬于中度污染,其余表土樣品屬輕度污染; 0～2cm的表層土壤污染程度較高;2～10cm屬于污染滲透層,存在明顯的由上而下遞減的特點; 10cm以下土壤未受到污染,是土壤背景層,與重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價結(jié)果基本相同.

磁化率濃集因子評價法能比較直觀的指示土壤在剖面深度和空間上的污染程度,較單因子指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法簡便,快速,對樣品沒有破壞性且不會對環(huán)境造成二次污染,故可作為評價污染程度的一種新型方法.

4 結(jié)論

4.1 蘭州某鋼廠周圍近地表(0～5cm)土壤磁化率較下部土壤升高,且磁性礦物富集主要集中在2cm以上.頻率磁化率與低頻磁化率的負相關(guān)關(guān)系表明磁化率的增高是由鋼廠污染排放造成的,綜合重金屬元素測量結(jié)果顯示周圍土壤均受到了污染.污染范圍在鋼廠下風(fēng)向 2km以內(nèi)最強,污染深度在0～2cm最嚴(yán)重.

4.2 本研究應(yīng)用磁化率濃集因子S評價土壤污染程度,結(jié)果與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法基本相同,因此S可以作為這類土壤污染評價的指標(biāo).

[1] 張坤民,孫榮慶.中國環(huán)境污染治理投資現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 1999,19(2):97-101.

[2] 曾凡剛,王 瑋,吳燕紅,等.化石燃料燃燒產(chǎn)物對大氣環(huán)境質(zhì)量的影響及研究現(xiàn)狀 [J]. 中央民族大學(xué)學(xué)報, 2001,10(2):113-120.

[3] 張書貴.土壤重金屬污染評價與研究 [J]. 安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報, 2001,15(4):23-24.

[4] Thompson R, Oldfield F. Environmental Magnetism [M]. London: Allen and Unwin, 1986:227.

[5] Mayer T, Morris W A , Versteeg K J. Feasibility of using magnetic properties for assessment of particle-associated contaminant transport [J]. Water Quality Research Journal, 1996, 31(4):741-752.

[6] Petrovsky E, Ellwood B B. Magnetic monitoring of air-,and water-pollution [C]// Maher B A, Thompson R. Quaternary climates, environments and magnetism. Cambridge: Cambridge University Press, 1999:279-322.

[7] Chester R, Sharples E J, Sanders G, et al. The distribution of nature and non-crustal ferromagnetic minerals in soil-size particulates from the Mediterranean atmosphere [J]. Water Air Soil Pollution, 1984,23:25-35.

[8] Hunt A, Jones J, Oldfield F. Magnetic measurements and heavy metals in atmospheric particulateres of anthropogenic origin [J]. Science of the Total Environment, 1984,33:129-139.

[9] Hoffmann V, Knab M, Apple E. Magnetic susceptibility napping of roadside pollution [J]. Journal of GeochemicalExploration, 1999,99:313-326.

[10] Evans M E, Heller F. Environmental Magnetism: Principles and Applications of Enviromagnetiscs [J]. Oxford (UK): Academic press, 2003.

[11] 閆海濤,朱育新,胡守云,等.西笤溪流域重金屬污染磁學(xué)研究及多元分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2004,24(4):385-389.

[12] 符超峰,強小科,宋友桂,等.磁學(xué)方法及其在環(huán)境污染研究方面的應(yīng)用 [J]. 東華理工大學(xué)學(xué)報, 2008,31(3):249-255.

[13] 李鴻威,戴 霜,張 楠,等.黃河蘭州段、白銀段重金屬污染的磁學(xué)指標(biāo)初探 [J]. 環(huán)境污染與防治, 2009,31(2):51-55.

[14] 夏敦勝,馬劍英,王 冠,等.環(huán)境磁學(xué)及其在西北干旱區(qū)環(huán)境研究中的問題 [J]. 地學(xué)前緣, 2006,13(3):168-179

[15] Oldfield F, Hunt A, Jones M D H, et al. Magnetic differentiation of atmospheric dusts [J]. Nature, 1985,317:516-518.

[16] Dearing J A. Environmental magnetic susceptibility, using the Bartington MS2 system [M]. 2nd ed. England: Chi Publishing, 1999.

[17] Fine P, Singer M J, Verosub K L, et al. New evidence for the origin of ferrimagnetic minerals in loess from China [J]. Soil Science Society of America Journal, 1993,57:1537-1542.

[18] 沈明潔,胡守云, U. Blaha,等.北京石景山工業(yè)區(qū)附近一個污染土壤剖面的磁學(xué)研究 [J]. 地球物理學(xué)報, 2006,49(6):1665-1673.

[19] 琚宜太,王少懷,鄧成龍,等.福建三明地區(qū)被污染土壤的磁學(xué)性質(zhì)及其環(huán)境意義 [J]. 地球物理學(xué)報, 2004,47(2):252-255.

[20] 王學(xué)松,秦 勇.徐州鋼鐵廠附近土壤中重金屬及硫的垂向分布特征與磁學(xué)響應(yīng) [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2005,25(12):1669-1675.

[21] 李 鵬,強小科,唐艷榮,等.西安市街道灰塵磁化率特征及其污染指示意義 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(3):309-314.

[22] 李嘵慶,胡雪峰,孫為民,等.城市土壤污染的磁學(xué)監(jiān)測研究 [J].土壤, 2006,38(1):66-74.

[23] 張艷彬,王 玉,楊忠芳,等.成都經(jīng)濟區(qū)土壤磁化率特征及其環(huán)境意義 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版), 2007,37(3):597-604. [24] 夏敦勝,余 曄,馬劍英,等.蘭州市街道塵埃環(huán)境磁學(xué)特征及其環(huán)境意義 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2007,28(5):937-944.

[25] 段雪梅,胡守云,閆海濤,等.南京某鋼鐵公司周邊耕作土壤的磁學(xué)性質(zhì)與重金屬污染的相關(guān)性研究 [J]. 地球科學(xué), 2009,39(9): 1304-1312.

[26] 倪劉建,張甘霖,楊金玲,等.鋼鐵工業(yè)區(qū)降塵對周邊土壤的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2007,44(4):637-642.

[27] HJ/T166-2004 土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 [S].

Measurement of magnetic susceptibility of soil adjacent a steel factory in Lanzhou and its environmental implications.

YAN Qian1,2, DAI Shuang2*, LIU Hai-jiao2, FU Chao-feng3, ZHANG Yong-quan2, ZHAO Jie2, ZHANG Ming-zhen2, LIU Xue2(1. College of Resources and Environment, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；2.Research School of Arid Environment and Climate Change, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；3.Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering, Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710054, China). China Environmental Science, 2011,31(10)：1732～1737

Measurement and analysis of magnetic susceptibility and heavy metal concentrations of soil from a steel factory near Lanzhou City was developed. Results showed that the magnetic susceptibility in uppermost soil horizon (0～2cm) increased significantly relative to the deep soil. The value of susceptibility was 3.5 times of the background, but the frequency magnetic susceptibility was lower relative to the deep soil. The variation of magnetic susceptibility value in the different sampling positions showed that the soil around the steel factory was polluted by the anthropogenic dust input from steel factory. Pollution was mainly found in the downwind direction area, of which the strongest part was in a range of 2 km and a depth of 2 cm. Chemical element analysis showed a strong correlation between the magnetic susceptibility and metals, suggesting they have the same source. Magnetic susceptibility concentration factor (S) was adopted to determine the degree of soil pollution, and the results were basically the same with the Nemerow index. Therefore, S could be used as an indicator to determine the soil pollution.

magnetic susceptibility；soil；pollution；concentration factor

甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)西部環(huán)境與氣候變化研究院,甘肅 蘭州 730000；3.長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室,陜西 西安 710054)

X123

A

1000-6923(2011)10-1732-06

2011-01-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(40972025,41021091, 40872114);教育部新世紀(jì)人才計劃項目(NCET-07);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(lzujbky-2010-k04)

* 責(zé)任作者, 教授, daisher@lzu.edu.cn

閆 倩(1988-),女,河南焦作人,蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院碩士研究生,主要從事環(huán)境磁學(xué)研究.