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        金華市土壤磁化率與重金屬Pb含量的關(guān)系

        2012-06-07 03:50:30王思思李鳳全王志剛陳艷瑛吳征南
        湖南農(nóng)業(yè)科學 2012年19期
        關(guān)鍵詞:磁學磁化率金華市

        王思思,李鳳全,王志剛,陳艷瑛,謝 建,吳征南

        (1.浙江師范大學地理系,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學計算機系,浙江 金華 321004)

        城市土壤是各種重金屬和有機污染物累積富集的場所,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等人類活動產(chǎn)生的三廢、化學農(nóng)藥、汽車尾氣所攜帶的污染物以各種方式進入開放的城市土壤,并造成不同程度的污染。由于進入土壤的污染物往往富含磁性顆粒,導致土壤磁性增強,而人為成因的磁性顆粒往往富含重金屬,所以土壤的磁化率與其重金屬含量密切相關(guān),是環(huán)境磁學研究中的一個重要研究方向[1-2]。磁化率測量具有樣品用量少、靈敏度高、簡單快捷、費用低、無破壞性等優(yōu)點[3],因此將磁化率與土壤重金屬含量相結(jié)合,探索土壤環(huán)境變化對磁性質(zhì)的影響以及磁化率與土壤重金屬含量的相關(guān)性,是近些年環(huán)境磁學研究新的發(fā)展趨勢之一[4-5]。大量研究表明,重金屬含量與磁性參量之間存在著一定關(guān)聯(lián)關(guān)系。Charlesworth and Lees[6]認為:英國Coventry城Wyken湖粒度<2 mm沉積物的高磁化率是由工業(yè)或者城市排污口物質(zhì)中顆粒較細的鐵的氧化物引起的,磁化率與重金屬含量間存在很強的成因關(guān)系,而Coventry城Swanswell湖<63μm的沉積物的磁化率與重金屬含量無關(guān)。依艷麗等[7]認為:葫蘆島市土壤磁化率值與重金屬元素Pb、Zn、Hg、Ni的含量呈極顯著正相關(guān),與Cu的含量呈顯著正相關(guān)。劉振東等[8]在對武漢市東湖研究時發(fā)現(xiàn):沉積物來源復雜的郭鄭湖只有部分金屬與磁性相關(guān),如Pb與磁化率、Cu與飽和等溫剩磁;而有工業(yè)源污染的塘林湖沉積物中重金屬Fe、Co、V、Mn、Ti、Ba、Cr、Ni和Cu與磁參數(shù)飽和等溫剩磁、磁化率關(guān)系密切。

        從目前相關(guān)研究狀況可以看出,一方面,有關(guān)城市土壤磁性參數(shù)與重金屬含量關(guān)系的研究,主要限于工業(yè)發(fā)達的大城市,對于中小城市或工業(yè)發(fā)展較慢的地區(qū)研究則較少,存在研究的薄弱區(qū);另一方面,在土壤重金屬污染較重的地區(qū)研究較多,并指出可用磁化率指示重金屬污染水平,但對于較清潔土壤或未知重金屬含量水平的土壤,能否直接用已知區(qū)域磁學參數(shù)與重金屬的線性關(guān)系指示未知區(qū)域的土壤重金屬狀況,尚需要大量開展二者之間關(guān)系的基礎(chǔ)性研究工作,以便明晰使用磁學參數(shù)估計重金屬含量的條件。

        金華是一個中等城市,工業(yè)污染相對較輕。本文通過對金華市城區(qū)59個表層土壤樣品的磁化率、頻率磁化率、重金屬Pb含量進行測試分析,揭示金華土壤Pb含量與磁化率的關(guān)系,辨析磁性參數(shù)指示中小城市土壤Pb含量的可行性,從而為一些污染較輕的中小城市能否直接用磁學參數(shù)預測重金屬含量提供借鑒。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        金華市位于浙江省中部,北緯28°32′~29°41′,東經(jīng)119°14′~120°46′30″,地處金衢盆地東段,為浙中丘陵盆地地區(qū),土壤以紅壤和黃壤為主。本文的土壤樣品均采于金華市城區(qū),GPS定位,采用網(wǎng)格法布置樣品點,將金華城區(qū)劃為9個大小相近的矩形網(wǎng)格,在每個網(wǎng)格內(nèi)較均勻地采集了4~7個樣品,并兼顧到不同土地類型之間的平衡。共采集59個樣品,每個樣品采集深度均在0~20 cm內(nèi)。

        1.2 研究方法

        將土樣自然風干后,剔除植物根系等雜質(zhì),平均稱取8 g的土樣,裝于直徑2.54 cm、高3 cm的無磁性塑料小圓盒中,采用英國Bartington MS2磁化率儀進行低頻(470 Hz)磁化率、高頻磁化率(4700 Hz)的測定,在算出高頻磁化率(χhf)和低頻磁化率(χlf)的基礎(chǔ)上計算樣品的頻率磁化率,計算公式如下:

        另取土樣置于110℃烘箱烘干后,剔除植物根系、小碎石等雜質(zhì),使用粉碎機將剔除雜質(zhì)的樣品研磨20 s;取4.0 g研磨后的土壤樣品,放在聚氯乙烯環(huán)內(nèi),用壓片機以30 t的壓力保持20 s壓制成測試樣片,使用吸塵器吸去表面顆粒物,編號后放入樣品袋中;利用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的波長色散型X射線熒光光譜儀Axios測定土壤樣品中Pb元素的含量。測定過程用國家一級標樣(GSS-5、GSS-6、…)和重復樣進行質(zhì)量監(jiān)控,其準確度和精密度均滿足要求。

        對上述測試結(jié)果,首先開展磁化率與Pb含量的相關(guān)分析,探索Pb含量與磁化率是否存在線性相關(guān)關(guān)系;然后以土壤磁化率和頻率磁化率為自變量,土壤Pb含量為因變量,利用GIS技術(shù)方法進行趨勢面分析,綜合探討磁化率、頻率磁化率與Pb含量之間的關(guān)系。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 金華市土壤的Pb含量與磁化率分布概況

        對金華市59個表層土壤樣品的鉛含量、磁化率與頻率磁化率進行描述統(tǒng)計學分析,結(jié)果表明:在研究區(qū)范圍內(nèi),Pb含量平均值為24.3 mg/kg,小于金衢盆地區(qū)土壤環(huán)境Pb的背景上限值42.4 mg/kg[9],Pb含量超過GB 15618—1995土壤環(huán)境質(zhì)量標準一級標準值35 mg/kg的僅占樣品總量的5.9%??梢娊鹑A市區(qū)的土壤基本屬于清潔土壤。

        金華市土壤的磁化率值變化較大。研究區(qū)范圍內(nèi),土壤低頻質(zhì)量磁化率平均值為38.87×10-8m3/kg,變幅為(10.5~120.8)×10-8m3/kg,其中最小值出現(xiàn)在清風苑居住小區(qū),最大值出現(xiàn)在佳友園居住小區(qū)。59個樣品中,51.61%的土樣的磁化率<30×10-8m3/kg;75.81%的土樣的磁化率<50×10-8m3/kg;只有6.45%的土樣其磁化率>100×10-8m3/kg,分別分布于銀泰廣場、興家紙業(yè)、金華十五中和佳友園小區(qū);其余17.74%的土樣在(50~100)×10-8m3/kg之間。因此,從整體上分析,研究區(qū)范圍內(nèi)土壤的低頻磁化率普遍較低。另外,低頻磁化率的變異系數(shù)為0.706,屬強變異性,較大的變異可能與環(huán)境中磁性礦物來源和成土過程的多樣性有關(guān)。

        圖1 金華市土壤Pb含量、磁化率和頻率磁化率的頻率分布

        頻率磁化率反映土壤中超順磁顆粒含量,其平均值為7.09%,變幅為0.42%~19.14%。其中,16.95%的土樣的頻率磁化率<3%,剩余83.05%的土樣的頻率磁化率>3%,74.50%的土樣頻率磁化率>5%。變異系數(shù)為0.559,非常接近強變異,反映了土壤中磁性礦物來源的空間變異較大。

        2.2 金華市土壤磁化率與Pb含量的相關(guān)分析

        為了揭示土壤磁性參數(shù)與Pb含量的關(guān)系,并與已開展工作地區(qū)的結(jié)果進行對比,本文對土壤磁化率與Pb含量進行相關(guān)分析,散點圖見圖2??芍獜目傮w上來說,Pb含量在0.05置信水平上與低頻磁化率存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.285;頻率磁化率與Pb含量呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.109,但不顯著。另外通過對散點圖進行探索性分析,可以看出,Pb含量與低頻磁化率、頻率磁化率之間似乎存在著一定的非線性關(guān)系,這可能是導致線性關(guān)系較弱的原因。

        圖2 金華市Pb含量與頻率磁化率、磁化率的相關(guān)關(guān)系圖

        2.3 金華市土壤磁化率、頻率磁化率和Pb含量的趨勢面分析

        圖3 金華市土壤磁化率、頻率磁化率、Pb含量的趨勢面圖

        為了進一步探究金華表層土壤Pb含量與磁化率、頻率磁化率之間的關(guān)系,下面利用趨勢面分析方法對數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)處理時,以磁化率、頻率磁化率為自變量,Pb含量為響應變量。經(jīng)過擬合與對比,本文采用三次趨勢面進行分析,結(jié)果見圖3,其中橫軸為磁化率,縱軸為頻率磁化率。從圖3中可以看出,當頻率磁化率小于3%時,Pb含量隨磁化率的升高而升高;當頻率磁化率處于3%~7%間時,Pb含量隨磁化率的增加未見明顯變化;當頻率磁化率大于7%時,Pb的含量隨磁化率的升高而升高。從而表明,土壤磁化率與Pb含量存在一定的非線性關(guān)系,并非簡單地線性相關(guān)關(guān)系。

        3 討 論

        近年來,中國城市飛速發(fā)展,城鄉(xiāng)人口流動頻繁,農(nóng)業(yè)人口、非農(nóng)業(yè)人口之間的界限模糊化,城市人口規(guī)模迅速膨脹。根據(jù)《中國中小城市發(fā)展報告(2010)》,按經(jīng)濟發(fā)展對城市的劃分,沈陽、南京、杭州、上海、武漢等屬于第一級的直轄市、特別行政區(qū)、GDP大于1600億且市區(qū)人口大于200萬的大城市;金華屬于第三級的14個沿海開放城市之一、經(jīng)濟發(fā)達且收入高的中小城市[10]。作為第一級城市,由于經(jīng)濟發(fā)達,經(jīng)濟發(fā)展快速,沈陽[11-12]、南京[13-14]、杭州[15-16]、上海[17-18]、武漢[19-20]土壤中的Pb含量較高,磁化率平均值也普遍都在100×10-8m3/kg以上。具體數(shù)據(jù)如表1所列。另外,杭州城區(qū)[16]土壤頻率磁化率平均值為3.6%,南京[14]土壤頻率磁化率平均值為6.3%。金華市的土壤的磁學性質(zhì)相較上述城市而言,磁化率明顯偏小,頻率磁化率偏大。表明金華市的磁學特征與上述城市存在一定的差異。

        表1 各城市土壤的Pb含量和磁化率

        在第一級城市土壤鉛含量與磁化率、頻率磁化率關(guān)系的研究中,沈陽[11]、南京[12]、杭州[13]、上海[14]等城市的研究表明土壤磁化率與Pb含量呈極顯著正相關(guān),武漢的研究表明土壤磁化率和Pb的質(zhì)量分數(shù)顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)一般大于0.7[15]。而本文的相關(guān)系數(shù)為0.285,在樣品個數(shù)相差較小的情況下,低于上述城市。上述列舉的第一級大城市工業(yè)化程度高,重金屬污染相對嚴重,但從上面的分析可以看出,對未見明顯Pb污染的金華市城市土壤而言,磁學參數(shù)、磁化率與Pb含量之間的關(guān)系與大城市呈現(xiàn)不完全一致的規(guī)律,因此難以簡單地將大城市的研究結(jié)論直接應用于中小城市。

        就采用土壤磁化率和頻率磁化率對重金屬污染土壤的指示而言,旺羅[16]等人提出自然土壤的磁化率和頻率磁化率呈正相關(guān),污染土壤的磁化率和頻率磁化率呈負相關(guān)。金華市的城市土壤磁化率與頻率磁化率呈負相關(guān)關(guān)系,但不顯著,有別于純自然土壤,也與污染土壤不完全一致??赡鼙砻鹘鹑A土壤受人類干擾下,磁學參數(shù)特征上處于自然土壤與污染土壤之間的過渡狀態(tài)。另外,金華土壤也不適用于其提出的磁化率大于100×10-8m3/kg,頻率磁化率小于3%作為污染土壤評價的標準。

        4 結(jié)論

        (1)金華市土壤Pb含量總體低于背景值,幾乎不存在污染,與很多一級大城市顯著不同,土壤的磁化率相對較低,頻率磁化率相對較高。

        (2)土壤磁化率,頻率磁化率與Pb含量間分別都成非線性關(guān)系,這和以往很多其他地區(qū)的土壤三者之間的線性相關(guān)的結(jié)果不同。

        (3)對于金華市這類接近于清潔土壤的城市的土壤磁化率對Pb含量的指示作用只能用磁化率和頻率磁化率的范圍組合來判斷,而不是用單一的線性關(guān)系來概括。

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