韓文堂，陳學(xué)剛*

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新疆喀納斯景區(qū)表層土壤磁學(xué)特征及環(huán)境意義①

韓文堂1,2，陳學(xué)剛1,2*

(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 新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054)

為探究環(huán)境磁學(xué)方法在景區(qū)土壤污染監(jiān)測(cè)中的可行性，以新疆5A級(jí)景區(qū)喀納斯為研究區(qū)域，采集表層土壤樣品72個(gè)，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的環(huán)境磁學(xué)分析。結(jié)果表明：喀納斯景區(qū)土壤磁性礦物平均含量較高，磁學(xué)礦物主要由亞鐵磁性礦物構(gòu)成，并含有少量的不完全反鐵磁性礦物。磁晶顆粒主要為粗顆粒多疇，同時(shí)存在較少的超順磁顆粒。磁參數(shù)空間分布表明，磁性礦物含量參數(shù)(χLF、SIRM、SOFT、HIRM)在湖口旅游區(qū)表現(xiàn)出高值，新村、老村和旅游接待地呈現(xiàn)相對(duì)低值；其他參數(shù)(χFD%、S-ratio、SIRM/χLF)空間分布規(guī)律與含量磁性參數(shù)基本呈相反趨勢(shì)；研究區(qū)的磁性高值點(diǎn)分布與景區(qū)人類活動(dòng)密集區(qū)、建筑物及道路的分布具有一致性；湖口旅游區(qū)較高的磁性值主要與較強(qiáng)的自然成土作用有關(guān)，其他區(qū)域的磁性高值點(diǎn)主要受旅游活動(dòng)的影響。因此，借助土壤磁學(xué)方法能夠有效區(qū)分和圈定景區(qū)土壤人為污染范圍，為景區(qū)土壤污染防治和旅游規(guī)劃提供參考依據(jù)。

表層土壤；磁學(xué)特征；土壤污染；旅游活動(dòng)；喀納斯景區(qū)

旅游產(chǎn)業(yè)的興起對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響是不可避免的，旅游活動(dòng)產(chǎn)生的環(huán)境污染物對(duì)景區(qū)土壤、植被、水體、大氣等環(huán)境破壞日趨嚴(yán)重。景區(qū)土壤是景區(qū)環(huán)境的主要載體，也是景區(qū)環(huán)境污染物的主要“蓄積庫(kù)”。景區(qū)土壤作為景區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其優(yōu)劣狀況對(duì)土壤環(huán)境及旅游地生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定有重要影響[1]。因此，研究景區(qū)土壤的污染程度，是評(píng)價(jià)景區(qū)環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要方面。早在20世紀(jì)30年代就有學(xué)者開(kāi)始關(guān)注旅游活動(dòng)對(duì)土壤環(huán)境的影響[2]，迄今為止，大量研究表明人類旅游活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生景區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量減少、含水量下降、容重增加、植被覆蓋度降低、pH升高、養(yǎng)分含量減少等土壤環(huán)境問(wèn)題[3-8]。這些研究所用的指標(biāo)雖然能夠反映土壤環(huán)境的破壞情況，但無(wú)法指示土壤重金屬污染程度，而土壤一旦受到重金屬污染，修復(fù)治理十分困難。因此，土壤重金屬監(jiān)測(cè)已成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

土壤磁學(xué)因其測(cè)量簡(jiǎn)單、快捷、經(jīng)濟(jì)、能現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)且無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，已成為土壤污染研究的新方法。20世紀(jì)50年代，Borgne首次將地球物理學(xué)中的磁測(cè)技術(shù)引入土壤學(xué)，通過(guò)土壤磁學(xué)特征研究，闡明在成土過(guò)程中土壤磁學(xué)性質(zhì)變化的規(guī)律，可指示土壤重金屬污染的程度，圈定污染范圍，判別不同的污染源[9]。一些國(guó)外學(xué)者采用磁測(cè)方法對(duì)城市土壤環(huán)境污染進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。Kapicka等[10]利用磁化率來(lái)監(jiān)測(cè)城市火電廠附近表土污染的空間分布和圈定工業(yè)活動(dòng)引起的污染區(qū)。Petrovsky等[11]利用磁測(cè)技術(shù)研究城市不同環(huán)境中的污染程度，認(rèn)為被污染土壤的磁化率值與重金屬元素的含量存在較強(qiáng)的相關(guān)性。國(guó)內(nèi)學(xué)者鄭妍和張世紅[12]、盧升高和白世強(qiáng)[13]及劉德新等[14]首先分別對(duì)北京、杭州、開(kāi)封等城市進(jìn)行了系統(tǒng)的環(huán)境磁學(xué)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)城市土壤磁性顯著增強(qiáng)，土壤磁化率空間分布特征及對(duì)重金屬污染具有指示意義。之后，各地學(xué)者分別對(duì)上海[15]、徐州[16]、西安[17]、武漢[18]、烏魯木齊[19]等城市和自然保護(hù)區(qū)[20]土壤磁學(xué)特征進(jìn)行了探討，大量研究表明土壤磁學(xué)性質(zhì)對(duì)污染物具有響應(yīng)和指示意義，能夠表征土壤環(huán)境的變化，這使得應(yīng)用磁學(xué)方法來(lái)監(jiān)測(cè)旅游活動(dòng)產(chǎn)生的土壤環(huán)境污染成為可能。

目前關(guān)于土壤磁學(xué)特征研究多集中在城市，而有關(guān)旅游景區(qū)土壤磁學(xué)特征的研究鮮有報(bào)道。因此，本文以西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境較脆弱的新疆喀納斯景區(qū)表層土壤為研究對(duì)象，采用磁學(xué)方法系統(tǒng)分析了景區(qū)表層土壤的磁性礦物含量、組成、粒度等磁學(xué)特征，研究旅游活動(dòng)干擾下土壤磁學(xué)特征的差異及空間分布，并初步探討了土壤磁學(xué)特征的環(huán)境意義，以期為景區(qū)進(jìn)一步合理規(guī)劃旅游活動(dòng)、開(kāi)展土壤污染防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

喀納斯景區(qū)(48°35′ ~ 49°11′ N，86°54′ ~ 87°54′ E)地處新疆維吾爾自治區(qū)布爾津縣境內(nèi)，海拔在1 064 ~ 3 147 m，東西長(zhǎng)約74 km，南北寬約66 km，總面積25萬(wàn)hm2。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年均降水量1 065.4 mm，蒸發(fā)量約1 097 mm，兩者大致持平，年平均氣溫–0.2 ℃，全年無(wú)夏季，冬季長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月。土壤類型為草甸黑鈣土?？{斯素有“人間凈土”的美譽(yù)，毗鄰俄、蒙、哈三國(guó)，具有“一地連四國(guó)”的空間組合，具備建立世界級(jí)旅游勝地的資源和區(qū)位優(yōu)勢(shì)，目前是新疆旅游資源最集中、品味最高、發(fā)展空間和潛力最大的國(guó)家5A級(jí)景區(qū)和地質(zhì)公園[21]，2011年被授予“最具人氣旅游目的地”稱號(hào)，現(xiàn)已成為拉動(dòng)新疆地區(qū)旅游及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的龍頭。隨著旅游人數(shù)的持續(xù)增加，旅游活動(dòng)已對(duì)景區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[22]，特別是旅游活動(dòng)密集的喀納斯村周圍。

1.2 土壤樣品采集

本研究以新疆喀納斯景區(qū)為研究區(qū)，用GPS精確定位，采集土壤表層(0 ~ 10 cm)樣品，并按研究區(qū)人類活動(dòng)密集程度及用地功能將景區(qū)劃分為新村(N采樣區(qū)，放牧和居住用地)、老村(O采樣區(qū)，居住和人文旅游用地)、湖口旅游區(qū)(L采樣區(qū)，喀納斯湖旅游活動(dòng)密集區(qū))和旅游接待地(R采樣區(qū)，游客服務(wù)設(shè)施用地)。研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)具體分布如圖1所示。2016年8月11日至8月14日在研究區(qū)采集樣品，其中N區(qū)16個(gè)，O區(qū)13個(gè)，R區(qū)23個(gè)，L區(qū)20個(gè)，共采集表層土壤樣品72個(gè)，將土樣裝入聚乙烯袋中編號(hào)，供實(shí)驗(yàn)測(cè)試。采樣過(guò)程中所用工具均為無(wú)磁性塑料材質(zhì)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)

1.3 樣品測(cè)試與分析

將采回的土樣放置于干燥通風(fēng)無(wú)灰塵污染的室內(nèi)自然風(fēng)干，去除植物枯枝落葉、殘茬等，過(guò)1 mm尼龍篩，稱重后用塑料保鮮膜包緊、壓實(shí)裝入10 cm3的磁學(xué)樣品盒內(nèi)，供測(cè)試用。低頻質(zhì)量磁化率(LF) (0.47 kHz)和高頻質(zhì)量磁化率HF(4.7 kHz)，采用連接B型雙頻探頭的Bartington MS2磁化率儀測(cè)得。等溫剩磁(IRM)使用ASCIM-10脈沖磁化儀和Molspin小旋轉(zhuǎn)磁力儀獲得。先用ASCIM-10脈沖磁化儀依次對(duì)樣品施加20、40、100、300、750和1 000 mT場(chǎng)強(qiáng)磁化，再使用小旋轉(zhuǎn)磁力儀分別測(cè)量對(duì)應(yīng)的IRM，其中1 000 mT場(chǎng)強(qiáng)下的IRM作為飽和等溫剩磁(SIRM)。然后，測(cè)得樣品在-20、-40、-100和-300 mT反向場(chǎng)強(qiáng)下的IRM，并分別計(jì)算出百分頻率磁化率(FD%=(LF-HF)/LF×100%)、硬剩磁(HIRM=(SIRM+ IRM-300)/2)、軟剩磁(SOFT=(SIRM+IRM-20)/2)以及比值(-ratio=100×(-IRM-300/SIRM))、SIRM/LF等磁性比值參數(shù)。采用德國(guó)蔡司LEO-1430VP掃描電鏡和英國(guó)牛津-200型X射線能譜儀測(cè)試土壤樣品的SEM和EDX。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS21軟件，制圖采用ArcGIS9.3軟件。

2 結(jié)果分析

2.1 喀納斯景區(qū)表層土壤的磁性參數(shù)

2.1.1 低頻質(zhì)量磁化率(χLF)與飽和等溫剩磁(SI-RM)LF、SIRM通?？梢灾甘緲悠反判缘V物含量的多少。LF主要反映樣品亞鐵磁性礦物(磁鐵礦和磁赤鐵礦)的總體貢獻(xiàn)，但是在弱磁性樣品中，LF因逆磁性礦物的存在而減小。另外，當(dāng)亞鐵磁性在樣品中含量較低時(shí)，逆磁性和順磁性對(duì)LF影響顯著，SIRM不受順磁性和逆磁性物質(zhì)的影響，主要由亞鐵磁性礦物與不完全反鐵磁性物質(zhì)貢獻(xiàn)[13]。SIRM與LF相比，SIRM更容易受磁性顆粒大小和不完全反鐵磁性礦物組分(赤鐵礦、針鐵礦)的影響[23]。

表1為喀納斯景區(qū)72個(gè)表土樣品的磁性參數(shù)測(cè)定結(jié)果，結(jié)果表明，喀納斯景區(qū)所有樣品的LF值的范圍為(3.4 ~ 227.8)×10-8m3/kg，均值為122.3×10-8m3/kg，最高值出現(xiàn)在L區(qū)的L5采樣點(diǎn)，為建筑物旁土壤，最低值為R區(qū)的R23采樣點(diǎn)，為林地土壤。N區(qū)LF變幅在(91.6 ~151.6)×10-8m3/kg，均值117.6×10-8m3/kg；O區(qū)LF變幅在(42.4 ~184.6)×10-8m3/kg，均值115.2× 10-8m3/kg；R區(qū)LF變幅在(3.4 ~ 175.7)×10-8m3/kg，均值98.2×10-8m3/kg；L區(qū)LF變幅在(38.2 ~ 227.8)× 10-8m3/kg，均值158.3×10-8m3/kg。不同區(qū)域土壤LF均值大小依次為L(zhǎng)區(qū)>N區(qū)>O區(qū)>R區(qū)，表明研究區(qū)亞鐵磁性礦物含量湖口旅游區(qū)最大，新村次之，老村較小，旅游接待地最小。通過(guò)單因素方差分析表明，不同分區(qū)的LF值存在顯著性差異(=3.199，= 0.029)，事后檢驗(yàn)結(jié)果顯示，湖口旅游區(qū)LF值顯著高于新村(=0.002)、老村(=0.002)與旅游接待地(= 0.000)，其余分區(qū)差異性不顯著。從變異系數(shù)看，旅游接待地變異系數(shù)為42.59%，變異程度大；湖口旅游區(qū)與老村變異系數(shù)分別為29.14%、30.55%，屬于中等變異強(qiáng)度；新村為14.72%，變異程度小。

表1 喀納斯景區(qū)表層土壤磁性參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

SIRM值變幅為(43.2 ~ 4 187.4)×10-5Am2/kg，均值為1 953.5×10-5Am2/kg，分區(qū)來(lái)看，N區(qū)、O區(qū)、R區(qū)和L區(qū)的SIRM均值分別為1 806.6×10-5、1 635.8× 10-5、1 697.8×10-5和2 571.5×10-5Am2/kg，大小順序和χLF不同，依次為L(zhǎng)區(qū)>N區(qū)>R區(qū)>O區(qū)；L區(qū)依舊最大，表明亞鐵磁性和不完全反鐵磁性礦物的含量湖口旅游區(qū)最大，新村次之，老村最小。不同分區(qū)SIRM值存在顯著差異(3.511，=0.020)，湖口旅游區(qū)SIRM值最大，與新村(=0.004)、旅游接待地(=0.000)和老村(=0.001)均達(dá)到了極顯著差異，其余分區(qū)差異性不顯著。研究區(qū)土樣SIRM值屬中等變異強(qiáng)度，旅游接待地變異程度最大，變異系數(shù)為45.79%，新村為24.14%，變異程度最小。

2.1.2 軟剩磁(SOFT)、硬剩磁(HIRM)與比值(-ratio) SOFT、HIRM主要反映磁性礦物的濃度。其中，SOFT基本不受不完全反鐵磁性礦物的影響，用來(lái)指示低矯頑力的多疇(MD)亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦和磁赤鐵礦)[24]；HIRM是在較強(qiáng)的磁場(chǎng)中(300 mT)獲得的，反映了高矯頑力的不完全反鐵磁性礦物的貢獻(xiàn)[25]。研究區(qū)土壤樣品SOFT、HIRM的均值分別為1 146.8×10-5、69.1×10-5Am2/kg，不同采樣區(qū)土壤的SOFT均值大小排序?yàn)長(zhǎng)區(qū)>N區(qū)>O區(qū)>R區(qū)，和LF大小分布一致；HIRM均值大小排序?yàn)長(zhǎng)區(qū)>R區(qū)>N區(qū)>O區(qū)，但依舊是湖口旅游區(qū)值最大。說(shuō)明湖口旅游區(qū)附近存在較多類似磁鐵礦和赤鐵礦的多疇亞鐵磁性礦物，并伴有不完全反鐵磁性礦物，同時(shí)也說(shuō)明景區(qū)土壤中磁性礦物含量的空間分布差異性很大。-ratio指示樣品中亞鐵磁性礦物與不完全反鐵磁性礦物含量相對(duì)比值，其值范圍在0.7 ~ 1.0表征多疇亞鐵磁性礦物的存在，-ratio值越大，亞鐵磁性礦物成分越多[19]。表1顯示樣品中-ratio值變化范圍為72.3% ~ 100%，均值為92.8%，進(jìn)一步反映了喀納斯景區(qū)表土樣品磁性特征以多疇亞鐵磁性礦物為主導(dǎo)。單因素方差分析表明，不同分區(qū)的HIRM值(=7.438，=0.000)存在極顯著性差異，湖口旅游區(qū)HIRM值顯著高于旅游接待地(=0.000)、新村(=0.002)和老村(=0.002)；不同分區(qū)的SOFT值(=4.003，=0.101)、-ratio值(=2.345，=0.081)差異性不顯著。從變異系數(shù)看，HIRM值呈強(qiáng)變異(90.11%)，SOFT呈中等變異(47.40%)，-ratio變異程度較小(5.40%)。

2.1.3 百分頻率磁化率(χFD%)與SIRM/χLFχFD% 能夠反映出粒級(jí)在磁性礦物的賦存狀態(tài)，常用來(lái)衡量磁性礦物中超順磁顆粒(SP，近于0.015 μm)的含量[26]。研究區(qū)樣品的χFD% 變化范圍在0.02% ~ 8.4%，均值為3.3%，不同分區(qū)的χFD% 均值大小順序?yàn)镹區(qū)>R區(qū)>O區(qū)>L區(qū)，F(xiàn)D%>6% 的樣品僅有3個(gè)，其余樣品均低于6%，說(shuō)明樣品中細(xì)黏滯性超順磁顆粒含量較低，主要由粗顆粒多疇亞鐵磁性礦物主導(dǎo)。不同分區(qū)的FD% 值存在顯著差異(=3.536，=0.019)，新村的FD% 值最大，與旅游接待地(=0.024)、老村(= 0.006)和湖口旅游區(qū)(=0.000)均存在極顯著差異，旅游接待地的FD% 值次之，與湖口旅游區(qū)(= 0.000)、老村(= 0.000)均存在極顯著差異，而老村和旅游接待地之間差異并不顯著(=0.368)。研究區(qū)土壤FD% 值變異程度屬于中等變異(54.77%)。

SIRM/LF也能指示磁性顆粒的粒徑大小，與磁性礦物粒徑大致呈反向關(guān)系，但由于超順磁顆粒對(duì)LF有貢獻(xiàn)，對(duì)SIRM沒(méi)有貢獻(xiàn)，當(dāng)樣品中存在大量超順磁顆粒時(shí)，樣品的LF顯著增高，則SIRM/LF值降低[27]。研究區(qū)表土SIRM/LF的變化范圍在(7.3 ~ 40.2)×103A/m，平均值為16×103A/m，不同采樣區(qū)土壤的SIRM/LF均值大小為R區(qū)>L區(qū)>N區(qū)>O區(qū)，與磁性礦物顆粒粒徑大小正好相反。單因素方差分析表明不同分區(qū)的SIRM/LF值不存在顯著差異(=1.011，=0.393)。

2.2 喀納斯景區(qū)表層土壤磁性礦物的掃描電鏡-X射線能譜分析

根據(jù)典型土壤樣品磁性礦物的掃描電鏡-X射線能譜(SEM-EDX)分析的結(jié)果，可以確定礦物顆粒的大小、形貌及組分等信息(圖2)。典型樣品選自N5、L20和L5采樣點(diǎn)，掃描電鏡圖片顯示，土壤樣品中除含有不規(guī)則形狀顆粒外，還存在球狀磁性顆粒。這種球狀顆粒的形成一般與人類活動(dòng)有關(guān)，可分為三類：表面有吸附物，趨向于球形，直徑約為30 ~ 40 μm；表面比較光滑，具有金屬光澤，直徑約15 μm；表面爆裂，形如橘子，直徑約為60 μm。電子探針能譜分析(EDX)揭示，研究區(qū)土壤樣品磁性顆粒主要由Si、O、C、Fe、Al等元素組成，其中Fe元素重量比在6.75% ~ 48.12%。

3 討論

3.1 土壤磁性礦物類型

利用不同磁性參數(shù)繪制的散點(diǎn)圖可以指示磁性礦物組成的變化。分別以LF為橫坐標(biāo)，以SIRM、SOFT、HIRM為縱坐標(biāo)，對(duì)所有樣品進(jìn)行相關(guān)性分析(圖3)，其中，LF與SIRM顯著正相關(guān)，2=0.720 8 (圖3A)，反映了樣品磁學(xué)特征的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于亞鐵磁礦物質(zhì)和不完全反鐵磁性礦物；LF與SOFT亦存在相關(guān)性，2=0.629 7(圖3B)，進(jìn)一步反映了樣品的磁學(xué)特征受亞鐵磁性礦物的控制，LF與HIRM相關(guān)性較差，2=0.130 4(圖3C)，表明樣品中不完全反鐵磁性礦物不主導(dǎo)樣品的磁性特征?？梢?jiàn)，喀納斯景區(qū)表土樣品的磁學(xué)特征受亞鐵磁礦物質(zhì)控制。

IRM是區(qū)分磁性礦物種類的另一重要參數(shù)[28]，選取研究區(qū)各區(qū)域典型樣品N1、O5、R15和L2，IRM獲得曲線如圖4所示，樣品在施加100 mT磁場(chǎng)時(shí)IRM呈快速上升，達(dá)到飽和值的71% ~ 80.4%，場(chǎng)強(qiáng)在100 ~ 300 mT時(shí)IRM呈緩慢上升趨勢(shì)，施加300 mT磁場(chǎng)時(shí)達(dá)到飽和值的89.3% ~ 95.5%，場(chǎng)強(qiáng)增大到750 mT時(shí)達(dá)到飽和值的94% ~ 98%，持續(xù)增大到1 000 mT時(shí)，樣品全部達(dá)到飽和。樣品在施加300 mT磁場(chǎng)時(shí)，幾乎全部樣品已達(dá)到飽和，說(shuō)明研究區(qū)低矯頑力的亞鐵磁性礦物(磁鐵礦、磁赤鐵礦)主導(dǎo)了樣品磁性特征，但場(chǎng)強(qiáng)高于300 mT后，IRM仍持續(xù)緩慢增加，表明樣品中含有高矯頑力不完全反鐵磁性礦物(如赤鐵礦、針鐵礦)，其含量遠(yuǎn)低于亞鐵磁性礦物。

飽和剩磁矯頑力(B0)CR是使飽和等溫剩磁降低到零的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可用來(lái)鑒別磁性混合物來(lái)源[16]。單疇和多疇磁鐵礦的(B0)CR的理論值分別為33 mT和15 mT，而赤鐵礦的剩磁矯頑力理論值為300 mT[29]。圖4顯示了典型樣品(B0)CR介于23 ~ 38 mT，說(shuō)明研究區(qū)典型土樣中含有低矯頑力的多疇磁鐵礦，同時(shí)由表1可知，SIRM/LF均值較小，可確定研究區(qū)磁性礦物以多疇磁鐵礦為主。

3.2 土壤磁性礦物含量

由上述分析可以看出，研究區(qū)表土磁性礦物含量整體較高，且磁性特征以亞鐵磁性礦物為主導(dǎo)?？{斯景區(qū)表土樣品的LF比北疆城市烏魯木齊(87.3× 10-8m3/kg)、石河子(90.4×10-8m3/kg)以及同屬高山湖泊景區(qū)的天山天池(82.05×10-8m3/kg)土壤都高，但低于北疆土壤平均值(205.36×10-8m3/kg)，烏魯木齊、石河子土壤LF主要與城市規(guī)模、人口密度有密切關(guān)系，景區(qū)土壤磁化率主要與成土母質(zhì)、旅游活動(dòng)有關(guān)。研究區(qū)不同分區(qū)亞鐵磁性礦物含量存在明顯差異，其中湖口旅游區(qū)最大，新村次之，旅游接待地較小，老村最小。磁性礦物來(lái)源可能由土壤母質(zhì)、成土過(guò)程等自然因素和旅游活動(dòng)產(chǎn)生的生活排污、汽車尾氣、化石燃料燃燒等人為因素造成。

圖2 典型土樣磁性礦物的SEM和EDX圖譜(左圖為SEM圖，右圖為EDX圖)

圖3 喀納斯景區(qū)表層土壤磁性參數(shù)間的關(guān)系

圖4 典型土樣的等溫剩磁獲得曲線圖

3.3 土壤磁性礦物粒度

Dearing[30]提出應(yīng)用FD% 半定量估算超順磁顆粒濃度的指標(biāo)：χFD%<2% 時(shí)，土壤磁性礦物粒度以多疇為主，基本不含超順磁顆粒；χFD% 在2% ~ 10% 時(shí)，由少量超順磁顆粒和粗顆?；旌洗嬖?；χFD% 在10% ~ 14% 時(shí)，磁性礦物粒度中主要以單疇超順磁顆粒物為主(>75%)。夏敦勝等[31]認(rèn)為當(dāng)χFD%>6% 時(shí)，樣品中含有較高比例粒徑的超順磁顆粒。研究區(qū)表土FD% 的變化范圍在0.02% ~ 8.4%，平均為3.3%，新村、老村、旅游接待地、湖口旅游區(qū)表土樣品FD% 的均值分別為4.9%、3.4%、3.9%、1.5%，新村最高，湖口旅游區(qū)最低。表土樣品(R18)FD% 最大值出現(xiàn)在旅游接待地(8.4%)，除新村、旅游接待地樣品N12、R9、R18 χFD%>6% 之外，其余樣品都在6% 以下，表明喀納斯樣品中超順磁性顆粒的含量較低，主要是粗顆粒多疇亞鐵磁性礦物。

FD% 和LF可以反映樣品中磁性顆粒物大小或磁疇狀態(tài)。當(dāng)LF值較高而χFD% 值接近零時(shí)，樣品中磁性顆粒以粗顆粒為主，不含有超順磁顆粒[30]。圖3D顯示，LF與FD% 沒(méi)有明顯的相關(guān)性(２＝0.1672)，進(jìn)一步證實(shí)喀納斯景區(qū)土壤磁性特征的變化未受超順磁顆粒所主導(dǎo)。可見(jiàn)，喀納斯景區(qū)土壤含有較少的超順磁顆粒，主要以粗顆粒多疇亞鐵磁性礦物為主。有研究表明，人類活動(dòng)產(chǎn)生的磁性顆粒具有強(qiáng)磁性和粗粒度的特性，明顯不同于自然成土過(guò)程中產(chǎn)生的磁性顆粒[32]。據(jù)SEM-EDX結(jié)果可知，喀納斯景區(qū)土壤中磁性顆粒的表面形態(tài)與化石燃料燃燒產(chǎn)生的飛灰磁性顆粒極度相似(圖2)，且以多疇顆粒為主。有研究證明，煤炭燃燒和其他工業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的磁性顆粒多以多疇顆粒存在[13]。由于喀納斯景區(qū)為國(guó)家自然保護(hù)區(qū)，無(wú)任何工業(yè)生產(chǎn)，可認(rèn)為喀納斯景區(qū)土壤樣品中的磁性顆粒很大程度上來(lái)源于景區(qū)游客和村民燃柴、煤以及汽車尾氣的排放等人類活動(dòng)。

3.4 磁性參數(shù)的空間分布特征及環(huán)境意義

環(huán)境物質(zhì)的磁學(xué)特征能夠清楚地指示環(huán)境污染的狀況，本研究根據(jù)土壤樣品的磁性參數(shù)，繪制出喀納斯景區(qū)表土磁性參數(shù)的點(diǎn)狀空間分布圖(圖5)。從圖5中可以看出，研究區(qū)表土LF、SIRM和SOFT空間分布基本一致，湖口旅游區(qū)LF、SIRM和SOFT表現(xiàn)出高值，老村磁性參數(shù)值最低。有研究表明，在人口密度大、交通密集和人類活動(dòng)頻繁的市中心區(qū)和近郊區(qū)，表土磁性參數(shù)值比較低，這與前人研究結(jié)果一致[33]。老村是中國(guó)保留最完整、歷史最悠久的圖瓦人村落，但并未表現(xiàn)出明顯的污染土壤特征。從位置來(lái)看，湖口旅游區(qū)位于喀納斯湖出水口，海拔相對(duì)較高，受湖水、雨水的沖刷作用較強(qiáng)，采樣點(diǎn)離基巖距離較近，其表現(xiàn)出高值LF、SIRM和SOFT和低值FD%，由強(qiáng)磁性土壤母質(zhì)生成的土壤或者被嚴(yán)重污染的土壤都有這樣的磁學(xué)特征，湖口旅游區(qū)除碼頭和木棧道外，其他地方均用鐵鏈圍擋，禁止游客游覽，人為影響較弱，因此湖口旅游區(qū)的磁性特征可能與土壤成土母質(zhì)有關(guān)。新村、老村和旅游接待地位于地勢(shì)較低的山前沖積扇，人類活動(dòng)頻繁，表現(xiàn)出中值的LF、SIRM和SOFT，可能因后期人類活動(dòng)影響加強(qiáng)所致。而各采樣區(qū)高值LF的采樣點(diǎn)N1(道路旁土壤)、O5(道路旁土壤)、R15(水泥建筑物內(nèi)土壤)、L2(木質(zhì)建筑物旁土壤)，采樣點(diǎn)均位于受人類旅游干擾最大的地方，說(shuō)明旅游接待設(shè)施的修建和景區(qū)內(nèi)交通對(duì)景區(qū)內(nèi)土壤LF的貢獻(xiàn)較大。

圖5 土樣基本磁性參數(shù)的空間分布

從HIRM和-ratio的分布規(guī)律來(lái)看，兩種磁學(xué)參數(shù)的峰值分布在L區(qū)和N區(qū)，HIRM的高值出現(xiàn)在L區(qū)的L1、L7、L9采樣點(diǎn)，說(shuō)明這里存在含量較高的高矯頑力的不完全反鐵磁性礦物，其中除L7采樣點(diǎn)位于道路旁以外，其他兩個(gè)采樣點(diǎn)均位于建筑物旁。已有研究證明，HIRM的峰值分布與污染源的分布有較好的一致性[34]，說(shuō)明景區(qū)內(nèi)建筑物的修建和交通影響是造成景區(qū)土壤高矯頑力的不完全反鐵磁性礦物增加的主要原因。按分區(qū)來(lái)看，-ratio的分布并不均勻，各區(qū)峰值分別出現(xiàn)在L13、O9、R8、N11采樣點(diǎn)，均位于建筑物周邊或道路旁，進(jìn)一步證實(shí)了景區(qū)建筑物修建、道路交通與土壤多疇亞鐵磁性礦物的含量密切相關(guān)。

SIRM/LF出現(xiàn)的峰值在R7采樣點(diǎn)(停車場(chǎng)建筑物旁)，整體來(lái)看，R區(qū)的SIRM/LF總體較高，表明R區(qū)的高矯頑力的不完全反鐵磁性礦物含量較高，土壤粒徑較小，R區(qū)多為賓館、辦公樓、餐廳、停車場(chǎng)、衛(wèi)生間等旅游接待設(shè)施，采集樣品多為建筑物周圍和道路旁邊，主要污染物可能為燃煤、汽車排放物等污染和旅游接待地的生活排污。

FD%的高值主要分布在N區(qū)、R區(qū)和O區(qū)，且主要集中在2% ~ 6%，表明這3個(gè)區(qū)的超順磁顆粒明顯多于L區(qū)。已有研究表明，受原煤影響的土壤磁晶粒度明顯較小，且由超順磁顆粒和粗顆?；旌隙蒣35]，N區(qū)和O區(qū)是哈薩克族和圖瓦族村落，R區(qū)是游客接待地，3個(gè)區(qū)域居民生活和旅游接待日常烹飪和取暖以燃煤為主，附近土壤容易受到煤灰的影響。L區(qū)幾乎限定了人類游覽路徑，人為干擾較少?？梢?jiàn)，人為干擾對(duì)景區(qū)土壤磁性顆粒有重要的影響，同時(shí)也說(shuō)明L區(qū)土壤受人為因素影響的程度較小。

4 結(jié)論

1)喀納斯景區(qū)表層土壤的磁化率范圍為3.4 × 10-8~ 227.8×10-8m3/kg，均值為122.3×10-8m3/kg，不同分區(qū)磁化率特征存在差異，其中湖口旅游區(qū)最大，新村次之，老村較小，旅游接待地最小。磁性特征以磁鐵礦和磁赤鐵礦的多疇亞鐵磁性礦物為主導(dǎo)，同時(shí)含有少量赤鐵礦和針鐵礦組成的不完全反鐵磁性礦物；粒度分析表明，景區(qū)土壤中超順磁性顆粒的含量較低，主要以粗顆粒多疇亞鐵磁性礦物為主，其中新村土壤中存在較多的超順磁性顆粒。

2)喀納斯景區(qū)表層土壤磁性參數(shù)在空間分布上呈現(xiàn)明顯差異，磁性參數(shù)LF、SIRM和SOFT的空間分布基本一致，且LF、SIRM和SOFT高值點(diǎn)與景區(qū)中建筑物、道路等旅游基礎(chǔ)設(shè)施的分布具有一致性，雖然老村LF、SIRM和SOFT值普遍較低，但SIRM/LF也較低，原因主要是土壤受到煤灰、煙塵的影響較大；從HIRM和-ratio的分布規(guī)律來(lái)看，旅游接待地存在含量較高的高矯頑力的不完全反鐵磁性礦物，典型污染源主要集中在建筑物周邊、道路旁及旅游活動(dòng)密集區(qū)，也是景區(qū)不完全反鐵磁性礦物含量增加的主要來(lái)源?？梢?jiàn)，景區(qū)土壤磁性礦物含量和人類活動(dòng)密集程度密切相關(guān)。

3)自然成土因素是喀納斯景區(qū)土壤磁性增強(qiáng)的關(guān)鍵因素，但人為活動(dòng)影響對(duì)一些區(qū)域的土壤磁性也有重要貢獻(xiàn)。磁學(xué)方法多用于城市污染檢測(cè)，本研究結(jié)果表明，景區(qū)土壤磁測(cè)研究可作為景區(qū)土壤環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、污染空間分布和污染物來(lái)源判別的新方法。

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Magnetic Properties of Topsoils and Their Environmental Implications in Kanas Scenic Spot of Xinjiang, China

HAN Wentang1,2, CHEN Xuegang1,2*

(1 School of Geography and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China; 2Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Area, Urumqi 830054, China)

In order to explore the feasibility of environmental magnetism method in monitoring soil pollution in scenic spots, 72 samples of topsoils were collected from Kanas 5A scenic spot in Xinjiang. The results showed that the average content of soil magnetic minerals was high in Kanas scenic spot. The magnetic properties of topsoils were predominated by ferromagnetic minerals and a small amount of anti-ferromagnetic minerals. The magnetic grains were mainly coarser multidomain (MD) particles and fewer superparamagnetic particles (SP). The parameters of χLF, SIRM, SOFT and HIRM were higher in lake-outlet tourism area but lower in new villages, old villages and tourist reception areas, the other parameters of χFD%, S-ratioand SIRM/χLFwere on the contrary. The distribution of high magnetic sites was consistent with the distribution of intensive human activity areas, buildings and roads in the scenic spot. The high magnetic value of lake-outlet tourism area was mainly related to the stronger natural soil formation, and the high magnetic sites in other regions are mainly influenced by the tourism activities. Therefore, the scope of man-made pollution could be effectively distinguished and delineated in the scenic area by soil magnetic method, and it provides a reference for the prevention and control of soil pollution and tourism planning.

Topsoil; Magnetic properties; Soil pollution; Tourism activities; Kanasi scenic spot

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41461033)資助。

通訊作者(caschxg@126.com)

韓文堂(1989—)，男，甘肅武威人，碩士研究生，主要從事旅游開(kāi)發(fā)與規(guī)劃研究。E-mail: 576810609@qq.com

P934；X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.01.025