金華市土壤磁化率與重金屬Pb含量的關系

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，工農業生產、日常生活等人類活動產生的三廢、化學農藥、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，是環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、無破壞性等優點[3]，因此將磁化率與土壤重金屬含量相結合，探索土壤環境變化對磁性質的影響以及磁化率與土壤重金屬含量的相關性，是近些年環境磁學研究新的發展趨勢之一[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聯關系。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或者城市排污口物質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系，而Coventry城Swanswell湖＜63μm的沉積物的磁化率與重金屬含量無關。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，與Cu的含量呈顯著正相關。劉振東等[8]在對武漢市東湖研究時發現：沉積物來源復雜的郭鄭湖只有部分金屬與磁性相關，如Pb與磁化率、Cu與飽和等溫剩磁；而有工業源污染的塘林湖沉積物中重金屬Fe、Co、V、Mn、Ti、Ba、Cr、Ni和Cu與磁參數飽和等溫剩磁、磁化率關系密切。

從目前相關研究狀況可以看出，一方面，有關城市土壤磁性參數與重金屬含量關系的研究，主要限于工業發達的大城市，對于中小城市或工業發展較慢的地區研究則較少，存在研究的薄弱區；另一方面，在土壤重金屬污染較重的地區研究較多，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，能否直接用已知區域磁學參數與重金屬的線性關系指示未知區域的土壤重金屬狀況，尚需要大量開展二者之間關系的基礎性研究工作，以便明晰使用磁學參數估計重金屬含量的條件。

金華是一個中等城市，工業污染相對較輕。本文通過對金華市城區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含量與磁化率的關系，辨析磁性參數指示中小城市土壤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預測重金屬含量提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

金華市位于浙江省中部，北緯28°32′～29°41′，東經119°14′～120°46′30″，地處金衢盆地東段，為浙中丘陵盆地地區，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，GPS定位，采用網格法布置樣品點，將金華城區劃為9個大小相近的矩形網格，在每個網格內較均勻地采集了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。

1.2 研究方法

將土樣自然風干后，剔除植物根系等雜質，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，使用粉碎機將剔除雜質的樣品研磨20 s；取4.0 g研磨后的土壤樣品，放在聚氯乙烯環內，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、…）和重復樣進行質量監控，其準確度和精密度均滿足要求。

對上述測試結果，首先開展磁化率與Pb含量的相關分析，探索Pb含量與磁化率是否存在線性相關關系；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含量之間的關系。

2 結果與分析

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計學分析，結果表明：在研究區范圍內，Pb含量平均值為24.3 mg/kg，小于金衢盆地區土壤環境Pb的背景上限值42.4 mg/kg[9]，Pb含量超過GB 15618—1995土壤環境質量標準一級標準值35 mg/kg的僅占樣品總量的5.9%。可見金華市區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。研究區范圍內，土壤低頻質量磁化率平均值為38.87×10-8m3/kg，變幅為（10.5～120.8）×10-8m3/kg，其中最小值出現在清風苑居住小區，最大值出現在佳友園居住小區。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、金華十五中和佳友園小區；其余17.74%的土樣在（50～100）×10-8m3/kg之間。因此，從整體上分析，研究區范圍內土壤的低頻磁化率普遍較低。另外，低頻磁化率的變異系數為0.706，屬強變異性，較大的變異可能與環境中磁性礦物來源和成土過程的多樣性有關。

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含量的相關分析

為了揭示土壤磁性參數與Pb含量的關系，并與已開展工作地區的結果進行對比，本文對土壤磁化率與Pb含量進行相關分析，散點圖見圖2。可知從總體上來說，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關系，相關系數為0.285；頻率磁化率與Pb含量呈現負相關關系，相關系數為-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系，這可能是導致線性關系較弱的原因。

圖2 金華市Pb含量與頻率磁化率、磁化率的相關關系圖

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系，下面利用趨勢面分析方法對數據進行處理。數據處理時，以磁化率、頻率磁化率為自變量，Pb含量為響應變量。經過擬合與對比，本文采用三次趨勢面進行分析，結果見圖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系，并非簡單地線性相關關系。

3 討 論

近年來，中國城市飛速發展，城鄉人口流動頻繁，農業人口、非農業人口之間的界限模糊化，城市人口規模迅速膨脹。根據《中國中小城市發展報告（2010）》，按經濟發展對城市的劃分，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、GDP大于1600億且市區人口大于200萬的大城市；金華屬于第三級的14個沿海開放城市之一、經濟發達且收入高的中小城市[10]。作為第一級城市，由于經濟發達，經濟發展快速，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。具體數據如表1所列。另外，杭州城區[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，武漢的研究表明土壤磁化率和Pb的質量分數顯著相關，相關系數一般大于0.7[15]。而本文的相關系數為0.285，在樣品個數相差較小的情況下，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、磁化率與Pb含量之間的關系與大城市呈現不完全一致的規律，因此難以簡單地將大城市的研究結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，污染土壤的磁化率和頻率磁化率呈負相關。金華市的城市土壤磁化率與頻率磁化率呈負相關關系，但不顯著，有別于純自然土壤，也與污染土壤不完全一致。可能表明金華土壤受人類干擾下，磁學參數特征上處于自然土壤與污染土壤之間的過渡狀態。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系，這和以往很多其他地區的土壤三者之間的線性相關的結果不同。

（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系來概括。

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