鋼鐵廠周邊不同類型表層土壤的環境磁性參數特征研究*

龐文君 戴 霜 張松林# 張 偉 陳瑞靈 郭 坤

(1.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州大學西部環境教育部重點實驗室，西部環境與氣候變化研究院,甘肅 蘭州 730000)

土壤是人類賴以生存的基礎，土壤環境質量的好壞關系著人體健康。近年來，我國的土壤環境問題日益突出。認識土壤環境污染、開展土壤污染修復的關鍵在于研究土壤中污染物的輸入、輸出及其影響因素[1]。土壤中的磁性礦物可以反映周圍環境的變化以及人類活動的影響，礦物的磁性參數可作為環境變化的替代指標。與常規的物理化學方法相比，環境磁性參數的測量具有樣品用量少、靈敏度高、簡單快速、非破壞性、費用較低等優點[2]，因而20世紀70年代中期以來，環境磁性參數的測量在土壤污染研究中得到廣泛應用[3]，特別是在鋼鐵廠周邊污染土壤中。但是，現有的關于土壤環境磁性參數研究大多針對土壤發育程度較高、環境自我修復能力較好的歐洲中部、西部地區和亞洲東部地區，對土壤發育程度不高的干旱區的研究相對較少[4]。

嘉峪關市位于我國西北干旱區腹地，屬于典型的溫帶大陸性荒漠氣候，近地面冬、春季節以西北風為主，夏、秋季節盛行東南風[5]。該市是隨著鋼鐵工業發展而建立的人工綠洲城市，鋼鐵工業占其經濟總量的80%以上，耕地面積相對較少，其中，山地面積約占40%，戈壁面積約占32%，耕地面積約占28%。某鋼鐵廠位于城區東北部，周邊土壤主要由沖積砂土、礫石和黃土組成，受鋼鐵廠排放的污染物影響較大。

本研究通過對嘉峪關市某鋼鐵廠周邊戈壁、山地和耕地3種不同類型表層土壤樣品的環境磁性參數測量，探討了鋼鐵廠污染物排放對不同類型表層土壤污染的影響，以期為西北干旱區土壤環境污染識別及治理提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采集0～0.1 cm表層土壤樣品，用聚乙烯封口袋密封后帶回實驗室備用。由于采樣季節為初夏，以東南風為主，因此鋼鐵廠東南側上風向地區采樣密度較小，西北側下風向地區采樣密度較大。采樣點分布如圖1所示。其中，JYG-4、JYG-7是山地表層土壤樣品采樣點，JYG-5、JYG-6、JYG-11是耕地表層土壤樣品采樣點，JYG-1、JYG-2、JYG-3、JYG-8、JYG-9、JYG-10是戈壁表層土壤樣品采樣點。同時采集JYG-4所在位置的20 cm深度處的土壤樣品作為背景值，將其編號為JYG-0。

1.2 環境磁性參數測定

樣品在實驗室中自然風干，在瑪瑙研缽中輕輕磨細，裝入2 cm×2 cm×2 cm的聚乙烯樣品盒中，稱量；用Bartington MS 2型磁化率儀測定所有樣品的低頻(470 Hz)質量磁化率和高頻(4 700 Hz)質量磁化率，根據式(1)計算頻率磁化率。

(1)

式中：χfd為頻率磁化率，%；χlf為低頻質量磁化率，10-8m3/kg；χhf為高頻質量磁化率，10-8m3/kg。

用MacroMag 2900 AGM磁強計測定樣品的等溫剩磁、剩磁矯頑力(Bcr)、飽和剩磁(Mrs)、飽和磁化強度(Ms)、矯頑力(Bc)以及磁滯回線，并計算出硬剩磁和磁化系數，分別見式(2)和式(3)。

HIRM=SIRM-IRM300

(2)

(3)

式中：HIRM為硬剩磁，10-5m3/kg；SIRM、IRM300、IRM-300分別為飽和等溫剩磁、正向300 mT磁化強度下獲得的等溫剩磁和反向300 mT磁化強度下獲得的等溫剩磁，10-5m3/kg；S為磁化系數。

2 結果與討論

2.1 鋼鐵廠周邊不同類型表層土壤樣品環境磁性參數的差異分析

表1為鋼鐵廠周邊不同類型表層土壤樣品環境磁性參數的數據統計。由于高頻質量磁化率和低頻質量磁化率變化趨勢相同，因此表1中只給出了低頻質量磁化率。低頻質量磁化率和飽和等溫剩磁都是土壤磁性強弱的指標，主要反映磁性礦物含量的多少[6]。與背景值(14.12×10-8m3/kg)相比，所有表層土壤樣品的低頻質量磁化率較大，說明均含有較多的磁性礦物，其平均值顯示戈壁>耕地>山地。

圖1 鋼鐵廠周邊不同類型土壤樣品采樣點位置Fig.1 Locations of sampling sites of different types of top soils around the steel & iron factory

環境磁性參數耕地(n=3)范圍平均值山地(n=2)范圍平均值戈壁(n=6)范圍平均值χlf/(10-8m3·kg-1)90.94～155.14114.7025.12～109.4167.2721.92～997.42264.04χfd/%2.09～3.832.982.68～5.193.760.48～4.912.15SIRM/(10-5m3·kg-1)114.28～137.51123.96120.85～494.99307.92244.27～598.15363.38HIRM/(10-5m3·kg-1)4.93～6.565.825.73～13.819.778.17～71.1724.38Bcr/mT32.84～37.4234.9332.78～38.0135.3929.18～35.5432.34S0.94～0.960.950.95～0.970.960.88～0.970.95

飽和等溫剩磁的平均值顯示戈壁>山地>耕地，表明鋼鐵廠周邊戈壁表層土壤樣品的磁性礦物含量高于山地和耕地，主要是因為鋼鐵廠建于戈壁灘上，排放的污染物就近沉降。

根據磁性礦物顆粒大小將磁性礦物分為超順磁(SP)、單疇(SD)和多疇(MD) 3種[7]。一般認為，SP粒徑小于0.035 μm，SD粒徑為0.035～10.000 μm，MD的粒徑大于等于10.000 μm，其中粒徑為0.050～1.000 μm的稱為假單疇(PSD)。通過礦物磁性顆粒的粒徑大小可以判斷土壤中磁性礦物的來源。通常，巖石礦物、火山灰和化石燃料的燃燒產物中的磁性礦物以MD和SD為主。SP主要來源于成土過程、土壤灼燒以及細菌的合成。頻率磁化率可以指示土壤中SP的存在與否及其相對含量[8]。當χfd<2%時，土壤中SP質量分數在10%以下；當2%≤χfd<10%時，MD、SD和SP同時存在；當χfd≥10%時，SP質量分數可達到75%以上。由表1可見，樣品的頻率磁化率為0.48%～5.19%，山地的平均值最大，戈壁最小，SP含量都較少，可能是由于植被覆蓋率低、水土流失嚴重，因此小顆粒的磁性物質易被流水侵蝕帶走。

剩磁矯頑力不受磁性礦物富集程度的影響，能反映樣品中磁性礦物類型[9]16，赤鐵礦的剩磁矯頑力理論值是300 mT，磁鐵礦的剩磁矯頑力小于50 mT[10]。鋼鐵廠周邊表層土壤的剩磁矯頑力均小于40 mT，說明以低剩磁矯頑力的磁鐵礦為主。同時，不同類型表層土壤的剩磁矯頑力相近，表明其礦物組成相對一致。

磁化系數通常反映樣品中高矯頑力組分(如赤鐵礦、針鐵礦)和低矯頑力組分(如磁鐵礦、磁赤鐵礦)的相對含量[9]22，磁化系數越大(接近1)，表明低矯頑力組分占主導，而磁化系數越小(接近0)，則說明高矯頑力組分占主導。表1顯示，戈壁、山地和耕地的磁化系數相近且都接近1，顯示均以磁鐵礦、磁赤鐵礦等亞鐵磁性礦物為主。

由圖2可見，上風向的JYG-1和JYG-11低頻質量磁化率分別為122.78×10-8、59.30×10-8m3/kg，分別為背景值的8.7、4.2倍。下風向土壤樣品的低頻質量磁化率明顯要高得多，其中JYG-2最高(997.42×10-8m3/kg)，達到背景值的70.6倍，其次是JYG-8和JYG-9，這3個采樣點距鋼鐵廠的距離均在4 km以內，且都處于與下風向垂直的同一直線上。JYG-3和JYG-10雖然距鋼鐵廠也較近，但可能偏離主導風向，因此其低頻質量磁化率明顯低于JYG-2、JYG-8、JYG-9，但高于其他采樣點。隨著采樣點離鋼鐵廠距離的增加，表層土壤的低頻質量磁化率急劇下降。據統計，嘉峪關市春季平均風速為 2.9 m/s，夏季為2.3 m/s，秋季為2.3 m/s，冬季為2.5 m/s。盡管各個季節風速的差異不大，但夏、秋季節主要盛行東南風，風速較小且富含水氣，鋼鐵廠排放的磁性礦物顆粒容易作為凝結核吸附水蒸氣而沉降。

注：采樣點離鋼鐵廠的距離負值表示下風向，正值表示上風向。圖2 鋼鐵廠周邊表層土壤樣品低頻質量磁化率的空間分布Fig.2 Spatial distribution of low frequency mass magnetic susceptibility of top soils around the steel & iron factory

2.2 鋼鐵廠周邊表層土壤磁性礦物的種類和相對含量

根據等溫剩磁做出了3種不同類型表層土壤樣品的等溫剩磁曲線(見圖3)和磁滯回線(見圖4)。圖3表明，在小于300 mT的磁化強度下，3種表層土壤樣品都較易獲得等溫剩磁，獲得能力山地>戈壁>耕地。在300 mT的磁化強度下，表層土壤樣品獲得了88%～97%的飽和等溫剩磁。由此可以推斷，不同類型的表層土壤中剩磁攜帶者主要是軟磁性礦物，磁性物質以亞鐵磁性礦物為主。

圖3 不同類型表土的等溫剩磁曲線Fig.3 Isothermal remanent magnetization curves of different types of top soils

圖4 不同類型表土的磁滯回線Fig.4 Hysteresis loop of different types of top soils

磁滯回線的形狀能夠指示磁性礦物的種類，而磁滯回線閉合處的磁化強度可以用來指示主導磁滯行為的磁性礦物[11]。圖4表明，3種表層土壤樣品在施加0～200 mT磁化強度時，樣品的低頻質量磁化率快速上升，磁滯回線在250 mT附近開始閉合且趨于平滑，在1 000 mT附近完全閉合，表明所有表層土壤樣品中都含有大量低矯頑力的亞鐵磁性礦物，其中山地土壤中最多，耕地土壤中最少。

當樣品的主要礦物為磁鐵礦時，飽和剩磁與飽和磁化強度之比(Mrs/Ms)、剩磁矯頑力與矯頑力之比(Bcr/Bc)的關系圖(即Day圖)是最理想的指示磁性礦物粒度的方法[12]。鋼鐵廠周邊所有表層土壤樣品正好落在Day圖的PSD區域內(見圖5)，表明其亞鐵磁性礦物均為PSD顆粒。

圖5 鋼鐵廠周邊不同類型表土的Day圖Fig.5 Day diagram of different types of top soils around the steel & iron factory

3 結 論

(1) 所有表層土壤樣品的低頻質量磁化率都大于背景值。低頻質量磁化率和飽和等溫剩磁的平均值均表現出戈壁大于耕地、山地。

(2) 礦物組成以PSD顆粒的亞鐵磁性礦物為主，其中山地土壤中最多，耕地土壤中最少。

(3) 鋼鐵廠排放的污染物主要集中在下風向的4 km以內。

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