鹽池縣禁牧封育區國道兩側土壤磁化率與土壤重金屬含量的關系研究

馬 博，孫 虎

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院 ，西安 710000)

環境磁學誕生于20世紀70年代，由其快速、簡捷和對樣品不造成二次污染的特點[1]，在地球科學與環境科學中的許多領域得到了廣泛的應用。其中在土壤和金屬沉積物污的監測中得到了較好的應用。利用磁學測量技術研究土壤中重金屬污染程度已有許多成果的實踐，并且受到越來越多研究者的關注。在磁學研究中，磁化率是其中重要的參數，將磁化率與化學元素(尤其是重金屬元素)相結合進行探索環境變化對土壤磁性物質的影響[2-3]，土壤磁化率與土壤重金屬元素含量的相關性研究是近年來環境學的發展熱點問題[4～6]。當代，土壤表層受人為活動劇烈的沖擊，土壤表層磁化率通常作為受人為影響強烈區域[7-8](如城市[9]、工業區[10]、農田、交通用地[11]等)的土壤金屬污染指示。劉德新等運用土壤低頻磁化率與污染綜合評價指數建立線性關系，其相關系數在0.42～0.90(p<0.01)。因此，磁化率可以展示土壤的綜合污染水平。筆者通過對寧夏回族自治區鹽池縣北部禁牧封育區內G20路段兩側土壤進行磁化率和重金屬元素含量的測定，來分析土壤磁化率與重金屬元素含量的關系，并揭示其環境意義。

1 研究區概況

本研究區位于寧夏回族自治區鹽池縣。鹽池縣位于寧夏東部，東經106°30′～107°47′，北緯37°04′～38°10′，全縣南北長約120km,東西寬約100km，總面積約為8 661.3km2。全縣地勢北部比南部低，東西兩側低、中間高的趨勢，南北分為黃土丘陵和鄂爾多斯緩坡丘陵。 鹽池縣北部與毛烏素沙地相連，東南部與黃土高原相連，屬于典型的過渡地帶，即自東南向北，地形是從黃土丘陵向鄂爾多斯緩坡丘陵的過渡帶。 鹽池屬典型中溫帶大陸性氣候,光能豐富,熱量較適中。多年平均降水量約為285mm,但鹽池縣的年蒸發量遠超過與降水量。多年平均蒸發量為2 403.7mm。根據1983年對鹽池縣進行的第二次土壤普查顯示，鹽池縣的土壤類型以灰鈣土。風沙土為主。其中風沙土在中北部分布較廣泛。

2002年8月，在鹽池縣召開了寧夏中部干旱帶生態建設的工作會議，會議決定了率先實行全面禁牧封育。在當年11月，鹽池縣在全區展開禁牧封育工作。本文所研究區域大部分地區就在禁牧封育地區。 國道G20從其中北部穿過，其長度約67.57km，因此研究區所研究的范圍屬于人類活動較輕的，但是車輛，尤其是大型運輸煤炭的貨車較多。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

從鹽池縣西北部，沿著國道G20進入鹽池縣。根據國道在研究范圍內總長約67.57km，在G20兩側，共設定24個采樣點(其中12樣點位于G20北側、12各樣點位于采樣點南側)，每個采樣點劃分為5×5m的范圍，在范圍內隨機采取3～5個剖面土壤混合，深度范圍：0～60cm,每10cm為一個剖面樣。共采集了143個樣品。

2.2 試驗方法

將采集好的樣品裝入塑封袋中帶回實驗室，讓樣品在通風，干燥的條件下自然風干,用玻璃研缽破碎。將所有樣品通過2mm篩，剔除植物根莖等雜物，取出其中5g放入無磁性塑料瓶中，用于測定土壤磁化率。測定磁化率使用的是配有雙頻傳感器(0.47kMz、4.7kMz)的Bartington MS2磁化儀。每個樣品均進行了低頻和高頻的磁化率測定，測定感量為1.0。每個樣品測試3次，取平均值.頻率磁化率(Χlf)通過公式Χfd(%)=(Χlf-Χhf)/Χlf×100%來計算(式中Χlf、Χhf分別為低頻、高頻磁化率)。土壤重金屬元素含量的測定使用的是X-Ray熒光光譜儀(PW2403,荷蘭帕納科儀器公司)。

3 分析結果與討論

3.1 土壤磁化率特征

磁化率可以近似地指示土壤中亞鐵磁性礦物的含量，而頻率磁化率可以反映出超順磁性顆粒(SP顆粒)的相對含量。鹽池縣路邊土壤低頻磁化率的特征統計結果(見表1)表明：研究區土壤低頻磁化率Χlf的變化范圍在在13～54×10-8m3/kg，隨著土壤層深度的增加，土壤Χlf總體呈現出先降低后增加的趨勢，在0～40cm土層中隨著深度的增加而土壤Χlf降低，40～60cm土層中，隨著深度的增加，土壤Χlf又有了輕微的增加。各個土層土壤Χlf的平均值變化范圍為33.88～38.79×10-8m3/kg之中，而且在0～10cm土層整體中較高，土壤Χlf變化范圍在54～17×10-8m3/kg之間。

表1 鹽池縣路邊土壤低頻磁化率特征Tab.1 Low-frequency magnetic susceptibility characteristics of roadside soil in Yanchi County

研究區路邊土壤頻率磁化率的特征統計結果(見表2)表明：土壤頻率磁化率的變化范圍在1.92%～13.51%之間，各個土層中土壤Χfd的均值在2.91%～3.77%之間。從圖1中可以看出土壤Χlf與土壤Χfd的變化特征不同， 土壤Χfd呈現出的是隨著土層深度的增加，土壤Χfd先降低在增加之后輕微的降低的趨勢。而且研究區各個樣地的土樣的土壤Χfd平均值均2.91～3.77之間。同時，在表3中，研究區內土壤的低頻和高頻磁化率相關系數是0.997，低頻磁化率和頻率磁化率之間呈現負相關，相關系數為-0.418(Χlf-Χfd)。高頻磁化率和頻率之間也呈現出負相關，相關系數為-0.481(Χhf-Χfd)。由此可見由沉積母質發育過程中的磁化率和頻率磁化率之間呈現負相關，表明了研究區內土壤中的SP顆粒對磁性的貢獻很少。同時可見研究區內表層土壤Χlf均大于樣地平均土壤Χlf，而表層土壤Χfd和樣地平均Χfd基本相當或偏低，表明研究區內表土層可能存在著污染。 將土樣的土壤Χlf和土壤Χfd用SPSS進行判斷，發現土壤Χlf和土壤Χfd均符合正態分布。而且研究區內土壤Χlf和土壤Χfd的變異系數平均值分別為：21.46%和46.77%，均屬于中等變異強度。

表2 鹽池縣路邊土壤頻率磁化率特征Tab.2 Magnetic frequency susceptibility characteristics of roadside soil in Yanchi County

表3 土壤磁化率相關系數Tab.3 Correlation coefficient of soil susceptibillity

注：P<0.01;*表示極顯著相關性。

3.2 Pb、Cu、Mn和As與磁化率的關系

根據Versteeg等提出的利用磁化率來作為沉積物中的重金屬污染的代用指標必須滿足：磁化率數值與所研究的重金屬元素的含量之間要具有顯著的相關性。所以，分析樣品中磁化率與樣品中重金屬含量之間的相關關系就顯得極其重要了。

研究區內樣品中Pb、Cu、Mn和As元素含量與低頻磁化率之間的關系如圖1所示。

Mn、As和Pb 3種重金屬元素含量都與磁化率有著相關關系，相關系數(R)從大到小的順序為Mn>Pb>As，經過SPSS仔細計算，Cu元素含量與低頻磁化率在L1-l14上有著顯著的相關性。低頻磁化率與Mn、As、 Pb呈現處顯著正相關，與Cu的含量呈弱相關。而樣品土壤頻率磁化率與Mn、As、 Pb和Cu均呈現出負相關。其中，與Mn、As、 Pb呈現出顯著地負相關，與Cu呈現出弱相關。這正好與盧瑛[5]等發現的南京市土壤的磁化率與重金屬Cu、Zn、Pb、CR存在顯著正相關、與王學松[12]等發現的徐州城市路邊表層土壤Pb、Cu和Zn污染的磁化率表征等都相類似。

圖1 樣品中4種重金屬元素含量與低頻磁化率的關系Fig.1 Relationship between content of four heavy metal elements in sample and low frequency magnetic susceptibility

除少量樣地外，大部分樣地的低頻磁化率最高值都出現在表層0～20cm土層中，對比發現，磁化率偏高的地方，重金屬含量也要偏高。表層土壤中重金屬Mn、As、Cu和Pb的平均含量為別為312.9、8.1、10.3和15.6mg/kg，分別是風沙土壤背景值[13]的1.09、1.50、1.36和1.24倍。

土壤重金屬含量是在以背景值含量之上疊加了汽車尾氣，農業活動等人為因素的綜合結果。有研究表明，在沒有人為活動影響的情況下，自然過程中也可能造成土壤重金屬含量的超標，但這種情況特殊情況都是由于土壤的礦物特征、成土過程和分化方式的特殊引起的[14]。一般認為城市土壤重金屬的主要來源還是由人為活動引起的。頻率磁化率主要反映了樣品中SP顆粒的含量，而土壤中SP顆粒主要來源于母質風化和成壤過程。因此通過前人的研究表明：當土壤中頻率磁化率與重金屬含量呈現負相關，說明重金屬主要來源于人為擾動輸入；若呈現出正相關，則說明重金屬主要源于土壤母質[15]。鹽池縣G20國道兩旁表層土壤中Mn、As、Pb和Cu 4種重金屬元素含量與頻率磁化率呈現出負相關，表明研究區內的土壤重金屬污染主要源于人為擾動輸出。

本研究顯示，鹽池縣境內G20國道邊土壤中Mn、As和Pb含量與磁化率顯著相關，指示了路邊土壤表層磁性礦物來源與重金屬Mn、As和Pb有著密切的聯系。即是說，土壤污染受到交通污染影響。

3.3 磁化率與重金屬負荷污染

PLI即為污染負荷指數，能夠反映土樣中多種元素共同作用的結果。所以可以用作為綜合評價樣品中重金屬污染強度的一個有效的參數[11]。計算公式：

其中：CK為土壤中K元素的含量；C為元素K背景值；FK為元素K的最高污染系數；n是樣品中所需要的元素數量。

通過SPSS將土壤磁化率與4種重金屬元素的單項污染指數和內梅羅污染指數進行相關性分析得出，土壤磁化率與4種重金屬元素的單項污染指數的相關性與土壤磁化率與4種重金屬元素含量相似。土壤低頻磁化率與Mn、As和Pb的單項污染指數在L1-L18剖面中呈顯著正相關，相關系數分別為0.598、0.338和0.521(P<0.01)；在L19-L24剖面中呈顯著負相關，相關系數分別為-0.353、-0.623和-0.486(P<0.01)。頻率磁化率與Mn、As和Pb的單項污染指數在L1-L18剖面中呈顯著負相關，相關系數分別為-0.354、-0.273和-0.332(P<0.01)；在剖面L19-L24剖面中相關性不大。而Cu單項污染指數與低頻磁化率在L1-L14剖面中呈正相關，相關系數為0.222(P<0.05)，在剖面L15-L24剖面中呈顯著負相關，相關系數為-0.479(P<0.01)；Cu單項污染指數與頻率磁化率在L1-L14剖面中呈顯著負相關，相關系數為-0.292(P<0.01)，在L15-L24剖面中顯著性不高。內梅羅污染指數與低頻磁化率之間呈顯著正相關，相關系數為0.455(P<0.01)，與頻率磁化率之間沒有顯著相關性。

通過對比研究發現，鹽池縣G20道路兩側土壤中Mn、As、Cu和Pb 4種元素的PLI與土壤磁化率的一元線性回歸方程模型如圖2 所示。相關系數分別為R(Xhf-IPL)=0.422、R(Χlf-IPL)=0.421和R(Xfd-IPL)=-0.328；在P<0.01下，PLI與Xhf、Χlf和Xfd具有顯著相關性。這說明磁化率不僅可以指示一種重金屬元素的污染強度，也可以指示該研究區內Mn、As、Cu和Pb的綜合污染強度。這一結論基本與李鵬[14]和王冠等[15]所得出的結論基本一致。

圖2 磁化率與4種重金屬元素IPL的關系Fig.2 Relationship between magnetic susceptibility and IPL of four heavy metal elements

4 結 論

以鹽池縣G20道路兩旁土壤樣品為研究對象，對其磁化率和重金屬元素含量進行了特征對比分析，得到以下結論：

4.1 研究區內土壤低頻與高頻磁化率呈正相關，兩者皆與頻率磁化率呈負相關，與Mn、As和Pb含量呈顯顯著正相關，在一定范圍內與Cu也呈現出顯著正相關。指示著道路兩旁土壤中Mn、As、Pb和Cu和磁性礦物有著相同來源，也說明了通過監測土壤磁化率可以快速地診斷路邊土壤中Mn、As、Pb和Cu的污染情況。

4.2 磁化率不僅能夠指示一種重金屬元素含量的污染強度，也能夠指示該區土壤中的Mn、As、Pb和Cu的復合污染程度，反映了路邊土壤污染物主要來源與交通污染。

4.3 與其他方法相比，磁化率測量具有靈敏、快速、經濟等特點，因此可以當確定一區域內所需要監測的重金屬元素含量與磁化率呈現顯著相關，就可以大規模開展該區域內相關重金屬的磁化率監測。