龐文君 戴 霜 張松林# 張 偉 陳瑞靈 郭 坤

(1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西部環(huán)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(chǔ)，土壤環(huán)境質(zhì)量的好壞關(guān)系著人體健康。近年來，我國(guó)的土壤環(huán)境問題日益突出。認(rèn)識(shí)土壤環(huán)境污染、開展土壤污染修復(fù)的關(guān)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(huán)境的變化以及人類活動(dòng)的影響，礦物的磁性參數(shù)可作為環(huán)境變化的替代指標(biāo)。與常規(guī)的物理化學(xué)方法相比，環(huán)境磁性參數(shù)的測(cè)量具有樣品用量少、靈敏度高、簡(jiǎn)單快速、非破壞性、費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)[2]，因而20世紀(jì)70年代中期以來，環(huán)境磁性參數(shù)的測(cè)量在土壤污染研究中得到廣泛應(yīng)用[3]，特別是在鋼鐵廠周邊污染土壤中。但是，現(xiàn)有的關(guān)于土壤環(huán)境磁性參數(shù)研究大多針對(duì)土壤發(fā)育程度較高、環(huán)境自我修復(fù)能力較好的歐洲中部、西部地區(qū)和亞洲東部地區(qū)，對(duì)土壤發(fā)育程度不高的干旱區(qū)的研究相對(duì)較少[4]。

嘉峪關(guān)市位于我國(guó)西北干旱區(qū)腹地，屬于典型的溫帶大陸性荒漠氣候，近地面冬、春季節(jié)以西北風(fēng)為主，夏、秋季節(jié)盛行東南風(fēng)[5]。該市是隨著鋼鐵工業(yè)發(fā)展而建立的人工綠洲城市，鋼鐵工業(yè)占其經(jīng)濟(jì)總量的80%以上，耕地面積相對(duì)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(qū)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(duì)嘉峪關(guān)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(huán)境磁性參數(shù)測(cè)量，探討了鋼鐵廠污染物排放對(duì)不同類型表層土壤污染的影響，以期為西北干旱區(qū)土壤環(huán)境污染識(shí)別及治理提供基礎(chǔ)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(shí)驗(yàn)室備用。由于采樣季節(jié)為初夏，以東南風(fēng)為主，因此鋼鐵廠東南側(cè)上風(fēng)向地區(qū)采樣密度較小，西北側(cè)下風(fēng)向地區(qū)采樣密度較大。采樣點(diǎn)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(diǎn)，JYG-5、JYG-6、JYG-11是耕地表層土壤樣品采樣點(diǎn)，JYG-1、JYG-2、JYG-3、JYG-8、JYG-9、JYG-10是戈壁表層土壤樣品采樣點(diǎn)。同時(shí)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(hào)為JYG-0。

1.2 環(huán)境磁性參數(shù)測(cè)定

樣品在實(shí)驗(yàn)室中自然風(fēng)干，在瑪瑙研缽中輕輕磨細(xì)，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(cè)定所有樣品的低頻(470 Hz)質(zhì)量磁化率和高頻(4 700 Hz)質(zhì)量磁化率，根據(jù)式(1)計(jì)算頻率磁化率。

(1)

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

用MacroMag 2900 AGM磁強(qiáng)計(jì)測(cè)定樣品的等溫剩磁、剩磁矯頑力(Bcr)、飽和剩磁(Mrs)、飽和磁化強(qiáng)度(Ms)、矯頑力(Bc)以及磁滯回線，并計(jì)算出硬剩磁和磁化系數(shù)，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(qiáng)度下獲得的等溫剩磁和反向300 mT磁化強(qiáng)度下獲得的等溫剩磁，10-5m3/kg；S為磁化系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼鐵廠周邊不同類型表層土壤樣品環(huán)境磁性參數(shù)的差異分析

表1為鋼鐵廠周邊不同類型表層土壤樣品環(huán)境磁性參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。由于高頻質(zhì)量磁化率和低頻質(zhì)量磁化率變化趨勢(shì)相同，因此表1中只給出了低頻質(zhì)量磁化率。低頻質(zhì)量磁化率和飽和等溫剩磁都是土壤磁性強(qiáng)弱的指標(biāo)，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(zhì)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(diǎn)位置Fig.1 Locations of sampling sites of different types of top soils around the steel & iron factory

環(huán)境磁性參數(shù)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?yàn)殇撹F廠建于戈壁灘上，排放的污染物就近沉降。

根據(jù)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(rèn)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(chǎn)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(xì)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(duì)含量[8]。當(dāng)χfd<2%時(shí)，土壤中SP質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以下；當(dāng)2%≤χfd<10%時(shí)，MD、SD和SP同時(shí)存在；當(dāng)χfd≥10%時(shí)，SP質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)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(yán)重，因此小顆粒的磁性物質(zhì)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(shí)，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(duì)一致。

磁化系數(shù)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(duì)含量[9]22，磁化系數(shù)越大(接近1)，表明低矯頑力組分占主導(dǎo)，而磁化系數(shù)越小(接近0)，則說明高矯頑力組分占主導(dǎo)。表1顯示，戈壁、山地和耕地的磁化系數(shù)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(fēng)向的JYG-1和JYG-11低頻質(zhì)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(fēng)向土壤樣品的低頻質(zhì)量磁化率明顯要高得多，其中JYG-2最高(997.42×10-8m3/kg)，達(dá)到背景值的70.6倍，其次是JYG-8和JYG-9，這3個(gè)采樣點(diǎn)距鋼鐵廠的距離均在4 km以內(nèi)，且都處于與下風(fēng)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(dǎo)風(fēng)向，因此其低頻質(zhì)量磁化率明顯低于JYG-2、JYG-8、JYG-9，但高于其他采樣點(diǎn)。隨著采樣點(diǎn)離鋼鐵廠距離的增加，表層土壤的低頻質(zhì)量磁化率急劇下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，嘉峪關(guān)市春季平均風(fēng)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(gè)季節(jié)風(fēng)速的差異不大，但夏、秋季節(jié)主要盛行東南風(fēng)，風(fēng)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(jié)核吸附水蒸氣而沉降。

注：采樣點(diǎn)離鋼鐵廠的距離負(fù)值表示下風(fēng)向，正值表示上風(fēng)向。圖2 鋼鐵廠周邊表層土壤樣品低頻質(zhì)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(duì)含量

根據(jù)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(qiáng)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(qiáng)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(zhì)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(qiáng)度可以用來指示主導(dǎo)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(qiáng)度時(shí)，樣品的低頻質(zhì)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(dāng)樣品的主要礦物為磁鐵礦時(shí)，飽和剩磁與飽和磁化強(qiáng)度之比(Mrs/Ms)、剩磁矯頑力與矯頑力之比(Bcr/Bc)的關(guān)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(qū)域內(nèi)(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(jié) 論

(1) 所有表層土壤樣品的低頻質(zhì)量磁化率都大于背景值。低頻質(zhì)量磁化率和飽和等溫剩磁的平均值均表現(xiàn)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(fēng)向的4 km以內(nèi)。

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