周勤利，李志濤，王學(xué)東，何 俊

1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048 2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012

土壤中含有的磁性礦物使得土壤本身具有一定磁性，它的強(qiáng)弱通常用磁化率來表示[1]。土壤磁化率是土壤在外磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)磁化強(qiáng)度與外磁場強(qiáng)度之比，能夠反映土壤的發(fā)育程度、植被、生態(tài)環(huán)境和氣候等信息[2]。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，工業(yè)活動和交通運(yùn)輸都會產(chǎn)生帶磁性物質(zhì)的飛灰，它們通過大氣傳播沉降于土壤表層，使得土壤中的磁性礦物越來越多地來自于人為輸入，同時這些顆粒常常包含各種重金屬元素，導(dǎo)致土壤磁性和重金屬含量同步增加[3-4]。環(huán)境磁學(xué)監(jiān)測具有快速敏捷、經(jīng)濟(jì)高效、靈敏度高、非破壞性等優(yōu)勢，受到國內(nèi)外大量學(xué)者的關(guān)注和研究。近些年，利用土壤磁性特征揭示土壤重金屬污染已成為土壤環(huán)境研究的重要方向之一[4-6]，無論是城市表層土壤[7]還是鋼鐵工業(yè)區(qū)土壤[8]亦或是礦區(qū)土壤[9]，土壤磁化率與重金屬元素Pb、Zn、Cu等有著顯著的相關(guān)性，可以較好地指示土壤重金屬的污染程度。但目前有關(guān)磁化率與重金屬污染的研究主要以城市、工業(yè)區(qū)和礦區(qū)等特定區(qū)域的土壤為研究對象[10-12]，而對農(nóng)田土壤中磁化率與重金屬的關(guān)系研究較少[13]。

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)田土壤的質(zhì)量安全關(guān)系到人體的健康發(fā)展，2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示[14]，我國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出。在我國礦產(chǎn)資源的開發(fā)活動中，廢石尾渣、選礦廢水等環(huán)節(jié)的不規(guī)范作業(yè)，造成周邊農(nóng)田土壤受到多種重金屬元素的復(fù)合污染[15-18]，對生態(tài)環(huán)境和人體健康帶來巨大威脅。本研究選取四川南部某礦山周邊農(nóng)田土壤為研究對象，在測定土壤重金屬含量及磁化率的基礎(chǔ)上，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)分析和GIS空間分析技術(shù)探討兩者的空間變化及其相關(guān)性，以期為土壤磁化率測定技術(shù)在農(nóng)田土壤監(jiān)測中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)，也為今后對其他類似農(nóng)田土壤進(jìn)行重金屬污染監(jiān)測和質(zhì)量評價提供借鑒和參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省四川盆地南緣丘陵低山區(qū)，地勢兩邊高、中間低，平壩丘陵相間，以“喀斯特”地貌為主，出露巖層較老，礦藏較豐富，其中硫鐵礦儲量超過4.6×103萬t，還有豐富的煤礦、碳磷礦等其他礦產(chǎn)品，是當(dāng)?shù)氐闹饕V產(chǎn)工業(yè)區(qū)。該地作為礦山開采活動密集區(qū)，具有開采歷史長，礦山企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小、分布零散等特點(diǎn)。長期的礦山開采為當(dāng)?shù)貛砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)收益，但由于早期不規(guī)范的開采作業(yè)和建設(shè)運(yùn)營，造成周邊土壤環(huán)境污染問題日益突出，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及人體健康受到威脅。

研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤型季風(fēng)氣候，年均氣溫18 ℃，年均降雨量1.2×103mm，全年盛行西北風(fēng)。區(qū)內(nèi)河流屬于長江水系，主要作用是農(nóng)田的灌溉、排污和泄洪。研究區(qū)內(nèi)的尾礦庫、污水處理站等均位于農(nóng)田上游，且未采取必要的防控措施，出現(xiàn)礦渣侵入農(nóng)田、廢水直排等現(xiàn)象，引起周邊大片農(nóng)田受到污染，部分區(qū)域出現(xiàn)明顯的作物減產(chǎn)情況。

1.2 樣品采集與處理

土壤樣品采集范圍覆蓋5個行政村，面積約為10.2 km2。運(yùn)用3S技術(shù)進(jìn)行土壤樣品采集點(diǎn)的布設(shè)，首先利用GIS軟件以200 m×200 m的網(wǎng)格為基礎(chǔ)布點(diǎn)，將每個網(wǎng)格的中心設(shè)為理論采樣點(diǎn)，并記錄每個采樣點(diǎn)的理論坐標(biāo)，然后利用Google Earth 的遙感圖像與采樣點(diǎn)疊加，確定采樣點(diǎn)的具體位置。野外實(shí)際采樣時，根據(jù)布設(shè)的理論采樣點(diǎn)的坐標(biāo)信息進(jìn)行采樣，同時結(jié)合周邊實(shí)際情況及時調(diào)整采樣點(diǎn)位置，并對重污染區(qū)進(jìn)行加密布點(diǎn)，利用GPS記錄實(shí)際采樣點(diǎn)坐標(biāo)，最后通過ArcGIS軟件生成最終的采樣點(diǎn)示意圖(見圖1)。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Sketch map of soil sampling sites in the studied area

采集0～20 cm的表層土壤并利用五點(diǎn)混合法混合均勻，每個樣品重約1.5 kg，共采集186個土壤樣品，保存在密封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。樣品自然風(fēng)干后，去除石塊、雜草、樹葉、樹根等雜質(zhì)，用木質(zhì)工具壓碎，研缽研磨，過孔徑2 mm的尼龍篩，稱取10 g土樣保存以供土壤磁化率分析使用。土樣繼續(xù)用瑪瑙研缽研磨，過孔徑0.076 mm的尼龍篩，以供土壤理化性質(zhì)及重金屬含量分析。

1.3 樣品分析與測試

土壤基本理化性質(zhì)測定[19]：土壤pH采用電極法測定，水與土質(zhì)量比為2.5∶1，有機(jī)質(zhì)采用滴定法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測定，速效磷采用碳酸氫鈉法測定，水解性氮采用堿解擴(kuò)散法測定，總磷采用堿熔-鉬銻抗分光光度法測定，總氮采用半微量開氏法測定，全鉀采用火焰光度法測定。通過上述方法測定土壤中各理化指標(biāo)：pH 3.74～8.38，有機(jī)質(zhì)23.9～140 mg/kg，總磷0.22～6.3 g/kg，總氮1.46～3.61 g/kg，有效磷12.3～438 mg/kg，水解性氮96.1～245 mg/kg，全鉀4.11～10.1 g/kg，速效鉀31.2～215 mg/kg。

土壤重金屬全量測定：本研究選取《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中包含的，環(huán)境中普遍存在的Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg 8種元素進(jìn)行研究(環(huán)境污染中一般將元素Hg和As劃入重金屬元素范圍一并討論)，各重金屬元素全量的測定方法為：樣品消解采用HNO3-HCl-HF，As和Hg采用原子熒光光譜方法[20]測定，其余元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)[21](安捷倫7500型)測定。分析測試所用試劑均為優(yōu)級純，并采用國家一級土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW系列)進(jìn)行質(zhì)量控制。

土壤磁化率測定：稱取過孔徑2 mm 尼龍篩的風(fēng)干土樣6 g(精確到0.001 g)，采用雙頻磁化率儀(英國Bartington MS-2型)分別測定土壤樣品中的低頻(0.47 kHz)和高頻(4.7 kHz)磁化率，為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個樣品分別測試3次，在測試前進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，最終數(shù)據(jù)的相對誤差控制在0.3%以內(nèi)。通常低頻磁化率(χlf)和高頻磁化率(χhf)高度相關(guān)，本文主要采用低頻磁化率(χlf)和頻率磁化率(χfd)分析土壤樣品的磁化率與重金屬含量的關(guān)系。頻率磁化率(χfd)的計(jì)算公式為χfd(%)=(χlf-χhf)/χlf×100%。

1.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法

1.4.1 污染負(fù)荷指數(shù)評價法

污染負(fù)荷指數(shù)法(PLI)是ANGULO等[22]在從事重金屬污染水平的分級研究中提出來的一種評價方法，此方法能夠較好地避免污染指數(shù)的加和作用對評價結(jié)果的影響，可以更好地評價人為活動造成的重金屬污染，廣泛應(yīng)用于土壤重金屬的污染評價[23-24]。污染負(fù)荷指數(shù)計(jì)算公式：

CFi=Ci/Cn

(1)

(2)

式中：CFi為測定元素i的污染因子；Ci為測定元素i的濃度值；Cn為對應(yīng)元素i的背景值，研究中采用四川地區(qū)的土壤背景值[25]。n為元素的個數(shù)，PLI為某點(diǎn)污染負(fù)荷指數(shù)。評價的分級標(biāo)準(zhǔn)：CF≤1為無污染，1

1.4.2 其他數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)、相關(guān)分析等操作采用SPSS 21.0軟件，半方差函數(shù)模型擬合采用GS+10.0軟件，克里金插值采用ArcGIS 10.2軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量與磁化率的描述性統(tǒng)計(jì)分析

研究區(qū)農(nóng)田表層土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，農(nóng)田表層土壤中Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg的平均含量分別為73.9、114、58.7、114、47、1.59、12.3、0.26 mg/kg，分別為四川省土壤背景值[25]的2.38、1.45、1.8、1.32、1.52、20.1、1.18、4.26倍，說明該地區(qū)重金屬的積累非常明顯，尤以Cd最為明顯。與《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)[26]相比，除Hg外，其他元素都有不同程度的超標(biāo)，其中Cd超標(biāo)最嚴(yán)重，超標(biāo)率達(dá)到98.9%，其次是Cu，超標(biāo)率為38.7%，Ni、Cr、Pb、As、Zn有輕微超標(biāo)，超標(biāo)率分別為7.5%、1.6%、1.6%、1.1%、0.5%。硫鐵礦的形成除了與S、Fe等成礦元素密切相關(guān)外，通常還伴生有Cd、Cu等元素，在礦山的開采活動中，這些元素通過各種途徑進(jìn)入周邊土壤并在土壤中不斷累積，因此該礦區(qū)周邊農(nóng)田表層土壤Cd、Cu污染較嚴(yán)重。

表1 研究區(qū)表層土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Descriptive statistics of heavy metals contents and magnetic susceptibility in topsoil of study area

對研究區(qū)農(nóng)田表層土壤的磁化率進(jìn)行了描述性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，土壤的低頻磁化率(χlf)在17.9～515×10-8m3/kg范圍內(nèi)，平均值為175×10-8m3/kg；頻率磁化率(χfd)的變化范圍為0.3%～8.3%，平均值為5.2%。頻率磁化率(χfd)主要指示土壤樣品中含有的細(xì)磁性顆粒物的濃度，根據(jù)盧升高[27]的研究，χfd=5%為土壤中是否含有超順磁性顆粒的臨界值，而超順磁性顆粒是成土風(fēng)化作用的產(chǎn)物[28]，即土壤的頻率磁化率(χfd)越高，土壤中超順磁性顆粒濃度越高，磁性顆粒來源受成土風(fēng)化作用影響越強(qiáng)，受人為影響越弱，相反，頻率磁化率(χfd)越低，土壤磁性顆粒來源受人為影響越強(qiáng)，當(dāng)χfd<5%時，土壤中不含超順磁性顆粒，磁性顆粒主要來源于人類活動，而人類活動產(chǎn)生的磁性顆粒往往包含各種重金屬元素，因此推測頻率磁化率(χfd)越低的區(qū)域重金屬含量可能越高。本研究有47%的樣品中頻率磁化率(χfd)未超過5%，表明這些土樣中的磁性顆粒主要來源于人類活動。53%的土樣中頻率磁化率雖高于5%，但最大值為8.3%，表明這部分土樣中磁性顆粒的來源受成土作用和人為活動的雙重影響，但以人為活動影響為主。

分析比較土壤磁化率和重金屬含量的標(biāo)準(zhǔn)差、方差和變異系數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除Cd、As和Hg的標(biāo)準(zhǔn)差和方差值較小外，其余5種元素的標(biāo)準(zhǔn)差和方差均較大，表明樣品中元素含量波動較大。變異系數(shù)可以對不同量綱的指標(biāo)進(jìn)行比較[29]，根據(jù)文獻(xiàn)[30]中對變異程度的分類，元素Cu、Cr、Ni的變異系數(shù)介于20%～36%之間，屬于中等程度的變異(15%<變異系數(shù)<36%)，而元素Zn、Pb、Cd、As、Hg的變異系數(shù)介于38%～75%之間，為高度變異(變異系數(shù)>36%)，說明該研究區(qū)農(nóng)田土壤中這些元素在空間上的離散程度較大，分布不均勻，其含量變化受外界影響較大，尤其Cd的變異系數(shù)超過其他元素，說明Cd含量空間分布差異明顯，受外界活動影響更強(qiáng)烈。χlf、χfd的變異系數(shù)分別為75.5%和30.8%，表明前者為高度變異，后者為中等程度變異，與重金屬的變異程度類似。

2.2 土壤重金屬與磁化率的相關(guān)性分析

根據(jù)污染負(fù)荷指數(shù)計(jì)算公式得到8種元素的污染因子，從各重金屬元素來看，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd和Hg的污染累積程度最重，均達(dá)到重度污染，其污染因子分別為20.1和4.29，其次是Cu，污染因子為2.38，達(dá)到中度污染，其余5種元素的污染累積程度由高到低順序依次為Ni>Pb>Cr>Zn>As，均為輕度污染，污染因子分別為1.8、1.52、1.45、1.32、1.18。污染負(fù)荷指數(shù)是以元素的背景值作為參比值對各重金屬元素進(jìn)行評價，其中元素Hg的污染負(fù)荷指數(shù)較高，達(dá)到重度污染水平，這與前述以農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)為參比的結(jié)果大相徑庭，主要原因是四川省表層土壤元素Hg的背景值較低，而研究區(qū)位于工礦帶周邊，可能存在土壤重金屬背景值偏高的情況，因此雖然元素Hg的污染因子較高，但其值均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控的標(biāo)準(zhǔn)值，表明當(dāng)?shù)卦豀g的累積非常明顯，但尚未構(gòu)成污染。從各點(diǎn)位來看，全部點(diǎn)位均受到重金屬污染，其中19.4%的點(diǎn)位為輕度污染，74.7%的點(diǎn)位達(dá)到重度污染，5.9%的點(diǎn)位達(dá)到極強(qiáng)高度污染。綜合整個研究區(qū)，污染負(fù)荷指數(shù)為2.28，達(dá)到強(qiáng)度污染水平。

為進(jìn)一步分析研究區(qū)農(nóng)田土壤磁化率對土壤重金屬污染的指示意義，運(yùn)用SPSS21.0對8種重金屬元素、低頻磁化率(χlf)、頻率磁化率(χfd)和污染負(fù)荷指數(shù)(PLI)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析，分析結(jié)果見表2。土壤頻率磁化率(χfd)若與重金屬元素呈負(fù)相關(guān)或相關(guān)性較差，表明該元素主要來自于人為輸入；若其與重金屬元素呈顯著正相關(guān)，則表明該元素主要來自于成土母質(zhì)[31]。

表2 研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量、PLI與磁化率的相關(guān)系數(shù)Table 2 Pearson’s correlation coefficient of heavy metal concentration, PLI and magnetic susceptibility in farmland soil of study area

注：“**”表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。下同。

表2的分析結(jié)果表明，在置信水平為0.01的水平下，低頻磁化率(χlf)與Cu、Zn、Pb、PLI兩兩之間的相關(guān)系數(shù)均較高，呈顯著正相關(guān)，這與前人得出的研究結(jié)論相似[2]；而頻率磁化率(χfd)與各重金屬含量及PLI之間的相關(guān)性均較差，表明研究區(qū)農(nóng)田土壤中這8種重金屬元素的含量變化均與當(dāng)?shù)氐娜藶榛顒佑嘘P(guān)。

考慮到不同的土壤耕作環(huán)境可能對土壤磁化率與重金屬的相關(guān)性產(chǎn)生一定影響，根據(jù)采集的農(nóng)田土壤樣品類型(旱地土壤和水田土壤)，分別對其中的土壤磁化率與重金屬含量和污染負(fù)荷指數(shù)進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)分析，結(jié)果見表3、表4。

表3 水田土壤重金屬含量、PLI與磁化率的相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson’s correlation coefficient of heavy metal concentration, PLI and magnetic susceptibility in paddy field soil

表4 旱地土壤重金屬含量、PLI與磁化率的相關(guān)系數(shù)Table 4 Pearson’s correlation coefficient of heavy metal concentration, PLI and magnetic susceptibility in dryland soil

表3的分析結(jié)果表明，在水田土壤中，低頻磁化率(χlf)只與元素Cu呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而與其他重金屬元素及PLI的相關(guān)性均不顯著，甚至與Pb、Cd、As呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；頻率磁化率(χfd)與各重金屬含量及PLI的相關(guān)性較差，與Cu、Cd、Hg、PLI均呈負(fù)相關(guān)，低頻磁化率(χlf)與頻率磁化率(χfd)在與元素Cu的相關(guān)性上呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律?？傮w而言，磁化率與重金屬的相關(guān)性在水田土壤中并不顯著。而旱地土壤重金屬含量與磁化率的相關(guān)系數(shù)(表4)表明，旱地土壤低頻磁化率(χlf)與Cu、Ni、Zn、Pb、Cd、PLI之間呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，與Cr、As、Hg的相關(guān)性不顯著，且與Cr呈負(fù)相關(guān)，頻率磁化率(χfd)與各重金屬元素及PLI的相關(guān)性均較差，這與所有農(nóng)田土樣中磁化率與重金屬的相關(guān)性規(guī)律類似。

綜上所述，水田土壤和旱地土壤中重金屬與磁化率的相關(guān)性存在一定差異，主要表現(xiàn)：與旱地土壤相比，水田土壤低頻磁化率(χlf)與重金屬和PLI的相關(guān)性較差，不能很好地指示水田土壤的污染程度。這可能是由于水田土壤處于長期淹水條件下，造成鐵錳物質(zhì)的還原，使得土壤的磁性降低[32]，而重金屬元素在土壤中難以降解造成累積，含量較高，導(dǎo)致兩者相關(guān)性較差，因此旱地土壤磁化率能更好地指示土壤重金屬污染。

2.3 土壤重金屬含量與磁化率的空間分布規(guī)律

利用地統(tǒng)計(jì)分析對研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量及磁化率進(jìn)行空間分布規(guī)律研究，主要包括半方差函數(shù)理論模型的擬合和克里金空間插值分析。

2.3.1 土壤重金屬與磁化率的半方差函數(shù)模型擬合

半方差理論模型是地統(tǒng)計(jì)分析的主要手段，要求數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，頻率磁化率(χfd)、Cu、Cr、Ni、As和污染負(fù)荷指數(shù)(PLI)符合正態(tài)分布，低頻磁化率(χlf)、Zn、Pb、Cd、Hg經(jīng)對數(shù)變換后符合正態(tài)分布。利用GS+10.0軟件對各變量進(jìn)行半方差函數(shù)理論模型擬合，選取決定系數(shù)(R2)最大，殘差(RSS)最小的模型為最優(yōu)模型，各變量的擬合結(jié)果為：元素Cu、Cr、Pb、As和Hg的半方差函數(shù)最優(yōu)模型為球狀模型，Ni、Cd、χlf和χfd為指數(shù)模型，Zn和PLI為高斯模型。

2.3.2 土壤重金屬與磁化率的空間插值分析

根據(jù)上述半方差函數(shù)模型的擬合結(jié)果對磁化率、PLI和各重金屬元素含量進(jìn)行普通克里金插值，插值結(jié)果見圖2。整體來看，研究區(qū)農(nóng)田土壤中各重金屬元素的空間分布大致相似，低值區(qū)主要分布在研究區(qū)西南部靠近林地的區(qū)域，高值區(qū)主要分布在中東部、東南部工礦帶周邊以及北部的工礦企業(yè)集聚區(qū)。研究區(qū)西南部靠近山地林地，遠(yuǎn)離工礦帶和各工礦企業(yè)的分布，且村民少，人類活動稀少，而東部自北向南分布有狹長的工礦帶，礦山開采活動頻繁，歷史上曾分布有大大小小8家工礦企業(yè)，包括5家硫鐵礦企業(yè)、3家煤礦企業(yè)，集中分布在研究區(qū)中東部、東南部的工礦帶附近以及北部的小部分區(qū)域，目前大多企業(yè)雖已關(guān)停，但各企業(yè)在歷史采礦活動中均未采取有效的污染防控措施，僅建有一處簡易污水處理站，但排污口未見任何排污檢測裝置，所排廢水是否達(dá)標(biāo)無從知曉，排放廢水直接進(jìn)入農(nóng)田灌溉水渠。部分企業(yè)的遺留尾礦庫也未采取任何防控措施，緊挨污水處理站堆放，且位于農(nóng)田上游，礦渣淋溶水隨著降水和地表徑流進(jìn)入周邊農(nóng)田土壤，在土壤中長期積累，造成周邊農(nóng)田土壤重金屬含量增多。

從各重金屬元素的具體分布來看，元素Cu含量最高的區(qū)域集中在中東部工礦企業(yè)集聚區(qū)，以此為中心，隨著距離的增加含量不斷降低。元素Cr、Ni、Zn、Cd含量最高的區(qū)域集中分布在中東部和東南部工礦企業(yè)集聚區(qū)，Cd和Zn在西北部的企業(yè)集聚區(qū)周邊亦有高值區(qū)分布，除了受周邊工礦活動影響，這與境內(nèi)河流也可能有關(guān)，研究區(qū)地勢南高北低，河流自東南流向西北，河流中上游的礦山開采活動產(chǎn)生的采礦廢水及礦渣的淋濾雨水均排入該河流，西北部位于河流下游，河流中攜帶的重金屬元素最終通過污水灌溉等途徑進(jìn)入土壤，加劇了該區(qū)域土壤重金屬含量的升高。元素Pb的高值區(qū)主要分布在西北部和中部區(qū)域，呈不規(guī)則斑塊狀分布，中西部是當(dāng)?shù)劓?zhèn)政府所在地，人口密集，車輛數(shù)目相對較多，研究表明[33]交通活動和人類生活廢棄物是表層土壤中Pb的重要來源，汽油和燃油添加劑在汽車運(yùn)行中產(chǎn)生的顆粒物可以通過大氣進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤中Pb含量升高。元素Hg和As的分布與其他元素略有不同，高值區(qū)集中在研究區(qū)的中西部和西北部，二者的來源比較復(fù)雜，研究區(qū)土壤背景值含量偏高、含Hg廢棄物的排放、農(nóng)田含As化肥的施用等可能是造成土壤中2種重金屬元素累積的原因。

土壤低頻磁化率(χlf)的高值區(qū)集中分布在研究區(qū)中偏東部，形成兩大高值中心，并由此向外隨著距離的增加值不斷降低，兩大高值中心分別位于中東部工礦企業(yè)集聚區(qū)周邊和工礦帶附近，它的分布與元素Cu、Cr、Ni、Zn、Cd、Pb的空間分布有相似之處，指示出工礦企業(yè)集聚區(qū)可能對土壤重金屬含量造成的影響。頻率磁化率(χfd)的空間分布在西北部和中西部形成高值區(qū)，東部和南部地區(qū)較低，與低頻磁化率(χlf)的空間分布相反，與元素Hg、As的空間分布具有一定相似性，由前文的論述可知，頻率磁化率(χfd)值高的區(qū)域表明土壤磁性顆粒主要來自于成土風(fēng)化作用，因此推測元素Hg、As的來源主要為成土母質(zhì)等自然因素。元素Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd的空間分布與頻率磁化率(χfd)有著相反的分布趨勢，驗(yàn)證了前文的推測：頻率磁化率(χfd)越低的區(qū)域重金屬含量可能越高，因此頻率磁化率(χfd)能夠通過指示土壤磁性顆粒的來源推測重金屬含量的高低。PLI的空間分布與各重金屬元素的分布基本一致，低值區(qū)集中在西南林地周邊，高值區(qū)集中在采礦活動密集的東北部、東南部，人口密集的中西部和河流下游地區(qū)。且PLI的空間分布與χlf也有相似的變化趨勢，中東部工礦企業(yè)集聚區(qū)的污染較重，χlf值也較高，因此土壤磁化率對該區(qū)域的土壤污染程度具有較好的指示意義。

圖2 研究區(qū)農(nóng)田表層土壤重金屬含量、PLI與磁化率的空間分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metal contents, PLI and magnetic susceptibility in farmland topsoil of study area

綜上所述，研究區(qū)農(nóng)田土壤磁化率與重金屬含量、PLI在空間分布上具有相關(guān)性，表明農(nóng)田土壤磁化率能夠在一定程度上指示土壤重金屬的污染程度。在農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測中利用磁化率測定技術(shù)確定重金屬污染異常區(qū)域，然后針對異常區(qū)域進(jìn)一步詳查重金屬的污染狀況是可行的。

3 結(jié)論

本研究以四川某礦山周邊農(nóng)田土壤為研究區(qū)，研究了區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤重金屬含量及磁化率的特征、兩者的相關(guān)性關(guān)系以及空間分布關(guān)系。

1)四川省某礦山周邊農(nóng)田土壤出現(xiàn)Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As元素污染，其中Cd污染最嚴(yán)重(超標(biāo)率為98.9%)，其次是Cu(超標(biāo)率為38.7%)，Ni、Cr、Pb、Zn、As有輕微污染，且各元素的空間離散程度均較強(qiáng)。

2)土壤磁化率與重金屬元素的相關(guān)性受耕地土壤類型(旱地和水田)的影響，旱地土壤低頻磁化率(χlf)與Cu、Ni、Zn、Pb、Cd和PLI之間呈極顯著正相關(guān)，水田土壤低頻磁化率(χlf)與重金屬和PLI的相關(guān)性較差，表明旱地土壤磁化率能更好地指示土壤重金屬污染。旱地和水田土壤的頻率磁化率(χfd)與各重金屬元素和PLI的相關(guān)性均不強(qiáng)，表明各重金屬元素的含量變化主要受當(dāng)?shù)夭傻V等人類活動影響。

3)研究區(qū)農(nóng)田土壤磁化率異常區(qū)與重金屬元素異常區(qū)有較強(qiáng)的相關(guān)性，低頻磁化率(χlf)與各重金屬元素及污染負(fù)荷指數(shù)具有相似的分布趨勢，而頻率磁化率(χfd)與低頻磁化率(χlf)的空間分布相反，磁化率和重金屬含量的異常主要受人類活動的影響。

4)研究區(qū)土壤磁化率能夠有效指示農(nóng)田土壤重金屬的污染程度，因此在農(nóng)田土壤環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測中，可以利用簡便易行、高效快捷的磁化率測定技術(shù)對研究區(qū)域開展前期普查，確定異常區(qū)后有重點(diǎn)地進(jìn)行詳查，以提高效率、節(jié)約成本。