乌鲁木齐市土壤磁学特征及其与粒度的关系

陈学刚，张玉虎，杨 涵，权晓燕，胡江玲

(1 新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054；2 新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；3 首都师范大学 资源环境与旅游学院，北京 100048)

乌鲁木齐市土壤磁学特征及其与粒度的关系

陈学刚1,2，张玉虎3，杨 涵1,2，权晓燕2，胡江玲2

(1 新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054；2 新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；3 首都师范大学 资源环境与旅游学院，北京 100048)

【目的】 分析乌鲁木齐市市区、郊区表层土壤磁性和粒径分布特征的差异性，揭示土壤粒度与矿物磁性特征的关系，测试土壤磁性参数作为粒径代用指标的可行性，为未来运用磁学方法监测城市土壤污染提供参考。【方法】 采集乌鲁木齐市市区建设用地及郊区农用地和未利用地表层(0～10 cm)土壤样品45个，采用磁测和激光衍射粒度仪测量土壤磁性参数和粒度，利用Pearson相关性分析和GIS技术计算磁性参数低频质量磁化率(χLF)、高频质量磁化率(χHF)、百分频率磁化率(χFD)、硬剩磁(HIRM)、软剩磁(SOFTIRM)和饱和等温剩磁(SIRM)与粒径含量的相关系数，并绘制空间分布图。【结果】 除χFD外，市区建设用地土壤磁性参数均值均高于郊区农用地和未利用地，多畴粗颗粒亚铁磁性矿物主导了土壤样品的磁学性质；市区表土黏土含量低于郊区，粉砂、砂粒含量略高于郊区；研究区土壤粒度组成以粉砂为主，其次为黏土和砂；通过比较市区表土磁性参数与不同粒径含量间的相关系数绝对值发现，χLF与2～8 μm粒级，HIRM与8～16 μm、>63 μm粒级，χFD与16～32 μm、32～63 μm粒级含量的相关性最强。郊区农用地、未利用地土样的磁性参数与粒级含量无显著相关性；黏土和极细粉砂含量与χLF和SOFTIRM、SIRM、HIRM在西部、东北、中部和南部区域空间上存在正相关，与χFD的相关区域位于市区中部。细粉砂与SIRM和HIRM在西北部、东北部以及东南部存在正相关，与χFD在空间上分布一致性较少。中粉砂、粗粉砂和砂含量与χFD在西部、东北部和中部偏西南区域存在正相关。【结论】 乌鲁木齐市市区、郊区表土磁性和粒径分布特征不同。市区建设用地表土的χLF、HIRM和χFD分别可作为2～8 μm粒级、细粉砂和砂粒级、中粉砂和粗粉砂含量的代用指标。在圈定的西部、东北、中部、南部、西北、东北、东南和西南区域，χLF、HIRM和χFD能更准确地反映粒级含量的高低。

磁性特征；土壤粒径分布；土壤污染；乌鲁木齐

环境磁学通过研究磁性颗粒的生成、转化以及在地球不同圈层之间的迁移规律，揭示过去的环境变化以及人类活动对环境的影响[1]。自20世纪80年代Thompson等开展了沉积物磁性特征研究以来，因其测量方法具有简便、快速、经济、无破坏性等特点[2]，已广泛应用于古气候与古环境变化、土壤发生过程以及河流沉积物来源判别等领域[3]。近年来，学者们借助磁测技术和地球化学方法，对土壤、沉积物、大气降尘、街道尘埃和树叶等环境物质进行磁性测量，了解磁性矿物特征，进而确定污染区域，监测环境质量和解析污染源[4-11]。城市土壤环境质量与人类健康和福利密切相关,日益受到关注[12]。城市土壤是各种重金属和有机污染物的“汇”[13]。研究表明，汇入城市土壤的人为成因污染物富含磁性颗粒，改变了土壤中磁性物质的循环形式和存在状况，而且特定磁参数与污染物(尤指重金属)含量间呈正相关[14]，因而磁性参数常被用作反映重金属污染状况的替代指标[15-18]。

然而矿物磁性除了受矿物种类及其含量等因素控制外，还与其粒度大小密切相关，不同晶粒大小的磁性矿物的磁性特征存在差异[19]。在评价污染状况时,必须修正粒度对磁性参数的影响。大量研究探讨了环境物质磁性与沉积物或土壤粒度之间的相关性。Chaddha等[20]研究发现，燃煤飞灰中磁性矿物含量是粒径的函数，并强调粒径分析的重要性。Oldfield等[21]在对爱尔兰海滨岸沉积物的研究中发现，非磁滞剩磁磁化率与细粒级组分含量高度相关,并提出这一参数可作为沉积物细颗粒含量的代用指标。张卫国等[22]研究认为，粒度是影响长江口潮滩沉积物磁性特征的重要因素。Booth等[23]对河口沉积物研究证明，矿物磁性可以用来作为粒径代用参数。Clifton等[24]研究指出,沉积物的细粉砂(8～16 μm)和磁化率密切相关，非磁滞剩磁磁化率与黏土(<2 μm)和极细粉砂(4～8 μm)强烈相关，饱和等温剩磁与极细粉砂和细粉砂存在相关。Booth等[25-26]在小尺度上分析了街道尘埃矿物磁性和粒度的关系，结果发现磁性参数与粒径间存在紧密关系。从已有研究看，前人主要探讨了湖泊、潮滩沉积物、街尘和飞灰中粒径与磁性特征相关性的问题，但对干旱区城市不同用地类型下土壤磁性指标和粒度的关系研究相对较少。为此，本试验以乌鲁木齐市为研究区，采用磁测、激光衍射粒度分析和统计方法，在分析市、郊区表土磁性和粒径分布特征的差异性基础上，探讨土壤粒径分布与矿物磁性参数的关系，以期评价磁性参数作为粒径替代指标的可行性及普遍性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌鲁木齐市位于中国西北部，是新疆维吾尔自治区的首府，属典型的冲洪积扇绿洲城市，为中温带大陆干旱气候区，年平均温度7.3 ℃，年平均降水量236 mm。全市平均海拔800 m，三面环山，地势东南高、西北低，城区北部郊区有大量耕地，南部郊区分布有广泛的未利用裸地，土壤母质为冲洪积物状母质。自1980年以来，随着经济的快速发展，乌鲁木齐市城市化进程不断加快，城市建设区面积急速扩大，从1985年的49 km2增加到2009年的339 km2。

1.2 采样与试验方法

为了比较市区与郊区不同土地利用方式对磁性参数的不同影响，本次选取乌鲁木齐市市区、郊区表土进行布点采集，样点的选择主要考虑空间分布的均匀性、土地利用类型与实际土壤分布情况。市区(U采样区)24个建设用地采样点主要分布在工业、商业、居住、公园和交通运输区内的建设用地；郊区(S采样区)21个未利用地和农用地采样点主要位于城市北边的农用地和城市东、西南和南部区域的未利用地。研究区位置及采样点具体分布如图1所示。2012-11-07-14采集研究区表层(0～10 cm)土壤样品，每个样品均由5个按对角线法采取的小样混合成1 kg左右的样品，将其装入聚乙烯采样袋中编号。采样过程中对采样点进行GPS定位，最终获取表层土壤样品45个。

将采集的土样放在阴凉干燥、通风无灰尘污染的室内自然风干。待样品风干后，拣出枯枝落叶、植物根、塑料袋、砾石等杂物，过1 mm尼龙筛，称一定质量样品用塑料保鲜膜包紧后装入10 cm3的磁学专用样品盒内并压实，供测试用。采用Bartington MS2磁化率仪，测定样品低频质量磁化率(χLF，0.47 kHz)和高频质量磁化率(χHF，4.7 kHz)，并计算百分频率磁化率(χFD=(χLF-χHF)/χLF×100%)。等温剩磁(IRM)利用ASCIM-10脉冲磁化仪和Molspin小旋转磁力仪室温下获得,依次对样品施加20，30，50，100，300和1 000 mT的磁场，使用小旋转磁力仪分别测量对应的IRM，并设1 000 mT磁场下的IRM作为饱和等温剩磁(SIRM)。然后测量样品在-20，-30，-100，-300 mT反向磁场下的IRM。根据上述测量结果计算硬剩磁(HIRM= (SIRM+IRM-300 mT)/2)、软剩磁(SOFTIRM=(SIRM-IRM-20 mT)/2),软剩磁百分含量(SOFT=SOFTIRM/SIRM×100%)和硬剩磁百分含量(HARD=HIRM/SIRM×100%)。

粒度测量时首先采用过氧化氢(H2O2)进行去除有机质和碳酸盐的处理，然后加入六偏磷酸钠((NaPO3)6)使样品充分分离后测量,使用Malvern MS 2000测定颗粒的体积百分比，颗粒范围为0.2～2 000 μm[26]。

2 结果与分析

2.1 乌鲁木齐市不同区域的土壤磁性特征

土壤磁性是土壤物理属性的重要研究内容，可反映母质、气候、植被、水文和人类活动等综合信息[27]。城市不同区域的土地利用类型对土壤磁性的干扰不同，表土的磁性特征往往随着土地利用方式变化而表现出明显差异。乌鲁木齐市区、郊区不同土地利用方式下土壤样品磁性参数的统计结果见表1。

χLF表示土壤样品中亚铁磁性矿物的总体贡献。SIRM主要反映亚铁磁性和不完全反铁磁性矿物的贡献，与磁化率不同，SIRM不受顺磁性和抗磁性矿物的影响[28]。Thompson等[29]研究发现，SOFTIRM指示样品中较粗的多畴(MD)颗粒的亚铁磁性矿物含量，基本不受不完整反铁磁性矿物的影响。Oldfield等[21]提出HIRM用于粗略估计样品中不完整反铁磁性矿物含量。SOFT和HARD可近似用来估算样品中多畴亚铁磁性矿物和不完全反铁磁性矿物的相对含量[30]。χFD反映细小的超顺磁性颗粒物(SP，粒径<0.03 μm)，能够区别土壤颗粒物是来源于人类活动还是自然生成。从表1可以看出，乌鲁木齐市区(建设用地)与郊区(农用地、未利用地)土样χLF的均值分别为107.9×10-8，63.7×10-8m3/kg。不同土地利用方式下表土χLF均值大小表现为市区>郊区。采样区域表土的SIRM均值变化与χLF相同。市区SOFTIRM变幅为(401.9～1 870.1)×10-5Am2/kg，均值为913.3×10-5Am2/kg；郊区SOFTIRM变幅是(176.6～1 083.0)×10-5Am2/kg，均值为508.9×10-5Am2/kg。HIRM均值表现出市区(87.4×10-5Am2/kg)略微大于郊区(50.4×10-5Am2/kg)的特征。市区SOFT为29.2%～42.2%，HARD为0.7%～6.3%；郊区SOFT为28.1%～38.6%，HARD为1.6%～5.6%，表明土样磁性中主要由亚铁磁性矿物主导，并有少量不完整反铁磁性矿物的贡献。根据Dearing[31]提出的应用χFD半定量估算SP颗粒浓度的半定量化模型可知，χFD<2 %时，样品中基本没有SP颗粒，χFD为≥2%～<10 %时，样品中SP和粗颗粒混合存在；χFD为≥10%～<14%时，样品基本都是SP颗粒。与半定量混合模型比较，乌鲁木齐市区χFD均值为1.6%，郊区χFD均值为2.6%，表明土壤样品中SP颗粒含量低，市区土样中基本不含SP颗粒。通过上述参数分析可知，土壤磁性主要是多畴(MD)粗颗粒亚铁磁性矿物占主导，郊区磁性颗粒主要由SP颗粒和粗颗粒共同构成。已有研究表明，有一定发育的自然土壤磁化率主要受成土过程中形成的SP颗粒矿物主导，质量磁化率与频率磁化率呈现正相关关系[32]。市区高的土壤质量磁化率和低的百分频率磁化率指示其与自然土壤成土过程不同，可能受人类活动产生的粗颗粒亚铁磁性矿物影响较大。郊区磁性颗粒主要由自然和人为形成的SP颗粒和粗颗粒共同构成。

2.2 乌鲁木齐市不同区域的土壤粒径分布特征

粒径分布(PSD)是土壤最基本的物理属性。根据张卫国等[22]土粒分级的标准划分，研究区表土样品的粒径分布统计结果见表2。由表2可以看出，全部样品黏土(<4 μm)含量为15.51%～40.19%，均值为25.08%，64.6%的样品黏土含量在20%～30%;市区黏土含量为15.51%～31.58%，均值为23.84%，其中75%的样品黏土含量为20%～30%；郊区黏土含量为15.83%～40.19%，均值为26.51%，其中黏土含量在20%～30%的样品所占比例减少到50%，黏土含量大于30%土样所占比例增加到33%，郊区黏土含量略高于市区。全部土样粉砂(4～63 μm)含量为58.22%～82.85%，其中极细粉砂(4～8 μm)含量均值为22.28%，细粉砂(8～16 μm)含量均值为20.36%，中粉砂(16～32 μm)含量均值为16.31%，粗粉砂(32～63 μm)含量均值为9.77%，显示极细粉砂、细粉砂主导了粉砂粒级含量，市区土壤粉砂含量均值略高于郊区。全部土样砂(>63 μm)含量为0.32%～20.57%，均值6.19%,砂含量变幅大。市区砂含量为0.57%～20.57%，均值为6.81%，郊区砂含量均值为5.48%，市区含量稍高于郊区，表土砂含量远低于黏土和粉砂。总体而言，研究区土壤粒度组成以粉砂为主，其次为黏土，砂最少。

2.3 乌鲁木齐市土壤磁性特征与粒级含量的关系

表3是不同土地利用方式下，土壤磁性参数与不同粒径含量间的Pearson相关系数值。

注：*表示在P<0.05 水平(双侧)上显著相关；**表示在P<0.01水平(双侧)上极显著相关。

Note:*.Significant at theP<0.05 level;**.Significant at theP<0.01 level.

从表3可以看出，对建设用地土样，χLF与黏土(2～4 μm)、极细粉砂(4～8 μm)极显著正相关，与粗粉砂(32～63 μm)、砂(>63 μm)粒级含量显著或极显著负相关,与其他粒级含量不具显著相关性；除了细粉砂(8～16 μm)外，HIRM、SIRM与粒级含量的关系和χLF趋势相同，而SOFTIRM与粒级含量的关系则与χLF趋势完全相同；χFD与4～16 μm粒级含量间存在极显著或显著负相关性,与 16～63 μm粒级含量呈显著正相关，与其他粒级含量不具显著相关性。而郊区农用地、未利用地土样的磁性参数与粒级含量无显著相关性。上述结果也表明，粗颗粒亚铁磁性矿物和少量不完整反铁磁性矿物主要富集于粒径2～16 μm的细粒级土壤中。此外，通过比较相关系数绝对值的大小发现，χLF与2～8 μm粒级含量相关性均较大，HIRM与8～16 μm、>63 μm的相关性均较大，χFD与16～32 μm、32～63 μm的相关性均较大。因此，在市区建设用地背景下，上述磁性参数最适应作为相应粒级含量的代用指标，图2是市区建设用地描述磁性参数作为粒级函数的散点图。

相关系数刻画的是土壤属性值间的总体关系，说明可能存在空间相互关联的情况，但不能圈定出空间依赖性的范围与程度。为进一步探查磁性参数与粒度的空间相关性，根据磁性参数与粒级间统计检验后显著相关与否和相关系数大小，将粒径划分为2～8 μm、8～16 μm和>16 μm 3个级别，并采用反距离权重插值法(IDW)分别对粒径含量和磁性参数进行空间插值，得到空间分布图(图3)。如图3所示，χLF、SOFTIRM、SIRM和HIRM的空间分布特征较相似，基本以工业区(点)和中城区为中心，向北部的农田及东、西和南部的未利用地递减。χFD空间分布趋势与其他参数大致相反，分布呈东西方向低，且向南北方向递增的趋势。黏土和极细粉砂(4～8 μm)空间分布呈西北、东北、正南向高，且向中部递减的趋势，主要分布在近郊区，与χLF、SOFTIRM、SIRM和HIRM磁性参数在西部、东北、中部和南部区域存在空间正相关，但与χFD的相关区域位于市区中部。细粉砂(8～16 μm)与SIRM和HIRM在西北部的头屯河区和东北部米东区以及东南部天山区内存在正相关，与χFD在空间分布不一致。中粉砂(16～32 μm)、粗粉砂(32～63 μm)和砂(>63 μm)含量主要分布在中部，且向西北和南部递减，西北部含量最低，北部粒径含量小于中部和南部，与χLF、SIRM、SOFTIRM和HIRM的分布格局呈逆向分布趋势，但与χFD在西部、东北部和中部偏西南区域存在正相关。

3 结 论

本研究通过对乌鲁木齐市市区和近郊区不同用地类型的表层土壤采样，分析了土壤样品磁性参数、土壤粒度组成特征及两者之间的关系，得到的主要结论如下。

1)研究区土壤中磁性矿物组成以多畴(MD)粗颗粒亚铁磁性矿物占主导，并伴有少量不完整反铁磁性矿物和超顺磁性矿物颗粒物。除χFD外，市区建设用地土壤的其他磁性参数均值均高于郊区的农用地和未利用地，市区高土壤磁性矿物含量表明其可能由人类活动形成的污染物引起。

2)市区表土黏土含量低于郊区，粉砂、砂粒含量均值略高于郊区。总体而言，研究区土壤粒级组成中粉砂含量最高，其次为黏土，含量最低的是砂粒,黏土、粉砂和砂粒含量的均值分别为25.08%，68.72%，6.19%，其中极细粉砂、细粉砂主导了粉砂级含量。

3)从磁性参数与粒级含量的相关性结果来看，磁性矿物主要富集于粒径2～16 μm的土壤细颗粒中，市区建设用地表土的χLF可作为2～8 μm，HIRM可作为细粉砂(8～16 μm)、砂(>63 μm)粒级含量的代用指标。χFD可作为中粉砂(16～32 μm)、粗粉砂(32～63 μm)粒级含量的代用指标。郊区农用地、未利用地表土磁性参数对粒径的依赖性不高。

4)研究区磁性参数与土壤粒度分布的空间变化为评价两者间的空间相关性奠定了基础。χLF和SOFTIRM、SIRM、HIRM与细颗粒组分(2～16 μm)在西部、东北、中部、南部、西北、东北和东南部区域呈正相关。χFD与粗颗粒组分(>16 μm)在西部、东北和西南区域存在正相关。在上述圈定的区域内，χLF、HIRM和χFD能更加准确地反映粒级含量的高低。

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Magnetic properties and the relationship with particle size of topsoil in Urumqi

CHEN Xue-gang1,2,ZHANG Yu-hu3,YANG Han1,2, QUAN Xiao-yan2,HU Jiang-ling2

(1KeyLaboratoryofAridRegionLakeEnvironmentandResourceofXinjiang,Urumqi,Xinjing830054,China; 2SchoolofGeographyScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjing830054，China;3CollegeofResourcesEnvironment&Tourism,CapitalNormalUniversity,Beijing100048,China)

【Objective】 This study investigated the differences in magnetic properties and particle size distribution of urban and suburban topsoil in Urumqi.The relationships between the magnetic properties and particle size distribution and the feasibility of using particular magnetic properties as soil particle size proxy were also explored to provide reference for future monitoring of urban soil pollution using magnetic methods.【Method】 In Urumqi,45 topsoil samples at depth of 0-10 cm were collected from urban and suburban areas with different land use types and spatial uniformity.Soil magnetic parameters including low field magnetic susceptibility (χLF),high frequency magnetic susceptibility (χHF),the percentage frequency magnetic susceptibility (χFD),hard isothermal remanent magnetization (HIRM),soft isothermal remanent magnetization (SOFTIRM) and saturation isothermal remanent magnetization (SIRM) and particle size were measured using magnetic measurement instrument and laser diffraction particle size analyzer.The Pearson correlation analysis method and GIS technology were used to determine the correlation between magnetic parameters and particle size.【Result】 The average values of magnetic parameters except χFDof urban construction land were higher than those of agricultural land and unused suburban land.Multi-domain ferromagnetic minerals dominated magnetic properties soil samples.Clay content in urban topsoil was less than that in suburban topsoil,while silt and sand contents were slightly higher than those in suburban topsoil.The silt content was the highest,followed by clay and sand in Urumqi.Comparison of absolute values of Pearson correlation coefficients between magnetic parameters and different particle size fractions in urban topsoil showed that there were strong linear correlations between the following magnetic parameters and particle size fractions:χLFwith 2-8 μm,HIRM with 8-16 μm,>63 μm,and χFDwith 16-32 μm and 32-63 μm.There was no linear correlation between magnetic parameters and different particle size fractions in soil samples from agricultural land,and unused land in suburb.The contents of clay and very fine silty sand were moderately related to the values of χLF,SOFTIRM,SIRM and HIRM in west,northeast,central and southern regions and the values of χFDin urban central region.The fine silty sand content and values of SIRM and HIRM had positive correlation in northwest,northeast and southeast regions.The fine silty sand was less consistent with χFDin spatial distribution.The silty sand,coarse silt,sand content and χFDhad positive correlation in northwest,northeast and southeast regions.【Conclusion】 The magnetic properties and particle size distribution of urban and suburban topsoil in Urumqi had different distribution features.Three magnetic parameters including χLF,HIRM and χFDcan be used as proxies of 2-8 μm,fine silty and sand,and silty sand and coarse silty contents in topsoil of urban construction land,respectively.In addition,χLF,HIRM and χFDcan accurately reflect the particle fractions in western,northeastern,central,south,northwest,northeast,southeast and southwest regions.

magnetic property;soil particle size distribution;soil pollution;Urumqi

2014-09-01

国家自然科学基金项目(41161029，41461033，41161074)

陈学刚(1977-)，男，四川内江人，副教授，博士，主要从事城市地理与环境研究。E-mail：caschxg@126.com

时间:2015-06-10 08:40

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.07.016

S152.3

A

1671-9387(2015)07-0168-09

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150610.0840.016.html