福州河道表层沉积物磁学特征及其环境意义

李金婵，陈秀玲，方 红，张雪琼，杨红玉

（1.福建师范大学 地理研究所，福州350007；2.福建省湿润亚热带山地生态省部共建国家重点实验室培育基地，福建师范大学 地理科学学院，福州350007）

福州河道表层沉积物磁学特征及其环境意义

李金婵1，2，陈秀玲1，2，方 红1，2，张雪琼2，杨红玉1，2

（1.福建师范大学 地理研究所，福州350007；2.福建省湿润亚热带山地生态省部共建国家重点实验室培育基地，福建师范大学 地理科学学院，福州350007）

利用沉积物的磁学特征提取环境信息，进行污染评价是环境磁学的研究领域之一，本文对福州河道表层沉积物50个样品进行环境磁学和重金属元素分析，探讨福州河道沉积物磁学特征及其环境意义。结果表明：福州河道表层沉积物以亚铁磁性矿物为主，也含有一定的反铁磁性矿物，磁性矿物颗粒较粗，以多畴和假单畴颗粒为主；重金属与磁学参数相关性分析发现污染轻的沉积物重金属与χ、SIRM相关性较差，与χARM、χARM/χ、SIRM/χ相关性较好，污染重的沉积物重金属与χ、SIRM相关性较好，与χARM、χARM/χ、SIRM/χ相关性较差，表明沉积物在清洁状态下重金属易于与细颗粒磁性矿物共存，在重金属含量达到一定阈值时与磁化率相关性较好，与磁畴参数相关性则出现紊乱。因而，磁化率能够明确指示接近中度以及中度以上的重金属污染状况，而对污染相对较轻的污染状况指示不灵敏。

河道沉积物；环境磁学；重金属；闽江；福州市

福州市是福建省的省会，也是海峡西岸经济区的政治、经济、文化中心，位于闽江的下游，市区内河道纵横交错，内河总长99.3 km，主要有晋安河、白马河、光明港等（张美绚等，2003）。这些内河贯穿福州主要的居民区、商业区，与闽江河道相连，承担着主要的排涝、排污功能。市区内商业、交通等活动带来的废尘，废渣等污染物可以通过径流进入沉积物，造成沉积物污染的累积。然而沉积物既是水体污染物的归属地，一定条件下又可能二次污染水体，因而有效监测分析沉积物污染对治理水体污染有着重要的科学意义（Hakanson，1992；Dauvalter，2001）。目前常规的沉积物监测方法主要是有机物、重金属等化学方法，具有周期长、价格昂贵的缺陷（聂海峰，2012；尚林源，2012）。近年来环境磁学以其简便、经济、非破坏性的优点，而被应用于提取环境信息和污染评价（张卫国，2000；张春霞等，2005；王博等，2010，2012；郭利成等，2013）。但是由于污染物的多源性、污染物磁学响应机制复杂等原因，造成了利用磁学方法进行定量地评价、监测环境污染尚存在一定欠缺。例如，重金属元素与磁学参数的响应关系在不同地区、不同尺度、不同污染介质等均存在一定差异（吕达，2009；段雪梅，2009；董艳，2012；王博，2012；）。因而本研究以福州市主要内河及其与闽江交汇处的表层沉积物为载体，通过磁学参数和重金属元素的测定，探讨福州河道表层沉积物磁学特征及其环境意义。

1 研究区概况及采样点

闽江流入福州，自淮安起被南台岛分为南、北港两支，北港贯穿市区与市区内河相通，南港又称乌龙江，南、北港在马尾汇合。北港入江内河有新西河、白马河、洋洽河、晋安河，龙津河、光明港、浦下河、磨溪。南港入江内河有岐头江、白湖亭河。

本研究于2014年5月在闽江流经福州市区之前的侯官村采集上游样品“MJ-1～MJ-3”，在流出福州市区的马尾船政局附近采集下游样品“MJ-40”。在福州市区选择10条主要内河，在内河汇入闽江之前的河口位置采集内河样品10个，新西河（XXH）、白马河（BMH）、洋洽河（YQH）、晋安河（JAH）、龙津河（LJH）光明港（GMG）浦下河（PXH）磨溪（MX）、岐头江（QTJ）白湖亭河（BHT），并在内河汇入闽江的河口位置的上游和下游分别采集闽江表层沉积物样品36个，编号为“MJ-4～MJ-39”。其中MJ-4～MJ-9为新西河附近的闽江样品；MJ-10～MJ-13为白马河附近的闽江样品；MJ-14～MJ-18为洋洽河附近的闽江样品；MJ-19～MJ-20为晋安河附近的闽江样品；MJ-21～MJ-24为龙津河附近的闽江样品；MJ-25～MJ-26为光明港附近的闽江样品；MJ-27～MJ-30为浦下河附近的闽江样品；MJ-31～MJ-35为磨溪附近的闽江样品；MJ-36～MJ-37为岐头江附近的闽江样品；MJ-38～MJ-39为白湖亭河附近的闽江样品。总共采集样品50个。

图1 采样点分布图Fig.1 Sketch map of the sampling sites

2 实验方法

环境磁学参数测定：磁化率采用Bartington MS2 磁化率仪测定，非磁滞剩磁（ARM）、等温剩磁（IRM）采用D-2000交变退磁仪、IM-10-30脉冲强磁仪和MolspinMinispin旋转磁力仪测定。重金属元素测定：将去除杂质后的样品用玛瑙研钵磨至200目，加入HNO3-HF-HClO4电子级混合酸，用高压消解釜消解，之后用美国热电公司的X-SERIES2型ICP-MS质谱仪测定重金属元素含量，平行测试RSD％＜5％，并用国家水系沉积物标准物质（GBW07309）进行监测，测试值与标准值偏差在10％以内。以上所有实验在福建师范大学湿润亚热带山地生态省部共建教育部重点实验室完成。

3 实验结果

3.1 福州河道表层沉积物磁性矿物特征

磁化率是反映样品中磁性矿物种类、粒度和含量的参数，常被用于粗略地估计磁性矿物的含量（Thompson et al，1986；周文娟等，2006）。饱和等温剩磁（SIRM）本研究中是指样品在1T磁场中磁化后所保留的剩磁，主要是由亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物贡献（Tompson et al，1986； 符 超 峰 等，2008）。福州河道表层沉积物χ和SIRM整体偏低（见表 1），χ在 25.61×10-8～271.06×10-8m3·kg-1，平 均 值 91.86×10-8m3·kg-1，SIRM 在131.17×10-5～1917.82×10-5Am2·kg-1， 平均 值 847.30×10-5Am2·kg-1； 闽 江 沉 积物 χ在 25.61×10-8～253.63×10-8m3·kg-1，平 均 值 8458×10-8m3·kg-1，SIRM 在131.71×10-5～1699.99×10-5Am2·kg-1； 内 河 沉积 物 χ在 44.2×10-8～271.06×10-8m3·kg-1，平 均 值 121.00×10-8m3·kg-1，SIRM 在264.47×10-5～1917.82×10-5Am2·kg-1， 平 均 值1078.34×10-5Am2·kg-1，内河沉积物的χ和SIRM明显高于闽江沉积物。χ和SIRM在空变化上相似，SIRM与χ相关系数R=0.81，说明大部分样品中亚铁磁性矿物占主导，但部分样品也含有一定的反铁磁性矿物。F-300 mT％是样品在300 mT磁场下所获得剩磁占饱和等温剩磁的百分比，可用于指示亚铁磁性矿物的相对含量（卢升高，2003；王涛等，2014）。剩磁矫顽力Bcr指示样品SIRM降低到零所需反向磁场的强度，亚铁磁性矿物Bcr较低，磁铁矿的Bcr一般低于50 mT（卢升高，2003）。福州河道表层沉积物F-300 mT％在90.46％～99.20％，平均值95.69％。剩磁矫顽力Bcr在23.61 mT～45.74 mT，平均值37.35 mT，说明样品以亚铁磁性矿物占主导。

表1 福州河道表层沉积物磁性参数统计Table 1 Summary of magnetic parameters of river sediment in Fuzhou

频率磁化率χfd％反映了样品中超顺磁颗粒（SP）的存在和相对含量（卢升高，2003），χfd％＜2％表明样品中几乎不含SP颗粒，χfd％＜5％表明样品中SP颗粒不占主导地位（Xie et al，2001；王博等，2011）。福州河道表层沉积物χfd％在0.00％～3.55％，反映了样品中几乎不含SP颗粒。非磁滞剩磁磁化率χARM通常与单畴（SD）亚铁磁性矿物的含量呈正相关（Dearinget al，1997；王涛等，2014）。χARM/χ和SIRM/χ可指示亚铁磁性矿物晶粒的大小，对于大于SP的颗粒而言，颗粒越细比值越大（Evanset al，2003；王博等，2012）。福州河道表层沉积物χARM在25.68×10-8～345.70×10-8m3·kg-1，χARM/χ在0.16～3.88，说明样品中SD颗粒含量较少。SIRM/χ可以用来估算样品中几个μm磁性矿物的晶粒粒度（Tompson，1986），福州内河沉积物SIRM/χ平均值为9.89×103A·m-1，根据Thompson的研究可认为样品磁性矿物颗粒度为5 μm。χfd％和χARM/SIRM散点图可以半定量化地指示磁性矿物颗粒大小（Dearing et al，1997）。如图2（a）所示，福州河道表层沉积样品大多位于MD和PSD区域内，少部分样品位于SSD区域内，而King图（见图2（b））分析则表明（King et al，1982），沉积物磁性矿物颗粒大多集中在＞1.0 μm区域，因而福州河道表层沉积物磁性矿物颗粒整体比较粗，以MD和PSD颗粒为主，部分样品也含有一定量的SSD颗粒。

图2 福州河道表层沉积物样品散点图（a）χARM/SIRM与χfd％的散点图；（b）为King 图Fig.2 Scatter plot of river sediment in Fuzhou

3.2 福州河道表层沉积物磁学参数空间分布

根据磁性参数的特征差异，本文将福州河道分为四个河段：Ⅰ河段为MJ-1～MJ-9，有新西河汇入闽江；Ⅱ河段为MJ-10～MJ-20，有白马河、洋洽河、晋安河汇入闽江；Ⅲ段为MJ-21～MJ-35，有港头河、光明港、浦下河、磨溪汇入闽江。Ⅳ河段为MJ-36～MJ-40，有岐头江和白湖亭河汇入闽江。

图3显示了福州河道表层沉积物的磁学参数空间分布，由图3可以看出χ和SIRM在空间分布上较为一致：Ⅰ河段的χ和SIRM整体相对较低，但MJ-1、MJ-3的χ和SIRM相对较高；Ⅱ河段χ和SIRM相对较高，波动较大，白马河、洋洽河、晋安河的磁化率明显高于其附近闽江样品；Ⅲ河段χ和SIRM相对较低，光明港和晋安河附近的MJ-29样品磁化率较高；Ⅳ河段，岐头江及其附近MJ-36、MJ-37的χ和SIRM较高，白湖亭河和MJ-38、MJ-39的χ和SIRM则较低。总的来说，Ⅱ和Ⅲ河段的χ和SIRM相对高于Ⅰ和Ⅳ河段，内河样品的χ和SIRM明显高于其附近闽江样品。χ/ARM、χARM/χ、SIRM/χ均是指示磁性矿物颗粒大小的参数，由图3可以看出福州河道沉积物χARM、χARM/χ、SIRM/χ均是Ⅱ河段和Ⅲ河段较高，Ⅰ河段和Ⅳ河段偏低，说明Ⅱ河段和Ⅲ河段样品磁性矿物颗粒较Ⅰ河段和Ⅳ河段细。

3.3 福州河道表层沉积物重金属污染特征

目前常用的沉积物重金属污染评价方法有地累积指数法（Muller et al，1981）和内梅罗综合污染指数法（Nemerow，1974）。地累积指数公式为Igeo=log2（Cn/kBn），Cn为沉积物重金属元素实测值，Bn为重金属元素地球环境背景值，本文采用福建土壤环境背景值，k为修正系数一般取1.5。地累积指数Igeo分为七个级别，1～2属于无污染～中度污染，2～3为中度污染～强污染。内梅罗综合污染指数公式为，C

图3 福州河道表层沉积物磁学参数图Fig.3 Magnetic parameters of river sediments in Fuzhou

表2和图4显示了福州河道表层沉积物地累积指数和内梅罗综合污染指数分析结果，由表2可以看出福州河道存在一定的重金属污染，P（综合污染指数）=1.18为轻度污染，Ni、Cu、Zn、Pb的地累积指数均大于1，在无污染～中度污染之间。闽江河道沉积物重金属污染相对较轻，P（综合污染指数）=1.01为轻度污染，Ni、Zn、Pb地累积指数大于1，在无污染～中度污染之间。内河河道重金属污染相对较重，P（综合污染指数）=1.89，Cr、Ni、Cu、Zn、Pb地累积指数均大于1，在无污染～中度污染之间，其中IZn=2.02，为中度污染～强污染。图4可以看出福州河道沉积物重金属主要为单元素污染和点污染，重污染点主要为城市内河。例如白马河的Cu、Zn、Pb，洋洽河的Zn，晋安河的Cr、Cu、Zn，光明港的Cu、Zn，岐头江的Ni，白湖亭河的Cu、Zn的地累积指数均大于2为重污染。

表2 福州河道表层沉积物重金属元素的P（综合污染指数）与地累积指数Table 2 Index of PNand Igeoof river sedimentin Fuzhou

4 讨论

4.1 福州河道表层沉积物磁学参数特征

Ⅰ河段磁性矿物含量相对较少，重金属污染也相对较轻。MJ-1～MJ-3点在侯官村采样，闽江还未分成南北两支，上游闽江流经闽侯县，沿岸多为村庄、农田，因而此处重金属污染较低。MJ-1和MJ-3两处样品的χ和SIRM很高，可能是因为采样点附近有采砂船停泊造成的干扰。新西河附近的MJ-4～MJ-9磁性特征表现为χ、SIRM、χARM、χARM/χ、SIRMχ/χ均较低。新西河较短，主要流经福州鼓楼区，上游有左海和西湖活水注入，因而磁性矿物含量较少，颗粒较粗。Ⅱ河段的χ、SIRM、χARM、χARM/χ均为四个河段之最，说明此河段磁性矿物含量较高，磁性矿物颗粒相对较细。此处位于二环以内，是福州中心城区，开发较早，交通拥堵，商业活动密集，交通、商业、居民活动均可能造成磁性矿物输入河道，因而此河段磁性矿物含量较高。Ⅲ河段的χ、SIRM低于Ⅱ河段，但是高于Ⅰ和Ⅳ河段，χARM、χARM/χ、SIRM/χ较高，说明此河段磁性矿物含量相对于Ⅱ河段较少，但是颗粒较细。此河段流经区域在三环以内，为福州高新技术园区，开发相对较晚，因而此河段磁性矿物累积对于Ⅱ河段较少。Ⅳ河段在闽江北港，流经福州郊区，有岐头江和白湖亭河流入闽江。岐头江的χ和SIRM比较高，但重金属污染比较轻，除Pb和Zn有轻微富集外，其他元素无污染。此处位于闽侯县大学城附近，远离市中心，此处的χ和SIRM较高可能是由于采样时江边正在进行施工，大量外来沙子、石头等倾倒入江造成的干扰。白湖亭河的χ和SIRM较低，χARM、χARM/χ、SIRM/χ较高，但是此处重金属污染严重。白湖亭河流经仓山区的盖山投资区，此处自九十年代起有橡胶厂、造纸厂、鞋厂、机械加工厂等入驻，并且在采样点附近有垃圾处理厂，水体发黑恶臭，因而重金属污染严重。此处磁性矿物含量较少可能是由于该区开发时间较短，磁性矿物累积的不多。MJ-41点在马尾船政局附近采样，此处χ、SIRM均较低，重金属含量也较低，可能是由于东海的潮汐冲刷稀释作用，使得近入海处的闽江河道较为清洁。

图4 福州河道表层沉积物重金属元素的P（综合污染指数）与地累积指数Fig.4 Index of PNand Igeoof river sedimentin Fuzhou

4.2 福州河道表层沉积物磁学参数与重金属元素

相关关系研究

将福州河道表层沉积物的重金属元素与磁学参数进行相关性分析（见表3 ），发现沉积物的χ、SIRM与重金属含量无明显相关，但是χARM、χARM/χ、SIRM/χ与Cr、Pb相关性较好。利用地累积指数法和单因子指数法（Pi=Ci/Si，Ci为样品重金属含量，Si为福建土壤背景值）对福州河道表层沉积物重金属元素分析，将地累积指数和单因子指数指示有污染和相对清洁的样品的元素含量与磁学参数进行相关性分析（见表3和表4），发现污染较严重的样品重金属含量与χ和SIRM相关性较好，而无污染或污染较轻的样品重金属含量与χ和SIRM相关性较差，说明χ、SIRM只有在沉积物重金属含量达到一定阈值时才会与重金属呈现出良好的相关性，对强污染有较好响应，而对轻微的污染则反映不灵敏。另外，图3和图4对比可以发现Ⅱ和Ⅲ河段重金属污染状况类似，但是Ⅲ河段的χ和SIRM明显低于Ⅱ河段。Ⅱ河段流经地区在福州市二环以内，为开发历史悠久地区，Ⅲ河段流经地区在福州市三环附近，为开发较晚的高新工业园区。两个河段重金属元素和磁学反映的污染状况的不同暗示χ和SIRM在反映污染上有一定的滞后性。Ⅳ河段的白湖亭河重金属污染严重P综合污染指数=4.26，其χ、SIRM则较低，岐头江、MJ-1、MJ-3点的χ和SIRM较高，重金属污染却不严重，说明福州河道沉积物磁化率的变化与重金属含量增加并不是完全同步，磁化率增强与重金属污染之间的机制比较复杂，磁化率的增加可能除了重金属污染以外还受其他因素的控制和干扰。因此使用磁化率和饱和等温剩磁指示污染尚需进一步研究。

旺罗等研究认为非自然沉积物的磁性矿物具有高磁化率，低频率磁化率的特征，如表3、4所示，福州河道污染较严重的沉积物重金属元素含量与χfd％存在一定的反相关（Cr除外），并且福州河道沉积物几乎不含SP颗粒，说明重金属污染的沉积物的磁化率升高并不是由SP颗粒的增多导致的。另外，福州河道沉积物χARM、χARM/χ、SIRM/χ与无污染或污染较轻样品重金属含量有明显的正相关性，与污染严重样品的重金属含量之间的相关关系则较差或是出现反相关。说明在沉积物无污染时，磁性矿物晶粒越细，重金属含量越高，在沉积物出现重金属污染时重金属元素含量与磁性矿物的颗粒的关系则出现了紊乱。可能是由于沉积物在较清洁或者自然状态下重金属元素可能较容易与细颗粒磁性矿物共生，而在受人类干扰较大，出现重金属污染时，重金属和磁性矿物的来源都比较复杂，受到的干扰因素也比较多，因而相关关系不明显，因此利用磁性矿物粒度参数指示污染仍也需进一步研究。

表3 福州河道表层沉积物重金属元素含量与磁性参数相关系数Table 3 Correlations between magnetic parameters and heavy mental elements about river sediments in Fuzhou

表4 地累积指数不同的河道表层沉积物重金属元素含量与磁性参数相关系数Table 5 Correlations between magnetic parameters and heavy mental elements with different Igeoindex about river sediments in Fuzhou

表5 单因子指数不同的河道表层沉积物重金属元素含量与磁性参数相关系数Table 5 Correlations between magnetic parameters and heavy mental elements with different Piindex about river sediments in Fuzhou

5 结论

（1）福州河道表层沉积物主要磁性矿物为亚铁磁性矿物（磁铁矿），但也含有少量的不完整反铁磁性矿物，磁性矿物颗粒较粗，以MD和PSD为主，部分样品也含有一定量的SSD颗粒，χ平均值为91.86×10-8m3·kg-1，SIRM平均值847.30×10-5Am2·kg-1，内河磁化率普遍大于闽江，流经中心市区的Ⅱ河段明显大于流经高新园区的Ⅲ河段及流经郊区的Ⅰ、Ⅳ河。

（2）福州河道表层沉积物的重金属元素含量与磁性参数对比研究发现，无重金属污染的沉积物重金属含量与χ和SIRM相关性较差，而重金属污染较严重的沉积物重金属含量与χ和SIRM相关性较好，说明沉积物的重金属元素含量只有在达到一定的阈值才能与χ和SIRM相关性较好。无重金属污染的额沉积物重金属含量与χARM、χARM/χ、SIRM/χ相关性较好，而重金属污染严重的沉积物重金属含量与χARM、χARM/χ、SIRM/χ相关性较差，说明沉积物在较清洁或是自然的条件下重金属更容易与细颗粒磁性矿物共生。因而，磁化率能够明确指示接近中度以及中度以上的重金属污染状况，而对污染相对较轻的污染状况指示不灵敏。

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Magnetic properties of river sediments in Fuzhou and their environmental signif cance

LI Jin-chan1，2，CHEN Xiu-ling1，2，FANG Hong1，2，ZHANG Xue-qiong2
（1.Institute of Geography，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China； 2.Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology （Ministry of Science and Technology and Fujian Province Funded），School of Geographical Sciences，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China）

Monitoring and assessing environment pollution by magnetic method has been one of the most important research areas of environmental magnetism. 50 samples of river sediment in Fuzhou have been collected as researching objects of magnetic property and heavy mental measure. The results indicate that：the primary magnetic minerals of river sediments in Fuzhou were identif ed to be ferromagneticmineral，even hematite was found in some samples.The magnetic domain size of the river sediment in Fuzhou is multi-domain and single-domain particles，but stability single domain particles also could be found in some samples； Thecorrelation analysis between heavy metals and magnetic parameters show that concentrationof heavy metal in clean sediments havepoor correlation with χ and SIRM，and good correlation with χARM，χARM/χ，SIRM/χ. While concentration of heavy mental in contaminated sediments have good correlation with χ and SIRM，and poor correlation with χARM，χARM/χ，SIRM/χ. So we can infer that heavy mental is more easily coexist withf ne particles，but when concentration of heavy mental reaches to a certain threshold which will show poor correlation with magnetic domain size，and good correlation with concentration of magnetic mineral.

river sediments； environmental magnetism； Minjiang River； Fuzhou City

X144

A

1674-9901（2015）01-0018-09

10.7515/JEE201501003

2014-10-09

福建省科技计划项目公益类项目（K3-296）；福建省自然科学基金项目（2014J01151）；大学生创新创业训练计划创新训练项目（cxxl-2014097）

陈秀玲，E-mail：xiulingchen@163.com