金华城区表层土壤剖面磁化率变化规律

赵庆磊, 李凤全, 王天阳, 叶 玮, 朱丽东, 周国成, 岳明珠

(浙江师范大学 地理与过程实验室, 浙江 金华 321004)



金华城区表层土壤剖面磁化率变化规律

赵庆磊, 李凤全, 王天阳, 叶 玮, 朱丽东, 周国成, 岳明珠

(浙江师范大学 地理与过程实验室, 浙江 金华 321004)

以金华城区表层土壤剖面为研究对象，分析土壤剖面磁化率的分布特点。结果表明：19个土壤剖面的磁化率分布在11.22×10-8～94.29×10-8m3/kg之间；19个剖面土壤磁化率在0—10 cm的垂向剖面上的变化有三种不同形式：一是先增大后减小且在3 cm左右出现极值，二是单调变化，又可细分为单增和单减，三是波动变化，也可细分为波动增加和波动减小；通过对比不同采样间隔下磁化率的变化情况，结合土壤磁化率垂向分布特征和统计结果，建议以1—3 cm作为采样深度可以更好地揭示人类活动对土壤磁化率的影响。

表层土壤剖面; 磁化率; 采样方式; 金华市

随着现代化进程的加快，人类活动包括工业活动和交通运输等，会产生许多依附有重金属元素的磁性颗粒，带来的各种污染已经影响到自身健康和城市的生态环境；而土壤是城市中分布广泛的物质，会承载着城市污染的信息，那么当这些颗粒沉降到土壤中时，会使土壤磁性和污染物含量同步增加[1-4]，城市环境中土壤磁化率和磁性参数一般可以揭示重金属污染的程度[5-7]。传统的污染研究主要依赖精确完善的化学分析技术，具有耗时多、成本高、工作量大的缺点，而最近兴起的环境磁学方法克服了传统的分析方法的不足，且众多研究表明其可以较好的表征区域污染特征[8-13]，因而对城市土壤磁学特征的研究逐渐引起了相关学者的关注。

相关的学者对运用各自的采样方式获得的土壤剖面进行研究，袁大刚等研究了南京市主城区11个道路土壤剖面，深2 m，以约20 cm为间隔所采集的样品的磁化率[14]；沈明洁等以0.5 cm为间隔采集并研究北京地区土壤剖面，深80 cm，发现污染物导致土壤剖面0—3 cm范围内的磁性和重金属含量增强，3—10 cm重金属含量与磁性矿物含量均具有逐渐下降的趋势，3 cm左右出现峰值[15-17]；王学松，秦勇研究了以5 cm为间隔取自徐州钢铁厂附近的深50 cm土壤样芯[18]；张果，胡雪峰等以5 cm为间隔并采取混合采样的方式采集了上海市宝山区不同功能区深120 cm土壤剖面，发现其磁化率在5 cm左右出现峰值[19]；李珊，胡雪峰等在上海嘉定区采集表层0—5 cm混合样，并将附近5个样点样品混合，分析磁学特征[20]；旺罗等研究了首都钢厂、北京三环和二环沿线以及拉萨贡嘎机场公路两旁顶部1 cm土壤磁化率特征,并与未污染第四纪黄土、玄武岩母质土壤、合成污染样品和污染物进行对比[21]，此类研究较多，在此不一一列举。

目前土壤剖面磁性参数的研究大部分集中在磁学参数以及其与某元素的依附变化关系[18-27],往往剖面深度较大，采样间隔也较大。表层土壤是目前城市土壤污染重点关注的对象，采样时，一般采取表层土壤的混合样品，而对表层土壤剖面磁化率垂向变化特点研究还比较薄弱。因此，本文以1 cm为间隔分层次采集金华市城区19个表层土壤剖面(10 cm)并分层测定磁化率，并重点分析每个剖面磁化率变化特征。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

金华市位于浙江省中部，经纬度范围：119°14′—120°46′30″E，28°32′—29°41′N，城区常住人口大约50万。金华市处于金衢盆地东段，是浙中丘陵盆地地区，土壤以红壤和黄壤为主，金华市三产业结构为5.2∶51.8∶43.0；在农业上，经济作物占主导；在工业上，重工业产值多于轻工业，但轻工业增速要较快[26]；城区中部有东西流向的金华江穿过，金华城市沿金华江两岸分布。金华气候属于亚热带季风气候，年主导风向为东北偏东风，盆地小气候多样，有一定的垂直差异，年平均气温17.3～18.2℃，全年总降水量为1 109.0～1 305.2 mm。

1.2 采样方案和分析方法

本次采样时间在2013年8月。为了便于分析，采样地点基本上限制在金华市城区二环以内；将采样区域划分为居住区、工业区、绿地、文教、商服和交通用地等6个功能区，每种类型的功能区按地理位置选择3～4个土壤剖面，共选择19个剖面，均匀的分布在金华城区；采样方案设计为，每个土壤剖面以1 cm为间距等间隔分层次采样，每个剖面每个深度层次单独作为一份保存。

采集的土壤样品在实验室首先自然风干，挑出石子、树根等，之后烘干、研磨，混合均匀，取部分样品过筛，称重后，用塑料保鲜膜包紧，装入磁学专用样品盒内并压实，用来做磁化率的测定。

本试验土壤磁化率的测定在浙江师范大学地理过程实验室进行，使用Bartington仪器公司生产的MS2型磁化率测量仪测定灰尘的高频(4 700 Hz)磁化率χhf和低频(470 Hz)磁化率χlf；并计算求出频率磁化率(χfd=[(χlf-χhf)/χlf]×100)的值。

2 结果与分析

2.1 土壤磁化率的总体分布特征

磁化率(χ)，在弱磁场中样品的感应磁化强度与磁场强度之比，它反映了在外磁场作用下物质磁化的能力[27]。金华市城区19个土壤剖面(分别统计每个剖面各深度层次均值作为本剖面的磁化率)的磁化率在1.122×10-7～9.429×10-7m3/kg之间，均值为4.679×10-7m3/kg，最高值出现在乾西工业区剖面，最低值出现在保集半岛附近剖面；统计19个剖面各深度层次的磁化率均值得表1，由表1可知，0—1 cm均值4.912×10-7m3/kg；1—2 cm均值4.991×10-7m3/kg；2—3 cm均值4.88×107m3/kg；等。金华城区土壤剖面各层次的磁化率存在差异，并且在1—2 cm层次出现最高值4.991×10-7m3/kg。

表1 19个土壤剖面各深度层磁化率 10-7 m3/kg

而不同功能区土壤剖面(分别统计每个剖面各深度层次均值作为本剖面的磁化率)的磁化率均值以及各深度层次的磁化率均值见表2。

由表2可见，不同功能区表层土壤剖面磁化率均值的最高值和最低值分别出现在文教区和交通区，但差异不明显。

经过对不同功能区各层磁化率进行统计，可以发现，各功能区表层土壤剖面磁化率最高值出现层次大体相似，以2 cm左右为主。其中，居民区在3—4 cm层，工业区在1—2 cm层，绿地区、交通区在2—3 cm层，商服区在0—1 cm层，文教区在7—10 cm层。

频率磁化率(χfd%)可以表征样品中超顺磁性颗粒的含量，有研究认为，χfd%=5%可作为土壤中超顺磁性颗粒存在与否的临界值[2]，徐州城市土壤的频率磁化率在0.97%～6.78%的范围，平均值为3.59%，成土过程较弱，人为影响为主要原因[1]；南京市主城区的频率磁化率为1.6%～12.2%，平均值6.28%，说明成土过程形成的超顺磁性颗粒较少，土壤发育比较弱[7]；上海嘉定区的80%的土壤样品频率磁化率小于3%，表示基本不含成土过程中的超顺磁性颗粒[13]；朱艳明等分析北京城郊各区县土壤的χfd%变动范围为0.83%～9.14%，平均值为4.36%，这些表层土壤中的超顺磁性颗粒含量较少，成土作用不是导致χlf升高的主要原因[18]。金华城区土壤的χfd%绝大部分接近或小于5%，其频率磁化率即超顺磁性颗粒含量均较低，这表明其所含的磁性颗粒并非成土过程导致，大部分源于人为污染。

表2 不同功能区土壤剖面各深度层磁化率 107 m3/kg

金华市表层土壤剖面磁化率总体分布特征可能受众多的因素影响，如土壤的质地、利用类型、堆积时间、分布位置等。

2.2 表层土壤磁化率垂向变化特征

利用Excel软件绘制出19个剖面磁化率垂向变化折线图，经对比，表层土壤剖面磁化率的变化可以概括为三种基本形态：一是先增大后减小且在3 cm左右出现极值，二是单调变化，又可细分为单增和单减，三是波动变化，也可细分为波动增加和波动减小；由于篇幅所限，各个变化类型(结合功能区)选取1到2个剖面作为代表，见图1。

如图1所示，环北公园和金华广电大学是先增大后减小，在3 cm左右出现极值，其中环北公园剖面磁化率是由上层的2.807×10-7m3/kg，在3 cm处增大到6.157×10-7m3/kg，之后减小到2.203×10-7m3/kg，金华广电大学是由上层的5.519×10-7m3/kg，在3 cm处增大到8.243×10-7m3/kg，之后减少到5.514×10-7m3/kg，光华印务、金磐开发区、上海财大浙江学院、婺州公园、保集半岛附近、人民广场、人民路与八一街路口附近、丽泽花园等处样品亦属这种情况，占总剖面数的52.63%；乾西工业区是单减变化，剖面由上层的1.340 5×10-6m3/kg，在约2—3 cm处有一个转折点，之后垂直往下一直减少到6.384×10-7m3/kg，李义绿地、回溪公园等样品亦符合单减形态，占总剖面数的15.8%；广厦公园剖面属单增变化，由上层的3.192×10-7m3/kg，在约2—3 cm处有一个转折点，之后垂直往下一直增加到9.721×10-7m3/kg，占总剖面数的5.26%；江滨小区和金华汽车西站等剖面是波动变化，其中江滨小区剖面由表层的5.334×10-7m3/kg，在2—3 cm处有一个转折点，之后垂直往下波动增加到6.122×10-7m3/kg，占总剖面数的5.26%，金华汽车西站剖面由上层的5.409×10-7m3/kg垂直往下减小到4.387×10-7m3/kg，浙师大、永盛新阳光、柳湖花园等处剖面属于此类，占总剖面数的21.05%。

图1 土壤剖面磁化率变化

3 讨 论

城市表层土壤中的磁性颗粒除来自母质成壤作用外，交通运输、化石燃料燃烧等人类活动往往会导致一部分磁性物质进入表层土壤，后者磁性颗粒具有高磁化率、低频率磁化率的特点，且其矿物粒径会较粗，正因如此，往往表层土壤磁化率会存在空间差异。通过上文对不同功能区表层土壤剖面磁化率均值分析(见表2)可知，不同功能区表层土壤剖面磁化率差异不明显。因此，在金华市如仅采用不分层的表层土壤混合样品磁化率代表表层土壤磁学性质，难以揭示磁化率的空间差异状况。另外，从总体上分析，不同功能区表层土壤磁化率的垂向分布特征略有差异，工业区、绿地区、交通区、商服区磁化率最高值位置较浅，而居民区和文教区的磁化率最高值出现位置相对较深。这可能是由于居民区和文教区土壤受人类活动扰动较深刻，土壤结构相对疏松，磁性矿物更容易产生迁移，甚至在个别地区表层土壤被翻耕至深层的原因。

结合图1的图形变化规律分析，三种不同的剖面磁化率垂向变化在各个功能区都有分布，仅是数值上有所不同，如绿地区的环北公园和文教区的金华广电大学，均属于先增大后减小且在3 cm左右出现极值，变化形式相似。有研究显示，土壤剖面磁化率在某一深度会有一个极大值，此深度以上属于铁磁性矿物富集区，若研究区土壤结构在剖面上较疏松，会导致磁性颗粒在剖面上有一定的迁移[16]，因此，磁化率最高值不一定会出现在土壤的最表层。金华市区52.63%的剖面土壤磁化率在3 cm处出现极大值而不是在0—1 cm层，原因可能是磁性颗粒在复杂的环境下发生一系列的迁移渗透的原因。15.8%由表层到深层单减的样点，磁性颗粒是在表层富集较多，可能由于样点土壤结构较致密，渗透作用不明显。而由表层到深层递增或者波动变化的样点原因比较复杂，极有可能是人类对其表层进行了翻耕，造成土壤层次扰动的缘故，具体机制还有待进一步探讨。

土壤采样设计对于研究工作具有重要的作用。采样设计包括采样方式和采样数目，其是决定采样成本和估测精度的关键因素。目前表层土壤研究中，鉴于不同的目的，有的学者以5—10 cm作为取样深度间隔[14,18-20]，有的学者以2 cm作为取样深度间隔[30]，有的学者以0.5—1 cm作为取样间隔[15,17,21]。为表明采样间隔对结果的影响，受篇幅限制，本文仅以5 cm作为例，与1 cm进行对比，加以说明。而从上文分析可知，以1 cm为采样间隔时，金华市城区表层土壤剖面磁化率有三种基本变化类型。假如分别将上文中列举的环北公园、乾西工业园区、江滨小区三个剖面0—5 cm层次样品磁化率求平均(相当于以5 cm为垂向采样间隔)，那么其磁化率由4.344×10-7m3/kg直接减小到2.986×10-7m3/kg，在3 cm处的极值就会被掩盖；对于乾西工业区这种单调增加类型，其磁化率由1.0735×10-6m3/kg直接变化到6.817×10-7m3/kg，削弱了其原本变化特征；同样，对于江滨小区这种波动变化类型，其磁化率由5.238×10-7m3/kg增大到6.122×10-7m3/kg，则忽略掉了其波动变化的形态。最终可能会导致原本隶属于三种类型的磁化率变化曲线趋于一致，掩盖了表层土壤剖面磁化率某些峰值与变化规律。这表明，采样间隔的不同会影响土壤磁化率垂向变化规律的结果，即研究结果受采样间隔的影响。

金华市城区19个土壤剖面(10 cm混合样品)的磁化率在1.122×10-7～9.429×10-7m3/kg之间，平均值为4.679×10-7m3/kg，而统计各剖面峰值处的磁化率(1 cm间隔样)则分布在1.263×10-7～1.3405×10-6m3/kg之间，均值为6.269×10-7m3/kg，两者差异较大。因此，在研究金华城区表层土壤磁性特征时，将10 cm表层土壤混合采样，得到的土壤磁化率比剖面峰值处的磁化率要低，忽略掉了峰值，掩盖了土壤磁化率增高的现象，降低了人类活动对土壤磁化率的影响程度。鉴于以上分析，在研究金华城区表层土壤磁化率时，结合表1与磁化率垂向变化曲线，本区域大部分土壤剖面磁化率以1—3 cm为最高，建议在研究人类活动对表层土壤磁化率的影响时，可以采集本层次土壤作为代表样品。

4 结 论

本文以金华市城区土壤剖面磁化率为研究对象，分析了土壤剖面磁化率的分布特点，得出以下结论:

1) 金华市城区19个土壤剖面(10 cm)磁化率在1.122×10-7～9.429×10-7m3/kg之间，平均值为4.679×10-7m3/kg。

2) 城区表层土壤剖面由上到下的磁化率变化特征有三种形式：先增大后减小，在3 cm左右出现极值；单调变化，可细分为单增与单减；波动变化，可进一步划分为波动增加和波动减小。剖面磁化率最高值主要出现在1—3 cm处，磁性颗粒有向下迁移的现象。

3) 金华市表层土壤磁化率垂向特征受采样间隔影响较大。以1—3 cm层次为剖面代表样，在粗略估计人类活动对金华市城区土壤磁化率时较适宜。

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Research for Variation Rule of Magnetic Susceptibility of Surface Soil in Jinhua City

ZHAO Qinglei, LI Fengquan, WANG Tianyang, YE Wei, ZHU Lidong, ZHOU Guocheng, YUE Mingzhu

(LaboratoryofGeographyProcess,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua,Zhejiang321004,China)

Urban surface soils in Jinhua were seleced as the research examples. The distribution characteristics of surface soil magnetic susceptibility were analyzed to explore the optimization problem of sampling way. Magnetic susceptibility of selected 19 soil samples ranged from 11.22×10-8to 94.29×10-8m3/kg in urban area. Sampling interval is set to 1 cm, statistics showed that each depth level of 19 susceptibility profiles has different valuea. Soil magnetic susceptibility in the depth of 0 to 10 cm changes in three different forms, the first presents the first increase and then decreases, the peak occurs in the depth of about 3 cm, the second is monotonous, and can be subdivided into single increase and decrease, the third demonstrates the fluctuation change, can also be subdivided into fluctuation increase and decrease. Considering the profile magnetic susceptibility variation and studing the magnetic susceptibility of soil profile, we had better to select the investigated soils in the typical research areas, analyze the change character of magnetic susceptibility in the profile, and then determine the optimal sampling thickness or layer. It can be better reflect profile susceptibility peak by using 1—3 cm profile layer to represent the whole soil profile in terms of the general estimate.

surface soil; magnetic susceptibility; sampling way; Jinhua

2014-01-22

2014-06-06

国家自然科学基金项目(41071002)、(41371206)

赵庆磊(1989—),男,山东新泰人,硕士研究生,主要从事地理信息技术和城市生态环境研究。E-mail:zqlsdxt05@163.com

李凤全(1971—),男,黑龙江五常人,中科院博士后,副教授,主要从事地理信息技术及其在环境地理中的应用研究。E-mail:lygl45@zjnu.cn

P531

1005-3409(2015)02-0340-05