浙江尖峰山烧烤场周边植物叶片磁性特征及其环境意义

李 文，胡忠行，吉 茹

(浙江师范大学 地理与环境科学学院，浙江 金华 321004)



浙江尖峰山烧烤场周边植物叶片磁性特征及其环境意义

李 文，胡忠行，吉 茹

(浙江师范大学 地理与环境科学学院，浙江 金华 321004)

对浙江省金华市尖峰山烧烤场周边地表层、灌木层和乔木层植物叶片进行系统的磁性测量。结果表明：细晶粒的超顺磁(SP)-单畴(SSD)亚铁磁性矿物主导了尖峰山烧烤场周边植物叶片的磁性特征，其受到人类活动的显著影响。中心区域贴地层植物叶片磁性矿物含量远高于灌木层和乔木层，过渡和外围区域没有明显的垂向空间差异；3种类型植物叶片磁性矿物含量均随距烧烤场中心区域距离的增大而明显降低，磁性参数χ和SIRM、χ和χARM、χ和HIRM的组合能够将中心区域与过度和外围区域有效区分。

环境磁学；植物叶片；露天烧烤场；尖峰山

0 引言

寻找正确、快速的方法监控环境污染物质成为近年来自然环境科学的热点问题。20世纪70年代以来快速发展的环境磁学，具有快捷、准确、经济和非破坏性等特点，被广泛运用于环境科学各领域[1-3]。学者利用环境磁学手段对不同类型的自然生态系统的环境污染问题进行表征，表明其在重金属、有机化合物污染等方面具有指示意义，植物磁监测也逐步成为环境磁学的一个研究方向[4-9]，研究发现植物(包括叶片、树皮、年轮等)的磁学性质和区域大气环境质量之间存在一定的联系，磁指标的变化可以反映区域大气环境质量的动态变化[10-13]。

叶片比表面积大、生长周期长，其蜡质层对环境中的粉尘、悬浮颗粒物、沉降物具有吸附作用，且易于采集，是一种常见的生物监测载体[14，15]。本文选取浙江省金华市尖峰山烧烤场周边植物叶片为研究对象，对其进行系统的环境磁学分析，探讨植物磁学性质对人类活动的响应机制。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

尖峰山又称芙蓉峰，位于浙江省金华市城北，海拔427 m，亚热带季风性湿润气候，年平均气温17 ℃ ，年均降水量超过1 400 mm，降水季节性差异明显。植被类型以亚热带常绿阔叶林为主，多年生乔木类樟科树种香樟(Cinnamomumcamphora(L.)Presl)、芸香科橘子(Citrusreticulata)，灌木类树种小叶黄杨(Buxussinicavar.parvifoliaM.Cheng)、山茶科树种茶花(CamelliajaponicaL)等树种较为常见，地表植物有菊科植物蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz)、苔藓(Bryophyta)等分布。土壤类型以亚热带地区广泛发育的红壤为主，在一定高程的山腰和山顶处土壤呈现黄化特征，发育黄壤。尖峰山是金华地区重要的休闲娱乐场所，山脚处集中分布一片露天烧烤场，总计约有60多个烧烤点，最多可同时容纳300余人，露天烧烤活动造成的烟雾排放、垃圾排放等可能会造成环境污染问题[16]。

1.2 样品采集与实验方法

借鉴相关研究中的样品采集方法[10，11]，于2011年9月尖峰山烧烤旺季，选择采样前五天和采样期晴朗无雨的天气，在一天之内完成采样工作。以尖峰山烧烤场为中心向西南方向延伸，不等距的将研究区域分为中心区域、过渡区域和外围区域，中心区域是烧烤点集中连

片分布区域，其中以2号、3号采样点附近烧烤点分布密度最大。同时为分析植物磁性特征的垂向变化，每一区域又分为贴地层(0～0.2 m)、灌木层(1～1.2 m)、乔木层(2～2.2 m)3个高度层，分别采集地表植物(苔藓、蒲公英等)、灌木层植物(以小叶黄杨为主)、乔木层植物(以香樟为主)，共15个采样点，采集到44个植物叶片样品。

图1 研究区域和采样点Fig.1 Location of study area and sampling site

将采集的叶片样品带回实验室，低温(约45℃)烘干，备测。称取3 g 左右样品装入样品盒中，按如下次序进行室温环境磁学测量：(1)利用Bartington磁化率仪测量样品的低频(0.47 kHz)和高频(4.7 kHz)磁化率(χlf、χhf)，并计算百分频率磁化率χfd%，文中磁化率为低频磁化率(记为χ)。(2)使用Dtech 2000 交变退磁仪(交变磁场峰值100 mT，直流磁场0.04 mT)获得非磁滞剩磁(ARM)，利用Minispin旋转磁力仪测定，并计算非磁滞剩磁磁化率χARM。(3)样品用MMPM10脉冲磁化仪获得1 T条件下的等温剩磁，之后将样品在100 mT、300 mT反向磁场中磁化，分别用Minispin旋转磁力仪测得等温剩磁IRM1T、IRM-100 mT和IRM-300 mT。本文定义1T磁场下IRM为等温剩磁(SIRM)，并计算退磁参数S-100 mT、S-300 mT及硬剩磁(HIRM)。最后计算各类比值参数χARM/χ、χARM/SIRM、SIRM/χ、。实验完成于华东师范大学河口与海岸学国家重点实验室。主要参数计算公式如下：

χfd% =(χlf-χhf)/χlf×100

χARM=ARM/0.3184

HIRM=(SIRM+IRM-300 mT)/2

S-100 mT=(SIRM-IRM100 mT)/(2×SIRM)×100

S-300 mT=(SIRM-IRM300 mT)/(2×SIRM)×100

不同磁性参数具有不同矿物学意义，其中χ和SIRM近似地指示样品中磁性矿物含量，与χ不同的是，SIRM不受顺磁性、抗磁性矿物的影响，主要反映亚铁磁性矿物(如磁铁矿)的含量[17]。χfd%对超顺磁性(SP，<0.03 μm)颗粒较为敏感，反映其对磁性特征的贡献[18]。χARM受到磁性矿物晶粒大小的影响显著，稳定单畴(SD，0.03～0.07 μm)亚铁磁性矿物晶粒的χARM要显著高于超顺磁(SP)和多畴(MD，>10μm)晶粒[19]。HIRM通常用来估算高矫顽力矿物(如赤铁矿和计铁矿)的含量[17]。比值参数χARM/χ可指示亚铁磁性矿物颗粒的大小，较高的比值反映了单畴(SD)颗粒，而较低的比值则指示了多畴(MD)或超顺磁(SP)的颗粒，χARM/SIRM指示意义与χARM/χ类似，但不受超顺磁颗粒影响[20]。S-100 mT、S-300 mT反映样品中亚铁磁性矿物(如磁铁矿、磁赤铁矿)与不完全反铁磁性矿物(如赤铁矿、针铁矿)的相对组成，它随着不完全反铁磁性矿物的比例增加而下降。SIRM/χ影响因素较为复杂，随SD颗粒、不完整反铁磁性矿物的增加而升高，随顺磁性矿物和SP颗粒的增加而下降[21]。

2 实验结果与讨论

2.1 植物叶片磁性特征

如表1所示，尖峰山烧烤场周边植物叶片磁性参数χ、SIRM、HIRM分别在(1.10～20.33)×10-8m3/kg、(225.60～3321.44)×10-6Am2kg-1、(0.87～295.65)×10-6Am2kg-1之间变化，标准偏差分别为5.12×10-8m3/kg、791.05×10-6Am2kg-1，61.44×10-6Am2kg-1，说明不同采样点、不同植物叶片中的磁性矿物含量具有明显差异性。S-300 mT在87.57%～99.83%之间变化，平均值达到了95.63%，说明了亚铁磁性矿物主导了尖峰山烧烤场周边地区植物叶片的磁性特征，χ和SIRM之间的显著相关性(r=0.99，p<0.01)进一步说明了这一点。

表1 尖峰山烧烤场周边植物叶片磁性特征统计Tab.1 Statistical data for magnetic parameters of plant foliage form Jianfeng Mountain barbecue places

单位：χ、χARM：10-8m3/kg；SIRM、HIRM：10-6Am2/kg；χfd%、S-100 mT、S-300 mT：%；χARM/SIRM：10-5mA-1；SIRM/χ：kAm-1.

研究表明当χfd%超过5%时可认为样品中超顺磁性(SP)颗粒含量较高[22]，尖峰山烧烤场周边地区所有植物叶片样品的χfd%均大于5%，平均值到达23.45%，表明其含有大量的SP颗粒。98%的样品χARM/χ>4、χARM/SIRM>30×10-5mA-1，说明样品磁性矿物晶粒以细颗粒的超顺磁(SP)和单畴(SD)为主，且不同区域、不同植物类型叶片的磁畴特征差不大，如图4d所示的磁性参数χARM/χ与χARM/SIRM散点图也说明了这一点。

2.2 植物叶片磁性特征空间变化

如图2所示，尖峰山烧烤场中心区域贴地层植物的χ、SIRM、HIRM均明显高于乔木层和灌木层植物，以χ为例，贴地层植物的χ的平均值达到15.95×10-8 m3/kg，而乔木类和灌木类植物则分别只有7.14×10-8m3/kg和6.80×10-8m3/kg，说明尖峰山烧烤场的中心区域内贴地层植物本身和其附着的降尘所含有的磁性矿物含量远远高于乔木层和灌木层植物。但在过渡区域和外围区域中，三类植物的磁性矿物含量差异很小，说明中心区域不同类型植物叶片的磁性差异不是由于其植物本身性质造成，极有可能可与其所处的环境有直接关系，中心区域贴地层植物距离离烧烤台较为接近，常年处在人类活动频繁的环境里，烧烤所用的器具大部分为铁制品，高温烘烤和频繁翻动摩擦，造成粉尘排放和铁屑掉落，然后附着在近距离的贴地层植物上，导致其磁性较强。同时发现烧烤点最集中分布的2号和3号采样点附近，贴地层植物的χ则分别高达12.59×10-8m3/kg、20.20×10-8m3/kg，乔木层植物的χ分别高达15.12×10-8m3/kg、10.21×10-8m3/kg，灌木层植物的χ则分别高达9.16×10-8m3/kg、12.69×10-8m3/kg，均明显高于其他采样点，这两处采样点的SIRM、HIRM也具有相似的特点，进一步说明了烧烤活动会导致植物叶片磁性增强。

尖峰山烧烤场周边植物叶片磁性特征具有一定空间差异性，如图2所示，中心区域内贴地层植物的χ、SIRM、HIRM明显高于乔木层和灌木层，而过渡区域和外围区域差异不明显。同时发现三个区域的磁性参数χARM/χ、χARM/SIRM的值均表现为贴地层>乔木层>灌木层，体现了植物叶片磁性矿物晶粒随高度升高先变粗再变细。

如图3所示尖峰山烧烤场周边地区同类植物的磁性参数χ、SIRM、HIRM均表现为中心区域>过渡区域>外围区域(灌木的HIRM除外)，说明随着距烧烤场距离的增大，植物叶片的磁性矿物含量下降，贴地层植物最显著，以χ为例，中心区域贴地层植物的χ平均值为15.95×10-8m3/kg，分别为过渡区域和外围区域的4.56和10.63倍；中心区域灌木层植物的χ平均值为6.80×10-8m3/kg，分别为过渡区域和外围区域的1.77和2.27倍；而中心区域乔木层植物的χ平均值为7.14×10-8m3/kg，分别为过渡区域和外围区域的2.70和4.79倍。4种磁性参数在水平空间上的相似变化趋势，说明不同植物叶片磁性矿物具有一定共生性，指示其具有相似的来源。

图2 尖峰山烧烤场植物叶片磁性特征(a：乔木层；b：灌木层；c：贴地层)Fig.2 Magnetic properties of plant foliage form Jianfengmountain barbecue places (a：arbor；b：shrub；c：ground flora)

图3 尖峰山烧烤场周边树叶磁性特征水平变化特征(①：中心区域；②：过渡区域；③：外围区域)Fig.3 The horizontal variation of magnetic parameters in plant foliage (①：central zone；②：transition region；③：surrounding region)

2.3 植物叶片磁性特征对人类活动的响应

如图4a、4b、4c所示，χ和SIRM、χ和χARM、χ和HIRM 3个组合的散点图能够明显将过渡区域和外围区域与中心区域进行区分，过渡区域和外围区域的植物叶片的磁性特征较为接近，磁性矿物含量较低，而中心区域植物叶片磁性矿物的含量远远高于其他两个区域。3个区域距离较近，自然环境背景比较一致，因此可认为造成这种差异的主要原因是人类活动的影响。中心区域植物叶片的强磁性特征主要是因为烧烤活动(铁器使用、垃圾排放、烟尘排放等)产生的污染物质导致磁性矿物增加造成，而过渡与外围区域植物叶片的磁性特征则代表研究区域的自然环境背景水平，体现了植物叶片磁性特征对人类活动的响应。

图4 尖峰山烧烤场不同区域植物叶片磁性特征对比Fig.4 Comparison of magnetic parameters between samples with different barbecue area

3 结论

细晶粒的超顺磁(SP)和单畴(SD)亚铁磁性矿物主导了尖峰山烧烤场周边植物叶片磁性特征，中心区域贴地层植物磁性矿物含量高于灌木层和乔木层。水平空间上磁性矿物含量随距烧烤场距离增加而明显降低，磁性参数χ和SIRM、χ和χARM、χ和HIRM的组合能够将中心区域与过渡和外围区域区分，植物叶片磁性特征对人类活动具有明显响应。

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THE MAGNETIC CHARACTERISTIC OF PLANT FOLIAGE FORMJIANFENG MOUNTAINBARBECUE PLACES AND ITS ENVIRONMENTAL SIGNIFICANCE

LI Wen，HU Zhong-xing，JI Ru

(CollegeofGeographyandEnvironmentalScience，ZhejiangNormalUniversity，Jinhua321004，Zhejiang，China)

Magnetic analyses was conducted on the plant foliage samples form Jianfeng Mountain barbecue area.The results indicate that ferromagnetic mineral dominates the magnetic properties，and it significantly influenced by human activities.In the central zone of barbecue places，magnetic mineral contents are higher in the ground flora than arbor and shrub，but in the transition area and peripheral area，the difference was insignificant.On the horizontal space，contents of magnetic mineral is significantly reduce with the increase of distance from central zone.The combination ofχand SIRM、χandχARM、χand HIRM can effectively distinguish central zone form other two areas.

environmental magnetism；plant foliage；open-air Barbecue places；Jianfeng Mountain

2015-03-01；

2015-04-09．

Q948

A

1001-7852(2015)02-0007-06