钢铁厂周边不同类型表层土壤的环境磁性参数特征研究*

庞文君 戴 霜 张松林# 张 伟 陈瑞灵 郭 坤

(1.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州大学西部环境教育部重点实验室，西部环境与气候变化研究院,甘肃 兰州 730000)

土壤是人类赖以生存的基础，土壤环境质量的好坏关系着人体健康。近年来，我国的土壤环境问题日益突出。认识土壤环境污染、开展土壤污染修复的关键在于研究土壤中污染物的输入、输出及其影响因素[1]。土壤中的磁性矿物可以反映周围环境的变化以及人类活动的影响，矿物的磁性参数可作为环境变化的替代指标。与常规的物理化学方法相比，环境磁性参数的测量具有样品用量少、灵敏度高、简单快速、非破坏性、费用较低等优点[2]，因而20世纪70年代中期以来，环境磁性参数的测量在土壤污染研究中得到广泛应用[3]，特别是在钢铁厂周边污染土壤中。但是，现有的关于土壤环境磁性参数研究大多针对土壤发育程度较高、环境自我修复能力较好的欧洲中部、西部地区和亚洲东部地区，对土壤发育程度不高的干旱区的研究相对较少[4]。

嘉峪关市位于我国西北干旱区腹地，属于典型的温带大陆性荒漠气候，近地面冬、春季节以西北风为主，夏、秋季节盛行东南风[5]。该市是随着钢铁工业发展而建立的人工绿洲城市，钢铁工业占其经济总量的80%以上，耕地面积相对较少，其中，山地面积约占40%，戈壁面积约占32%，耕地面积约占28%。某钢铁厂位于城区东北部，周边土壤主要由冲积砂土、砾石和黄土组成，受钢铁厂排放的污染物影响较大。

本研究通过对嘉峪关市某钢铁厂周边戈壁、山地和耕地3种不同类型表层土壤样品的环境磁性参数测量，探讨了钢铁厂污染物排放对不同类型表层土壤污染的影响，以期为西北干旱区土壤环境污染识别及治理提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采集0～0.1 cm表层土壤样品，用聚乙烯封口袋密封后带回实验室备用。由于采样季节为初夏，以东南风为主，因此钢铁厂东南侧上风向地区采样密度较小，西北侧下风向地区采样密度较大。采样点分布如图1所示。其中，JYG-4、JYG-7是山地表层土壤样品采样点，JYG-5、JYG-6、JYG-11是耕地表层土壤样品采样点，JYG-1、JYG-2、JYG-3、JYG-8、JYG-9、JYG-10是戈壁表层土壤样品采样点。同时采集JYG-4所在位置的20 cm深度处的土壤样品作为背景值，将其编号为JYG-0。

1.2 环境磁性参数测定

样品在实验室中自然风干，在玛瑙研钵中轻轻磨细，装入2 cm×2 cm×2 cm的聚乙烯样品盒中，称量；用Bartington MS 2型磁化率仪测定所有样品的低频(470 Hz)质量磁化率和高频(4 700 Hz)质量磁化率，根据式(1)计算频率磁化率。

(1)

式中：χfd为频率磁化率，%；χlf为低频质量磁化率，10-8m3/kg；χhf为高频质量磁化率，10-8m3/kg。

用MacroMag 2900 AGM磁强计测定样品的等温剩磁、剩磁矫顽力(Bcr)、饱和剩磁(Mrs)、饱和磁化强度(Ms)、矫顽力(Bc)以及磁滞回线，并计算出硬剩磁和磁化系数，分别见式(2)和式(3)。

HIRM=SIRM-IRM300

(2)

(3)

式中：HIRM为硬剩磁，10-5m3/kg；SIRM、IRM300、IRM-300分别为饱和等温剩磁、正向300 mT磁化强度下获得的等温剩磁和反向300 mT磁化强度下获得的等温剩磁，10-5m3/kg；S为磁化系数。

2 结果与讨论

2.1 钢铁厂周边不同类型表层土壤样品环境磁性参数的差异分析

表1为钢铁厂周边不同类型表层土壤样品环境磁性参数的数据统计。由于高频质量磁化率和低频质量磁化率变化趋势相同，因此表1中只给出了低频质量磁化率。低频质量磁化率和饱和等温剩磁都是土壤磁性强弱的指标，主要反映磁性矿物含量的多少[6]。与背景值(14.12×10-8m3/kg)相比，所有表层土壤样品的低频质量磁化率较大，说明均含有较多的磁性矿物，其平均值显示戈壁>耕地>山地。

图1 钢铁厂周边不同类型土壤样品采样点位置Fig.1 Locations of sampling sites of different types of top soils around the steel & iron factory

环境磁性参数耕地(n=3)范围平均值山地(n=2)范围平均值戈壁(n=6)范围平均值χlf/(10-8m3·kg-1)90.94～155.14114.7025.12～109.4167.2721.92～997.42264.04χfd/%2.09～3.832.982.68～5.193.760.48～4.912.15SIRM/(10-5m3·kg-1)114.28～137.51123.96120.85～494.99307.92244.27～598.15363.38HIRM/(10-5m3·kg-1)4.93～6.565.825.73～13.819.778.17～71.1724.38Bcr/mT32.84～37.4234.9332.78～38.0135.3929.18～35.5432.34S0.94～0.960.950.95～0.970.960.88～0.970.95

饱和等温剩磁的平均值显示戈壁>山地>耕地，表明钢铁厂周边戈壁表层土壤样品的磁性矿物含量高于山地和耕地，主要是因为钢铁厂建于戈壁滩上，排放的污染物就近沉降。

根据磁性矿物颗粒大小将磁性矿物分为超顺磁(SP)、单畴(SD)和多畴(MD) 3种[7]。一般认为，SP粒径小于0.035 μm，SD粒径为0.035～10.000 μm，MD的粒径大于等于10.000 μm，其中粒径为0.050～1.000 μm的称为假单畴(PSD)。通过矿物磁性颗粒的粒径大小可以判断土壤中磁性矿物的来源。通常，岩石矿物、火山灰和化石燃料的燃烧产物中的磁性矿物以MD和SD为主。SP主要来源于成土过程、土壤灼烧以及细菌的合成。频率磁化率可以指示土壤中SP的存在与否及其相对含量[8]。当χfd<2%时，土壤中SP质量分数在10%以下；当2%≤χfd<10%时，MD、SD和SP同时存在；当χfd≥10%时，SP质量分数可达到75%以上。由表1可见，样品的频率磁化率为0.48%～5.19%，山地的平均值最大，戈壁最小，SP含量都较少，可能是由于植被覆盖率低、水土流失严重，因此小颗粒的磁性物质易被流水侵蚀带走。

剩磁矫顽力不受磁性矿物富集程度的影响，能反映样品中磁性矿物类型[9]16，赤铁矿的剩磁矫顽力理论值是300 mT，磁铁矿的剩磁矫顽力小于50 mT[10]。钢铁厂周边表层土壤的剩磁矫顽力均小于40 mT，说明以低剩磁矫顽力的磁铁矿为主。同时，不同类型表层土壤的剩磁矫顽力相近，表明其矿物组成相对一致。

磁化系数通常反映样品中高矫顽力组分(如赤铁矿、针铁矿)和低矫顽力组分(如磁铁矿、磁赤铁矿)的相对含量[9]22，磁化系数越大(接近1)，表明低矫顽力组分占主导，而磁化系数越小(接近0)，则说明高矫顽力组分占主导。表1显示，戈壁、山地和耕地的磁化系数相近且都接近1，显示均以磁铁矿、磁赤铁矿等亚铁磁性矿物为主。

由图2可见，上风向的JYG-1和JYG-11低频质量磁化率分别为122.78×10-8、59.30×10-8m3/kg，分别为背景值的8.7、4.2倍。下风向土壤样品的低频质量磁化率明显要高得多，其中JYG-2最高(997.42×10-8m3/kg)，达到背景值的70.6倍，其次是JYG-8和JYG-9，这3个采样点距钢铁厂的距离均在4 km以内，且都处于与下风向垂直的同一直线上。JYG-3和JYG-10虽然距钢铁厂也较近，但可能偏离主导风向，因此其低频质量磁化率明显低于JYG-2、JYG-8、JYG-9，但高于其他采样点。随着采样点离钢铁厂距离的增加，表层土壤的低频质量磁化率急剧下降。据统计，嘉峪关市春季平均风速为 2.9 m/s，夏季为2.3 m/s，秋季为2.3 m/s，冬季为2.5 m/s。尽管各个季节风速的差异不大，但夏、秋季节主要盛行东南风，风速较小且富含水气，钢铁厂排放的磁性矿物颗粒容易作为凝结核吸附水蒸气而沉降。

注：采样点离钢铁厂的距离负值表示下风向，正值表示上风向。图2 钢铁厂周边表层土壤样品低频质量磁化率的空间分布Fig.2 Spatial distribution of low frequency mass magnetic susceptibility of top soils around the steel & iron factory

2.2 钢铁厂周边表层土壤磁性矿物的种类和相对含量

根据等温剩磁做出了3种不同类型表层土壤样品的等温剩磁曲线(见图3)和磁滞回线(见图4)。图3表明，在小于300 mT的磁化强度下，3种表层土壤样品都较易获得等温剩磁，获得能力山地>戈壁>耕地。在300 mT的磁化强度下，表层土壤样品获得了88%～97%的饱和等温剩磁。由此可以推断，不同类型的表层土壤中剩磁携带者主要是软磁性矿物，磁性物质以亚铁磁性矿物为主。

图3 不同类型表土的等温剩磁曲线Fig.3 Isothermal remanent magnetization curves of different types of top soils

图4 不同类型表土的磁滞回线Fig.4 Hysteresis loop of different types of top soils

磁滞回线的形状能够指示磁性矿物的种类，而磁滞回线闭合处的磁化强度可以用来指示主导磁滞行为的磁性矿物[11]。图4表明，3种表层土壤样品在施加0～200 mT磁化强度时，样品的低频质量磁化率快速上升，磁滞回线在250 mT附近开始闭合且趋于平滑，在1 000 mT附近完全闭合，表明所有表层土壤样品中都含有大量低矫顽力的亚铁磁性矿物，其中山地土壤中最多，耕地土壤中最少。

当样品的主要矿物为磁铁矿时，饱和剩磁与饱和磁化强度之比(Mrs/Ms)、剩磁矫顽力与矫顽力之比(Bcr/Bc)的关系图(即Day图)是最理想的指示磁性矿物粒度的方法[12]。钢铁厂周边所有表层土壤样品正好落在Day图的PSD区域内(见图5)，表明其亚铁磁性矿物均为PSD颗粒。

图5 钢铁厂周边不同类型表土的Day图Fig.5 Day diagram of different types of top soils around the steel & iron factory

3 结 论

(1) 所有表层土壤样品的低频质量磁化率都大于背景值。低频质量磁化率和饱和等温剩磁的平均值均表现出戈壁大于耕地、山地。

(2) 矿物组成以PSD颗粒的亚铁磁性矿物为主，其中山地土壤中最多，耕地土壤中最少。

(3) 钢铁厂排放的污染物主要集中在下风向的4 km以内。

[1] 周文娟,杨小强,周永章.环境磁学磁性参数简介[J].中山大学研究生学刊 (自然科学、医学版),2006,26(1):82-89.

[2] DEARING J A,MAHER B A,OLDFIELD F.Geomorphological linkages between soils and sediments:the role of magnetic measurements[C]//RICHARDS K.Geomorphology and soils.London: Geoge Allen and Unwin,1985.

[3] XIA Dunsheng,WANG Bo,YU Ye,et al.Combination of magnetic parameters and heavy metals to discriminate soil-contamination sources in Yinchuan - a typical oasis city of Northwestern China[J].Science of the Total Environment,2014,485/486:83-92.

[4] 沈明洁,胡守云,BLAHA U,等.北京石景山工业区附近一个污染土壤剖面的磁学研究[J].地球物理学报,2006,49(6):1665-1673.

[5] 《嘉峪关市志》编委会.嘉峪关市志[M].兰州:甘肃人民出版社,1990.

[6] 张卫国,俞立中,许羽.环境磁学研究的简介[J].地球物理学进展,1995,10(3):95-105.

[7] 董瑞斌,张卫国,卢升高,等.土壤和沉积物的磁参数及其在环境科学中的应用[J].科技通报,2000,16(6):479-483.

[8] THOMPSON R,OLDFIELD F.Environmental magnetism[M].London:Geoge Allen and Unwin,1986.

[9] EVANS M E,HELLER F.Environmental magnetism:principles and applications of enviromagnetics[M].Oxford:Academic Press,2003.

[10] THOMPSON R,STOBER J C,TURNER G M,et al.Environmental applications of magnetic measurements[J].Science,1980,207(4430):481-486.

[11] 敖红，邓成龙．磁性矿物的磁学鉴别方法回顾[J].地球物理学进展,2007,22(2):432-442.

[12] DAY R,FULL M,SCHMIDT V A.Hysteresis properties of titanomagnetites:grain-size and compositional dependence[J].Physics of the Earth and Planetary Interiors,1977,13(4):260-267.