不同环境中树叶的磁学性质及其对大气环境污染的指示

李　勇

(安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 凤阳　233100)



不同环境中树叶的磁学性质及其对大气环境污染的指示

李勇

(安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 凤阳233100)

为了研究树叶的磁学性质对大气环境污染的指示作用，对安徽省凤阳县城、水泥厂和石英砂厂生长的杨树叶及在凤阳县城生长的银杏树、梧桐树等树叶的磁学参数进行测量。结果显示树叶样品中主要磁性矿物都是磁铁矿，粒径较大；但不同环境生长的杨树叶中磁性矿物含量存在差异，由高到低依次排列为水泥厂、凤阳县城、石英砂厂，指示水泥厂大气环境污染较凤阳县城和石英砂厂严重。进一步分析还发现在凤阳县城采集的杨树、银杏树、梧桐树等树叶样品中磁性矿物含量各不相同，其中银杏树叶中磁性矿物含量高于杨树和梧桐树树叶。利用树叶磁学参数能监测大气环境污染，但不同树种树叶的磁学参数对大气环境污染的指示作用存在差异。

树叶；磁学性质；大气环境污染

0　引　言

图1　采样点位置分布图Fig.1　Distribution map of sampling locations

随着城市化进程的加快，人类生产和生活排放出来的颗粒污染物越来越多，对大气环境和人类的身体健康都产生了极大的威胁。20世纪80年代，有学者通过研究发现在被污染的大气颗粒物中存在磁性颗粒，通过测量其磁学参数能追踪污染物来源，并提出应用磁学方法来监测大气污染[1]。与传统的化学分析法相比，磁学方法具有经济、快速和灵敏度高等特点，因此磁学方法在大气、土壤等环境监测领域得到了广泛应用，并取得了大量成果[2-5]。随着研究深入，近年来有学者通过测量被汽车尾气和钢铁厂降尘污染树叶的磁学参数来研究现代交通和工业生产对大气环境的影响，揭示树叶磁学参数与大气环境污染的关系[4-5]。MATZKA等人研究发现，公路两旁白桦树叶磁化率值的高低主要受控于白桦树到公路之间的距离，对单棵树而言，面向公路的白桦树叶磁化率值较高，但降雨对白桦树叶表面磁性物质的聚集存在影响[6]。MORENO等人通过对于不同种类树叶磁学参数的研究，发现长青树Quercus ilex的磁化率值明显高于其它种类的树叶，生长在交通密集区和铁路附近的树叶磁性颗粒含量高，粒径大，而生长在远离道路的树叶磁性颗粒的含量和粒径均显著减小[7]。HANESCH等人通过对钢铁厂土壤和枫树叶的磁化率比较研究，发现二者均在钢铁厂出现异常磁化率，表明可以利用植物树叶进行工业污染源的指示[8-11]。由于树叶能通过表面蜡质层吸附来自大气中的磁性颗粒物并进行积累[6]，因此，树叶的磁学性质能反映一定时期内大气环境污染状况。已有的研究主要是以同一种环境中同一种树叶的磁学参数随空间的变化关系来揭示污染的空间分布特征。本文选择安徽省凤阳县县城、水泥厂和石英砂厂等不同环境中生长的同一种杨树叶作为研究对象，这些树叶被不同工业降尘和城市降尘污染，通过对比不同环境中的同一种树叶的磁学参数，探索树叶磁学参数对不同大气环境污染的指示作用。同时，通过对比生长在凤阳县城同一环境中的杨树、银杏树、梧桐树等不同种类树叶的磁学参数来研究不同种类树叶对同一区域大气环境污染的指示作用。

1　样品采集与测量

凤阳县位于安徽省东北部，与蚌埠市、淮南市接壤，全县东西长74.6 km，南北宽49.6 km，总面积1 949.5 km2，总人口74.9万人。凤阳县处于亚热带向暖温带交替的过渡地带，气候湿润，年平均气温为14.9 ℃，年平均降雨量为904.4 mm。凤阳县的工业主要有石英砂工业和水泥工业，其中石英砂企业主要分布在大庙镇和刘府镇，水泥企业主要分布在刘府镇和西泉镇，现在县城内没有大型生产企业。

本文在凤阳县城内的绿化区采集了杨树、银杏树、梧桐树等树叶样品各20个(图1)，在凤阳县石英砂厂内和水泥厂内采集杨树叶样品各20个，采样时沿树的各方向进行采集；另外，在水泥厂杨树叶表面用毛刷收集了部分降尘颗粒物样。样品采集时间为2013年10月，每一个样品的采集点都离道路、烟囱较远，石英砂厂内树叶样和水泥厂内树叶样由于受厂内降尘影响，叶面颗粒物较多，县城内绿化区树叶样表面颗粒物相对较少。在采样前近一个月时间内采样地区没有降雨，采样时用人字梯采集离地高2～3 m、生长在树枝最外面与大气充分接触的老树叶。

样品采下来后用封口塑料袋装好带回实验室，将三个采样点的杨树叶样品分成两份，一份不清洗，一份用蒸馏水清洗三次，然后将所有样品放入40 ℃的恒温烘箱内烘干，碾碎，装入8 cm3的立方体塑料盒中，进行磁学参数测量。首先用MFK1-FA卡帕桥测量所有树叶样品的体积磁化率(κ)、低频磁化率(χL)和高频磁化率(χH)，经质量校正后计算样品的质量磁化率(χ)和频率磁化率(χfd=(χL-χH)/χL)；再将树叶样品放在D-2000交变退磁仪上获得非磁滞剩磁，其中交变磁场峰值设置为100 mT，稳定直流磁场设置为0.05 mT，然后用JR-6A旋转磁力仪测量非磁滞剩磁值(ARM)，并计算出非磁滞剩磁磁化率(χARM)；用IM10-30脉冲磁化仪在300 mT和1 000 mT的脉冲磁场中让树叶样品获得等温剩磁(IRM300mT)和饱和等温剩磁(SIRM)，根据测量结果计算样品的磁化系数(S300=IRM300mT/SIRM)，再选代表性树叶样品测量等温剩磁获得曲线和退磁曲线；利用KLY-4S磁化率仪和CS-3温度控制系统在氩气环境下，测量从树叶表面收集起来的降尘颗粒物样品的热磁曲线(κ-T曲线)；由测量结果计算树叶样品的χARM/χ、χARM/SIRM比值。挑选水泥厂清洗前、后的杨树叶、凤阳县城和石英砂厂清洗后的杨树叶等样品，采用ZEISS Axio imager.A2 正置荧光显微镜观察树叶表面颗粒物分布情况，并采用ZEISS EVO18 扫描电镜及X射线能谱仪对从水泥厂杨树叶表面采集的灰尘颗粒物及清洗后杨树叶内部颗粒物的形貌和化学成分进行分析。

样品磁学参数测量在中国地质大学(北京)古地磁学与环境磁学实验室完成，样品形貌表征在安徽科技学院测试中心完成。

2　结果与分析

通过对凤阳县城、水泥厂和石英砂厂杨树叶的磁学参数测量，结果显示，反映树叶样品中磁性矿物含量的磁学参数χ、SIRM和χARM的值都较低(表1)，说明三个采样点杨树叶中磁性矿物含量都不高。相对而言，水泥厂杨树叶的χ、SIRM和χARM平均值(4.45×10-8m3·kg-1、6.09×10-4Am2·kg-1、16.36×10-8m3·kg-1)高于凤阳县城杨树叶(3.22×10-8m3·kg-1、4.83×10-4Am2·kg-1、14.25×10-8m3·kg-1)和石英砂厂杨树叶(2.13×10-8m3·kg-1、3.70×10-4Am2·kg-1、12.90×10-8m3·kg-1)，说明水泥厂杨树叶样品中磁性矿物含量高于凤阳县城和石英砂厂杨树叶样品。表1的数据还反映样品中磁性矿物粒径大小的磁学参数χfd、χARM/SIRM和χARM/χ，三个采样点杨树叶的平均值相差不大，其中χfd的平均值都小于3%，χARM/SIRM的平均值都小于6×10-4m/A，χARM/χ的平均值都小于4，指示杨树叶样品中的磁性矿物都是较粗的多畴和准单畴颗粒[11]。杨树叶样品的磁化系数S300测量结果(表1)显示，所有杨树叶的S300都高于90%，表明树叶样品中磁性矿物主要是亚铁磁性矿物。

等温剩磁获得曲线和反向场退磁曲线能反映样品中磁性矿物种类[12]。图2显示，凤阳县城、水泥厂和石英砂厂杨树叶代表性样品在外加磁场300 mT时，等温剩磁达到饱和等温剩磁的95%以上，样品的剩磁矫顽力Bcr都小于40 mT，说明树叶样品中磁性矿物也主要是亚铁磁性矿物。

表1　不同采样点杨树树叶磁学参数统计结果

图2　不同采样点杨树树叶代表性样品的等温剩磁获得曲线和退磁曲线Fig.2　IRM acquisition curves and DC demagnetization curves for representative samples of poplar leaves in different sampling locations

由于树叶样品在高温条件下会燃烧，本文选取从杨树叶表面收集到的降尘颗粒物样品进行热磁曲线(κ-T曲线)测量。图3显示，当温度升高到250～300 ℃之间时，加热曲线出现一个小峰值，这种现象在凤阳县城表土的κ-T曲线中也存在[13]，可能是样品中铁的氢氧化物(如纤铁矿)在加热过程中脱水生成磁赤铁矿引起的[14-15]。当样品被加热到420～520 ℃之间时，其磁化率值大幅升高，随后随着温度的升高磁化率值开始急剧下降。当温度加热到590 ℃左右时，样品的磁化率值下降到接近于零，表现出磁铁矿的居里温度，说明样品的磁化率主要由磁铁矿控制。样品的冷却曲线大幅高于加热曲线，说明在加热的过程中有大量磁铁矿生成。

图3　树叶表面灰尘的κ-T曲线Fig.3　κ-T curves for dust on the leaves

为了研究树叶表面灰尘颗粒物对树叶样品磁学性质的影响，将三个采样点杨树叶进行清洗，然后进行磁学参数测量，将测量结果与未经清洗的杨树叶样品的磁学参数进行对比分析，如表2至表4所示。数据显示经过清洗后树叶样品的磁学参数χ、SIRM和χARM的平均值都大幅下降，其中凤阳县城杨树叶χ、SIRM和χARM的平均值下降幅度分别为52.5%、44.3%、71.6%，水泥厂杨树叶χ、SIRM和χARM的平均值下降幅度分别为57.5%、53.0%、61.9%，石英砂厂杨树叶χ、SIRM和χARM的平均值下降幅度分别为20.6%、31.6%、62.6%。经过清洗后三个采样点杨树叶的χ、SIRM和χARM值更低且比较接近，说明在不同环境中生长的杨树叶中磁性矿物含量相差不大，杨树叶的磁学特征主要由其表面灰尘颗粒物来决定，而清洗后杨树叶的磁学参数χ、SIRM和χARM的平均值并没有下降到零，说明还有部分磁性矿物颗粒可能被树叶表面蜡质层所吸附，这一结论与前人的研究结果一致[4, 6]。树叶经清洗后，其磁学参数χfd、χARM/SIRM和χARM/χ变化不大，且χfd的平均值小于3%，χARM/SIRM的平均值小于6×10-4m/A，χARM/χ的平均值小于4，说明清洗后的树叶样品中的磁性矿物还是较粗的多畴和准单畴颗粒；树叶样品的S300也高于90%，说明清洗后的树叶样品中磁性矿物主要也是亚铁磁性矿物。

表2凤阳县城杨树叶清洗前后磁学参数对比

Table 2The comparison of magnetic parameters for poplar leaves from the downtown of Fengyang County before and after cleaning

磁学参数清洗前树叶(n=20)范围平均值清洗后树叶(n=20)范围平均值χ/(10-8m3·kg-1)2.23～5.413.221.30～1.851.53SIRM/(10-4Am2·kg-1)3.10～6.574.831.51～3.092.69χARM/(10-8m3·kg-1)6.89～19.9614.253.23～4.714.04χfd/%1.03～2.181.500.39～2.191.14Sratio/%95.0～98.196.795.9～98.796.9(χARM/SIRM)/(10-4mA-1)2.19～5.944.382.13～3.012.74χARM/χ1.73～4.112.881.76～3.312.67

表3水泥厂杨树叶清洗前后磁学参数对比

Table 3The comparison of magnetic parameters for poplar leaves from cement plant before and after cleaning

磁学参数清洗前树叶(n=20)范围平均值清洗后树叶(n=20)范围平均值χ/(10-8m3·kg-1)3.43～6.444.451.21～2.271.89SIRM/(10-4Am2·kg-1)3.57～7.966.091.55～3.512.86χARM/(10-8m3·kg-1)7.67～24.7116.364.31～7.436.24χfd/%0.66～2.871.750.75～3.321.82Sratio/%92.90～98.6095.8092.10～97.3094.20(χARM/SIRM)/(10-4mA-1)2.27～6.645.442.72～4.213.06χARM/χ1.24～4.312.671.79～3.452.83

表4石英砂厂杨树叶清洗前后磁学参数对比

Table 4The comparison of magnetic parameters for poplar leaves from quartz sand plant before and after cleaning

磁学参数清洗前树叶(n=20)范围平均值清洗后树叶(n=20)范围平均值χ/(10-8m3·kg-1)1.88～4.692.131.26～2.081.69SIRM/(10-4Am2·kg-1)2.22～4.053.701.32～3.172.53χARM/(10-8m3·kg-1)4.89～15.8612.903.41～5.654.82χfd/%1.37～3.052.181.14～2.921.84Sratio/%90.60～96.8094.4093.90～98.2096.30(χARM/SIRM)/(10-4mA-1)2.18～5.995.312.34～4.123.63χARM/χ1.75～3.622.941.81～3.192.67

为了研究不同种类树叶的磁学参数对大气环境的指示，在凤阳县城内绿化区采集了杨树、银杏、梧桐树三种不同种类树叶，并对三种树叶样品的磁学参数进行测量，结果(表5)显示，三种树叶中的磁学参数χ、SIRM和χARM值都较低，说明三种树叶样品中磁性矿物含量都较低，但三种树叶样品的磁学参数值也存在差别，银杏树叶的χ、SIRM和χARM的平均值(4.21×10-8m3·kg-1、5.12×10-4Am2·kg-1、15.51×10-8m3·kg-1)高于杨树叶的平均值(3.22×10-8m3·kg-1、4.83×10-4Am2·kg-1、14.25×10-8m3·kg-1)和梧桐树叶的平均值(3.18×10-8m3·kg-1、4.39×10-4Am2·kg-1、14.45×10-8m3·kg-1)，说明银杏树叶中磁性矿物含量高于其它两种树叶样品。而三种树叶的χfd、χARM/SIRM和χARM/χ值相差并不大，χfd的平均值低于3%，χARM/SIRM的平均值低于6×10-4m/A，χARM/χ的平均值低于4，反映三种树叶中磁性矿物是以较粗的准单畴和多畴颗粒为主。三种树叶的S300平均值都高于90%，说明三种树叶中磁性矿物主要是亚铁磁性矿物。

为了进一步研究杨树叶表面灰尘颗粒浓度对树叶样品磁学性质的影响，对清洗前、后的水泥厂杨树叶、清洗后的凤阳县城和石英砂厂杨树叶样品进行了显微镜下观察(图4)，未清洗的水泥厂杨树叶表面存在大量颗粒物(图4(a)相片中黑点)，粒径在0.5～72 μm之间，树叶经清洗后，颗粒物数量大幅减少，但三个采样点的杨树叶表面还是存在颗粒物(图4(b)—(d))，这部分颗粒物被吸附在树叶内部。说明三类杨树叶样品的磁学性质主要由其表面灰尘颗粒浓度决定，当杨树叶经过清洗后，颗粒物浓度大幅降低，其磁性也变弱(表2—表4)。对水泥厂杨树叶表面的灰尘颗粒物及清洗后杨树叶内部颗粒物的形貌和化学成分进行分析，结果显示，灰尘颗粒物呈粒状和不规则粒状集合体，粒径在0.3～69 μm之间(图4(e))，主要含有Ca、Si、Al、Mg、K、S、O、Fe等元素(图4(f))；清洗后杨树叶内部颗粒物主要呈不规则的粒状，粒径在0.2～11 μm之间(图4(g))，主要含有Ca、Si、Mg、K、S、O、Cl、Fe等元素(图4(h))。清洗后杨树叶内部颗粒物的形貌和化学成分与树叶表面灰尘样基本一致，说明树叶内部颗粒物主要来自树叶表面的灰尘。

表5凤阳县城不同种类树叶磁学参数对比

Table 5The comparison of magnetic parameters for different categories of tree leaves from the downtown of FengyangCounty

磁学参数杨树树叶(n=20)范围平均值银杏树叶(n=20)范围平均值梧桐树树叶(n=20)范围平均值χ/(10-8m3·kg-1)2.23～5.413.223.16～6.754.212.17～5.273.18SIRM/(10-4Am2·kg-1)3.10～6.574.833.09～7.745.122.87～6.134.39χARM/(10-8m3·kg-1)6.89～19.9614.257.05～21.1915.516.71～19.7514.45χfd/%1.03～2.181.501.10～2.911.820.83～2.411.56Sratio/%95.00～98.1096.7095.40～98.3096.7092.40～97.1094.90(χARM/SIRM)/(10-4mA-1)2.19～5.944.382.25～6.724.122.18～5.684.53χARM/χ1.73～4.112.881.75～3.052.341.37～3.872.46

图4　树叶样品的显微镜下照片和SEM图片((a)、(b)清洗前、后水泥厂杨树叶；(c)、(d)清洗后凤阳县城和石英砂厂杨树叶；(e)、(f)水泥厂杨树叶表面灰尘的SEM和EDS；(g)、(h)清洗后水泥厂杨树叶内部颗粒物的SEM和EDS)Fig.4　Microscope photos and SEM images of leaf samples

3　讨　论

树叶生长在大气环境中，当大气环境中颗粒污染物浓度增加，沉降到树叶表面的颗粒物也就会增加，前人的研究指出污染大气的颗粒物中存在磁性颗粒[1]，因此，通过测量树叶的磁学参数可以监测大气污染。通过对凤阳县城、水泥厂和石英砂厂杨树叶清洗前后磁学参数测量结果的分析，得出杨树叶的磁学性质主要由磁铁矿控制，磁性矿物粒径较大，磁性矿物含量较低，杨树叶磁性的强弱主要由其表面灰尘颗粒浓度决定。生长在县城、水泥厂和石英砂厂等不同环境中的杨树叶，其表示样品中磁性矿物含量的磁学参数χ、SIRM和χARM值存在差别。

表1的数据显示，水泥厂杨树叶的χ、SIRM和χARM平均值最高，这主要是由于水泥厂在生产的过程中向外界大气环境排放出大量颗粒物。据统计，2013年我国水泥工业排放的粉尘量占全国工业粉尘排放总量的39%，由于水泥厂粉尘中含有大量磁性颗粒，当这些粉尘颗粒物通过大气在地表和树叶上沉降下来，会改变水泥厂周围表土和树叶的磁学性质[16]。水泥厂内杨树叶正是被水泥厂粉尘严重污染，表面灰尘颗粒物明显多于石英砂厂和县城杨树叶，使其磁学参数(χ、SIRM和χARM)升高。

石英砂厂在生产的过程中也会产生大量粉尘颗粒物，XRD测量结果显示(另有文章单独讨论)，这些粉尘颗粒物主要成分是抗磁性石英，因此，生长在石英砂厂内的杨树叶的磁学参数(χ、SIRM和χARM)值比水泥厂和凤阳县城略低。

凤阳县城杨树叶主要采自绿化区，树叶样品表面的灰尘颗粒物主要来自大气降尘，根据前人的研究结果[17-19]，城市内的降尘由于受机动车辆尾气、工业烟尘以及城内居民燃烧化学燃料所产生的磁性颗粒物的影响，一般磁性矿物含量较高。当这些大气降尘降落到树叶上或被树叶吸收，也将改变树叶原有磁学性质，增加磁性矿物含量。

表1的数据显示凤阳县城杨树叶的磁学参数χ、SIRM和χARM平均值虽低水泥厂杨树叶，但高于石英砂厂杨树叶。将杨树叶进行清洗后，其磁学参数χ、SIRM和χARM值都大幅下降，但未降至零(表2—表4)，说明树叶的磁性强弱主要由树叶表面的灰尘颗粒物浓度决定，但被树叶表面蜡质层所吸附的含铁颗粒物对树叶的磁学性质肯定会有一定的贡献(图4(h))，而树根部向上输入是否也会对树叶的磁学性质有影响以及光照强度是否会影响树叶吸附磁铁矿的效率，这些还需要深入研究。因此，不同环境中同一种树木树叶的磁学参数值能反映局部大气环境污染和环境变化。

在凤阳县城内同一环境中生长的杨树、银杏树、梧桐树等不同种树木树叶的磁学参数测量结果(表5)显示，银杏树叶的χ、SIRM和χARM值高于杨树和梧桐树，指示不同种树木树叶的磁学参数对大气环境污染表现并不完全相同，这种现象MORENO等人在研究也曾发现[7]。因此，要利用树叶磁学参数来指示大气环境污染及变化情况，对树木的种类也要进行选择。根据本文测量结果，在杨树、银杏树、梧桐树三种树木中选用磁性相对较强的银杏树叶来指示大气环境的变化，可能比选用磁性相对较弱的杨树和梧桐树的树叶效果会更好，因为银杏树叶磁性越强，表明它对大气环境污染及变化响应越明显。

4　结　论

(1)杨树、银杏树和梧桐树树叶中主要磁性矿物是磁铁矿，磁性矿物粒径较大，磁性矿物含量较低，树叶的磁性强弱主要由树叶表面灰尘颗粒物浓度决定，被树叶表面蜡质层所吸附的含铁颗粒物对树叶的磁学性质也有一定的贡献。

(2)凤阳县城、水泥厂和石英砂厂等不同环境中生长的杨树叶，其磁学参数χ、SIRM和χARM值并不相同，水泥厂杨树叶的χ、SIRM和χARM值最高，指示水泥厂杨树叶被水泥厂粉尘污染严重，树叶的磁学参数能反映局部大气环境污染和变化。

(3)在凤阳县城内同一环境中生长的杨树、银杏树、梧桐树等树木树叶的磁学参数χ、SIRM和χARM值也存在差别，其中银杏树叶的磁性最强，对大气环境变化响应较其它两种树叶要明显。因此，利用树叶磁学参数监测大气环境污染，不同树种的树叶对大气环境污染的指示作用也存在差异。

致谢：感谢中国地质大学(北京)李海燕副研究员和安徽科技学院周金星副教授在实验中提供的帮助！感谢审稿专家提出的宝贵意见！

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Magnetic Properties of Tree Leaves in Different Environments and the Indication for Atmospheric Environment Pollution

LI Yong

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang,Anhui233100,China)

In order to study the indicating effect of tree leaves’ magnetic properties on atmospheric environment pollution, magnetic parameters were measured on the poplar tree leaves collected from the downtown of Feng-yang County, Anhui Province, cement plant and quartz sand plant of Fengyang, and ginkgo tree leaves and phoenix tree leaves grown in the downtown of Fengyang County. Results showed that the main magnetic mineral in tree leaves was magnetite, and its particle was coarse; the magnetic mineral content of poplar tree leaves in different environment was not the same, ranking from high to low as cement plant, Fengyang County and quartz sand plant, which indicated that the degree of atmospheric environment pollution in cement plant was more serious than than in the other two sites. Further analysis suggested the magnetic mineral contents of poplar tree leaves, ginkgo tree leaves and phoenix tree leaves collected from the downtown of Fengyang County differed from one another, and that of ginkgo tree leaves was higher than those of the other two. Thus, using magnetic parameters of tree leaves can monitor the atmospheric environment pollution, while the indication effect of different species’ leaves exists difference.

tree leaf; magnetic property; atmospheric environment pollution

2015-09-15；改回日期：2016-03-10；责任编辑：潘令枝。

李勇，男，副教授，1975年出生，固体地球物理学专业，主要从事磁学和环境磁学研究。

Email:liyong197510@ 163.com。

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A

1000-8527(2016)03-0606-08