许昌市园林绿地表层土壤磁性特征研究

孙艳丽，郝莹雷

(许昌学院 城乡规划与园林学院， 河南 许昌 461000)

近年来，随着我国城市化和工业化的快速发展，人类活动对城市土壤的影响越来越重要.绿地土壤作为城市污染物重要的载体，影响着城市生态环境质量和人体健康[1].磁化率指标是土壤在外磁场中受感应产生的磁化强度与外加磁场强度的比值，反映了土壤中磁性矿物的数量[2]，因磁性颗粒常吸附各种重金属元素，所以其在一定程度上可以指示土壤的污染状况[3].Hanesch、Blundell、Hay等曾运用土壤磁性参数分析了城市绿地土壤重金属污染状况[4-6].Bityukova、Baghdadi等进行了绿地土壤磁化率与重金属元素间关系的研究[7，8].卢升高、李晓庆等分别从土壤磁化率特征、磁化率与土壤重金属元素的相关性、影响因素等方面对绿地土壤进行了相关研究[9，10].

许昌市是“国家园林城市”、“国家森林城市”，城市园林绿地土壤环境质量对土壤生态环境建设和园林绿地的合理开发与健康发展具有重要意义.目前，对许昌市园林绿地土壤磁学特征的相关研究还未见报道，通过研究许昌市园林绿地表层土壤磁性特征，初步判断土壤环境质量，为改善许昌市生态环境质量和开展城市生态文明建设提供科学依据.

1 研究区概况

许昌市位于河南省中部(东经113°03′～114°19′，北纬33°42′～34°24′).属北温带季风气候，年平均气温14.3 ℃，年平均降水量640.9 mm；主要土壤类型为潮土、褐土.市区面积88 km2，建成区人口50万.全市绿地总面积12.27 km2，森林覆盖率达33.5%，建成区绿化覆盖率42.68%，中心区人均公共绿地6.5 m2.植被类型属暖温带阔叶林与针叶林混交林，植物区系具有过渡性特征.园林植物分属64科、201种，其中以蔷薇科、木犀科、忍冬科、豆科较多.建成区常见植物种类有大叶女贞(Ligusrunlucidum)、黄山栾树(Koelreuteriaintegrifoliola)、枫杨(Pterocaryastenoptera)、雪松(Cedrusdeodara)、鸢尾(Iristectorum)、红叶石楠(Photiniaserrulata)等[11].

2 研究方法

2.1 样品采集

土壤样品采集依照正方形网格法布点，在1：50 000许昌市区图上划分1×1 km网格，在每个有效网格内选取代表性绿地布设采样点，用GPS进行定位.在各采样点4 m2范围内，按照梅花形采样法进行表层(0～20 cm)土壤样品采集.同时，在郊外农田布设对比样点.本研究共采集市区表层土壤样品99个(其中，工业区和公园各17个，学校和交通道路各22个，居住区9个)，农田对照样品12个(图1).

图1 采样点分布图

2.2 实验方法

将采集的土样自然风干，过1 mm土壤筛后，称取10 g左右，置于10 mL的圆柱状聚乙烯样品盒中，用英国Bartington MS2型双频磁化率仪进行低频磁化率(0.47 kHz)和高频磁化率(4.7 kHz)的测定.

2.3 频率磁化率计算方法

频率磁化率常用来指示当测量场频率增加时磁化率增减的百分数，反映磁性矿物颗粒大小分配和超顺磁颗粒的相对含量，对判别土壤磁性矿物的物源和成因有重要意义[8].计算公式为

Xfd(%)=(Xlf-Xhf)/Xlf×100 ，

其中，Xfd为频率磁化率，Xlf为低频磁化率，Xhf为高频磁化率.

2.4 土壤重金属污染分级

已有研究表明，土壤磁化率与土壤重金属污染负荷指数PLI呈正相关，磁化率越大，重金属的污染等级越高[12].本研究以刘德新等的土壤重金属污染分级[13]为依据(表1)，评价许昌市园林绿地土壤的污染状况.

表1 基于磁化率的土壤重金属污染分级

3 结果与分析

3.1 园林绿地表层土壤磁化率的一般特征

园林绿地表层土壤磁化率为15.24×10-8～139.33×10-8m3·kg-1，均值为56.97×10-8m3·kg-1，变异系数为36.54 %.土壤频率磁化率变幅为1.12%～17.51%，均值为7.33%，变异系数为41.82%.土壤磁化率与频率磁化率之间呈负相关(p<0.05).

基于磁化率的土壤重金属污染标准，许昌市区园林绿地73.0%样点的土壤磁化率低于62×10-8m3·kg-1，对应PLI小于1，属无污染级别；27.0%的样点土壤磁化率在62×10-8和153×10-8m3·kg-1之间，属于轻度污染级别.

3.2 不同功能区园林绿地表层土壤磁化率特征

不同功能区表层土壤磁化率均值表现为工业区>公园>居住区>交通道路>学校>农田，频率磁化率表现为农田>交通道路>居住区>学校>公园>工业区(图2).44%的工业区绿地土壤和33.3%的公园绿地土壤重金属污染等级为轻度污染；居住区和学校绿地土壤属于轻度污染的样点比例分别为22.2%和22.7%；交通道路绿地土壤环境状况较好，仅13.64%的样点属轻度污染级别；农田土壤磁化率均低于62×10-8m3·kg-1，属于无污染级别.

3.3 园林绿地表层土壤磁化率的空间分布

从许昌市园林绿地表层土壤磁化率的空间分布等值线图可以看出，土壤磁化率表现出由中心市区向外呈带状递减的空间分布格局(图3).在中部和北部出现两个高值分布区，磁化率范围为49.78×10-8～139.33×10-8m3·kg-1.市区西部和东部为低值区，磁化率范围为15.24×10-8～49.78×10-8m3·kg-1.频率磁化率则表现出中部和东北部较低，西部和东南部较高的空间分布格局，其分布特征与土壤磁化率相反(图4).

图2 许昌市不同功能区绿地表层土壤磁化率

图3 园林绿地表层土壤磁化率空间分布

图4 园林绿地表层土壤频率磁化率空间分布

4 结果与讨论

许昌市园林绿地表层土壤磁化率低于上海市、咸阳市的表层土壤，显示了人类活动对园林绿地土壤磁化率的不同影响[14，15].多数样点的表层土壤磁化率值对应于土壤重金属无污染级别，表明整体土壤环境质量较好.Dearing曾以土壤频率磁化率推算了超顺磁性颗粒的浓度，得出频率磁化率小于3%时，基本上没有超顺磁性颗粒；在3%～10%时，为超顺磁性颗粒和粗颗粒混合存在.许昌园林绿地65%样点的土壤频率磁化率在3%～10%之间，小于3%的样点仅为4.5%，这表明土壤污染物的晶体粒径较粗，多为超顺磁和粗颗粒混合，土壤磁性颗粒的累积受成土过程和人类污染的共同影响.

绿地表层土壤磁化率在不同功能区间的差异表现反映出了不同人类活动的影响.工业区绿地土壤磁化率高，污染较大，可能是由于该区分布有制造业、纺织业、建材公司等部门，工业活动中产生的粉尘、烟尘及废弃物中含有的亚铁磁性矿物造成了土壤中磁性颗粒增多.公园位于市区中心，周边道路交通流量大，园内游客量密集及存在餐饮摊位经营，绿地土壤受到机动车尾气排放、游客丢弃物和餐余垃圾的影响较强，使其土壤磁化率较高.居住区和学校因生活垃圾的排放，使土壤也呈现出一定程度的污染.交通道路绿地土壤的污染在功能区中较弱，与卢升高[9]、张孔合[16]研究得出交通沿线土壤磁化率在功能区中较高的结论不同.一方面可能是因为该功能区样点多位于许昌市区外围车流量较少的道路；另一方面，隔离带绿地管理养护状况较好，使交通活动对土壤污染的影响并不显著.

土壤磁化率空间分布格局与许昌市的土地利用方式有关.城市的中部和北部分别是老城区和工业区，老城区建成历史比较悠久，人口密集，生活垃圾量大，交通道路密集，车流量大.北部主要集聚了污水处理厂、造纸厂、纺织厂及建材厂等工业生产企业.工业生产、交通排放及人类生活排放产生的污染物，使这两个区域的土壤磁化率较高.市区的西部和东部区域属于郊区，以农田为主，工业企业分布相对较少，且多是一些对环境污染较小的新兴工业，土壤受人为因素影响较小，磁性颗粒主要来源于成土过程.