盐池县禁牧封育区国道两侧土壤磁化率与土壤重金属含量的关系研究

马 博，孙 虎

(陕西师范大学 地理科学与旅游学院 ，西安 710000)

环境磁学诞生于20世纪70年代，由其快速、简捷和对样品不造成二次污染的特点[1]，在地球科学与环境科学中的许多领域得到了广泛的应用。其中在土壤和金属沉积物污的监测中得到了较好的应用。利用磁学测量技术研究土壤中重金属污染程度已有许多成果的实践，并且受到越来越多研究者的关注。在磁学研究中，磁化率是其中重要的参数，将磁化率与化学元素(尤其是重金属元素)相结合进行探索环境变化对土壤磁性物质的影响[2-3]，土壤磁化率与土壤重金属元素含量的相关性研究是近年来环境学的发展热点问题[4～6]。当代，土壤表层受人为活动剧烈的冲击，土壤表层磁化率通常作为受人为影响强烈区域[7-8](如城市[9]、工业区[10]、农田、交通用地[11]等)的土壤金属污染指示。刘德新等运用土壤低频磁化率与污染综合评价指数建立线性关系，其相关系数在0.42～0.90(p<0.01)。因此，磁化率可以展示土壤的综合污染水平。笔者通过对宁夏回族自治区盐池县北部禁牧封育区内G20路段两侧土壤进行磁化率和重金属元素含量的测定，来分析土壤磁化率与重金属元素含量的关系，并揭示其环境意义。

1 研究区概况

本研究区位于宁夏回族自治区盐池县。盐池县位于宁夏东部，东经106°30′～107°47′，北纬37°04′～38°10′，全县南北长约120km,东西宽约100km，总面积约为8 661.3km2。全县地势北部比南部低，东西两侧低、中间高的趋势，南北分为黄土丘陵和鄂尔多斯缓坡丘陵。 盐池县北部与毛乌素沙地相连，东南部与黄土高原相连，属于典型的过渡地带，即自东南向北，地形是从黄土丘陵向鄂尔多斯缓坡丘陵的过渡带。 盐池属典型中温带大陆性气候,光能丰富,热量较适中。多年平均降水量约为285mm,但盐池县的年蒸发量远超过与降水量。多年平均蒸发量为2 403.7mm。根据1983年对盐池县进行的第二次土壤普查显示，盐池县的土壤类型以灰钙土。风沙土为主。其中风沙土在中北部分布较广泛。

2002年8月，在盐池县召开了宁夏中部干旱带生态建设的工作会议，会议决定了率先实行全面禁牧封育。在当年11月，盐池县在全区展开禁牧封育工作。本文所研究区域大部分地区就在禁牧封育地区。 国道G20从其中北部穿过，其长度约67.57km，因此研究区所研究的范围属于人类活动较轻的，但是车辆，尤其是大型运输煤炭的货车较多。

2 材料与方法

2.1 样品采集

从盐池县西北部，沿着国道G20进入盐池县。根据国道在研究范围内总长约67.57km，在G20两侧，共设定24个采样点(其中12样点位于G20北侧、12各样点位于采样点南侧)，每个采样点划分为5×5m的范围，在范围内随机采取3～5个剖面土壤混合，深度范围：0～60cm,每10cm为一个剖面样。共采集了143个样品。

2.2 试验方法

将采集好的样品装入塑封袋中带回实验室，让样品在通风，干燥的条件下自然风干,用玻璃研钵破碎。将所有样品通过2mm筛，剔除植物根茎等杂物，取出其中5g放入无磁性塑料瓶中，用于测定土壤磁化率。测定磁化率使用的是配有双频传感器(0.47kMz、4.7kMz)的Bartington MS2磁化仪。每个样品均进行了低频和高频的磁化率测定，测定感量为1.0。每个样品测试3次，取平均值.频率磁化率(Χlf)通过公式Χfd(%)=(Χlf-Χhf)/Χlf×100%来计算(式中Χlf、Χhf分别为低频、高频磁化率)。土壤重金属元素含量的测定使用的是X-Ray荧光光谱仪(PW2403,荷兰帕纳科仪器公司)。

3 分析结果与讨论

3.1 土壤磁化率特征

磁化率可以近似地指示土壤中亚铁磁性矿物的含量，而频率磁化率可以反映出超顺磁性颗粒(SP颗粒)的相对含量。盐池县路边土壤低频磁化率的特征统计结果(见表1)表明：研究区土壤低频磁化率Χlf的变化范围在在13～54×10-8m3/kg，随着土壤层深度的增加，土壤Χlf总体呈现出先降低后增加的趋势，在0～40cm土层中随着深度的增加而土壤Χlf降低，40～60cm土层中，随着深度的增加，土壤Χlf又有了轻微的增加。各个土层土壤Χlf的平均值变化范围为33.88～38.79×10-8m3/kg之中，而且在0～10cm土层整体中较高，土壤Χlf变化范围在54～17×10-8m3/kg之间。

表1 盐池县路边土壤低频磁化率特征Tab.1 Low-frequency magnetic susceptibility characteristics of roadside soil in Yanchi County

研究区路边土壤频率磁化率的特征统计结果(见表2)表明：土壤频率磁化率的变化范围在1.92%～13.51%之间，各个土层中土壤Χfd的均值在2.91%～3.77%之间。从图1中可以看出土壤Χlf与土壤Χfd的变化特征不同， 土壤Χfd呈现出的是随着土层深度的增加，土壤Χfd先降低在增加之后轻微的降低的趋势。而且研究区各个样地的土样的土壤Χfd平均值均2.91～3.77之间。同时，在表3中，研究区内土壤的低频和高频磁化率相关系数是0.997，低频磁化率和频率磁化率之间呈现负相关，相关系数为-0.418(Χlf-Χfd)。高频磁化率和频率之间也呈现出负相关，相关系数为-0.481(Χhf-Χfd)。由此可见由沉积母质发育过程中的磁化率和频率磁化率之间呈现负相关，表明了研究区内土壤中的SP颗粒对磁性的贡献很少。同时可见研究区内表层土壤Χlf均大于样地平均土壤Χlf，而表层土壤Χfd和样地平均Χfd基本相当或偏低，表明研究区内表土层可能存在着污染。 将土样的土壤Χlf和土壤Χfd用SPSS进行判断，发现土壤Χlf和土壤Χfd均符合正态分布。而且研究区内土壤Χlf和土壤Χfd的变异系数平均值分别为：21.46%和46.77%，均属于中等变异强度。

表2 盐池县路边土壤频率磁化率特征Tab.2 Magnetic frequency susceptibility characteristics of roadside soil in Yanchi County

表3 土壤磁化率相关系数Tab.3 Correlation coefficient of soil susceptibillity

注：P<0.01;*表示极显著相关性。

3.2 Pb、Cu、Mn和As与磁化率的关系

根据Versteeg等提出的利用磁化率来作为沉积物中的重金属污染的代用指标必须满足：磁化率数值与所研究的重金属元素的含量之间要具有显著的相关性。所以，分析样品中磁化率与样品中重金属含量之间的相关关系就显得极其重要了。

研究区内样品中Pb、Cu、Mn和As元素含量与低频磁化率之间的关系如图1所示。

Mn、As和Pb 3种重金属元素含量都与磁化率有着相关关系，相关系数(R)从大到小的顺序为Mn>Pb>As，经过SPSS仔细计算，Cu元素含量与低频磁化率在L1-l14上有着显著的相关性。低频磁化率与Mn、As、 Pb呈现处显著正相关，与Cu的含量呈弱相关。而样品土壤频率磁化率与Mn、As、 Pb和Cu均呈现出负相关。其中，与Mn、As、 Pb呈现出显著地负相关，与Cu呈现出弱相关。这正好与卢瑛[5]等发现的南京市土壤的磁化率与重金属Cu、Zn、Pb、CR存在显著正相关、与王学松[12]等发现的徐州城市路边表层土壤Pb、Cu和Zn污染的磁化率表征等都相类似。

图1 样品中4种重金属元素含量与低频磁化率的关系Fig.1 Relationship between content of four heavy metal elements in sample and low frequency magnetic susceptibility

除少量样地外，大部分样地的低频磁化率最高值都出现在表层0～20cm土层中，对比发现，磁化率偏高的地方，重金属含量也要偏高。表层土壤中重金属Mn、As、Cu和Pb的平均含量为别为312.9、8.1、10.3和15.6mg/kg，分别是风沙土壤背景值[13]的1.09、1.50、1.36和1.24倍。

土壤重金属含量是在以背景值含量之上叠加了汽车尾气，农业活动等人为因素的综合结果。有研究表明，在没有人为活动影响的情况下，自然过程中也可能造成土壤重金属含量的超标，但这种情况特殊情况都是由于土壤的矿物特征、成土过程和分化方式的特殊引起的[14]。一般认为城市土壤重金属的主要来源还是由人为活动引起的。频率磁化率主要反映了样品中SP颗粒的含量，而土壤中SP颗粒主要来源于母质风化和成壤过程。因此通过前人的研究表明：当土壤中频率磁化率与重金属含量呈现负相关，说明重金属主要来源于人为扰动输入；若呈现出正相关，则说明重金属主要源于土壤母质[15]。盐池县G20国道两旁表层土壤中Mn、As、Pb和Cu 4种重金属元素含量与频率磁化率呈现出负相关，表明研究区内的土壤重金属污染主要源于人为扰动输出。

本研究显示，盐池县境内G20国道边土壤中Mn、As和Pb含量与磁化率显著相关，指示了路边土壤表层磁性矿物来源与重金属Mn、As和Pb有着密切的联系。即是说，土壤污染受到交通污染影响。

3.3 磁化率与重金属负荷污染

PLI即为污染负荷指数，能够反映土样中多种元素共同作用的结果。所以可以用作为综合评价样品中重金属污染强度的一个有效的参数[11]。计算公式：

其中：CK为土壤中K元素的含量；C为元素K背景值；FK为元素K的最高污染系数；n是样品中所需要的元素数量。

通过SPSS将土壤磁化率与4种重金属元素的单项污染指数和内梅罗污染指数进行相关性分析得出，土壤磁化率与4种重金属元素的单项污染指数的相关性与土壤磁化率与4种重金属元素含量相似。土壤低频磁化率与Mn、As和Pb的单项污染指数在L1-L18剖面中呈显著正相关，相关系数分别为0.598、0.338和0.521(P<0.01)；在L19-L24剖面中呈显著负相关，相关系数分别为-0.353、-0.623和-0.486(P<0.01)。频率磁化率与Mn、As和Pb的单项污染指数在L1-L18剖面中呈显著负相关，相关系数分别为-0.354、-0.273和-0.332(P<0.01)；在剖面L19-L24剖面中相关性不大。而Cu单项污染指数与低频磁化率在L1-L14剖面中呈正相关，相关系数为0.222(P<0.05)，在剖面L15-L24剖面中呈显著负相关，相关系数为-0.479(P<0.01)；Cu单项污染指数与频率磁化率在L1-L14剖面中呈显著负相关，相关系数为-0.292(P<0.01)，在L15-L24剖面中显著性不高。内梅罗污染指数与低频磁化率之间呈显著正相关，相关系数为0.455(P<0.01)，与频率磁化率之间没有显著相关性。

通过对比研究发现，盐池县G20道路两侧土壤中Mn、As、Cu和Pb 4种元素的PLI与土壤磁化率的一元线性回归方程模型如图2 所示。相关系数分别为R(Xhf-IPL)=0.422、R(Χlf-IPL)=0.421和R(Xfd-IPL)=-0.328；在P<0.01下，PLI与Xhf、Χlf和Xfd具有显著相关性。这说明磁化率不仅可以指示一种重金属元素的污染强度，也可以指示该研究区内Mn、As、Cu和Pb的综合污染强度。这一结论基本与李鹏[14]和王冠等[15]所得出的结论基本一致。

图2 磁化率与4种重金属元素IPL的关系Fig.2 Relationship between magnetic susceptibility and IPL of four heavy metal elements

4 结 论

以盐池县G20道路两旁土壤样品为研究对象，对其磁化率和重金属元素含量进行了特征对比分析，得到以下结论：

4.1 研究区内土壤低频与高频磁化率呈正相关，两者皆与频率磁化率呈负相关，与Mn、As和Pb含量呈显显著正相关，在一定范围内与Cu也呈现出显著正相关。指示着道路两旁土壤中Mn、As、Pb和Cu和磁性矿物有着相同来源，也说明了通过监测土壤磁化率可以快速地诊断路边土壤中Mn、As、Pb和Cu的污染情况。

4.2 磁化率不仅能够指示一种重金属元素含量的污染强度，也能够指示该区土壤中的Mn、As、Pb和Cu的复合污染程度，反映了路边土壤污染物主要来源与交通污染。

4.3 与其他方法相比，磁化率测量具有灵敏、快速、经济等特点，因此可以当确定一区域内所需要监测的重金属元素含量与磁化率呈现显著相关，就可以大规模开展该区域内相关重金属的磁化率监测。