兰州某钢厂附近土壤磁化率特征及其环境意义

闫 倩, 戴 霜,刘海娇,符超峰,张永全,赵 杰,张明震,刘 学 (1.兰州大学资源环境学院,

兰州某钢厂附近土壤磁化率特征及其环境意义

闫 倩1,2, 戴 霜2*,刘海娇2,符超峰3,张永全2,赵 杰2,张明震2,刘 学2(1.兰州大学资源环境学院,

对兰州某钢厂周围土壤进行了磁化率与化学元素分析,采用污染指数评价方法和多元统计发现,表层2cm以内土壤的磁化率显著增高,达到背景值的 3.5倍,且频率磁化率相对于深部土壤较低,对比不同位置样点磁化率值,显示钢厂周边土壤受到了钢厂生产排放物的污染.污染主要发生在下风向,且在2km以内最强,污染深度在2cm以内.磁化率与重金属元素含量相关性显著表明磁性矿物与重金属有相同的来源,本研究应用磁化率浓集因子S判别污染程度,结果与内梅罗综合污染指数评价大致相同,因此S可以作为判断这类土壤污染程度的指标.

磁化率；土壤；污染；磁化率浓集因子

常规环境监测采用的化学分析法分析周期长、对样品具有破坏性,且容易对环境造成二次污染[1-3],因此,在使用时常常受到限制.由于污染源中大都含有磁性矿物,而磁性矿物又和重金属元素等污染物之间关系密切,这就使得磁性测量方法很快应用到环境污染监测及环境评价研究中.近 20年来,环境磁学的发展特别是与铁有关的金属矿物在不同环境中迁移规律的研究进展[4-11],使得该方法应用在如河流[12-13]、河口海岸及工业设施外围环境污染监测中.由于环境磁学方法在采样和测量过程简便、快速、经济、不破坏样品且无污染等特点目前已成为国际上进行环境监测、评价和研究的一种重要方法[7-13].但是已有的研究工作大多集中在对污染物来源及空间分布等特征进行了综合分析[14],在对污染物的污染程度评价方面研究较薄弱.本研究利用磁学方法,通过对兰州某钢厂周边土壤样品进行采集与测量,结合自然地理因素,查明了钢厂周边土壤污染的时空分布特征及来源,并在此基础上提出了判断土壤污染程度的新的评价参数.

图1 采样位置示意Fig.1 Map of sampling location

1 样品采集与测定

样品采自兰州市东北约20km某钢厂周围的山坡及残留黄土梁峁顶部(图1),样品采深20cm.表层灰黑色土状沉积物一般厚2cm,其中0～1cm为深灰黑色,1～2cm为灰黑色,向下至20cm颜色逐渐变浅直至土黄色,野外观察该黄土为全新世黄土.采样用连续刻槽取样法,自上而下以0.2～1cm不等间距采集样品,其中在 0～0.5cm之间,每0.2cm一个样;在0.5～2cm之间,每0.5cm一个样;在2～20cm之间,每1cm一个样,样品用聚乙烯封口袋密封.由于该区低空常年盛行东风,夏季以东南风为主,因此钢厂东侧上风向地区采样密度较小,钢厂西侧下风向地区采样密度较大.上风向采样点为A1, A2;下风向采样点为A5, A6, A7, A8, A9, A10; 公路沿线采样点为A3, A4, A11,共采集样品253个.

样品在实验室中自然风干,在玛瑙研钵中轻轻磨细后装在2cm×2cm×2cm的聚乙烯样品盒中,称重后用 Bartington MS2磁化率仪分别测量得到样品的高、低频磁化率值,质量校正后获得样品的质量磁化率,并计算了样品的质量频率磁化率值.同时,为了明确表土磁化率升高与重金属元素之间的关系,选取11个采样点表土样品和磁化率值变化最大的A9剖面所有样品共计33个,称取4g左右,用1∶2(浓HCl与水的体积比)的 HCl和浓 HNO3消解,采用ICP-AES仪器测定了重金属元素Zn、Cu、Pb、Fe和Mn的含量.

2 结果与讨论

2.1 土壤磁化率随深度的变化

由图2可见,所有样品的高、低频磁化率值变化趋势一致,在5～20cm深度,磁化率基本不变,平均值为25.1×10-8m3/kg(低频),代表了本地磁化率背景值.在2～5cm深度,磁化率逐渐升高,2 cm处磁化率值是 5cm处的 1.45倍,说明在深度2～5cm随着深度增大,磁性矿物有逐渐向下迁移的趋势.而在 0～2cm深度,磁化率值骤然增大,在表层达到最大,平均达93.8×10-8m3/kg,是5cm深度以下样品磁化率值的 3.5倍;该段土壤为灰黑色,与其下(深度5cm以下)棕黄色-土黄色土壤层颜色迥然不同,这种磁化率值和颜色的显著差异说明磁性矿物主要集中在2cm以上的土壤中.

一般地,频率磁化率值可以大致反映样品中超顺磁性颗粒的多少,频率磁化率值高,说明其中的超顺磁性颗粒多[15-17].由图 2可见,样品的频率磁化率值从下向上在8cm深度处开始逐渐降低,5～8cm深度逐渐升高,在0～2cm处突然降低到全剖面最小值,表明在 2cm以上超顺磁性颗粒减少,粗颗粒增加,这与在其他钢厂周边污染土壤中观测到的结果一致[18-20];另外,从图2还可以看出,表层土壤的磁化率与频率磁化率呈负相关关系,这与土壤自然发育过程中的磁化率与频率磁化率呈正相关[21-24]的关系相反,说明表层土壤磁化率升高不是成土作用的结果,而是由临近的钢厂在生产过程中排放的工业废物造成的.

图2 样品磁化率随深度变化关系Fig.2 Depth-dependence variation of magnetic susceptibility

2.2 表土磁化率在水平方向变化

每个采样点最表层样品的低频质量磁化率值最高,变化范围为(44～598)×10-8m3/kg,平均为 235× 10-8m3/kg;使用Arcgis软件对磁化率值大小进行了描绘(磁化率大小用采点的大小来表示),可见磁化率值以A9点为中心向外递减(图1).由图3可以看出,在钢厂炼钢炉下风向样品的磁化率值较高,是5cm以下样品(本地磁化率背景值)的13.2倍;而在上风向则低,如 A1样点仅为 44×10-8m3/kg,不到 5 cm以下样品的2倍,表明钢厂下风向采样区污染较上风向采样区严重.从磁化率值与钢厂炼钢炉的相对位置上看,在下风向位置,距离炼钢炉 2km以内表土样品的质量磁化率值最高,是2km以外样品值的2倍以上,表明污染最严重区在下风向2km以内.更为重要的是,在距离炼钢炉下风向1.2km范围内,磁化率值逐渐升高,然后快速降低,直至约 2km处后缓慢降低,但仍远高于上风向样品的磁化率值.另外,磁化率最大值并没有出现在离炼钢炉最近的样点,这可能是炼钢厂处于东南-西北走向的山谷中,且与盛行风向(东风)交角约为30～45°,对流不易发生,因此导致污染物的最大落地浓度对应的落地距离较大.

由图1和图3可见,在远离烟囱与主沟位置的A3、A4和A11点,表土低频质量磁化率值非常接近,变化范围为(130.3～141)×10-8m3/kg,平均为 134×10-8m3/kg,明显低于烟囱正下风向 A8、A9、A5等采样点的磁化率平均值 335.6× 10-8m3/kg(图 3),但高于该区的背景值,表明也受到了污染,考虑到这几个采点离公路近(图 1),不排除公路上行驶的汽车尾气排放物的叠加污染.

图3 表土磁化率的的空间变化特征Fig.3 Spatial variation of topsoil magnetic susceptibility

3 评价土壤污染程度的新指标-磁化率浓集因子

3.1 土壤重金属含量与磁化率变化关系

钢厂的冶炼过程会产生大量磁性颗粒污染物.这些颗粒状污染物通过大气沉降或地表渗滤等途径将最终沉积在钢厂周围土壤中,并导致土壤中的磁性矿物和重金属含量升高[25].

实验结果表明:重金属 Zn、Cu、Pb、Fe和Mn质量浓度随深度的变化趋势与磁化率变化趋势一致.以 Fe为例,在 0～2cm深度含量均最高, 2～10cm 深度逐渐降低,但变化甚小.10cm 以下,含量较低且相对稳定,可以代表本地的重金属背景值.值得注意的是,在2～5cm处,Fe含量的变化没有磁化率明显,可能指示磁性矿物主要为磁铁矿(相对其他铁的氧化物,它对磁化率的贡献最高).表土样品重金属水平分布与磁化率水平分布特征相同,均在上风向含量最低,下风向随着离钢厂距离越远含量越低.

为了更好地研究金属元素和磁化率之间的关系,对表层样品的金属元素和磁化率进行相关性分析,在0.01的显著水平下,金属元素和磁化率之间呈显著相关关系,与磁化率相关关系分别为0.837(Pb),0.857(Zn),0.783(Cu),0.951(Fe),0.882(Mn),这与倪刘建等[26]所揭示的钢铁公司工业燃煤、冶炼等过程释放的气态污染物、工业粉尘中磁性矿物和重金属元素组合基本一致,反映了表层样品中Cu, Fe, Pb, Mn和Zn与磁性矿物具有类似的来源或地球化学行为,也表明了磁化率可以代替金属含量,指示土壤污染程度.

3.2 污染等级的划分

利用重金属含量变化及比值评价土壤污染程度,常用单因子指数评价法和内梅罗综合指数评价法[27],对本次采样的表土及磁化率最大的A9剖面样品重金属含量按照这两种方法进行现状评价.

表1 表层土壤重金属污染指数Table 1 Heavy metal pollution degrees of topsoil

由表1～表3可知:所有表土样品均受到了不同程度的污染,上风向表土样品,下风向 2km以外表土样品及在远离钢厂与主沟位置的表土样品属于轻度污染,A9样点属于重度污染,下风向其他样品属中度污染,并在下风向污染随着离污染源越远污染越轻.受污染最严重的A9样点,表土污染最严重,属重度污染;0.5～ 10cm深度的样品属于轻度污染,且随着深度的加深污染逐渐减轻;10cm 以下的样品没有受到污染.

由于各地土壤磁化率背景值不同,因而无法直接利用磁化率值与内梅罗指数对比来判断污染程度,因此,提出磁化率浓集因子(S)的概念,即污染后土壤磁化率值与未污染土壤磁化率背景值的比值:式中:Si为土壤中磁化率i的浓集因子;iχ为不同深度磁化率i的实测值;N为磁化率背景值i(本文为5～20cm磁化率平均值25.1×10-8m3/kg).

表2 A9剖面土壤重金属内梅罗指数Table 2 Heavy metal Nemerow index of A9 profile

表3 单因子指数和内梅罗综合指数评价标准Table 3 The evaluation standards of single factor and Nemerow index

表4 A9剖面土壤磁化率浓集因子Table 4 Magnetic susceptibility concentration factor of A9 profile

图4 磁化率浓集因子和内梅罗综合污染指数回归曲线Fig.4 Regression curve of concentration factor and Nemerow index

经计算 A1～A11点的表层层壤磁化率浓集因子 S值分别为 1.77,5.03,5.2,5.61,13.81,10.44, 9.21,14.87,23.44,7.63,5.2.A9剖面的磁化率浓集因子如表4所示.经对本次研究获得的磁化率浓集因子和内梅罗指数相关关系分析(图4),以重金属内梅罗综合污染指数分级标准为依据,计算获得了磁化率浓集因子污染指数分级值(取整数):其中,未污染土壤磁化率浓集因子的上限值定义为 1,即小于等于磁化率背景值的样品未受到污染.则 Si≤1属于无污染;1＜Si≤10属于轻度污染; 10＜Si≤20属于中度污染;Si＞20属于重度污染.

根据磁化率浓集因子分级标准评价污染程度得,研究区表层土壤的污染浓集因子均大于 1,表明表层土壤均存在一定程度污染,下风向且距离钢厂最近的A9属于重度污染,下风向2km内的样点属于中度污染,其余表土样品属轻度污染; 0～2cm的表层土壤污染程度较高;2～10cm属于污染渗透层,存在明显的由上而下递减的特点; 10cm以下土壤未受到污染,是土壤背景层,与重金属内梅罗综合污染指数评价结果基本相同.

磁化率浓集因子评价法能比较直观的指示土壤在剖面深度和空间上的污染程度,较单因子指数评价法和内梅罗综合污染指数评价法简便,快速,对样品没有破坏性且不会对环境造成二次污染,故可作为评价污染程度的一种新型方法.

4 结论

4.1 兰州某钢厂周围近地表(0～5cm)土壤磁化率较下部土壤升高,且磁性矿物富集主要集中在2cm以上.频率磁化率与低频磁化率的负相关关系表明磁化率的增高是由钢厂污染排放造成的,综合重金属元素测量结果显示周围土壤均受到了污染.污染范围在钢厂下风向 2km以内最强,污染深度在0～2cm最严重.

4.2 本研究应用磁化率浓集因子S评价土壤污染程度,结果与内梅罗综合污染指数评价法基本相同,因此S可以作为这类土壤污染评价的指标.

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Measurement of magnetic susceptibility of soil adjacent a steel factory in Lanzhou and its environmental implications.

YAN Qian1,2, DAI Shuang2*, LIU Hai-jiao2, FU Chao-feng3, ZHANG Yong-quan2, ZHAO Jie2, ZHANG Ming-zhen2, LIU Xue2(1. College of Resources and Environment, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；2.Research School of Arid Environment and Climate Change, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；3.Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering, Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710054, China). China Environmental Science, 2011,31(10)：1732～1737

Measurement and analysis of magnetic susceptibility and heavy metal concentrations of soil from a steel factory near Lanzhou City was developed. Results showed that the magnetic susceptibility in uppermost soil horizon (0～2cm) increased significantly relative to the deep soil. The value of susceptibility was 3.5 times of the background, but the frequency magnetic susceptibility was lower relative to the deep soil. The variation of magnetic susceptibility value in the different sampling positions showed that the soil around the steel factory was polluted by the anthropogenic dust input from steel factory. Pollution was mainly found in the downwind direction area, of which the strongest part was in a range of 2 km and a depth of 2 cm. Chemical element analysis showed a strong correlation between the magnetic susceptibility and metals, suggesting they have the same source. Magnetic susceptibility concentration factor (S) was adopted to determine the degree of soil pollution, and the results were basically the same with the Nemerow index. Therefore, S could be used as an indicator to determine the soil pollution.

magnetic susceptibility；soil；pollution；concentration factor

甘肃 兰州 730000；2.兰州大学西部环境与气候变化研究院,甘肃 兰州 730000；3.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西 西安 710054)

X123

A

1000-6923(2011)10-1732-06

2011-01-09

国家自然科学基金资助项目(40972025,41021091, 40872114);教育部新世纪人才计划项目(NCET-07);中央高校基本科研业务费(lzujbky-2010-k04)

* 责任作者, 教授, daisher@lzu.edu.cn

闫 倩(1988-),女,河南焦作人,兰州大学资源环境学院硕士研究生,主要从事环境磁学研究.