金华市土壤磁化率与重金属Pb含量的关系

王思思，李凤全，王志刚，陈艳瑛，谢 建，吴征南

（1.浙江师范大学地理系，浙江 金华 321004；2.浙江师范大学计算机系，浙江 金华 321004）

城市土壤是各种重金属和有机污染物累积富集的场所，工农业生产、日常生活等人类活动产生的三废、化学农药、汽车尾气所携带的污染物以各种方式进入开放的城市土壤，并造成不同程度的污染。由于进入土壤的污染物往往富含磁性颗粒，导致土壤磁性增强，而人为成因的磁性颗粒往往富含重金属，所以土壤的磁化率与其重金属含量密切相关，是环境磁学研究中的一个重要研究方向[1-2]。磁化率测量具有样品用量少、灵敏度高、简单快捷、费用低、无破坏性等优点[3]，因此将磁化率与土壤重金属含量相结合，探索土壤环境变化对磁性质的影响以及磁化率与土壤重金属含量的相关性，是近些年环境磁学研究新的发展趋势之一[4-5]。大量研究表明，重金属含量与磁性参量之间存在着一定关联关系。Charlesworth and Lees[6]认为：英国Coventry城Wyken湖粒度＜2 mm沉积物的高磁化率是由工业或者城市排污口物质中颗粒较细的铁的氧化物引起的，磁化率与重金属含量间存在很强的成因关系，而Coventry城Swanswell湖＜63μm的沉积物的磁化率与重金属含量无关。依艳丽等[7]认为：葫芦岛市土壤磁化率值与重金属元素Pb、Zn、Hg、Ni的含量呈极显著正相关，与Cu的含量呈显著正相关。刘振东等[8]在对武汉市东湖研究时发现：沉积物来源复杂的郭郑湖只有部分金属与磁性相关，如Pb与磁化率、Cu与饱和等温剩磁；而有工业源污染的塘林湖沉积物中重金属Fe、Co、V、Mn、Ti、Ba、Cr、Ni和Cu与磁参数饱和等温剩磁、磁化率关系密切。

从目前相关研究状况可以看出，一方面，有关城市土壤磁性参数与重金属含量关系的研究，主要限于工业发达的大城市，对于中小城市或工业发展较慢的地区研究则较少，存在研究的薄弱区；另一方面，在土壤重金属污染较重的地区研究较多，并指出可用磁化率指示重金属污染水平，但对于较清洁土壤或未知重金属含量水平的土壤，能否直接用已知区域磁学参数与重金属的线性关系指示未知区域的土壤重金属状况，尚需要大量开展二者之间关系的基础性研究工作，以便明晰使用磁学参数估计重金属含量的条件。

金华是一个中等城市，工业污染相对较轻。本文通过对金华市城区59个表层土壤样品的磁化率、频率磁化率、重金属Pb含量进行测试分析，揭示金华土壤Pb含量与磁化率的关系，辨析磁性参数指示中小城市土壤Pb含量的可行性，从而为一些污染较轻的中小城市能否直接用磁学参数预测重金属含量提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

金华市位于浙江省中部，北纬28°32′～29°41′，东经119°14′～120°46′30″，地处金衢盆地东段，为浙中丘陵盆地地区，土壤以红壤和黄壤为主。本文的土壤样品均采于金华市城区，GPS定位，采用网格法布置样品点，将金华城区划为9个大小相近的矩形网格，在每个网格内较均匀地采集了4～7个样品，并兼顾到不同土地类型之间的平衡。共采集59个样品，每个样品采集深度均在0～20 cm内。

1.2 研究方法

将土样自然风干后，剔除植物根系等杂质，平均称取8 g的土样，装于直径2.54 cm、高3 cm的无磁性塑料小圆盒中，采用英国Bartington MS2磁化率仪进行低频（470 Hz）磁化率、高频磁化率（4700 Hz）的测定，在算出高频磁化率（χhf）和低频磁化率（χlf）的基础上计算样品的频率磁化率，计算公式如下：

另取土样置于110℃烘箱烘干后，剔除植物根系、小碎石等杂质，使用粉碎机将剔除杂质的样品研磨20 s；取4.0 g研磨后的土壤样品，放在聚氯乙烯环内，用压片机以30 t的压力保持20 s压制成测试样片，使用吸尘器吸去表面颗粒物，编号后放入样品袋中；利用荷兰帕纳科公司生产的波长色散型X射线荧光光谱仪Axios测定土壤样品中Pb元素的含量。测定过程用国家一级标样（GSS－5、GSS－6、…）和重复样进行质量监控，其准确度和精密度均满足要求。

对上述测试结果，首先开展磁化率与Pb含量的相关分析，探索Pb含量与磁化率是否存在线性相关关系；然后以土壤磁化率和频率磁化率为自变量，土壤Pb含量为因变量，利用GIS技术方法进行趋势面分析，综合探讨磁化率、频率磁化率与Pb含量之间的关系。

2 结果与分析

2.1 金华市土壤的Pb含量与磁化率分布概况

对金华市59个表层土壤样品的铅含量、磁化率与频率磁化率进行描述统计学分析，结果表明：在研究区范围内，Pb含量平均值为24.3 mg/kg，小于金衢盆地区土壤环境Pb的背景上限值42.4 mg/kg[9]，Pb含量超过GB 15618—1995土壤环境质量标准一级标准值35 mg/kg的仅占样品总量的5.9%。可见金华市区的土壤基本属于清洁土壤。

金华市土壤的磁化率值变化较大。研究区范围内，土壤低频质量磁化率平均值为38.87×10-8m3/kg，变幅为（10.5～120.8）×10-8m3/kg，其中最小值出现在清风苑居住小区，最大值出现在佳友园居住小区。59个样品中，51.61%的土样的磁化率＜30×10-8m3/kg；75.81%的土样的磁化率＜50×10-8m3/kg；只有6.45%的土样其磁化率＞100×10-8m3/kg，分别分布于银泰广场、兴家纸业、金华十五中和佳友园小区；其余17.74%的土样在（50～100）×10-8m3/kg之间。因此，从整体上分析，研究区范围内土壤的低频磁化率普遍较低。另外，低频磁化率的变异系数为0.706，属强变异性，较大的变异可能与环境中磁性矿物来源和成土过程的多样性有关。

图1 金华市土壤Pb含量、磁化率和频率磁化率的频率分布

频率磁化率反映土壤中超顺磁颗粒含量，其平均值为7.09%，变幅为0.42%～19.14%。其中，16.95%的土样的频率磁化率<3%，剩余83.05%的土样的频率磁化率>3%，74.50%的土样频率磁化率>5%。变异系数为0.559，非常接近强变异，反映了土壤中磁性矿物来源的空间变异较大。

2.2 金华市土壤磁化率与Pb含量的相关分析

为了揭示土壤磁性参数与Pb含量的关系，并与已开展工作地区的结果进行对比，本文对土壤磁化率与Pb含量进行相关分析，散点图见图2。可知从总体上来说，Pb含量在0.05置信水平上与低频磁化率存在显著的正相关关系，相关系数为0.285；频率磁化率与Pb含量呈现负相关关系，相关系数为-0.109，但不显著。另外通过对散点图进行探索性分析，可以看出，Pb含量与低频磁化率、频率磁化率之间似乎存在着一定的非线性关系，这可能是导致线性关系较弱的原因。

图2 金华市Pb含量与频率磁化率、磁化率的相关关系图

2.3 金华市土壤磁化率、频率磁化率和Pb含量的趋势面分析

图3 金华市土壤磁化率、频率磁化率、Pb含量的趋势面图

为了进一步探究金华表层土壤Pb含量与磁化率、频率磁化率之间的关系，下面利用趋势面分析方法对数据进行处理。数据处理时，以磁化率、频率磁化率为自变量，Pb含量为响应变量。经过拟合与对比，本文采用三次趋势面进行分析，结果见图3，其中横轴为磁化率，纵轴为频率磁化率。从图3中可以看出，当频率磁化率小于3%时，Pb含量随磁化率的升高而升高；当频率磁化率处于3%～7%间时，Pb含量随磁化率的增加未见明显变化；当频率磁化率大于7%时，Pb的含量随磁化率的升高而升高。从而表明，土壤磁化率与Pb含量存在一定的非线性关系，并非简单地线性相关关系。

3 讨 论

近年来，中国城市飞速发展，城乡人口流动频繁，农业人口、非农业人口之间的界限模糊化，城市人口规模迅速膨胀。根据《中国中小城市发展报告（2010）》，按经济发展对城市的划分，沈阳、南京、杭州、上海、武汉等属于第一级的直辖市、特别行政区、GDP大于1600亿且市区人口大于200万的大城市；金华属于第三级的14个沿海开放城市之一、经济发达且收入高的中小城市[10]。作为第一级城市，由于经济发达，经济发展快速，沈阳[11－12]、南京[13－14]、杭州[15－16]、上海[17－18]、武汉[19－20]土壤中的Pb含量较高，磁化率平均值也普遍都在100×10-8m3/kg以上。具体数据如表1所列。另外，杭州城区[16]土壤频率磁化率平均值为3.6%，南京[14]土壤频率磁化率平均值为6.3%。金华市的土壤的磁学性质相较上述城市而言，磁化率明显偏小，频率磁化率偏大。表明金华市的磁学特征与上述城市存在一定的差异。

表1 各城市土壤的Pb含量和磁化率

在第一级城市土壤铅含量与磁化率、频率磁化率关系的研究中，沈阳[11]、南京[12]、杭州[13]、上海[14]等城市的研究表明土壤磁化率与Pb含量呈极显著正相关，武汉的研究表明土壤磁化率和Pb的质量分数显著相关，相关系数一般大于0.7[15]。而本文的相关系数为0.285，在样品个数相差较小的情况下，低于上述城市。上述列举的第一级大城市工业化程度高，重金属污染相对严重，但从上面的分析可以看出，对未见明显Pb污染的金华市城市土壤而言，磁学参数、磁化率与Pb含量之间的关系与大城市呈现不完全一致的规律，因此难以简单地将大城市的研究结论直接应用于中小城市。

就采用土壤磁化率和频率磁化率对重金属污染土壤的指示而言，旺罗[16]等人提出自然土壤的磁化率和频率磁化率呈正相关，污染土壤的磁化率和频率磁化率呈负相关。金华市的城市土壤磁化率与频率磁化率呈负相关关系，但不显著，有别于纯自然土壤，也与污染土壤不完全一致。可能表明金华土壤受人类干扰下，磁学参数特征上处于自然土壤与污染土壤之间的过渡状态。另外，金华土壤也不适用于其提出的磁化率大于100×10-8m3/kg，频率磁化率小于3%作为污染土壤评价的标准。

4 结论

（1）金华市土壤Pb含量总体低于背景值，几乎不存在污染，与很多一级大城市显著不同，土壤的磁化率相对较低，频率磁化率相对较高。

（2）土壤磁化率，频率磁化率与Pb含量间分别都成非线性关系，这和以往很多其他地区的土壤三者之间的线性相关的结果不同。

（3）对于金华市这类接近于清洁土壤的城市的土壤磁化率对Pb含量的指示作用只能用磁化率和频率磁化率的范围组合来判断，而不是用单一的线性关系来概括。

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