许昌市土壤磁化率垂向分布特征研究

闫　慧， 陈　杰， 马艳松

(许昌学院 城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000)

许昌市土壤磁化率垂向分布特征研究

闫慧， 陈杰， 马艳松

(许昌学院 城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000)

摘要：利用环境磁学的方法对许昌市城区不同功能区(交通区、商业区和工业区)的土壤磁化率进行了研究，以期获得土壤污染信息，结果表明：①许昌市不同功能区土壤磁化率垂向分布的范围及平均值差异较大.商业区磁化率范围是9.96×10-8m3/kg～36.22×10-8m3/kg，平均值为20.82×10-8m3/kg.交通区磁化率范围是55.59×10-8m3/kg～84.53×10-8m3/kg，平均值为61.92×10-8m3/kg.工业区磁化率范围是31.23×10-8m3/kg～200.53×10-8m3/kg，平均值为94.03×10-8m3/kg.②许昌市土壤磁化率垂向分布特征均呈现从上至下递减的趋势，但具体特征不同，这说明人类活动所产生的各种污染物主要集中在土壤表层，且不同强度的人类活动影响深度不同，人类活动对土壤的影响最深约为60 cm.③许昌市不同功能区土壤受污染程度的大小不同，工业区>交通区>商业区.

关键词：土壤；磁化率；垂向特征

土壤是人类赖以生存的物质基础，土壤质量的优劣直接影响人类的生产生活.现在城市中的汽车尾气排放、工厂排污、生活垃圾、农业生产中使用农药化肥和污水灌溉等因素均会造成土壤的污染[1].研究土壤污染具有很强的现实意义.土壤中含有自然源和人为源的磁性矿物，土壤中各种污染元素常常吸附在磁性颗粒上，导致土壤中污染元素与土壤的磁化率具有显著的相关性.因此，可以利用磁学方法监测城市土壤的污染，近年来国内外已有不少学者开展相关研究.Blundell等[2]研究了英国土壤表层样品磁化率，发现被污染样品的磁性参数与具城区距离呈负相关，与土壤Cu、Pb、Zn含量呈正相关[3].Blaha等[4]用土壤磁化率作为人类活动造成的土壤重金属污染半定量分析的有效工具.李晓庆等[5]人研究发现，上海市宝山区吴淞工业区表土磁化率显著高于远郊农业区，并且工业区表土磁化率与重金属含量有显著的相关性[6].南京研究结果表明，城区表土磁化率显著高于非城区自然土壤，且城区土壤磁化率与Cu、Zn、Pb元素的含量具有极显著的正相关[7].Lu等[8]通过对杭州城区土壤磁性参数的研究发现，该地土壤磁性参数与Cu、Zn、Cd、Pb存在显著的线性相关性，土壤磁性参数可以用作重金属含量的代用指标.这些研究说明磁学方法可以用于监测城市土壤的污染.

已有研究多局限在城市表层土壤，而研究城市土壤磁化率垂向分布特征，对于揭示城市土壤受污染的历史有重要意义.本文对许昌市不同功能区土壤磁化率垂向特征进行研究，以期获得许昌市不同功能区土壤受污染信息，为认识和治理城市土壤环境污染提供基础数据.

1研究区域概况

许昌位于河南省中部.其经纬度分别为113°03′E～114°190′E、33°16′N～34°24′N.面积和人口分别为4 996 km2和 458.37万，其中市区人口48万人.许昌是河南中部的区域性经济、文化、政治中心，在河南的快速发展中具有举足轻重的地位.随着许昌市发展的不断加快，人类活动对土壤环境质量的影响越来越大，然而对于许昌市土壤磁化率及其垂向分布特征的研究还未见报道.

2材料与方法

选取三个不同功能区分别采集土壤剖面样品，交通区选在汽车客运北站附近，商业区选在春秋广场，工业区则选在八一路西段的火电厂(图1).在每个功能区选定采样点后，首先用Eijkelkamp土壤采样仪垂直向下采集土壤柱状样品，每个柱状土壤样品的长度都为60 cm(交通区为46 cm)，样品在0～30 cm段都以2 cm为间距进行等距分割，30 cm以下的土柱样品分别以5 cm为间距进行等距分割.样品自然风干后，去除沙砾、石块、树根、杂草等杂质，并将其研碎，然后将研碎的样品过直径为2 mm的尼龙筛，装入圆柱形无磁性测量盒内.最后利用Bartington MS2磁化率仪测量样品低频和高频(0.47 KHz和4.7 KHz)磁化率值.

3土壤磁化率分析结果

许昌市不同功能区土壤磁化率垂向分布特征见图2和表1所示.商业区土壤磁化率的垂向分布特征呈递减趋势，且磁化率值整体较小，其最大值为36.22×10-8m3/kg，最小值为9.96×10-8m3/kg，平均值为20.82×10-8m3/kg，0～22 cm范围内，土壤磁化率值呈递减趋势，从36.22×10-8m3/kg一直降低到9.96×10-8m3/kg，在22 cm深处则出现磁化率的最小值9.96×10-8m3/kg.22 cm～49 cm范围内，土壤磁化率值基本保持不变.

从图2可以看出，交通区土壤磁化率垂向分布的最大值为84.53×10-8m3/kg，最小值为55.59×10-8m3/kg，平均值为61.92×10-8m3/kg.在0 cm～4 cm深处，土壤磁化率值下降幅度较大，从84.53×10-8m3/kg降到61.78×10-8m3/kg.4 cm以下，磁化率值有波动，但基本保持在平均值上下.

从图2可以看出，工业区土壤磁化率垂向分布的最大值为200.53×10-8m3/kg，最小值为31.23×10-8m3/kg，平均值为94.03×10-8m3/kg.土壤磁化率的垂向分布特征整体上呈逐渐递减趋势，分别从表层的200.53×10-8m3/kg一直下降到31.23×10-8m3/kg.到底层磁化率值基本稳定在左右，与许昌市土壤磁化率背景值(35×10-8m3/kg，未发表数据)相当.

图1　许昌市土壤样品采样点分布图

图2　许昌市不同功能区土壤磁化率垂向分布特征图

表1　不同功能区土壤磁化率最值及平均值(10-8 m3/kg)

4讨论

工业区土壤磁化率表层值为200.53×10-8m3/kg，是许昌市五个功能区中表层磁化率值最大的，磁化率值呈现整体递减趋势.工业区采样点位于火电厂旁边，附近还有水泥厂和一些其它小型工厂.工业区表层磁化率较大，与火电厂在燃煤发电的过程中产生大量的燃煤飞灰、烟尘、废气等有关，水泥厂及其它小型工厂在生产的过程中同样也会产生大量的粉尘、烟尘，这些污染物中含有大量的磁性物质.此外，该区域内车辆出入较频繁，而汽车尾气的排放和汽车轮胎的磨损同样会产生含有磁性物质的粉尘，这些粉尘落在地表同样会加剧表层土壤的磁化率值.余涛[9]和Muxworthy[10]的研究据发现，工业生产过程会释放大量磁性污染物，造成工业区土壤磁化率值增大.

交通区土壤磁化率垂向分布特征整体呈下降趋势，上层下降幅度较大，下层下降幅度较小，底层基本趋于稳定.交通区选择在许昌市汽车北站附近，其车流量很大.Hunt[11]的研究表明汽车尾气是磁性污染物的主要来源.Hoffmann[12]发现在高速公路沿线表层土壤磁化率的增加与交通污染有关.交通污染主要来源于含Pb汽油的燃烧和汽车轮胎磨损产生的粉尘[13].Olsen和Skogerboe[14]的研究也证明了汽车尾气排放了大量的非球状颗粒物，这些颗粒物最终沉降到地面进入土壤，随时间的积累，土壤表层含有的人为原因的污染元素越来越多，它们在雨、人、车等因素的影响下会慢慢向土壤下层渗透，从而造成土壤磁化率自上而下呈递减趋势.

商业区土壤磁化率值最小，0～30 cm磁化率下降趋势较为明显，30 cm以下磁化率下降趋势很小，几乎没有变化.从图2可以看出，只有表层10 cm内磁化率值超过背景值，说明人类活动的影响主要对该区表层约为10 cm的土壤具有影响.

通过比较三个不同功能区土壤磁化率的范围及平均值，可以发现污染状况工业区>交通区>商业区.从污染最重的工业区来看，当深度达到60 cm时，土壤磁化率值基本与土壤背景值相当，这说明人类活动对土壤的影响最深约为60 cm.

5结论

(1)许昌市不同功能区土壤磁化率垂向分布的范围及平均值均不相同.其中，商业区磁化率范围是9.96×10-8m3/kg～36.22×10-8m3/kg，平均值为20.82×10-8m3/kg.交通区磁化率范围是55.59×10-8m3/kg～84.53×10-8m3/kg，平均值为61.92×10-8m3/kg.工业区磁化率范围是31.23×10-8m3/kg～200.53×10-8m3/kg，平均值为94.03×10-8m3/kg.

(2)许昌市不同功能区土壤磁化率垂向分布特征也不同.工业区整体呈现递减，底层达到背景值.商业区磁化率表层10 cm呈下降趋势，下层下降幅度较小.交通区磁化率表层4 cm下降趋势最大，向下基本保持不变，这说明人类活动所产生的各种污染物主要集中在土壤表层.

(3)许昌市不同功能区土壤受污染程度的大小不同，工业区>交通区>商业区.

(4)不同强度的人类活动影响深度不同，人类活动对土壤的影响最深约为60 cm.

参考文献：

[1]李彤.中国土壤污染现状严峻[EB/OL].http://news. enorth. com. cn /system /2012/06/12/ 009422511. Shtml, 2012-6-12.

[2]Blundell A, Hannam J A, Dearing J A, et al. Detecting atmospheric pollution in surface soils using magnetic measurements A reappraisal using an England and Wales database[J]. Environmental Pollution, 2009,157:2878-2890.

[3]张果,胡雪峰,吴小红,等.上海城市土壤磁化率的垂向分布特征及环境指示意义[J].土壤学报, 2011,48(2): 429-434.

[4]Blaha U, Appel E, Stanjek H. Ddeterm ination of anthropogenic boundary depth in industrially polluted soil and sem iquantification of heavy metal loads using magnetic susceptibility[J]. Environmental Pollution, 2008, 156:1-12.

[5]李晓庆,胡雪峰,孙为民,等.城市土壤污染的磁学监测研究[J].土壤,2006,38(1):66-74.

[6]Hu X F,Su Y, Ye R, et al. Magnetic properties of the urban soils in Shanghai and their environmental implications[J]. Catena, 2007,70(3):428-436.

[7]卢瑛,龚子同,张甘霖.城市土壤磁化率特征及其环境意义[J].华南农业大学学报,2001,22(4):26-28.

[8]Lu S G, Bai S Q. Study on the correlation of magnetic properties and heavy metals content in urban soils of Hangzhou City[J]. China Journal of Applied Geophysics, 2006,60(1):1-12.

[9]余涛,杨忠芳,岑静,等.磁化率对土壤重金属污染的指示性研究—以沈阳新城子区为例[J].现代地质,2008,22(6):1034-1040.

[10]Muxworthy A,Schmidbauer E, Petersen N. Magnetic properties and Mossbauer spectra of urban atmospheric particulate matter: A case study from Munich, Germany[J]. Geophys J Int, 2002,150:558-570.

[11]Hunt A. Airbornemagneticparticles, Unpublished (Ph.Dthesis) [D]. Liverpool: University of Liverpool, 1988:507.

[12]Hoffmann V, Knab M, Appel E. Magnetic susceptibility mapping of roadside pollution[J]. Journal of Geochemical Exploration,1999, 66:313-326.

[13]崔德杰,张玉龙.土壤重金属污染现状与修复技术研究进展[J].土壤通报,2004,35(3):366-370.

[14]Olson KW, Skogerboe RK. Indentification of soil lead compounds from automotive sources [J]. Environ. Sci.Technol, 1975,9:227-230.

Vertical Characteristics of Magnetic Susceptibility in

Soil Profiles of Xuchang City

YAN Hui, CHEN Jie, MA Yan-song

(SchoolofUrban-ruralPlanningandLandscapeArchitecture,XuchangUniversity,Xuchang461000,China)

Abstract:This study analyzes the magnetic susceptibility of soils collected from different function areas(traffic area, commercial area, and industrial area) in Xuchang city. The results show that the range and average value of magnetic susceptibility of soils from different areas are different. Magnetic susceptibility vertical distribution shows a decreasing trend from top to bottom but the specific characteristics of different profiles are different, which shows that human activities mainly affect the surface soil, and the depth of the effect of human activities on the soil can reach as far as 60cm. The ranking of contaminated level is industrial areas﹥traffic area﹥commercial area.

Key words:soil; magnetic susceptibility; vertical characteristics

责任编辑：卫世乾

中图分类号：K903

文献标识码：A

文章编号：1671-9824(2015)02-0122-03

作者简介：闫慧(1980—)，男，内蒙古呼伦贝尔人，副教授，博士，研究方向：环境污染与气候变化.

基金项目：河南省高等学校青年骨干教师项目 (2013GGJS-167)，许昌市科技局项目(3009)资助

收稿日期：2013-12-03