林地和旱地磁性特征对比研究

赵国永，韩 艳，张 帅，张荣磊，乔 强，孟嘉宁

(信阳师范学院 a. 地理科学学院/河南省水土环境污染协同防治重点实验室；b. 信阳市气候与环境演变重点实验室，河南 信阳 464000)

0 引言

随着工业化和城镇化发展，人类活动改造地球表层能力愈来愈强，人类产生的污染物最终进入大气、土壤、水体等，通过研究污染物附着载体，可以反演污染程度、污染空间分布、污染物来源和健康风险评估等[1-5]。目前，常用研究手段包括元素地球化学、环境磁学、扫描电镜等。其中，环境磁学是一门新兴的学科，介于地球科学、环境科学和磁学之间的边缘学科[6]。相较于元素地球化学和扫描电镜手段，环境磁学具有测量简便、快捷、低廉、对样品无破坏性等优势，同时可以进行大批量样品分析，所以近些年该方法广泛应用于环境污染研究。

研究表明，工业生产(如化石燃料燃烧、金属冶炼、机械制造等)和交通运输产生的污染物富含磁性颗粒，它们以不同方式汇入城市表土、街道灰尘、大气降尘、树叶滞尘、河道沉积物等[7-10]，而这些介质的磁性特征不同于土壤自然发育所具备磁性特征。具体来讲，1)人类活动产生磁性矿物磁畴较粗，为粗的假单畴和多畴(>10 μm)[11-13]，土壤成壤过程中产生磁颗粒较细小(超顺磁和稳定单畴，～20 nm)。2)这些介质(受人类活动影响)的主要载体矿物为磁铁矿[1, 4-5, 13]，而自然状态下发育的土壤主要载磁矿物为：磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿和针铁矿[4]。3)这些介质(受人类活动影响)的亚铁磁性矿物含量较高，磁化率可达10 000×10-8～20 000×10-8m3/kg[10]，而自然状态下发育土壤磁化率最大仅为350×10-8m3/kg。因此，环境磁学手段可以有效监测环境污染。同时，结合地理信息技术(ArcGIS)，可以确定污染空间分布特征[4-5, 8-9]；结合城市功能区划分，分析污染物来源[4, 9-10]；将环境磁学与元素地球化学手段相结合，可以建立重金属污染的环境磁学诊断模型[9, 14]，从而快速判断某一地区污染水平和等级。但是，目前学者研究主要集中于城市，而对乡村的土壤关注较少。

本文拟选取驻马店市泌阳县某一农业区两种不同的土地利用类型(退耕还林后林地和旱地)为研究对象，探讨不同土地利用类型磁性特征及其环境意义，为以后利用环境磁学手段监测农田土壤污染提供依据。

1 研究区概况

河南省驻马店市位于河南中南部、我国第三级阶梯上，横跨南阳盆地东部边缘和淮北平原，处于北亚热带向暖温带的过渡地带。泌阳县位于驻马店西南部(图1)，介于32°34′-33°09′N、113°34′-113°48′E之间，总面积约为2335 km2。其气候类型为暖温带季风气候，四季分明，多年平均气温为14.6 ℃，多年平均降水量为960 mm，降水量主要集中于夏季。

2 采样和实验方法

通过对驻马店泌阳县土地利用类型实地考察，发现该区域土壤类型为粗骨土。选取平坦区域(32°59′34″，113°8′55″，H=140 m)且紧邻的两种不同土地利用类型(旱地(HD)和林地(LD))进行样品采集，以排除气候、母质和地形对土壤磁性的影响。选取的林地是由耕地“退耕还林”后形成(～ 20 a)。自地表向下垂直挖掘，旱地剖面厚46 cm、林地剖面厚48 cm，均以2 cm间隔进行样品采集，共采集47个样品。首先，去除样品中较大的石块、杂草以及树枝等杂质，在实验室低温(40 ℃)干燥；然后，过180目尼龙筛，使用陶瓷研钵轻轻研磨；最后，称量研磨后粉末7.0 g装入专用的无磁塑料盒并用胶带封紧，以备磁学指标测量。

采用Bartington MS2型磁化率仪测量高(4.7 kHz)、低频(0.47 kHz)磁化率(χ)，计算百分比频率磁化率(χfd% =(χlf-χhf)/χlf×100%)。一般情况下，χ反映样品中亚铁磁性矿物的富集程度[13]；χfd%主要反映样品中超顺磁(SP)亚铁磁性颗粒相对含量[13]。研究表明[6]，当χfd% < 2%时，说明样品中基本不含SP亚铁磁性颗粒；χfd%介于2%～10%之间，说明样品中SP亚铁磁性颗粒含量较高但不占主导地位；当χfd% >10%时，说明样品中含有大量SP亚铁磁性颗粒。

图1 研究区位置示意图Fig. 1 Sketch map of the location of the study area

采用D-2000型交变退磁仪和JR-6A旋转磁力仪测量非磁滞剩余磁化强度(ARM)，使用最大交流场为100 mT，外加直流场为0.05 mT，然后计算非磁滞剩磁磁化率(χARM=ARM/磁场强度)。χARM对较细的(稳定单畴(SSD)和细的假单畴(PSD))亚铁磁性矿物颗粒敏感，与该粒级的亚铁磁性矿物含量密切相关[15]。

采用IM-10-30脉冲磁力仪和JR-6A旋转磁力仪测量正、反向场不同场强下(1000 mT、300 mT、-20 mT、-30 mT、-40 mT、-60 mT、-80 mT、-100 mT、-300 mT)等温剩余磁化强度(IRM)，然后计算饱和等温剩磁(外加磁场为1000 mT时等温剩磁)、软剩磁(SOFT=(SIRM-IRM-20 mT)/2)、硬剩磁(HIRM=(SIRM-IRM-300 mT)/2)、S-0.3T=-IRM-0.3T/SIRM以及剩磁矫顽力(Bcr，由IRM-x mT线性内插求得)等磁学参数。S-0.3T和Bcr主要反映高矫顽力磁性矿物(如赤铁矿)和低矫顽力磁性矿物(如磁铁矿和磁赤铁矿)的相对含量。若亚铁磁性矿物占主导，S-0.3T值愈接近1，Bcr获得相对低值；高矫顽力的磁性矿物含量增加，S-0.3T值降低而Bcr值升高[15]。HIRM主要反映样品中高矫顽力磁性矿物含量。SOFT主要反映样品中亚铁磁性矿物含量，可以粗略地指示低矫顽力亚铁磁性矿物的贡献，且基本不受不完全反铁磁性矿物的影响。非磁滞剩磁磁化率与磁化率的比值(χARM/χ)和非磁滞剩磁磁化率与饱和等温剩磁比值(χARM/SIRM)主要反映样品中磁性颗粒物的大小，如果两个比值均较大，说明样品中亚铁磁性矿物磁畴较细(SSD和细的PSD)，反之样品中所含亚铁磁性矿物磁畴较粗[15]。

以上实验均在信阳市气候变化与环境演变重点实验室完成。

3 结果与分析

3.1 统计分析

χ、SIRM、HIRM、SOFT、S-0.3T和Bcr等参数与磁性矿物含量密切相关。相较于林地，旱地χ、SIRM和SOFT最小值、均值和最大值均较高(表1)，说明旱地亚铁磁性矿含量较高。相较于旱地和林地SIRM，两者HIRM数值(最小值、均值和最大值)均较小(表1)，说明其硬磁性矿物绝对含量较低。旱地和林地S-0.3T数值(最小值、均值和最大值)相近且接近于1(表1)，说明旱地和林地主要载磁矿物为低矫顽力亚铁磁性矿物。此外，旱地和林地SOFT与SIRM呈显著正相关(图2)，同样证明两剖面主要载磁矿物为低矫顽力亚铁磁性矿物。相较于林地，旱地Bcr数值(最小值、均值和最大值)均较小(表1)，说明旱地亚铁磁性矿物含量较高，或者说林地硬磁性矿物相对含量较低，其结果与χ、SIRM和SOFT分析结果相一致。

表1 旱地和林地剖面磁学参数统计结果Tab. 1 Statisticalresult of the magnetic parameters from woodland and dryland

χfd%、χARM、χARM/χ、χARM/SIRM等参数与磁性矿物磁畴大小密切相关。从表1中可以看出，旱地和林地4个参数的均值接近，说明两剖面中磁性矿物磁畴差异不大。通常，Dearing图和King图可以估算样品中磁畴大小。Dearing图定义稳定单畴(SSD)和超顺磁(SP)的临界值为0.02 ～0.03 μm；细的稳定单畴(fine SSD)颗粒介于0.03～0.04 μm之间；粗的稳定单畴(coarse SSD)和混合颗粒介于0.04～1000 μm之间；多畴(MD)和假单畴(PSD)为大于1000 μm的磁性矿物颗粒。从Dearing图可以看出(图3a)，旱地和林地样品基本重合，均位于粗的稳定单畴向多畴和假单畴过渡区，说明两剖面磁畴接近。相较于自然状态下发育土壤磁畴(超顺磁和稳定单畴)[4]，说明泌阳旱地和林地磁畴均较粗。此外，两剖面多数样品的χfd%值介于4%～8%之间，说明两剖面含一定量超顺磁颗粒，意味着两剖面均经历一定程度的土壤发育。所以，旱地和林地磁性矿物为混合型磁颗粒，说明其磁性矿物来源受自然因素和人为因素(耕种)共同影响。

图2 旱地和林地SIRM和SOFT散点图Fig. 2 Bivariate plot of SIRM versus SOFT of woodland and dryland

King图结果显示，旱地和林地磁性矿物磁畴主要介于0.2～1.0 μm之间(图3b)。相较于自然状态下发育的土壤磁畴(<0.1 μm)[4]，泌阳林地和旱地磁畴较粗，与Dearing图分析结果相一致。

图3 旱地和林地Dearing图(a)和King图(b)Fig. 3 Dearing plot (a) and King plot (b) of woodland and dryland

由前面分析可知，泌阳旱地和林地主要载磁矿物为亚铁磁性矿物，同时含有少量的硬磁性矿物。相较于林地，旱地亚铁磁性矿物含量较高。两剖面磁畴较接近且较粗(粗的稳定单畴向多畴和假单畴过渡)，同时根据两者χfd%数值，认为旱地和林地磁性矿物来源混合了自然源和人为源。

研究区地势平坦且两剖面相邻，保证了气候、母质和地形等成土要素的一致性，排除三种要素对成土发育的影响。对于两种不同的土地利用类型(旱地和林地)，生物因素可能对其磁性特征变化产生影响。林地由耕地退耕还林而来，转化时间约20年。由两剖面磁性变化特征可知，经过20 a发展，林地和旱地磁性特征不存在显著差异，说明退耕还林后的林地土壤保留之前耕种的磁性特征，即退耕还林后林地原本磁性特征(受耕种影响)未被20年的土壤自然发育过程所改造。

3.2 垂向变化

垂直方向上，根据旱地磁性参数变化，将其划分为3个单元：30～38 cm，χ、SIRM、SOFT和S-0.3T获得相对高值、Bcr获得相对低值(图4a)，说明该层亚铁磁性矿物含量相对较高；0～30 cm和38～46 cm，χ、SIRM、SOFT和S-0.3T获得相对低值、Bcr获得相对高值(图4a)，说明这两段亚铁磁性矿物含量相对较低。30～38 cm，旱地高亚铁磁性矿物含量，可能与处于犁底层之下，亚铁磁性矿物相对富集有关。林地垂直方向上，根据磁性参数变化，将其划分为2个单元：0～30 cm，χ、SIRM、SOFT和S-0.3T获得相对高值、Bcr获得相对低值(图4b)，说明该层亚铁磁性矿物含量相对较高；30～48 cm，χ、SIRM、SOFT和S-0.3T获得相对低值、Bcr获得相对高值(图4b)，说明该层亚铁磁性矿物含量相对较低。

图4 旱地(HD)和林地(LD)常温磁学参数变化曲线Fig. 4 Variation of the room temperature magnetic parameters from dryland (a) and woodland (b)

从图4中可以看出，旱地剖面38 cm以下和林地剖面30 cm以下亚铁磁性矿物含量急剧降低，据野外观察该界限以下为母质层，即该层基本不受人类活动的影响。由前文分析可知，相较于林地，旱地亚铁磁性矿物含量较高，说明人类活动增加了旱地亚铁磁性矿物含量。同时，从另外一方面说明人类活动(翻耕)促使磁性矿物向下迁移。因此，磁学手段可以有效地识别人类活动对磁性矿物迁移深度的影响。

4 结论

通过对驻马店市泌阳县林地和旱地土壤剖面磁性特征的研究，得出以下主要结论：退耕还林后林地，虽然经过20年自然状态发育，但是其磁性特征(磁性矿物含量和磁畴)与持续处于耕种状态下旱地磁性特征类似，说明退耕还林后林地原本的磁性特征，未被短时间(～ 20 a)内土壤自然发育过程所改造。本文初步探讨了人为改造后磁性特征变化与自然状态下土壤发育时间之间关系，目前还不清楚具体的时间关系，需要进一步研究。林地(退耕还林后)和旱地的磁性特征虽差异较小，但仍存在。旱地磁性矿物受人为影响显著，以致其亚铁磁性矿物含量高和磁性矿物迁移深度增加。