采样间隔对城市表土剖面磁化率变化的影响

陈 明,刘 亮

(南京林业大学林草学院、水土保持学院,南方现代林业协同创新中心, 江苏省水土保持与生态修复重点实验室, 江苏 南京 210037)

土壤是生态环境的重要组成部分,随着工农业现代化进程的不断加快,城市土壤中易滞留、难降解的重金属污染物,经生物链转移,最终影响人类自身健康[1-2],对城市的健康发展有重要意义。经城市生产建设及交通产生的重金属污染物,易通过大气沉降至土壤表层形成持续累积[3],在城市及周边天然林和半天然林中均已发现这些污染。同时,在靠近交通枢纽和工业区周边的林地中,土壤重金属污染的区域更加密集,许多地区铅、铜、砷和镉等污染形势严峻,已产生潜在危害[4]。因此,城市林地已成为土壤重金属污染研究重点关注的区域之一。

人类生产建设活动向大气中释放大量磁性颗粒物,并通过大气沉降在表层土壤中形成磁性异常累积[5]。化石燃料燃烧和汽车排放的尾气中包含的金属元素多与铁锰氧化物有关。对土壤氧化铁的研究表明,重金属元素通过表面吸附(氧化铁矿物对Cu、Zn、Pb、Zn等的吸附)和同晶替换(重金属元素进入氧化铁矿物晶格结构中,与氧化铁矿物共存)作用与磁性矿物发生反应。因此磁性参数能通过反应氧化铁矿物类型、浓度和颗粒特征来指示重金属元素含量,从而指示城市土壤重金属污染情况。其中应用最广泛的土壤磁性指标是磁化率,土壤磁化率是指土壤样品在外加磁场中产生的磁化强度与外加磁场强度的比值,其大小不仅能反映土壤中磁性矿物的多少,还对外源性磁性物质浓度有明确的指示意义[7],在一定的环境条件下被用作检测重金属元素含量的代用指标[8]。与传统地球化学分析方法相比,土壤磁化率的测量具有简便、快捷、高效、对样品无破坏等特点。已有多项研究报道了土壤磁化率值与重金属元素之间的相关性[5, 9-10]。如在波兰南部发现工业区周边森林土壤中测量到的磁化率数值与重金属元素浓度之间有很高相关性[11-13];旺罗等[14]对现代典型的3种污染物(钢铁灰渣、汽车尾气黑灰、煤灰)污染的土壤以及无污染的黄土样品进行磁化率实验,发现污染土壤和无污染土壤具有明显不同的磁化率特征,并论证了磁学方法对土壤污染的指示意义;陈轶楠等[15]在钢厂周边土壤中发现,土壤重金属元素含量和磁化率在水平和垂直方向的分布规律在一定范围内显著相关。因此在土壤重金属污染研究中,磁学方法具有重要的研究和应用价值。国内外研究多采用表土混合样品,设置的剖面深度和采样间隔均较大[16]。本研究对2006—2020年间发表的土壤磁学与重金属污染相关研究文献[4, 6, 16-39]进行分析,发现现有研究中采样间隔多为2、5、10、15、20 cm。

统计可知,有56%的研究以10、20或30 cm深度的表土混合样为试验对象,另有28%的研究以2或5 cm表土为研究对象。随着采样深度的不断增加,研究中设置的采样间隔往往较大,深度选择多凭经验。有部分学者在研究方案中选择了较精细的采样间隔,赵庆磊等[16]在金华城区表土剖面磁化率变化规律的研究中以1和5 cm两种间隔采集土样,Magiera等[25]在波兰南部不同污染源土壤磁化率的空间变化研究中,以1 cm的间隔采集土样,Górka-Kostrubiec等[22]在欧洲黑钙土发育的磁性指标研究中以10 cm的采样间隔采集土样等;这些表明学者们已经关注采样间隔对实验结果的影响,但系统性的研究尚鲜见报道。为此,本研究以土壤磁化率为主要指标,开展不同采样间隔下的表土磁化率剖面分布特征的对比研究,旨在探明城市土壤重金属污染研究中表土采样精度对实验结果的影响,以期为城市土壤质量研究及其评价方法提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选择江苏省南京市(118°22′～119°14′E,31°14′～32°37′N)自然发育和人为扰动两种样地进行对比研究。南京市是中国东部地区重要城市之一,是长三角地区第二大城市;地属北亚热带季风气候区,年平均气温16℃左右,年平均降水量1 106 mm,林木覆盖率31.9%。南京市发展历史悠久,随着工业和城市化的发展,逐渐成为了交通和工业的枢纽性地区。因此,在城市发展的过程中不可避免地产生了土壤重金属污染问题。另选择南京林业大学下蜀实习林场(119°13′E,32°70′N)为城郊林地,该地3.3 km2、森林覆盖率超过90%,光照充足、水源丰富。

本研究共选择了4个典型样地:城郊林地(SF.119.224°E,32.125°N)、城内林地(UF.118.826°E,32.086°N)、未扰动(UDG.119.223°E,32.112°N)和扰动道路绿化带(DG.119.223°E,32.112°N)。未扰动时长分别为250 a、≥30 a、≥8 a及2～3月。其中,未扰动道路绿化带与扰动道路绿化带样地相距5 m。

1.2 土样采集

研究区主要土壤类型为黄棕壤[40],整体土柱表层0～2 cm为黑灰色沉积物组成,颜色最深。2 cm以下部分的颜色随深度变化逐渐向土黄色转变[41]。其中,城内林地位于交通环岛附近,周边建筑工地较多,土壤重金属污染形势严峻。城郊林地位于南京林业大学实习林场,受人为扰动较少且土壤发育自然。根据野外磁化率探头测定结果,4个样地磁化率受不同程度污染。道路绿化带样地则位于车流量较小地段,受交通和人为扰动影响程度为正常水平,野外探头磁化率结果评估为轻度污染。

选择完整地表进行样品采集,以保证表土磁性物质自然沉积。土样采集工具为土钻,每个样地以边长为1 m的三角形顶点为取样点,共选择3个取样点收集土壤剖面样品。每个取样点在20 cm范围内取5个土柱(图1a),共计获得60个土柱。运回室内后,分别以2、5、10、15、30 cm深度间隔对土柱进行分割,以符合预设的采样精度(图1b)。共计有效分层样品共332个,其中城内林地土样采集于2020年10月,城郊林地和道路绿化带土样采集于2021年4月。

1.3 土样预处理与磁化率测算

样品在室内自然风干,挑出杂质后研磨过孔径0.25 mm筛后混匀。实验时称取10 g左右土壤样品,采用英国Bartington MS2型双频磁化率仪测定在低频(0.47 kHz)和高频磁场(4.7 kHz)下的体积磁化率klf和khf值。

低频质量磁化率(χlf)和高频质量磁化率(χhf)通过klf和khf计算获得:

(1)

图1 野外土柱取样方法Fig. 1 Outdoor soil core sampling method

(2)

式中:klf,a1和klf,a2分别为klf测定前、后的空测值,khf,a1和khf,a2分别为khf测定前、后的空测值。

百分比频率磁化率(χfd)的计算公式为:

χfd=(χlf-χhf)/χlf×100%。

(3)

1.4 数据分析方法

实验所测数据用Excel进行统计,用Origin进行图表分析。

2 结果与分析

2.1 不同样地表土磁化率表现

对实验结果剔除缺失值后进行基本统计分析。结果表明(表1),4个样地表土磁化率计算结果均符合土壤质量磁化率按比例大于高频质量磁化率的一般规律[42]。

表1 表土(0～30 cm)磁化率数据统计

土壤低频质量磁化率变幅和均值反映了表层磁性物质的累积程度。变异系数和标准差则反映数值波动的幅度。土壤质量磁化率均值大小为城内林地>扰动道路绿化带>未扰动道路绿化带>城郊林地;百分比频率磁化率均值为城郊林地>未扰动绿化带>扰动绿化带>城内林地。样地受人为扰动越剧烈,或越靠近污染源则土壤质量磁化率数值越高。受成土作用和人为因素的双重影响,4个样地变异系数差别较大,土壤磁化率在空间上离散程度较大。城内林地的土壤土质黏结,淋溶作用弱,且土壤磁化率值的波动幅度较大,可能存在表土磁性物质富集。城郊林场和未扰动道路绿化带受人为扰动相对较少,表土磁性物质自然累积,土壤磁化率数值波动较小,这可能与该样地土质松散、含水量较低有关。

使用QTS25质构仪测量四组样品的质构，以T型探头(p/5)压缩肉干高度的50%时所感应的受力测定肉的硬度、咀嚼性、内聚性和粘聚性，重复3次，取各自平均值，进行显著性分析。测试相关参数为：测前速度2.0mm/s，测中速度1.0mm/s，测后速度2.0mm/s，两次下压间隔时间5.0s。

旺罗等[14]等认为当一个区域质量磁化率大于100×10-8m3/kg时可以划分为污染区;质量磁化率越高,频率磁化率越小则污染越严重。因此,从质量磁化率看,城郊林地和道路绿化带存在不同程度的污染。卢升高等[43]认为,土壤中χfd=5%是超顺磁性颗粒存在与否的临界值;若χfd<3%则表明人为影响或地质扰动是表土磁性异常累积的主要因素。因此,从本研究中城郊林地表土χfd的最小值和均值都大于5%,意味着该样地表土中含有极细(<0.02 μm)超顺磁性或原生磁性颗粒,成土作用是磁性矿物的主要来源。道路交通产生大量汽车尾气,及各种扬尘经过大气沉降首先在附近土壤中形成持续累积。城内林地土壤因受周边生产建设和环岛交通影响较大,质量磁化率平均值为523.6×10-8m3/kg,且变幅较大;百分比频率磁化率均值小于1%。进一步指示该样地可能是的潜在重金属污染样地。

扰动道路绿化带土壤磁化率均在向污染土壤磁化率特征发展。扰动与未扰动道路绿化带土壤质量磁化率最小值相近,但人为扰动导致了其最大值和均值的增加。相反的,扰动与未扰动道路绿化带土壤频率磁化率最大值相近,人为扰动导致其最小值和均值减小。除了受人为扰动的影响,与污染源的距离也是影响表土磁化率的主要因素之一。扰动道路绿化带因离路边的距离更近,表土质量磁化率值相对更高;随着从道路中心向两侧距离增加,表土磁化率值逐渐降低。

各样地土壤分层样品数量随磁化率分布如图2。当χlf在平均值附近时,土壤分层样品数量最多;随着磁化率值的增加而数量逐渐减少。表明土壤样品分层后,扰动因素可能不影响样品数量在质量磁化率中的分布。自然发育或未扰动土壤(SF和UDG)的质量磁化率偏向于集中在数值较小的区域,表明成土作用是该地磁性物质的主要来源。

图2 各样地土壤分层样品数量随磁化率的分布Fig. 2 Frequency histogram of soil magnetic susceptibility based on the number of soil samples

土壤百分比频率磁化率一般在0～15%。其中,城内林地UF分层土样主要分布在百分比频率磁化率0～1%区间内,与土壤质量磁化率对应指示该地可能是典型土壤重金属污染样地。相反,SF和UDG的分层样品分布在土壤质量磁化率较小一侧和频率磁化率较大一侧,因此该样区土壤磁性颗粒主要来源于成土作用。与其他3个样地不同,扰动道路绿化带DG分层土样在各区间的分布较均匀,表明该地区的人为翻动导致了土壤混合,各分层频率磁化率因此接近。

各样地土壤质量磁化率和百分比频率磁化率在2 cm采样间隔下呈明显不同的变化特征(图3)。4个样区的土壤质量磁化率大体遵循先增后减和递减两种变化趋势;而百分比频率磁化率呈波动递增的变化趋势。城郊林地SF和未扰动道绿化带林地UDG的质量磁化率变幅较缓,说明土壤受扰动较少。城内林地UF和扰动道路绿化带林地DG质量磁化率存在明显波动,波峰明显。这一现象在频率磁化率中类似,说明人为扰动或土壤结构变化对磁化率值的变化趋势和波动程度有较为明显的影响。

图3 2 cm采样间隔下土壤质量磁化率和百分比频率磁化率变化特征对比Fig. 3 The variation characteristics comparison of soil mass magnetic susceptibility and frequency magnetic susceptibility at 2 cm sampling interval

2.2 不同采样间隔下表土磁化率对比

表层土壤0～30 cm不同采样间隔下的磁化率均值(表2)分析表明,在2、5、10 cm采样间隔下各样地低频质量磁化率与百分比频率磁化率结果一致。当采样间隔为15、30 cm时,磁化率均值产生了明显差异。由于表层土壤磁性物质累积缓慢,因此在磁化率研究中采样精度越高,数据的精度也越高,并且在扰动土壤中这一优势更为明显。

表2 不同采样间隔下的表土(0～30 cm)磁化率平均值

各样地不同采样间隔下的土壤质量磁化率见图4,频率磁化率剖面变化见图5。分析结果表明:土壤扰动的类型、时长、程度对实验结果有明显影响。不同采样精度对土壤中异常磁性变化的捕捉程度不同。城郊林场受人为扰动较少,在15、30 cm采样间隔下土壤质量磁化率均低于100×10-8m3/kg;而2、5、10 cm采样间隔下的土壤质量磁化率峰值均超过了100×10-8m3/kg,且出现的位置不完全相同。这表明采样精度对实验结果中峰值的出现的位置有所影响。

4个样地土壤磁化率的剖面变化特征基本相似(除扰动道路绿化带外),各样地表土质量磁化率剖面方向上大致遵循先增后减的变化特征。受交通运输影响,如轮胎磨损、汽车尾气等,道路两侧绿化带土壤比自然土壤磁性物质沉积更多[33]。人为扰动是土壤磁化率峰值的偏移的影响因素之一。表层土壤质量磁化率峰值指示了铁磁性矿物富集趋势,一般在土壤4～6 cm处形成富集区;结构因素也是土壤磁化率峰值的偏移的影响因素。土壤剖面结构越疏松、含水量越少,短时间内磁性物质沉积速度越快,峰值出现的位置越往下迁移[44]。在采样过程中,城郊林地表层土壤质地较为疏松,城内林地土壤黏结性强、含水量最高。

1、2、3表示3个剖面。下同。1,2,3 represent three profile. The same below.图4 不同采样间隔下土壤质量磁化率剖面变化Fig. 4 Soil mass susceptibility at different sampling intervals

图5 不同采样间隔下频率磁化率剖面变化图Fig. 5 Soil frequency susceptibility profiles at different sampling intervals

土壤百分比频率磁化率分析结果(图5)表明采样间隔对表土χfd剖面变化规律存在明显影响。当χfd>5%时呈波动增加的变化趋势。在城郊林地SF的剖面趋势中,15、30 cm采样间隔下未能表现土壤百分比频率磁化率的剖面变化特征;10 cm采样间隔呈单调增加趋势,2与5 cm采样间隔下剖面变化一致,但2 cm剖面变化特征更明显,实验精度更高。在未扰动道路绿化带林地中,10、15 cm采样间隔呈单调增趋势;30 cm采样间隔未能呈现剖面变化特征;2与5 cm采样间隔下剖面变化一致,2 cm采样间隔下实验精度更高。在扰动道路绿化带中,由于土壤翻动,采样间隔越精细,实验结果越准确。相关研究表明,土壤质量磁化率增高到一定程度,频率磁化率越接近污染本身的频率磁化率[14]。在城内林地UF中,当χfd<3%时,15与30 cm采样间隔未能表现其剖面变化特征;2与5 cm采样间隔下,剖面变化特征不完全吻合。因此当土壤质量磁化率增高到一定程度时,提高采样精度不能保证土壤百分比频率磁化率剖面变化规律的准确性。

综上所述,未扰动道路绿化带土壤的剖面UDG磁化率变化特征与林地相似,而翻动的土壤DG磁化率呈现波动变化和波峰波谷明显的特征。因此,在城市林地土壤的研究中,应当选择较精细的采样间隔。在质量磁化率视角下,尤其是0～7 cm区间采样间隔的提升对表土磁化率实验结果的准确度有明显提升,对各区间的高值获取更准确。

在百分比频率磁化率视角下,当土壤质量磁化率提高到一定程度时,百分比频率磁化率呈现复杂的变化特征,整体趋势为随深度增加到一定程度后减小。

2.3 表土采样策略分析

大气沉降与表土累积是一个以年为单位的过程。在城市发展迅速的背景下,表层土壤更能反映磁性颗粒和重金属污染的信息。因此,借助土壤磁学技术对城市地区土壤剖面进行精细的分层研究有重要意义。研究结果表明,越精细的采样间隔时,越能捕捉土壤磁化率的剖面变化特征,但同时也增加了工作量(表3)。

表3 不同采样间隔下0～30 cm土壤层的人工采样耗时

即使利用土壤磁学技术仍需花费大量人工与时间成本。合理采样深度和间隔的设置需结合土壤沉积作用、地形梯度、动植物等结构要素[45]。例如,在自然表土开展实验时,宜尽量采取精细的采样间隔。这是由于土壤中磁性矿物与重金属元素累积过程持续且稳定。当遇上土质黏结或石层较多的改造林地时,则应适当提高采样间隔。在农耕地开展实验时,则应设置30 cm以上采样深度,这是由于长期耕翻导致了表土扰动一般超过30 cm的深度。结合本研究的结果给出土壤磁化率研究中可供参考的采样策略见表4。

表4 表土采样策略建议

3 结 论

1)人为扰动对土壤磁化率分布影响明显。本研究区4个样地中表土质量磁化率均值大小依次为城内林地>扰动道路绿化带>未扰动道路绿化带>城郊林地;百分比频率磁化率均值依次为城郊林地>未扰动绿化带>扰动绿化带>城内林地。土壤磁化率的分布与各样地受人为干扰和污染的程度对应。

2)扰动与未扰动道路绿化带表土剖面磁化率的值与累积趋势相似,但剖面特征存在明显差异。未扰动道路绿化带表土磁性物质累积稳定,剖面特征与自然发育土壤相似。扰动道路绿化带土壤质量磁化率的剖面特征呈无规律特征,百分比频率磁化率呈增波动增的趋势。

3)4个样地表土磁化率的剖面变化遵循先增后减的趋势,部分剖面在25～30 cm有再度增加的趋势。枯枝落叶层χlf较小,峰值出现在不同区间。城郊林地χlf峰值在5 cm深度左右,城内林地峰值在7 cm左右。从7 cm往下,随颜色的变浅,土壤磁化率逐渐降低。城内林地采样间隔>15 cm时未能表现土壤磁化率的剖面变化特征。

4)与30 cm表土混合样品相比,精细的采样间隔有利于获取城市林地土壤磁化率的精确变化特征。有效地揭示不同样地剖面间的细微差异,及污染物溯源工作。表土磁化率研究中,应结合土壤状况,选择更精细的采样间隔。