劉紅斌

（山西省長治市武鄉(xiāng)縣環(huán)境監(jiān)測站， 山西 武鄉(xiāng) 046300）

在我國社會發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的進(jìn)程中，城市環(huán)境質(zhì)量也不斷遭受到不同污染的侵襲，尤其遺留下大量重金屬污染場地，這些重金屬污染元素包括毒性及危害性較大的Hg、Cd、Pd 等，因此亟需進(jìn)行監(jiān)測、評估與治理[1]。環(huán)境監(jiān)測是確定環(huán)境質(zhì)量或污染程度及其變化趨勢的方法，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測是開展一切環(huán)境工作的前提。然而，對重金屬污染監(jiān)測而言，單純采用化學(xué)方法具有一定局限性，難以快速監(jiān)測出重金屬污染的狀況[2]。環(huán)境磁學(xué)是利用古地磁學(xué)和巖石磁學(xué)的技術(shù)與方法，去研究巖石磁性與環(huán)境變化的關(guān)系的一門新興的邊緣學(xué)科。目前，環(huán)境磁學(xué)方法以其簡便、快捷、經(jīng)濟(jì)、無害以及靈敏、信息大（包括磁性礦物的種類、含量、粒度等）等特點，在城市重金屬污染研究中廣為應(yīng)用[3]。本文主要通過文獻(xiàn)調(diào)研，綜述環(huán)境磁學(xué)對重金屬污染監(jiān)測中的應(yīng)用與研究進(jìn)展，探討環(huán)境磁學(xué)方法對重金屬污染監(jiān)測研究中的發(fā)展趨勢。

1 地表重金屬的主要來源

工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，為人類生活帶來極大便利的同時，也加劇了城市土壤中重金屬污染的惡化程度。具體而言，城市地表重金屬來源復(fù)雜多樣，主要分為自然源和人為源。其中，人為源相對比較復(fù)雜，是導(dǎo)致地表重金屬暴露的重要原因。據(jù)大量研究表明，地表重金屬的主要來源如圖1 所示[4]。

同時，有研究發(fā)現(xiàn)，地表中的Mn、V、Ni 等重金屬大多屬于自然源；Cu、Pb、Zn 主要源于汽車交通污染，Zn 主要來源于汽車輪胎磨損所產(chǎn)生的粉塵，Cu、Pb 主要來自于尾氣[5]。

圖1 地表重金屬的主要來源

2 環(huán)境磁學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展

城市土壤質(zhì)量退化會對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅，探究城市土壤污染程度及其潛在的毒性金屬來源至關(guān)重要。環(huán)境磁學(xué)是基于磁化率和巖石磁參數(shù)變化的研究方法，研究發(fā)現(xiàn)，人類活動會釋放出大量強烈的磁性顆粒，且其與重金屬之間存在較好的相關(guān)性，同時人類活動產(chǎn)生的磁性粒子可能包含其起源信息，因此可以利用磁測量來追蹤磁性顆粒的目標(biāo)點，進(jìn)行監(jiān)測大規(guī)模污染及識別工業(yè)污染來源類型[5]。此外，磁性測量具有簡單、快速、成本低、無破壞性，可替代相對復(fù)雜、耗時、昂貴的傳統(tǒng)地球化學(xué)方法。近十多年來，作為一種適合的替代技術(shù)，環(huán)境磁學(xué)監(jiān)測重金屬污染在應(yīng)用方面取得了成功，在環(huán)境污染監(jiān)測、污染源判斷等方面得到廣泛應(yīng)用。如，工業(yè)冶煉粉塵、飛灰等中含有較大量的鐵，呈現(xiàn)的磁性較高，這些粉塵積累導(dǎo)致土壤表面磁化率顯著增強；磁測特別適宜大范圍污染快速監(jiān)測，判斷污染分布和程度；磁測對PM2.5 十分敏感，可以實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)快速監(jiān)測大氣污染；在小范圍場地中，磁測適宜現(xiàn)場原位判斷污染區(qū)域和水平等[6]。

3 環(huán)境磁學(xué)監(jiān)測重金屬污染的理論基礎(chǔ)

冶金、煤炭燃燒等在作業(yè)過程中均會產(chǎn)生細(xì)小磁性顆粒物質(zhì)，道路交通活動也會釋放出大量重金屬和強磁性的含鐵粒子。磁性顆粒物質(zhì)通常與重金屬具有一定關(guān)系，而不同來源的工業(yè)粉塵具有不同的磁特征，由于磁測的敏感性，即使微量磁顆粒的存在，磁測量也可以容易的檢測到，因此磁測量可以監(jiān)測其他化學(xué)方法監(jiān)測限以下的濃度，為監(jiān)測重金屬污染水平和判斷其來源提供幫助[7]。

各種工業(yè)排放污染物的分析證明，各種工業(yè)和人類活動排放的重金屬與磁性顆粒同時排放，如燃燒產(chǎn)生的磁性顆粒含有高濃度重金屬，即磁性顆粒是重金屬的強吸附劑和載體。環(huán)境磁學(xué)監(jiān)測重金屬污染就是建立在磁性顆粒是重金屬的吸附劑和載體的基礎(chǔ)上，利用磁性與污染物濃度關(guān)系，可以定量監(jiān)測重金屬污染狀況，因此磁顆粒可作為評估重金屬污染的替代指標(biāo)，根據(jù)二者濃度的定量關(guān)系可定量環(huán)境介質(zhì)中重金屬污染水平[8]。

值得注意的是，雖然大量的研究建立了污染土壤中磁性與重金屬的定量關(guān)系，但是這種關(guān)系是建立在假說基礎(chǔ)上，尚缺乏實驗證明，從分子水平解釋氧化鐵-重金屬離子的化學(xué)健、結(jié)合方式等，闡明重金屬的污染途徑和環(huán)境風(fēng)險，針對性地提出治理途徑，是國內(nèi)外一直致力解決解決的難題之一[9]。

4 土壤和灰塵中重金屬污染的磁學(xué)監(jiān)測

4.1 土壤和灰塵中磁性顆粒與溯源追蹤

作為重金屬污染物載體的磁性顆粒具有形成過程和機制的指紋，因此磁性指紋為追蹤重金屬的環(huán)境行為和去向提供了新途徑。Sapkota et al.，2012 研究顯示，大氣沉降是土壤重金屬污染源之一，鋼鐵廠等污染源大氣粉塵對土壤污染主要發(fā)生在表土5~10 cm 范圍；燃煤電廠排放的球粒狀磁性顆粒在土壤中十分穩(wěn)定，利用磁性顆粒在土壤剖面的垂直移動監(jiān)測可反映污染歷史[10]。

了解污染物在土壤環(huán)境中的行為和歸趨，是有針對性地開展污染治理的前提。人為成因磁性顆粒具有污染源和形成過程的指紋信息，然而土壤中污染成因的磁性顆粒的行為受到許多因素影響，且現(xiàn)有重金屬的歸趨研究多是建立在含量和化學(xué)形態(tài)分析上，因此明確污染成因磁性顆粒在不同條件下的變化和影響因素，利用其與自然環(huán)境中的原生及次生磁性礦物存在的顯著差異，以及磁測技術(shù)監(jiān)測污染物在土壤中的行為和歸趨，建立利用磁性指紋監(jiān)測重金屬污染過程和歸趨的磁示蹤技術(shù)，反映重金屬在土壤剖面中的遷移情況和污染歷史等信息，對闡明各種工業(yè)和人為活動污染有獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用價值，有利于針對性地提出污染阻控和治理的途徑[11]。

4.2 土壤和灰塵中磁學(xué)特性與重金屬的定量關(guān)系

近年來，國內(nèi)外都試圖解決磁性與重金屬含量定量關(guān)系的關(guān)鍵問題，同時通過分離各種污染土壤和污染物中的磁性顆粒，證明了污染土壤中磁性顆粒對重金屬的富集作用[11]。在磁性載體鑒別方面，環(huán)境磁學(xué)是表征氧化鐵、硫化鐵或碳酸鐵等晶格中Fe2+和Fe3+化學(xué)變化的重要手段，在物質(zhì)來源追蹤、環(huán)境污染等領(lǐng)域發(fā)揮了積極作用；掃描電鏡-能譜技術(shù)是磁性礦物組成和形態(tài)研究的主要技術(shù)，且具有操作簡單、分析速度快以及結(jié)果直觀等特點，可提供磁性顆粒的來源和形成過程等信息，為土壤中重金屬污染監(jiān)測與分析提供有力的基礎(chǔ)資料[12]。此外，有許多方法用于土壤中磁性礦物鑒別，如XRD、化學(xué)選擇性溶解等，然而這些方法仍存在一定的缺陷，無法提供不同磁性礦物-重金屬相互作用機制的信息[10]。

現(xiàn)代高空間分辨率的顯微技術(shù)和高能高強度光譜技術(shù)的結(jié)合，使建立單個顆粒的重金屬指紋圖譜成為可能，解決了基于總體樣品分析方法的可信度減弱的問題。大氣污染研究中，同步輻射X-射線熒光分析（μ-XRF）已應(yīng)用于PM2.5 的元素分析；軟X射線磁圓二色（XMCD）技術(shù)是表征和深入研究磁性特性的重要技術(shù)手段；同步輻射X 射線吸收結(jié)構(gòu)譜（XAS）技術(shù)在分子水平上給出目標(biāo)元素周圍的局部結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息，成為環(huán)境中固相形態(tài)表征及固-液界面反應(yīng)機制中的新技術(shù)；同步輻射μ-XRF 及XAS 技術(shù)是研究土壤中重金屬形態(tài)的重要手段。但由于測試機時的限制等原因，同步輻射技術(shù)尚未成為環(huán)境土壤學(xué)領(lǐng)域的常規(guī)方法[13]。

4.3 土壤和灰塵中重金屬污染的磁學(xué)監(jiān)測

大量研究證明，各種工業(yè)和人類活動排放的粉塵富含磁性顆粒，受其影響的環(huán)境物質(zhì)如土壤等均表現(xiàn)出顯著的磁性增強現(xiàn)象，能反映土壤污染的形成、空間分布、歷史演變等[14]。同時，由于不同起源的磁性顆粒具有不同的磁信號，根據(jù)不同起源磁性顆粒的含量、礦物種類、粒徑等特征，使得這些磁信號構(gòu)成了有助于污染物溯源的“磁性指紋”。如，利用污染土壤和粉塵的磁性參數(shù)及組合，結(jié)合不同工業(yè)過程排放的磁顆粒的特征，可以鑒別與區(qū)分不同污染成因的磁信息，能較好地區(qū)分磁性顆粒的成因。相關(guān)研究表明，滯塵樹葉、地衣等的磁性與大氣PM 濃度密切相關(guān)；對各種灰塵的定量分析發(fā)現(xiàn)，灰塵的磁信號反映了重金屬的污染范圍、程度以及污染源；不同污染成因的磁顆粒蘊含著磁性起源的指紋信息，如燃煤、鋼鐵、水泥工業(yè)排放的磁顆粒，利用磁性指紋建立污染物磁信息數(shù)據(jù)庫，能有效地進(jìn)行污染溯源、污染范圍與程度監(jiān)測及歷史反演等，為磁測監(jiān)測環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)[15]。當(dāng)前，國內(nèi)外對燃煤、交通、鋼鐵工業(yè)排放的污染物磁信息已通過各種各樣的手段、方法及經(jīng)驗驗證等有了系統(tǒng)研究，需要開展對電子垃圾處理、生物質(zhì)燃燒等產(chǎn)生的污染物磁信息研究，提出不同成因磁顆粒在結(jié)構(gòu)、形態(tài)、濃度及粒徑等上的區(qū)別，以判斷其來源，以針對性地提出污染阻控和治理的途徑[16]。

另外，現(xiàn)有的各種環(huán)境介質(zhì)磁測反映的是一種“靜態(tài)”信息，而污染物在環(huán)境中“動態(tài)”磁信息及變化尚未被認(rèn)識和利用，為此未來可以考慮建立追蹤污染過程和行為的新方法，以進(jìn)一步更準(zhǔn)確全面的為磁測監(jiān)測環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)語

土壤重金屬污染是造成土壤污染的主要原因，已成為威脅人體健康、公共安全和社會穩(wěn)定的重要因素之一。環(huán)境磁學(xué)方法以其簡便、快捷、經(jīng)濟(jì)、無害以及靈敏、信息大（包括磁性礦物的種類、含量、粒度等）等特點，在城市重金屬污染研究中廣為應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的各種環(huán)境介質(zhì)磁測反映的是一種“靜態(tài)”信息，而污染物在環(huán)境中“動態(tài)”磁信息及變化尚未被認(rèn)識和利用，為此未來可以考慮建立追蹤污染過程和行為的新方法，以進(jìn)一步更準(zhǔn)確全面的為磁測監(jiān)測環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)。