趙國永，韓 艷，張 帥，張榮磊，喬 強(qiáng)，孟嘉寧

(信陽師范學(xué)院 a. 地理科學(xué)學(xué)院/河南省水土環(huán)境污染協(xié)同防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 信陽市氣候與環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 信陽 464000)

0 引言

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展，人類活動(dòng)改造地球表層能力愈來愈強(qiáng)，人類產(chǎn)生的污染物最終進(jìn)入大氣、土壤、水體等，通過研究污染物附著載體，可以反演污染程度、污染空間分布、污染物來源和健康風(fēng)險(xiǎn)評估等[1-5]。目前，常用研究手段包括元素地球化學(xué)、環(huán)境磁學(xué)、掃描電鏡等。其中，環(huán)境磁學(xué)是一門新興的學(xué)科，介于地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和磁學(xué)之間的邊緣學(xué)科[6]。相較于元素地球化學(xué)和掃描電鏡手段，環(huán)境磁學(xué)具有測量簡便、快捷、低廉、對樣品無破壞性等優(yōu)勢，同時(shí)可以進(jìn)行大批量樣品分析，所以近些年該方法廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染研究。

研究表明，工業(yè)生產(chǎn)(如化石燃料燃燒、金屬冶煉、機(jī)械制造等)和交通運(yùn)輸產(chǎn)生的污染物富含磁性顆粒，它們以不同方式匯入城市表土、街道灰塵、大氣降塵、樹葉滯塵、河道沉積物等[7-10]，而這些介質(zhì)的磁性特征不同于土壤自然發(fā)育所具備磁性特征。具體來講，1)人類活動(dòng)產(chǎn)生磁性礦物磁疇較粗，為粗的假單疇和多疇(>10 μm)[11-13]，土壤成壤過程中產(chǎn)生磁顆粒較細(xì)小(超順磁和穩(wěn)定單疇，～20 nm)。2)這些介質(zhì)(受人類活動(dòng)影響)的主要載體礦物為磁鐵礦[1, 4-5, 13]，而自然狀態(tài)下發(fā)育的土壤主要載磁礦物為：磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦和針鐵礦[4]。3)這些介質(zhì)(受人類活動(dòng)影響)的亞鐵磁性礦物含量較高，磁化率可達(dá)10 000×10-8～20 000×10-8m3/kg[10]，而自然狀態(tài)下發(fā)育土壤磁化率最大僅為350×10-8m3/kg。因此，環(huán)境磁學(xué)手段可以有效監(jiān)測環(huán)境污染。同時(shí)，結(jié)合地理信息技術(shù)(ArcGIS)，可以確定污染空間分布特征[4-5, 8-9]；結(jié)合城市功能區(qū)劃分，分析污染物來源[4, 9-10]；將環(huán)境磁學(xué)與元素地球化學(xué)手段相結(jié)合，可以建立重金屬污染的環(huán)境磁學(xué)診斷模型[9, 14]，從而快速判斷某一地區(qū)污染水平和等級(jí)。但是，目前學(xué)者研究主要集中于城市，而對鄉(xiāng)村的土壤關(guān)注較少。

本文擬選取駐馬店市泌陽縣某一農(nóng)業(yè)區(qū)兩種不同的土地利用類型(退耕還林后林地和旱地)為研究對象，探討不同土地利用類型磁性特征及其環(huán)境意義，為以后利用環(huán)境磁學(xué)手段監(jiān)測農(nóng)田土壤污染提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省駐馬店市位于河南中南部、我國第三級(jí)階梯上，橫跨南陽盆地東部邊緣和淮北平原，處于北亞熱帶向暖溫帶的過渡地帶。泌陽縣位于駐馬店西南部(圖1)，介于32°34′-33°09′N、113°34′-113°48′E之間，總面積約為2335 km2。其氣候類型為暖溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫為14.6 ℃，多年平均降水量為960 mm，降水量主要集中于夏季。

2 采樣和實(shí)驗(yàn)方法

通過對駐馬店泌陽縣土地利用類型實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域土壤類型為粗骨土。選取平坦區(qū)域(32°59′34″，113°8′55″，H=140 m)且緊鄰的兩種不同土地利用類型(旱地(HD)和林地(LD))進(jìn)行樣品采集，以排除氣候、母質(zhì)和地形對土壤磁性的影響。選取的林地是由耕地“退耕還林”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間隔進(jìn)行樣品采集，共采集47個(gè)樣品。首先，去除樣品中較大的石塊、雜草以及樹枝等雜質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)室低溫(40 ℃)干燥；然后，過180目尼龍篩，使用陶瓷研缽輕輕研磨；最后，稱量研磨后粉末7.0 g裝入專用的無磁塑料盒并用膠帶封緊，以備磁學(xué)指標(biāo)測量。

采用Bartington MS2型磁化率儀測量高(4.7 kHz)、低頻(0.47 kHz)磁化率(χ)，計(jì)算百分比頻率磁化率(χfd% =(χlf-χhf)/χlf×100%)。一般情況下，χ反映樣品中亞鐵磁性礦物的富集程度[13]；χfd%主要反映樣品中超順磁(SP)亞鐵磁性顆粒相對含量[13]。研究表明[6]，當(dāng)χfd% < 2%時(shí)，說明樣品中基本不含SP亞鐵磁性顆粒；χfd%介于2%～10%之間，說明樣品中SP亞鐵磁性顆粒含量較高但不占主導(dǎo)地位；當(dāng)χfd% >10%時(shí)，說明樣品中含有大量SP亞鐵磁性顆粒。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig. 1 Sketch map of the location of the study area

采用D-2000型交變退磁儀和JR-6A旋轉(zhuǎn)磁力儀測量非磁滯剩余磁化強(qiáng)度(ARM)，使用最大交流場為100 mT，外加直流場為0.05 mT，然后計(jì)算非磁滯剩磁磁化率(χARM=ARM/磁場強(qiáng)度)。χARM對較細(xì)的(穩(wěn)定單疇(SSD)和細(xì)的假單疇(PSD))亞鐵磁性礦物顆粒敏感，與該粒級(jí)的亞鐵磁性礦物含量密切相關(guān)[15]。

采用IM-10-30脈沖磁力儀和JR-6A旋轉(zhuǎn)磁力儀測量正、反向場不同場強(qiáng)下(1000 mT、300 mT、-20 mT、-30 mT、-40 mT、-60 mT、-80 mT、-100 mT、-300 mT)等溫剩余磁化強(qiáng)度(IRM)，然后計(jì)算飽和等溫剩磁(外加磁場為1000 mT時(shí)等溫剩磁)、軟剩磁(SOFT=(SIRM-IRM-20 mT)/2)、硬剩磁(HIRM=(SIRM-IRM-300 mT)/2)、S-0.3T=-IRM-0.3T/SIRM以及剩磁矯頑力(Bcr，由IRM-x mT線性內(nèi)插求得)等磁學(xué)參數(shù)。S-0.3T和Bcr主要反映高矯頑力磁性礦物(如赤鐵礦)和低矯頑力磁性礦物(如磁鐵礦和磁赤鐵礦)的相對含量。若亞鐵磁性礦物占主導(dǎo)，S-0.3T值愈接近1，Bcr獲得相對低值；高矯頑力的磁性礦物含量增加，S-0.3T值降低而Bcr值升高[15]。HIRM主要反映樣品中高矯頑力磁性礦物含量。SOFT主要反映樣品中亞鐵磁性礦物含量，可以粗略地指示低矯頑力亞鐵磁性礦物的貢獻(xiàn)，且基本不受不完全反鐵磁性礦物的影響。非磁滯剩磁磁化率與磁化率的比值(χARM/χ)和非磁滯剩磁磁化率與飽和等溫剩磁比值(χARM/SIRM)主要反映樣品中磁性顆粒物的大小，如果兩個(gè)比值均較大，說明樣品中亞鐵磁性礦物磁疇較細(xì)(SSD和細(xì)的PSD)，反之樣品中所含亞鐵磁性礦物磁疇較粗[15]。

以上實(shí)驗(yàn)均在信陽市氣候變化與環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 統(tǒng)計(jì)分析

χ、SIRM、HIRM、SOFT、S-0.3T和Bcr等參數(shù)與磁性礦物含量密切相關(guān)。相較于林地，旱地χ、SIRM和SOFT最小值、均值和最大值均較高(表1)，說明旱地亞鐵磁性礦含量較高。相較于旱地和林地SIRM，兩者HIRM數(shù)值(最小值、均值和最大值)均較小(表1)，說明其硬磁性礦物絕對含量較低。旱地和林地S-0.3T數(shù)值(最小值、均值和最大值)相近且接近于1(表1)，說明旱地和林地主要載磁礦物為低矯頑力亞鐵磁性礦物。此外，旱地和林地SOFT與SIRM呈顯著正相關(guān)(圖2)，同樣證明兩剖面主要載磁礦物為低矯頑力亞鐵磁性礦物。相較于林地，旱地Bcr數(shù)值(最小值、均值和最大值)均較小(表1)，說明旱地亞鐵磁性礦物含量較高，或者說林地硬磁性礦物相對含量較低，其結(jié)果與χ、SIRM和SOFT分析結(jié)果相一致。

表1 旱地和林地剖面磁學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 1 Statisticalresult of the magnetic parameters from woodland and dryland

χfd%、χARM、χARM/χ、χARM/SIRM等參數(shù)與磁性礦物磁疇大小密切相關(guān)。從表1中可以看出，旱地和林地4個(gè)參數(shù)的均值接近，說明兩剖面中磁性礦物磁疇差異不大。通常，Dearing圖和King圖可以估算樣品中磁疇大小。Dearing圖定義穩(wěn)定單疇(SSD)和超順磁(SP)的臨界值為0.02 ～0.03 μm；細(xì)的穩(wěn)定單疇(fine SSD)顆粒介于0.03～0.04 μm之間；粗的穩(wěn)定單疇(coarse SSD)和混合顆粒介于0.04～1000 μm之間；多疇(MD)和假單疇(PSD)為大于1000 μm的磁性礦物顆粒。從Dearing圖可以看出(圖3a)，旱地和林地樣品基本重合，均位于粗的穩(wěn)定單疇向多疇和假單疇過渡區(qū)，說明兩剖面磁疇接近。相較于自然狀態(tài)下發(fā)育土壤磁疇(超順磁和穩(wěn)定單疇)[4]，說明泌陽旱地和林地磁疇均較粗。此外，兩剖面多數(shù)樣品的χfd%值介于4%～8%之間，說明兩剖面含一定量超順磁顆粒，意味著兩剖面均經(jīng)歷一定程度的土壤發(fā)育。所以，旱地和林地磁性礦物為混合型磁顆粒，說明其磁性礦物來源受自然因素和人為因素(耕種)共同影響。

圖2 旱地和林地SIRM和SOFT散點(diǎn)圖Fig. 2 Bivariate plot of SIRM versus SOFT of woodland and dryland

King圖結(jié)果顯示，旱地和林地磁性礦物磁疇主要介于0.2～1.0 μm之間(圖3b)。相較于自然狀態(tài)下發(fā)育的土壤磁疇(<0.1 μm)[4]，泌陽林地和旱地磁疇較粗，與Dearing圖分析結(jié)果相一致。

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

由前面分析可知，泌陽旱地和林地主要載磁礦物為亞鐵磁性礦物，同時(shí)含有少量的硬磁性礦物。相較于林地，旱地亞鐵磁性礦物含量較高。兩剖面磁疇較接近且較粗(粗的穩(wěn)定單疇向多疇和假單疇過渡)，同時(shí)根據(jù)兩者χfd%數(shù)值，認(rèn)為旱地和林地磁性礦物來源混合了自然源和人為源。

研究區(qū)地勢平坦且兩剖面相鄰，保證了氣候、母質(zhì)和地形等成土要素的一致性，排除三種要素對成土發(fā)育的影響。對于兩種不同的土地利用類型(旱地和林地)，生物因素可能對其磁性特征變化產(chǎn)生影響。林地由耕地退耕還林而來，轉(zhuǎn)化時(shí)間約20年。由兩剖面磁性變化特征可知，經(jīng)過20 a發(fā)展，林地和旱地磁性特征不存在顯著差異，說明退耕還林后的林地土壤保留之前耕種的磁性特征，即退耕還林后林地原本磁性特征(受耕種影響)未被20年的土壤自然發(fā)育過程所改造。

3.2 垂向變化

垂直方向上，根據(jù)旱地磁性參數(shù)變化，將其劃分為3個(gè)單元：30～38 cm，χ、SIRM、SOFT和S-0.3T獲得相對高值、Bcr獲得相對低值(圖4a)，說明該層亞鐵磁性礦物含量相對較高；0～30 cm和38～46 cm，χ、SIRM、SOFT和S-0.3T獲得相對低值、Bcr獲得相對高值(圖4a)，說明這兩段亞鐵磁性礦物含量相對較低。30～38 cm，旱地高亞鐵磁性礦物含量，可能與處于犁底層之下，亞鐵磁性礦物相對富集有關(guān)。林地垂直方向上，根據(jù)磁性參數(shù)變化，將其劃分為2個(gè)單元：0～30 cm，χ、SIRM、SOFT和S-0.3T獲得相對高值、Bcr獲得相對低值(圖4b)，說明該層亞鐵磁性礦物含量相對較高；30～48 cm，χ、SIRM、SOFT和S-0.3T獲得相對低值、Bcr獲得相對高值(圖4b)，說明該層亞鐵磁性礦物含量相對較低。

圖4 旱地(HD)和林地(LD)常溫磁學(xué)參數(shù)變化曲線Fig. 4 Variation of the room temperature magnetic parameters from dryland (a) and woodland (b)

從圖4中可以看出，旱地剖面38 cm以下和林地剖面30 cm以下亞鐵磁性礦物含量急劇降低，據(jù)野外觀察該界限以下為母質(zhì)層，即該層基本不受人類活動(dòng)的影響。由前文分析可知，相較于林地，旱地亞鐵磁性礦物含量較高，說明人類活動(dòng)增加了旱地亞鐵磁性礦物含量。同時(shí)，從另外一方面說明人類活動(dòng)(翻耕)促使磁性礦物向下遷移。因此，磁學(xué)手段可以有效地識(shí)別人類活動(dòng)對磁性礦物遷移深度的影響。

4 結(jié)論

通過對駐馬店市泌陽縣林地和旱地土壤剖面磁性特征的研究，得出以下主要結(jié)論：退耕還林后林地，雖然經(jīng)過20年自然狀態(tài)發(fā)育，但是其磁性特征(磁性礦物含量和磁疇)與持續(xù)處于耕種狀態(tài)下旱地磁性特征類似，說明退耕還林后林地原本的磁性特征，未被短時(shí)間(～ 20 a)內(nèi)土壤自然發(fā)育過程所改造。本文初步探討了人為改造后磁性特征變化與自然狀態(tài)下土壤發(fā)育時(shí)間之間關(guān)系，目前還不清楚具體的時(shí)間關(guān)系，需要進(jìn)一步研究。林地(退耕還林后)和旱地的磁性特征雖差異較小，但仍存在。旱地磁性礦物受人為影響顯著，以致其亞鐵磁性礦物含量高和磁性礦物遷移深度增加。