2017, Vol. 38
2. 中国科学院西北生态环境资源研究院, 兰州 730000
2. Nothewest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
土壤是人类生态环境的重要组成部分, 同时是各种重金属和有机污染的“汇”, 土壤污染由于具有隐蔽性、累积性和难可逆性等特点, 已成为区域生态安全及人体健康的重大威胁之一, 引起国内外环境、生态、医学工作者的广泛关注[1~3].我国土壤质量总体状况堪忧, 土壤环境问题日益凸显, 建立完善的土壤污染防治体系显得至关重要.由于土壤污染治理任务艰巨, 存在诸多困难, 在土壤污染防治工作中, 应以污染预防为首.而土壤污染预防工作需要定期大面积布点监测, 以便快速掌握土壤污染动态变化, 为污染防治措施的及时开展提供依据.传统化学分析方法由于测量周期长、费用高且化学试剂可导致二次污染, 在土壤污染监测方面显示出一定的缺陷, 发展一种经济快速的土壤污染监测技术是当今环境研究的需要[4].
环境磁学方法最初应用于古气候与古环境变化研究中[5, 6].因其测量快捷、经济、对样品无破坏及对环境无污染等诸多优点, 20世纪90年代开始得到国内外现代环境过程研究者的青睐, 磁测技术逐渐应用于土壤[4, 7~11]、河流沉积物[12, 13]、大气颗粒物[14, 15]、街道尘埃[16, 17]、树叶[18, 19]等环境介质的污染研究方面.大量已有研究表明, 人类活动产生的污染物往往富含磁性颗粒, 污染物磁性特征显著区别于自然成因的磁性物质, 且反映磁性矿物含量的磁学参数与重金属元素含量呈现显著的相关性.这使得磁学方法对人为污染的表征成为可能, 同时为土壤污染监测提供了一种新途径.近年来, 土壤污染的磁监测研究发展十分迅速, 在我国西北地区也有开展[11, 20~22], 但至今, 这些研究多是以城市土壤为研究对象, 关于农田土壤的磁学研究却鲜见报道.目前, 已涉及农田土壤磁性的监测工作主要有三方面, 一是农田土壤作为参比对象, 与其他土地利用方式下土壤的磁性特征进行对比[20, 23, 24], 有研究表明, 与城区或工业区土壤对比而言, 农用地土壤中亚铁磁性矿物含量相对较少, 颗粒较细; 二是对典型污染源(如矿区、工厂等)周边农田土壤进行磁测, 分析该污染源对周围环境的影响[25~27], 段雪梅等[25]对钢铁公司周边耕作土壤剖面的磁测发现, 磁化率与污染重金属有相同的垂向分布特征且两者之间显著相关, 认为虽然耕作土壤由于长期反复翻耕, 磁学指标和重金属的表层高值深度不能反映污染物垂向迁移行为的真实状态, 但磁学指标仍然可以反映耕作土壤的污染范围和相对污染程度; 三是针对农田土壤的磁监测[28~30], 杨萍果[28]对山西襄汾县农田土壤磁化率的空间变异性研究显示, 农田土壤磁化率主要取决于土壤母质、土壤性质和地形等结构因素, 耕作和施肥等人为活动虽对磁化率有一定影响, 但未改变其原有空间结构.尽管已有研究对农田土壤磁性取得一定的认识, 但存在研究范围小、样品量少、磁学指标单一等不足.中国是世界农业大国之一, 农地面积广大, 针对农田土壤开展大面积的系统磁学监测研究具有重要意义.
张掖市(东经97°12′~102°20′、北纬37°28′~39°57′)是我国典型的西北干旱区绿洲农业区, 位于甘肃省西北部, 河西走廊中段, 在青藏高原向内蒙古高原跌落的过渡地带.南依祁连山, 北靠合黎山、龙首山, 境区自南向北分为南部祁连山山地、中部走廊平原、北部合黎山与龙首山山地三大地形区, 海拔1 284~5 547 m.黑河贯穿全境, 形成了特有的荒漠绿洲景象.走廊平原区地势平坦, 土质肥沃, 光热充足, 水资源丰富, 灌溉便利, 是国家现代农业示范区, 全国最大的玉米制种区和重要的粮食、蔬菜、瓜果和油料生产基地, 其土壤质量的好坏与当地及外地居民的健康有密切联系.本研究以张掖市农田土壤为研究对象, 通过测量其环境磁学参数, 首次系统分析了张掖市农田土壤中磁性矿物的含量、组成、粒度等磁学特征及张掖市农田土壤磁学特征的空间分布规律, 并探讨了磁学特征的环境意义, 以期为监测和评价张掖市农田土壤环境质量提供科学依据, 并为其他地区农田土壤污染的磁监测提供参考.
1 材料与方法 1.1 样品采集本研究以张掖市的临泽县(LZX)、甘州区(GZQ)、民乐县(MLX)、山丹县(SDX, 不包括山丹军马场)为重点研究区域, 于2013年10月秋收以后进行农田土壤样品的野外采集.采样前先用便携式Bartington磁化率仪对采样区域农田土壤进行磁化率的预测, 再用GPS对样点准确定位.按照网格布点法和实际情况相结合的原则采集了表层0~20 cm农田土壤样品102份, 具体分布为(图 1)：临泽县29份, 甘州区33份, 民乐县19份, 山丹县22份.同时, 在研究区域内采集4处农田土壤剖面, 选取深度80~100 cm处样品共10个作为背景与表层农田土壤样品磁学数据进行对比.所有样品装袋密封并编号后统一运送实验室, 采样过程中所用工具均为无磁性塑料材质.
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图 1 农田土壤采样点位置示意 Fig. 1 Sites of farmland soil sampling |
农田土壤样品在实验室自然风干, 研磨后过100目尼龙筛, 称取5.5 g用塑料薄膜包紧装入8 m3正方体磁学专用样品盒并用透明胶带封住盖子, 贴上标有编号的标签.对所有样品进行基本环境磁学参数的测定, 包括① 470 Hz低频磁化率(χlf)和4 700 Hz高频磁化率(χhf)：使用英国Bartington公司产MS2型磁化率仪测量; ② 非磁滞剩磁(ARM)：使用LDA-3型交变退磁仪, 在0.1 mT直流场叠加峰值为100 mT的交变场中退磁后, 用Molspin Minispin小旋转磁力仪测量; ③ 等温剩磁(IRM)：使用MMPM10型脉冲强磁仪施加外场, 用Molspin Minispin小旋转磁力仪测量, 设定1 T磁场中获得的IRM为饱和等温剩磁(SIRM), 反向磁场包括-20、-60、-100和-300 mT.选取部分代表性样品使用VFTB可变磁场磁天平进行磁滞回线(Hysteresis loop)和热磁曲线(Thermomagnetic curve, J-T)的测量.以上实验在兰州大学西部环境教育部重点实验室和华东师范大学完成.
根据上述已测磁学参数计算比值磁参数, 包括：百分频率磁化率χfd%=(χlf-χhf)/χlf×100%, 非磁滞磁化率χARM=ARM/磁场强度, S-ratio=-IRM-300 mT/SIRM, 剩磁矫顽力Bcr(由IRM-20 mT和IRM-60 mT线性内插获得), 软剩磁SOFT=(SIRM-IRM-20 mT)/2, 硬剩磁HIRM=(SIRM+IRM-300 mT)/2.
2 结果与分析 2.1 基本磁学参数 2.1.1 χlf和χfd%χlf表示样品在外界磁场作用下被磁化的难易程度, 反映了磁性矿物含量的多少, 同时, 还依赖于磁性矿物粒径和类型[31, 32].如表 1所示, 研究区农田土壤样品χlf均值为63.85×10-8 m3·kg-1, 变化范围22.27×10-8~188.36×10-8 m3·kg-1, 变异系数为47%, 剖面80~100 cm处χlf背景值为36.91×10-8 m3·kg-1.农田土壤样品χlf均值是背景值的1.73倍, 其中超出背景值的样点占86.27%, 农田表层土壤磁性的增强可能与土壤后期成壤发育或磁性颗粒的外源输入有关. χlf变异程度属于中等, 表明农田土壤磁性空间分布不均.
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表 1 农田土壤样品环境磁学参数统计 Table 1 Magnetic parameters of the farmland soil samples |
χfd%对细粒超顺磁SP颗粒非常灵敏, 可用来估计样品中是否存在SP颗粒[33].当χfd%＜2%时基本不含SP颗粒; 当χfd%在2%~10%间, 表明磁性矿物组合中含有一定不占主导地位的SP颗粒; 当χfd%＞10%时, 表明含有大量SP颗粒[34].研究区农田土壤样品χfd%值处于0.74%~7.07%之间, 均值为3.72%, 表明其含有少量的超顺磁SP颗粒.
2.1.2 SIRM、SOFT、HIRM、S-ratio和BcrSIRM主要反映样品中亚铁磁性矿物(如磁铁矿、磁赤铁矿)和不完全反铁磁性矿物(如赤铁矿、针铁矿)的含量, 易受到磁性颗粒形状、大小的影响, 不受顺磁性和抗磁性物质的影响[31]; SOFT和HIRM分别指示样品中低矫顽力的不完全亚铁磁性矿物含量和高矫顽力的不完全反铁磁性矿物含量[35].研究区农田土壤样品SIRM、SOFT、HIRM的均值分别为1 070.14×10-5、298.04×10-5、65.61×10-5 A·m2·kg-1, 均值超出背景值的1.70、2.09、1.23倍, 变异系数分别为56%、62%、37%, 结果表明相对不完全反铁磁性矿物而言, 农田土壤中亚铁磁性矿物的含量增加更多且含量空间变化更大.
S-ratio可用来判断低矫顽力矿物与高矫顽力矿物的相对丰度, 当S-ratio接近1时, 亚铁磁性矿物占主导地位; Bcr指示SIRM降低到零所需要的反向磁场强度, 值越小则矿物越“软”[35].研究区农田土壤样品Bcr值较小, 变化范围为35.80~58.84 mT, 变异系数10%; S-ratio值较高, 变化范围为73.05%~95.16%, 变异系数仅4%, 说明软磁性的亚铁磁性矿物是农田土壤剩余磁性的主要载体.
2.1.3 χARM、χARM/χlf和χARM/SIRMχARM主要受控于样品中细粒(SD和小的PSD颗粒)磁性矿物的含量[36]; 研究区农田土壤样品χARM均值为177.46×10-8m3·kg-1, 均值超出背景值的2.15倍, 变异系数高达69%, 说明农田土壤中细粒磁性矿物含量空间变化较大.在样品中磁性矿物以磁铁矿为主导的情况下, χARM/χlf、χARM/SIRM可分辨磁性颗粒的粒径, 颗粒越细比值越高[34].研究区农田土壤样品χARM/χlf和χARM/SIRM的均值为2.61和0.16×10-3 m·A-1, 变化范围为1.08~4.45和0.08×10-3~0.29×10-3 m·A-1, 呈现低值, 表明农田土壤磁性矿物粒径较粗, SD颗粒比重较低.
2.2 热磁曲线磁性矿物的磁学性质随温度变化而变化, 在加热超过临界温度(居里温度TC或奈尔温度TN)时, 磁性材料将失去磁性, 表现为顺磁性, 不同的磁性矿物有不同的TC或TN, 因而热磁曲线可用于磁性矿物类型的诊断[31, 37].研究区农田土壤3个典型样品的J-T热磁曲线分析结果显示(图 2), 3个样品的加热曲线从0~360℃缓慢下降, 360~450℃之间下降速率增加并在450℃附近呈现低峰, 可能是亚稳定的强磁性磁赤铁矿受热转化为弱磁性的赤铁矿, 磁化强度降低的幅度可能和样品中磁赤铁矿的相对含量和成土作用有关[24, 38]; 随后450~500℃磁化强度上升并在500℃附近呈现高峰, 主要是由含铁硅酸盐矿物或黏土矿物在高温下分解形成铁磁性矿物所致[39]; 500~580℃磁化强度急剧下降并在580℃附近降至接近于0, 呈现出磁铁矿的居里温度特征, 说明样品中主要载磁矿物为磁铁矿; 从580~700℃之间, 磁化强度仍有所下降, 说明样品中还有部分赤铁矿. 3个样品的冷却曲线高于加热曲线6~9倍, 说明在加热过程中有新的强磁性矿物生成, 高出程度越大, 则样品中含有的可转化为强磁性矿物的组分越多.
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图 2 典型农田土壤样品热磁曲线 Fig. 2 Thermomagnetic curves of typical farmland soil samples |
在外加磁场强度变化的过程中, 磁性矿物产生的磁化强度的变化落后于外加磁场强度变化的现象称为磁滞现象, 样品由循环一个周期的磁场所引起的磁化强度曲线图即为磁滞回线[31].磁性矿物成分不同, 磁滞回线特征大不相同, 磁滞回线的形状能较好地指示磁性矿物的种类, 磁滞回线闭合处的磁场强度可以指示主导磁滞行为的磁性矿物[35].研究区农田土壤3个典型样品的Loops磁滞回线结果显示(图 3), 3个样品的磁滞回线表现出明显的高瘦形态, 磁感应强度从0~300 mT快速上升并在300 mT左右磁滞回线趋于闭合, 说明样品的磁滞行为主要受低矫顽力的亚铁磁性矿物控制; 300 mT之后实测磁滞回线基本呈线性增加, 说明样品中还含有部分顺磁性矿物.由于单畴SD磁铁矿、多畴MD磁铁矿、赤铁矿的矫顽力Bc分别为10、2、400 mT[31], 3个样品的矫顽力Bc值分别为10.06、10.93、11.06 mT, 表明样品在磁铁矿主导的情况下同时存在一定比例的赤铁矿.
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图 3 典型农田土壤样品磁滞回线 Fig. 3 Magnetic hysteresis loops of typical farmland soil samples |
物质的磁性特征主要由磁学参数来反映, 磁学参数可以揭示样品磁性矿物的含量、组成和粒度特征[40].由上述分析可知, 基本环境磁学参数中χlf、χARM、SIRM和SOFT可指示磁性矿物的含量, 研究区样品这4种磁参数的平均值和变异系数分别为χlf：63.85×10-8 m3·kg-1和47%、χARM：177.46×10-8 m3·kg-1和69%、SIRM：1 070.14×10-5 A·m2·kg-1和56%、SOFT：298.04×10-5 A·m2·kg-1和62%, 其结果相对一致, 均表现为平均值相对背景值有一定程度的增加且变异强度达到中等, 表明研究区农田土壤中的磁性矿物含量受到后期作用的影响, 在空间上磁性矿物含量变化较大.为了判断磁性矿物含量在空间上是否具有显著性差异, 采用SPSS 19.0软件中的One-Way ANOVA分析法, 以4个县区为自变量对农田土壤磁参数χlf、χARM、SIRM和SOFT进行方差分析, 单因素方差分析结果显示(表 2), 磁参数χlf、χARM、SIRM和SOFT在临泽县与甘州区、民乐县、山丹县之间的差异显著度P值均小于显著性水平0.05, 说明两者之间磁性矿物含量存在显著性差异, 具有统计学意义.进一步由χlf、χARM、SIRM和SOFT的统计结果[图 4(a)~4(d)]可知, 磁性矿物含量在临泽县最低, 在甘州区、民乐县和山丹县相对较高.
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表 2 磁参数在4县区之间的差异显著度P值 Table 2 P values for significant difference of magnetic parameters among the four counties |
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图 4 农田土壤磁学参数箱型图 Fig. 4 Box plots of magnetic parameters of the farmland soil samples |
土壤磁性主要受自然因素和人为因素的影响, 自然因素包括土壤母质、成土过程、气候等, 人为因素包括汽车尾气、工业生产、生物质燃烧、施肥等.其中土壤母质的磁性矿物含量与物理风化形成的原生磁性矿物有关; 成土过程主要与生物化学风化形成的次生磁性矿物相关, 表现为极其微小的SP超顺磁颗粒, 即χfd%值的增高; 人类活动释放出的污染物质不同程度地都含有磁性颗粒且使得环境载体表现出不同的磁性增强[41].一般当研究区范围较小时, 样点间的气候差异及土壤母质差异极其微弱, 表层土壤磁性的增强主要由两种原因造成, 一是自然成土过程中产生了SP超顺磁矿物颗粒, 二是土壤受到人为因素的污染.而χlf和χfd%的关系模式是区分自然成土原因与人为原因的依据[10].通常成土成因的自然土壤的χlf与χfd%呈良好的正相关关系; 受污染的土壤一般表现为较高的χlf和较低的χfd%, χlf与χfd%呈负相关[42].
本文研究区范围不大, 样点土壤以灌漠土为主, 各个样点间的气候差异微弱, 土壤母质及气候对土壤磁性的影响不予考虑. χlf与χfd%的散点分布图(图 5)显示, χfd%随χlf的升高呈一定的升高趋势, 说明研究区农田土壤中的磁性矿物有相当一部分来自成土作用形成的细粒SP超顺磁颗粒的贡献. χfd%处于0.74%~7.07%之间, 变化范围较大, 变异系数高达40%, 说明自然成土作用导致的农田土壤磁化率升高在空间上分布不均. χlf与χfd%的Spearman相关系数在民乐县和山丹县为0.75和0.61, 在0.01水平(双侧)上显著相关, 而在临泽县和甘州区相关系数为0.19和0.31, 呈不显著相关关系, 表明后期成土作用对农田土壤磁性增强的影响在民乐县和山丹县更显著, 而临泽县和甘州区农田土壤的后期成土发育较弱, SP颗粒对其磁性的贡献很小.然而, 分区统计结果显示[图 4(a)~4(d)], χlf、χARM、SIRM和SOFT在临泽县内最低, 在甘州区、民乐县和山丹县内有明显的增高, 即甘州区农田土壤在较弱成土发育的情况下却呈现较高的磁性, 可见研究区农田土壤磁性矿物含量的空间变化并非全由成土作用控制, 还受到人类活动的影响.此外, 通过χlf、χARM、SIRM和SOFT与背景值的比较发现(表 3), 研究区农田土壤样品χlf、χARM、SIRM和SOFT的平均值为背景值的2倍左右, 最小值为背景值的0.50~0.60倍, 最大值则分别高出背景值的5.10、8.84、6.71和8.33倍, 若根据χfd%的波动以上下2倍背景值范围对自然成土因素导致的磁性矿物空间变化进行控制, 可见χlf、χARM、SIRM和SOFT的高值远超出背景值的2倍范围, 具有明显的人类活动的印记.因此, 研究区农田土壤中磁性矿物含量在空间上的中度变异除了受成土作用的影响外, 在局部地区还受到了一定程度外在人为活动的干扰, 磁性矿物含量高值区可能存在农田土壤污染.
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图 5 农田土壤χlf与χfd%散点图 Fig. 5 Scatter plot of χlf and χfd% of the farmland soil samples |
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表 3 农田土壤样品磁参数与背景磁参数的比值 Table 3 Ratios of sample magnetic parameters and background magnetic parameters in the farmland soil |
SIRM与χlf散点图可以指示磁性矿物组成的变化, 当样品中只有一种磁性矿物存在或只有一种磁性矿物含量占绝对优势时, 即使磁性矿物颗粒大小存在差异, SIRM与χlf散点分布图也将呈一条直线[38, 43].由图 6(a)可见, 研究区农田土壤样品SIRM与χlf显著线性相关, 呈一条直线分布, 两者相关系数为R2=0.90, 表明农田土壤样品的磁学性质主要受亚铁磁性矿物和不完全反铁磁性矿物中的一种控制. SOFT与χlf的高度相关性[图 6(b)]以及HIRM与χlf较差的相关性[图 6(c)]进一步表明样品的磁学性质主要受其中低矫顽力软磁性的亚铁磁性矿物控制.通过对典型样品J-T曲线及Loops曲线的分析可知, 主导的亚铁磁性矿物种类是磁铁矿, 此外, 样品中还含有少量的赤铁矿及顺磁性矿物, 可能含有磁赤铁矿.在临泽县、甘州区、民乐县和山丹县内农田土壤样品磁性矿物的种类保持一致, 而4个县区样品的Bcr平均值分别为47.68、46.65、46.48和45.81 mT, S-ratio平均值分别为84.76%、87.75%、86.56%和86.78%, 临泽县的Bcr值最高, S-ratio值最低, 说明在矿物组成上, 临泽县农田土壤样品中高矫顽力的硬磁性组分所占比例更高, 软磁性的亚铁磁性组分所占比例相对甘州区、民乐县和山丹县较低.
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图 6 农田土壤样品磁参数散点图 Fig. 6 Scatter plots of magnetic parameters of the farmland soil samples |
χfd%、χARM/χlf、χARM/SIRM及其组合可反映磁性矿物的粒度特征. Dearing等[44]提出, 在样品中的磁性矿物以磁铁矿为主导的情况下, 可通过χfd%和χARM/SIRM的散点图来判别样品的磁畴. Dearing图显示[图 7(a)], 研究区农田土壤样品绝大部分落入MD和PSD范围, 仅少量样品落入Coarse SSD范围, 表明样品中磁性矿物的粒度偏粗, 磁性颗粒的磁畴大多为多畴与假单畴, 含少量粗粒稳定单畴; χfd%处于50% SP以下, 表明样品中含有少量不占主导地位的极其微小的超顺磁颗粒.同样, King等[45]提出可用χARM/χlf半定量鉴别样品的磁性矿物晶体颗粒大小. King图显示[图 7(b)], 张掖市农田土壤样品大部分落入0.2~1 μm范围, 进一步表明样品磁性矿物颗粒偏粗, 晶体粒径介于0.2~1 μm之间.比值磁参数χARM/χlf和χARM/SIRM随着颗粒度的减小而增加, 分县区统计结果显示[图 4(g)和4(h)], χARM/χlf和χARM/SIRM在临泽县最小, 甘州区次之, 民乐县和山丹县较大, 因此, 4个县区农田土壤样品的磁晶粒径为临泽县最粗, 民乐县和山丹县较细, 甘州区介于之间.
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图 7 农田土壤样品Dearing和King图 Fig. 7 Dearing plot and King plot of the farmland soil samples |
综上所述可知, 研究区农田土壤由于受成土作用影响及人类活动干扰, 磁性矿物含量空间变化较大, 在临泽县最低, 甘州区、民乐县和山丹县有显著增高; 矿物组成以亚铁磁性磁铁矿为主, 同时含有少量的赤铁矿和顺磁性矿物, 可能含有磁赤铁矿, 临泽县亚铁磁性组分所占比例相对甘州区、民乐县和山丹县较低; 磁性矿物的粒度偏粗, 以多畴MD和假单畴PSD颗粒为主, 有少量粗粒稳定单畴SSD和细粒超顺磁SP颗粒, 颗粒等效粒径主要介于0.2~1 μm之间, 临泽县磁粒度最粗, 民乐县和山丹县较细, 甘州区介于之间.
3.2 农田土壤磁学参数空间分布及其环境意义如前所述, 研究区农田土壤样品磁性矿物含量空间变化较大, 受人类活动干扰在磁性矿物含量高值区可能存在农田土壤污染, 对磁参数进行空间分析有助于了解磁性矿物的空间分布特征并圈定可能的污染范围.研究区农田土壤样品磁参数的空间分布结果显示(图 8), 在空间上, χlf呈现出3个相对高值区, 主要分布在甘州区的中部、民乐县的西南边和山丹县的西边, 其中48号、88号和20号样点χlf值最高, 分别为188.36×10-8、173.64×10-8和142.18×10-8 m3·kg-1, 除了高值区以外的区域χlf值相对较低, χARM、SIRM和SOFT均显示出与χlf高度一致的空间分布特征.
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图 8 农田土壤样品磁参数空间分布 Fig. 8 Spatial distribution of magnetic parameters of the farmland soil samples |
对磁参数的系统比较发现, 在临泽县内各个磁参数均呈现低值, 其中χlf、χARM、SIRM和SOFT几乎全部低于2倍背景值, 且整体分布均匀, 表明临泽县农田土壤中亚铁磁性矿物含量少, 磁性颗粒的外部人为输入也不显著, 磁性矿物含量主要受自然因素控制; χfd%变化范围为0.74%~5.32%, 平均值为2.70%, 说明临泽县内农田土壤的成土发育较弱, 磁性矿物的自然来源中成土作用的贡献量相对较少; χARM/χlf和χARM/SIRM与背景值接近, 在研究区呈相对低值, 颗粒偏粗.因此, 临泽县农田土壤磁性的整体低值与较弱的成土发育有关, 可以判定临泽县农田土壤基本呈清洁状态.
甘州区中部为张掖市的市区所在, 市区内商业、教育、工业等集中分布, 道路密集, 市区东北部为张掖工业园区, 园区内分布有生物医药、轻工食品、有色冶炼、化工建材、种子加工等产业群体, 市内丰富的人类活动不可避免地影响到周边土壤的环境质量, 靠近市区的农田土壤样点χlf、χARM、SIRM和SOFT均呈现高值, 其中χlf最高的88号样点位于市区东北边缘, 南侧为由市内通往火车站的主干道张火公路, 北侧为张掖工业园区, 且附近百米的范围内有一压瓦厂.由于交通及工业生产排放的污染物中含有大量的粗粒强磁性小球颗粒, 通过大气、径流等途径的传播会造成附近农田土壤污染并使得磁性增强. χfd%、χARM/χlf和χARM/SIRM与χlf呈相反的变化, 即甘州区中部χlf的高值区为χfd%、χARM/χlf和χARM/SIRM的低值, 对应磁性颗粒偏粗.高χlf, 低χfd%、χARM/χlf和χARM/SIRM的磁性特征明显不同于自然土壤.因此, 甘州区中部磁性的增强主要由人类活动造成, 此处农田土壤可能存在一定程度的污染.
民乐县西南边与山丹县西边的χlf高值区呈带状分布, 与χlf相对应, χfd%、χARM/χlf和χARM/SIRM也在民乐县西南边与山丹县西边呈现高值.由χlf和χfd%散点分布已知(图 5), 民乐县与山丹县χlf和χfd%整体上有很强的线性正相关关系, 即民乐县与山丹县农田土壤成壤作用很强, 细粒SP颗粒对磁化率有很大贡献.同样, χlf和χfd%的正相关性在民乐县西南边与山丹县西边的χlf带状高值区也十分显著, 说明此带状区农田土壤的成壤作用很强. χARM/χlf和χARM/SIRM在民乐县西南边与山丹县西边呈高值, 表明此处磁性颗粒偏细.因此, 民乐县西南边与山丹县西边农田土壤的磁性高值主要与较强的自然成土作用有关.但是, χlf高值的带状分布特征具有明显的人为干扰痕迹, 有研究表明[46~48], 人为施入土壤的各种有机肥料、有机农药及生物质的燃烧等均可导致土壤有机碳和黑炭的累积, 由于土壤有机碳和黑炭具有吸附重金属的物化特性, 磁化率与土壤黑炭含量呈极强的正相关性.实际考察发现, 当地有常年焚烧作物秸秆的习惯, 因此, 带状区农田土壤在自然作用的基础上可能还叠加了部分不显著的人为影响.其中, χlf最高的48、20和13号样点, χfd%仅为弱高值, 即其成土作用的信号有所减弱; 48号样点靠近山丹县县城, 位于县城外西南方向, 周围1 km范围内有一县玻璃厂; 20号样点位于民乐县县城外东北方向, 周边多为家具建材及汽车维修等店; 13号样点位于县道X211近旁, 靠近甘肃中牧山丹马场总场三场, 该公司主营化工农药、化肥等产品.因此, 工厂企业日常生产排放的粉尘、生活污水等污染物也对周边农田土壤的磁性有所贡献, 可能导致农田土壤存在被污染的风险.
4 结论(1) 研究区农田土壤磁性矿物组成以亚铁磁性的磁铁矿为主, 并含有部分磁赤铁矿、赤铁矿及少量顺磁性矿物; 磁性矿物的晶体颗粒主要为粗粒多畴(MD)和假单畴(PSD), 并含有少量偏细粒的稳定单畴(SSD)和超顺磁(SP)颗粒, 颗粒等效粒径介于0.2~1 μm之间; 磁性矿物含量空间变化较大, 在临泽县最低, 甘州区、民乐县和山丹县较高.
(2) 农田土壤的磁学特征表现出一定的空间分布规律, 磁性矿物含量参数χlf、χARM、SIRM和SOFT在空间上呈现出3个相对高值区, 分别为甘州区的中部、民乐县的西南边和山丹县的西边, 结合磁粒度参数χfd%、χARM/χlf和χARM/SIRM分析表明, 甘州区中部的磁性高值主要受控于工业生产等人类活动的影响, 民乐县西南边及山丹县西边除几个特殊点位外的磁性高值主要与较强的自然成土作用有关.综合多种磁参数的系统分析能够有效地监测农田土壤污染状况.
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