成都经济区土壤磁化率特征研究

成都经济区土壤磁化率特征研究

0土壤磁化率与cd元素的相关性研究磁率是环境磁学研究中的一个重要磁参数。将磁率与元素的组成相结合，研究环境变化对磁性质的影响，以及磁率与相关元素的相关性。这是近年来环境磁学研究的一个新方向之一。尽管磁化率对土壤污染程度具有较好指示性,但其机理研究仍处于探索阶段,并引起国内外学者的广泛关注。土壤磁化率测定具有经济、简便、快速、对样品无破坏等特点,在地学领域应用日益广泛。有关自然土壤磁化率特征与土壤性质的关系及其影响因素已有大量研究报道,土壤磁化率已广泛应用于土壤发生分类、古气候和环境变化的研究。因此,磁化率有可能成为指示土壤污染程度的重要参数,同时磁化率的获得有助于土壤分类。成都经济区地处四川盆地西部,包括成都市、德阳市、绵阳市、眉山市全部及乐山市、雅安市等6个城市,是四川经济发达、人口密集地区。本文选择了工农业发展十分迅猛的成都经济区为研究区,对约60701km2范围内的表层土壤和土壤剖面开展尝试性的土壤磁化率与Cd元素分布规律和相关性研究。得出磁化率对土壤中的Cd元素有很好的指示性,并且利用磁化率可以对该区的土壤初步进行分类,试图为成都经济区土壤的污染及分类提供一些快速、简便的方法。1样本采集和测试1.1不同种类植物的治疗前后血压分布针对成都经济区主要以平原为主的地貌特点,主要选择地形较开阔的大面积水稻田作为研究对象。对污染程度不同的水稻土,采样密度有所不同。Cd等重金属含量较高的地区,如德阳孝泉镇、成都琉璃厂,采样密度为4个点/km2,其他地区采样密度为1个点/km2;对于剖面土壤则按照一定间距进行样品采集,垂直采样密度为1个样/20cm,一般每个剖面样品数控制在6～7件;水稻籽实的样品采集均在农作物的收获季节,在采集表层土壤样品时,同时采集水稻籽实样品,采集水稻样品时详细记录化肥施用情况、产量等信息。1.2土壤样品的预处理样品磁化率测定在南京大学地球科学系表生地球化学研究室完成,测量用的仪器为HKB-3型磁化率仪。样品处理程序如下:先将土壤自然风干,然后过20目筛后保存在布袋中。将土壤样品再次搅匀,装入塑料盒里,然后用天平称一定量的样品,垂直地放入仪器中并进行磁化率测量。2磁化率特征2.1成土母质-磁化率将采集的样品按土类分成4种土壤类型,包括紫色土、水稻土、黄褐土、黄泥土,其中水稻土按照水分状况细分为渗育水稻土和潴育水稻土,因此最终共划分为5种土壤类型。研究区内5种不同土壤类型的成土母质主要是第四系冲洪积物、第四系砂粘土沉积物、白垩系砂岩、侏罗系砂页岩,这些成土母质都表现出缺少具有磁性的铁氧化物(表1)。因此在未受到人为因素(施肥、灌溉、燃煤)对水稻根系土影响的情况下,研究区土壤的磁化率数值应较小,一般为(5～20)×10-8m3/kg,变化幅度为(2～3)×10-8m3/kg(图1)。这一结论与前人的研究结果相一致,褚达华1982年研究的砂砾岩为母质的栗钙土磁化率的变化幅度是(6～7)×10-8m3/kg。主要原因是4种成土母质中缺少对土壤磁性影响最大的磁性矿物(磁铁矿和磁赤铁矿等矿物),这些矿物多见于火成岩、变质岩和沉积岩中。通过对研究区内采集的水稻根系土样品进行磁化率测定,所有水稻根系土的磁化率平均值为36×10-8m3/kg,远远高出符合国家Ⅰ级土壤标准(Cd质量分数为200×10-6)情况土壤的磁化率20×10-8m3/kg。研究区的5种土壤中,磁化率较高的土壤是紫色土,其平均值为51×10-8m3/kg,大多数磁化率大于40×10-8m3/kg,琉璃厂地区的紫色土中的磁化率出现了最高值,其变化范围为(94～280)×10-8m3/kg。磁化率依次降低的顺序是:渗育水稻土(均值36.5×10-8m3/kg,大多数磁化率小于40×10-8m3/kg)、潴育水稻土(均值30.6×10-8m3/kg,大多数磁化率小于40×10-8m3/kg)、黄褐土(平均值为22.4×10-8m3/kg和黄泥土(均值11.4×10-8m3/kg,大多数磁化率小于12×10-8m3/kg)(图2)。在研究区里,琉璃厂区紫色土的磁化率数值较高,通过对土壤的成土母质磁化率与土壤实测磁化率的对比,推断其主要原因可能是由于琉璃厂地区属于污染较为严重的地区,伴随着磁性物质的污染物输入,导致该地区的磁化率高于其他类型的土壤。2.2水稻土磁化率剖面结构通过对研究区的4种成土母质磁化率的研究,垂向土壤剖面磁化率数值较低,一般在(5～20)×10-8m3/kg,且变化幅度较小,或从剖面表层到剖面底层,磁化率数值基本保持不变(图1)。因此,纯净土壤磁化率剖面的数值大小及变化范围主要是由于土壤的成土母质控制。磁化率在剖面上变化规律为自底层向表层有增加的趋势(图1)。在研究区内采集了14条土壤剖面,可以划分为4种不同的土壤类型:瀦育水稻土、渗育水稻土、紫色土及黄壤。由于人为长期水耕熟化的强烈影响,使土壤有机质有所增加;交换性盐基重新分配,在盐基饱和土壤中盐基被淋溶,不饱和土壤发生复盐基作用;Fe、Mn的还原淋溶和氧化淀积以及不同起源土壤的粘土矿物的分解与合成等,形成了典型的水稻土,在人为活动(灌排、耕作)和自然因素双重作用下,自上而下形成了剖面发生层。它主要有耕作层、犁底层、渗育层和斑纹层或水耕淀积层,其中斑纹层或水耕淀积层是水稻土区别于其他土壤的诊断层。水稻土磁化率剖面符合以下两个特点:其一,不同母质水稻土的磁化率值均低于同源旱地土壤的磁化率;其二,伴随着水稻土氧化还原交替过程[24,25,26,27,28,29],Fe、Mn等元素的还原淋溶和氧化淀积作用,产生磁化率波动性变化。即在耕作层由氧化条件向还原条件变化,土壤磁化率随深度的增加而增加;在犁底层,Fe、Mn等物质在此层积累,磁化率有所增加;在渗育层离子大量流失,磁化率随之减弱;在瀦育层,氧化还原条件交替转化,磁化率有一定波动;在潜育层,是强还原环境,Fe、Mn离子流失,土壤磁化率降低。如图1所示,QJLSV3是典型的水稻磁化率剖面,说明该地区的水稻土发育很成熟。QJLSV1是渗育水稻土,淋溶强烈,因此由表层到底层,磁化率持续变小。总之,成土过程、人为因素等是影响土壤磁化率垂向变化的主要因素。例如,以玄武岩为成土母质的土壤磁化率,从底层到表层,可以从85×10-8m3/kg变化到856×10-8m3/kg。因此,土壤磁化率剖面的数值大小及变化范围主要是由土壤的成土母质控制。研究区内不同土壤类型的水稻根系土磁化率与其下层土壤的磁化率相比,都有较大增加,这种表层土壤磁化率的增加,除了土壤自身成土过程的原因,还有人为污染引起的表面铁磁性矿物增加,进而导致磁化率的增加。同时在剖面上由于土壤污染,磁化率也会有显著的增加。如图3所示,剖面1是采自乐山地区(编号为QJLSV3)的清洁土壤剖面的磁化率垂向变化趋势;剖面2采自德阳(编号为QJDYV1)的污染剖面。清洁土壤剖面1的磁化率在数值上的变化范围仅为(4.39～7.06)×10-8m3/kg,污染剖面2的磁化率变化范围是(10.05～37.13)×10-8m3/kg。可以很明显地看出,污染土壤剖面的磁化率都有了显著增加,磁化率在垂向上的变化幅度也较大,因此磁化率是土壤污染程度的良好指标。3土壤磁化率和土壤分类3.1磁化率的测定土壤磁化率的数值大小主要取决于成土母质及成土过程,因此在土壤类型划分时,当两种类型土壤近似难以区分时,可以通过两者磁化率明显的差异性进行辨别。在研究的浅层土壤样品中,紫色土的磁化率平均值为51.00×10-8m3/kg,多数大于40.00×10-8m3/kg;瀦育水稻土磁化率的平均值为30.60×10-8m3/kg,大多数小于40.00×10-8m3/kg。渗育水稻土磁化率的平均值为:36.50×10-8m3/kg,大多数小于40.00×10-8m3/kg。黄泥土磁化率的平均值为11.40×10-8m3/kg,大多数小于12.00×10-8m3/kg,磁化率的变化幅度为(5.00～25.00)×10-8m3/kg。黄褐土磁化率的平均值为22.40×10-8m3/kg,磁化率的变化幅度为(19.00～27.00)×10-8m3/kg。因此紫色土、水稻土(渗育水稻土、瀦育水稻土)、黄泥土、黄褐土可以通过磁化率初步进行土壤分类(图2)。3.2渗育水稻土土壤水分析在成土过程中,土壤中磁性矿物的形成、转化及其在各级土粒中的分配,氧化铁矿物、黏粒、含铁胶膜和结核以及有机铁络合物等形成、淋移和积聚、水分状况、有机质含量等都可能引起土壤剖面的磁化率的变化。从而可以根据土壤磁化率值来判断土壤某些发生层(如淀积层、钙积层、碱化层、潜育层、灰化层、白浆层等)的形成强度和部位,如碱化层、潜育层、灰化层、白浆层磁化率值在其剖面一般明显低于其它层次。在研究中,渗育水稻土属地表水型土,地下水位低,地表水在成土过程中起主导作用,土壤层次发育不明显(图4剖面1)。潴育水稻土属良性水稻土,受地表水和地下水双重影响,土体中的氧化淀积和还原淋溶作用交替进行,土壤分层发育明显,潴育分化清楚,铁锰氧化物交错淀积(图4剖面2)。因此,根据磁化率可以进一步判别土壤发生层。4土壤磁化率与cd污染4.1cd与土壤污染的关系根据研究区内土壤污染情况,将土壤分为A、B两大类。A类土壤属于污染程度较低的土壤,水稻籽实Cd平均质量分数为0.185×10-6,49%的水稻籽实符合国家卫生食品标准(﹤0.2×10-6),水稻籽实相对于土壤的Cd富集系数为0.69;B类土壤属于污染较严重的土壤,该类土壤中Cd平均质量分数为0.508×10-6,水稻籽实中Cd平均质量分数为0.296×10-6,严重超出国家水稻籽实安全标准(0.2×10-6),个别水稻籽实的富集系数高达2.34。根据国家水稻籽实的安全富集系数,B类土壤的水稻籽实富集系数已严重超出了国家标准安全富集系数66%。研究发现,大多数A类土壤磁化率的变化范围为(0.00～20.00)×10-8m3/kg,土壤的Cd质量分数小于0.6×10-6,并且磁化率与Cd有很好的线性相关关系,方程为:y=3.7x+254.5。[y为土壤Cd质量分数值(10-6),x为土壤磁化率值(10-8m3/kg)],相关系数R2=0.418(图5A)。B类土壤样品中,当土壤中的磁化率数值大于20.00×10-8m3/kg时,土壤中的Cd质量分数将高于0.6×10-6;当磁化率的数值大于50×10-8m3/kg时,土壤中的Cd含量将出现异常高值点;但磁化率的数值变化范围在(20.00～50.00)×10-8m3/kg时,土壤Cd质量分数在(0.4～0.8)×10-6变化(图5B)。对于B类土壤,磁化率的线性指示性并不是很理想,但是当磁化率高于50.00×10-8m3/kg时,可以对Cd污染点进行鉴别。本次研究还针对研究区内土壤磁化率背景值及土壤Cd含量背景值进行分析。将所采集的没有Cd重金属污染的11条剖面20cm以下的土壤样品进行分析,研究结果显示,整个研究区内的磁化率背景值为25.00×10-8m3/kg,土壤Cd质量分数的背景值为0.30×10-6(图6)。当磁化率数值高于其背景值的2倍时,可以对土壤中Cd的点源污染进行有效的查证。对于研究区内的浅层土壤样品,磁化率背景值的2倍是50.00×10-8m3/kg,当高出50.00×10-8m3/kg时,土壤将可能存在比较严重的Cd点源污染,土壤Cd质量分数高于0.10×10-6(图5B)。4.2磁化率对土壤重金属含量的指示意义土壤分类是研究磁化率对土壤重金属污染程度指示性研究的重要前提。通过对成都经济区的磁化率及土壤重金属含量的分析,如果在不分土壤类型时,磁化率对于成都经济区土壤中重金属的整体指示性并不是很理想,磁化率与土壤中Cd含量的相关系数为R2=0.18,与土壤中Pb含量的相关关系最好(R2=0.35)。对研究区土壤分类以后,磁化率对土壤中重金属含量的指示性如表2所示,相比较而言,在5种土壤中,磁化率对于Cd元素含量的指示性较好,对于土壤中Hg,As基本没有指示性。在潴育水稻土和黄泥土中,磁化率对于土壤中Pb含量的指示性较好,R2分别为0.75,0.93。从表2中可以看出,磁化率与浅层土壤样品中的Cd含量均为正相关。磁化率对于Cd污染程度较轻的黄褐土和黄泥土中的Cd含量具有很好的指示性,相关系数R2=0.98。对于渗育水稻土与潴育水稻土中Cd含量较高的样品去掉后(磁化率>72.4710-8m3/kg,土壤Cd含量>1.29×10-6),磁化率对于Cd的指示性会明显升高,磁化率与渗育水稻土,潴育水稻土的相关系数分别为R2=0.61、R2=0.72。磁化率对于紫色土的指示性R2=0.6(图7),说明磁化率对紫色土中异常的Cd含量点也具有很好的指示性。5土壤磁化率与水稻籽实富集系数的关系57件水稻样品中,有23件水稻籽实样品中的Cd含量超出安全食品标准(0.20×10-6),占总样品的40.1%。其中9件样品为潴育水稻土、7件为渗育水稻土、5件为紫色土(表3);按比例来看,在5种土壤