褐土剖面磁化率與重金屬元素變化特征及相關(guān)性研究.docx

1、Vol.25No.1Mar.2011山西師范大學學報（自然科學版）JournalofShanxiNormalUniversityNaturalScienceEdition文章編號：1009-4490(2011)014)098-05褐土剖面磁化率與重金屬元素變化特征及相關(guān)性研究,王艷紅，鄭國璋,(山西師范大學城市與環(huán)境科學學院，山西臨汾041000)摘要：研究通過對臨汾市堯都區(qū)農(nóng)田土壤剖面系統(tǒng)的測ht與采樣，分析了土壤磁化率與重金屬元素垂直變化特征及其相關(guān)性.結(jié)果表明:磁化率隨深度增加而遞減,重金屬元素Cu,Ni、Cd含量隨深度增加而遞增,Zn的含最隨深度增加而遞減磁化率與重金屬元素Cu.Ni.

2、Cd含量呈極顯著負相關(guān)，而與Zn含最呈顯著正相關(guān).頻率依賴系數(shù)與重金屬元素含量不相關(guān).說明磁性物質(zhì)對重金屬元素含量有一定的指示作用，可以通過檢測褐土中磁化率快速地診斷褐土中重金屬的含量及污染狀況關(guān)健詞：褐土；磁化率；重金屬元素；變化特征；相關(guān)性中圖分類號：P618文獻標識碼：A磁化率是環(huán)境磁學研究中的一個重要磁參數(shù)"，把磁化率與地球化學元素密切結(jié)合，探索環(huán)境變化對磁性質(zhì)的影響及磁化率與地球化學元素相關(guān)性研究，是近些年環(huán)境磁學研究新的發(fā)展趨勢之一Beckwith等曾研究了城市來源沉積物重金屬和磁性的關(guān)系;Williams在蘇格蘭LochDee盆地采用磁化率曲線對比沉積物中重金屬的化學分

3、析和1820年以來歐洲煤炭燃燒的資料，得出磁化率與Pb.Zn.Cu高度相關(guān)，并與歐洲煤炭消耗有相同趨勢的結(jié)論;張衛(wèi)國等在研究長江口潮灘沉積物磁性后，認為沉積物磁參數(shù)值與重金屬元素含量有關(guān)；Carador等"°，曾探討了葡萄牙塔霍河河口鹽化沼澤地沉積物中部分重金屬的積聚情況;Cmok等"U利用磁信息特征確定了現(xiàn)代碳酸鹽沉積物中的污染狀況.磁化率曲線被認為是一個較好的第四紀古氣候的替代指標!,但對褐土農(nóng)田磁化率與重金屬關(guān)系的研究尚在起步階段，本文旨在研究臨汾盆地農(nóng)業(yè)區(qū)褐土剖面磁化率與重金屬元素含量的分布特征及其相關(guān)性，從而實現(xiàn)通過檢測褐土磁化率快速診斷褐土中重金屬元索

4、的含量及污染狀況.1材料與方法1.1采樣區(qū)概況與土壤采樣臨汾市堯都區(qū)堯廟鎮(zhèn)伊村，海拔高度446m,是中國最古老的村鎮(zhèn)之一，有著4200多年的歷史.伊村某麥田(村36。02，14.4”上111。27,51.9«),位于汾河二級階地上，溫帶大陸性季風氣候，年平均降水最為527.4mm,地帶性土壤為典型褐土，經(jīng)資料考證和村民敘述，采樣地所在剖面土層發(fā)育過程無次生破壞,基本為原生性土壤，具典型性.全村現(xiàn)有200ha耕地，代表性作物主要為小麥，以水井澆地為主，以磷肥和尿素為主要肥料，麥田年平均產(chǎn)量為6000kg/ha.取深度為120cm的褐土剖面，修整后可觀察到耕作層深度為0cm10cm,褐色

5、;粘化層為10cm30cm,棕褐色;淀積層為30cm120cm,棕黃色.采取自底層向上每5cm呈S形連續(xù)采樣的方法,用四分收稿日期：2010-10-20基金項目：山西省軟科學研究計劃項目資助(2008041032-03).作者簡介：王艷紅(1980-)，女，山西應(yīng)縣人，山西師范大學城市與環(huán)境科學學院2008級研究生，主要從事區(qū)域開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展方面的研究.通訊作者：鄭國璋(1965)，男，山西洪洞人，山西師范大學城市與環(huán)境科學學院教授，博士，主要從事資源環(huán)境與第四紀環(huán)境方面的研究.法取對角部分，將土樣混合裝入聚乙烯自封袋內(nèi)，用記號筆記號,共采集24個土樣.采集的樣品經(jīng)風干后,剔除新生體和雜物，

6、剩余的土壤樣品進一步用瑪瑙研缽研磨，分別過20目和100目的尼龍篩獲得粒度比較均勻的樣品.1.2實驗與監(jiān)測取過20目的土壤樣品10g,用電位法測得土壤pH值在8.20-9.54范圍內(nèi)，呈堿性.取過100目的土壤樣品0.5g,利用重銘酸鉀氧化-外加熱法測得0cm-40cm深度有機質(zhì)平均含量為55.30%.用沉降法測得深度為20cm的土壤粘粒、粉(砂)粒、砂粒的平均值分別為：粘粒(<0.002mm)7.6%,粉(砂)粒(0.05mm-0.002mm)29.9%,砂粒(2mm-0.05mm)62.5%,根據(jù)土壤質(zhì)地分類三角坐標圖(美國制)確定該土壤質(zhì)地為“砂質(zhì)壤土”"I取過20目的樣

7、品，用BartingtonMS-2型雙頻磁化率儀進行低頻XLF(470Hz)和高頻XHF(4700Hz)磁化率測危.本次研究的重金屬元素是Cu、Zn、Ni、Cd四種，所有樣品在山西師范大學城市與環(huán)境科學學院環(huán)境實驗室測定,具體測定方法如下：稱取1g過100目的土壤樣品，用HNO3-HC1O4-HF消解，置入聚四氟乙烯堪堪內(nèi)，加蓋在電熱板上100T低溫消煮約1h,接著逐漸提高溫度直到溶液溫度為185此時電熱板溫度為268待免堪內(nèi)容物呈灰白糊狀時取下，冷卻后加幾滴HN03溶液溶解,用去離子水過濾洗入100mL容量瓶中，定容備測.用原子吸收光譜儀(火焰法)PEAA-400測定Cu.Zn.Ni,用原子

8、熒光光度計AFS-230E測定Cd和Cu的分析譜線為324.8nm,Zn的分析譜線為213.8nm,Ni的分析譜線為232nm.經(jīng)分液漏斗振蕩器萃取后用原子吸收光譜儀(石墨爐)來測定Cd,Cd的分析譜線是288.8nm.為了控制測定的準確度，在進行上述元素分析時，每10個測定樣品用標準土壤樣品校驗.10%20%的平行樣分析用于控制實驗的精密度.樣品監(jiān)測分析過程中均加入國家標準土壤參比物質(zhì)(GSS-1)進行全程分析質(zhì)量控制,監(jiān)測結(jié)果符合質(zhì)量控制要求.2結(jié)果與分析,'2.1環(huán)境磁學分析根據(jù)磁化率測量結(jié)果計算出頻率磁化率XFD(XFD常用來指示樣品中磁性礦物的存在和含量的多少)，換算式為XF

9、D%=(XLF-XHF)/XLFx100(u.磁化率測量的相對誤差小于0.3%.測得磁學參數(shù)的垂直變化趨勢如圖1所示.1XHF1.0XHF0.1XLF1.0XLFO.1XFDLOXFDO.1(lOVkg1)<%)圖1褐土剖面磁學參數(shù)的變化Fig.1MagneticparametersvariationinBrownSoilprofile由圖1可知：(1) 隨著深度的增加各項磁指標值呈下降的趨勢.XHF1.0、XHF0.1、XLF1.。及XLF0.1曲線在表層到58cm深度變化很小，呈穩(wěn)定狀態(tài);于深度約58cm處突然減小，在105cm120cm段基本恒定.(2) XFD1.0曲線垂直自表土

10、向下有減小的趨勢，但變化不明顯.(3) XFD0.1曲線在0cm70cm段和100cm115cm段有兩個明顯的高峰值,70cm100cm和115cm120cm有兩個明顯的低峰值，最高峰值出現(xiàn)在70cm深度處.2.2重金屬元素含分析依據(jù)所測數(shù)據(jù)做重金屬元素含量垂直變化趨勢如圖2所示NiNiCuZn深度cm(mg/1)0.20.30.50.80.20.30.40.10.20.3圖2褐土剖面重金屬元素含量的變化Fig.2Variationofheavymetalelements'contentinBrownSoilprofile一般情況下,農(nóng)田區(qū)表層土壤受到大氣干濕沉降、化肥和灌溉水等的影響

11、，重金屬元素在土壤剖面中會表現(xiàn)出表層相對富集的特點3們，而研究區(qū)土壤剖面中重金屬元素的變化特征顯得復(fù)雜.(1) 重金屬元素Cu.Ni.Cd含量最大值并沒有出現(xiàn)在表層,其含量值隨深度增加呈現(xiàn)出波動增加的特點.(2) Cu含量在深度90cm處出現(xiàn)最大峰值;Ni含量變化在深度0cm-60cm段基本穩(wěn)定，在60cm70cm段是一個迅速增加的階段,120cm處出現(xiàn)最大值;Cd含量在75cm深度處出現(xiàn)最大值.(3) Zn含量的變化與其他三種規(guī)律不一致，其值在深度18cm處出現(xiàn)最大值，在深度85cm處出現(xiàn)第二個峰值，其含量隨深度增加而不斷減少.(4) 該土壤的重金屬遷移下滲率大,可能與該土壤的質(zhì)地有關(guān).2.

12、3磁化率與重金屬的垂直變化相關(guān)性分析利用spss統(tǒng)計軟件對各磁指標與各重金屬作了相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)見表1.表1褐土剖面磁參數(shù)與重金屬元素含匿的相關(guān)系數(shù)Tab.1Correlationcoefficientbetweenmagneticparametersandheavymetalelements*contentinBrownSoilprofileXHF1.0XHF0.1XLF1.0XLF0.1XFD1.0XFD0.1Cu-0.603*-0.605-0.586*-0.594-,0.2020.087Zn0.514,0.536*0.5270.510,0.303-0.309Ni-0.860*-0

13、.864-0.852-0.8470.0600.088Cd-0.679*-0.687-0.686*-0.676*-0.201-0.002*代表P<0.05,*代表P<0.01分析低頻磁化率XLF0.1與重金屬Cu、Zn、Ni、Cd的相關(guān)性，如圖3所示.由表1和圖3可知：(1) 褐土剖面中高頻磁化率XHF1.0、XHF0.1和低頻磁化率XLF1.0、XLF0.1與重金屬Cu、Ni、Cd含量均呈極顯著負相關(guān).(2) 褐土剖面中高頻磁化率XHF0.1和低頻磁化率XLF1.0與Zn含量呈極顯著正相關(guān);高頻磁化率XHF1.0和低頻磁化率XLF0.1與Zn含量呈顯著正相關(guān).(3) 褐土剖面中頻率

14、依賴系數(shù)XFD1.0與Cu、Zn、Ni的含量呈正相關(guān)，與Cd呈負相關(guān),但相關(guān)性不顯著，不具統(tǒng)計學意義;XFD0.1與Cu、Ni呈正相關(guān)，與Zn、Cd呈負相關(guān)，但相關(guān)性不顯著,不具統(tǒng)計學意義.重金屬元素Cu、Zn、Ni、Cd與褐土剖面中古氣候指標磁化率呈現(xiàn)一定的相關(guān)性,表明它們在土壤剖面中的分布特征也能反映古氣候的信息，可依此來指示植被發(fā)育的古氣候.一般地，在氣候濕潤、植被發(fā)育的古氣候條件下，土壤的磁化率大，3(K20)/(Na.0)比值大，重金屬元素含量也高;而在氣候干旱、植被不發(fā)育的古氣候條件下,土壤的w(Na2O+CaO+K20)/(A12O3)和切(SiO2)/o)(A1203)比值大,

15、重金屬元素含量低”7).但在該剖面研究中，顯然規(guī)律有一些不同,表現(xiàn)在Zn含量與Cu、Ni、Cd含量的垂直分布特征呈負相關(guān)，其原因有待進一步研究.64o.O.CV胃)UZ0_a_一1調(diào)140011111110111»111020406080100120140020406080100120140midov-kg*)聃1圖3褐土剖面低頻磁化率值與重金屬元素含斌的相關(guān)性Fig.3Correlationbetweenlow-frequencymagneticsusceptibilitycontentandheavymetalelements;contentinBrownSoilprofile3

16、結(jié)論與討論臨汾市農(nóng)業(yè)區(qū)(麥田)褐土剖面磁化率隨深度增加而遞減，重金屬元素Cu、Ni、Cd含量隨深度增加而遞增,Zn的含量隨深度增加而遞減.磁化率與重金屬元素Cu.Ni.Cd含最呈極顯著負相關(guān)，而與Zn含量呈顯著正相關(guān).頻率依賴系數(shù)與各重金屬元素含量的相關(guān)性不具統(tǒng)計學意義.該結(jié)論說明磁性物質(zhì)對重金屬元素含量:有一定的指示作用，可以通過檢測褐土中磁化率快速地診斷褐土中重金屬的含量及污染狀況.與其他方法(如化學分析)相比,磁化率測量具有靈敏、快速和經(jīng)濟等特點，因此，可以大規(guī)模地用于與磁性礦物伴生的某些重金屬元素的土壤環(huán)境調(diào)查.但是，由于不同區(qū)域土壤中磁性礦物的來源不同，不能盲目地將某一區(qū)域獲得的關(guān)系

17、應(yīng)用于另一區(qū)域.只有在充分考察并建立了該區(qū)域某些重金屬與磁學參數(shù)的顯著相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，才能開展該區(qū)域某些重金屬的環(huán)境磁學監(jiān)測""參考文獻：(1PiompsonR,OldfieldF.EnvironmentalmagnetismM.London：Alien&Unwin,1986.2 CallotJP,GurevitchE,WestphalM,etal.FlowpatternsintheSiberiantrapsdeducedfrommagneticfabricstudiesJ.GeophysicalJournalIn*tenutional,2004,156(3):4

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