中国科学 D 辑:地球科学 www.scichina.com
2009 年 第 39 卷 第 9 期: 1304 ~ 1312
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
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南京某钢铁公司周边耕作土壤的磁学性质 与重金属污染的相关性研究
段雪梅
①②
, 胡守云
①③
, 闫海涛
①②④
, Blaha U. , Rsler W. , Appel E. , 孙伟华
④
④
④
③
① 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008; ② 中国科学院研究生院, 北京 100049; ③ 上海师范大学地理系, 上海 200234; ④ Institute for Geosciences, University of Tübingen, Tübingen, 72076, Germany * 联系人, E-mail: hu_shouyun@hotmail.com 收稿日期:2008-10-10; 接受日期: 2009-05-13 国家自然科学基金面上项目(批准号: 40674033, 40374021, 40172102)和德国 DFG 课题(编号: AP34/21)资助
摘要
对取自于南京西南郊某钢铁公司附近水稻田土壤 NJ008 样芯进行了磁性测量和重金
关键词
某钢铁公司 土壤 重金属 磁指标
属含量分析, 探讨了利用农业耕作土壤的磁参数指示工业区周围重金属污染的可行性. 环境磁 学测试结果表明: 磁化率(χ),非磁滞剩磁(ARM)及饱和等温剩磁(SIRM)在土壤剖面上部 20 cm 显著增强, 磁化率平均值达到 112.5×10 m kg ; 20 cm 以下呈现为较低磁背景特征, 磁化率 平均值为 27.8×108 m3kg1. 进一步的磁学实验证明低矫顽力的亚铁磁矿物主导了 NJ008 样芯 的磁性特征, 不完整反铁磁性矿物在 20 cm 以下土壤中含量相对较高. Ni, Cu, Fe, Pb, V 和 Zn 等 重金属与磁化率呈现相同的变化特征. 主成分分析表明亚铁磁性矿物和重金属受同一主成分控 制, 且磁指标(χ, ARM 和 SIRM)与重金属(Ni, Cu, Fe, Pb, V 和 Zn)呈显著相关关系(0.69≤R ≤0.98). 对远离钢铁公司的同种耕作土壤剖面 NJ013 测试表明: 其磁化率随深度变化不大, 绝 对值与 NJ008 在 20 cm 以下磁背景值基本一致. 表明耕作过程中的化肥和农药对土壤磁化率影 响不大, 钢铁公司释放的工业污染是 NJ008 土壤剖面中磁化率显著增强的主要原因. 耕作土壤 由于反复翻种, 虽然不能用于污染历史及污染物迁移过程研究, 但基于磁指标与部分重金属之 间的显著相关性, 耕作土壤仍然可以用于重金属污染分布范围的圈定和相对污染程度评价.
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土壤重金属污染及其生态退化是全球目前所普 遍关注的一个严峻问题. 改革开放以来, 中国钢铁工 业发展迅猛,但由于其在生产,冶炼和尾矿处理等方 面的环保措施不够, 致使这些过程中所产生的大量 污染物, 特别是 Cu, Pb 和 Zn 等重金属污染物, 通过 大气沉降及废渣渗滤等方式进入工业区周边土壤,
导致土壤严重污染, 土壤质量迅速下降 [1] . 由于重金 属具有生物富集性, 并能通过生物链转移, 直接或间 接地威胁和危害人体健康. 因此,开展工业区周边土 壤重金属污染的调查和监测, 对于保护人类健康和促 进经济的可持续发展都具有十分重要的意义. 尽管 中国在土壤重金属污染监测和治理方面取得的进步
引用格式: Duan X M, Hu S Y, Yan H T, et al. Relationship between magnetic parameters and heavy element contents of arable soil around Meishan steel mill, Nanjing. Sci China Ser D-Earth Sci, 2009, doi: 10.1007/s11430-009-0165-1
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2009 年 第 39 卷 第 9 期
和成效不容忽视, 但依赖于化学分析技术的传统方 法在大面积布点, 快速动态的监测土壤重金属污染状 况方面存在不足. 所以, 发展经济快捷的污染监测追 踪技术, 同时结合已有的方法标准体系对整个污染 监测方法进行优化是目前的当务之急. 环境磁学在重金属污染研究方面具有简便,快 速,经济,灵敏度高和非破坏性的特点[2,3]. 依据工业 区和城市周围人类活动所导致的土壤表土磁化率增 强机制, 磁扫描技术既可以在较大范围内(城市及工 业区)解析土壤重金属污染分布状况, 圈定典型污染 区域, 判识污染物的来源 [4~8]; 也可以刻画点污染源 (电厂及钢铁厂等)周围土壤的重金属污染分布和水 平[9,10]; 同时, 通过对工业区(电厂,冶铁工业和钢铁 厂等)土壤剖面进行磁测则可以获取污染物在土壤中 的富集和迁移深度, 分离人类活动和自然成土作用 的不同贡献[11~13]. 需要指出的是, 上述工作研究对象 均严格限制为工业区周围未经扰动的土壤, 例如: 城 城市及工业区周围人类干扰较少的山 市公园土壤[14], 坡上 [15] 和森林土壤 [16] 等, 而对于工业区周围的人类 扰动强烈的农田土壤涉及较少且建议避开[17]. 但是, 随着中国经济的快速发展, 伴随着工业化 和城市化进程的加快, 致使工业区周围未经人类活 动扰动的土壤越来越少, 难以开展大范围和高分辨 率的磁学扫描, 在一定程度上限制了环境磁学技术 的应用. 因此, 探讨新的环境磁学研究对象, 获取重 金属污染信息显得尤为迫切和重要. 注意到在中国 这样的农业和人口大国, 工业区周围广泛分布着农 业耕作土壤, 而且这种土壤因为耕作水化磁性大大 降低[18], 可以提供较低的磁化率背景, 如果同时这种 耕作土壤能够有效记录污染信息, 将为我们提供一 个新的研究对象. 迄今为止, 类似研究报道极少, 尝 试将耕作土壤作为磁扫描的新对象对于开展工业区 周围土壤污染研究和促进环境磁学的发展具有重要 的现实和科学意义. 本文以南京西南郊某钢铁公司周边水稻土柱样 NJ008 为例, 结合磁性测量和重金属分析, 试图建立 土壤重金属污染和磁参数之间的联系, 探讨利用工 业区周围受人类强烈扰动的农田土壤作为磁学新研 究对象的可行性.

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