褐土剖面磁化率与重金属元素变化特征及相关性研究.docx

1、Vol.25No.1Mar.2011山西师范大学学报（自然科学版）JournalofShanxiNormalUniversityNaturalScienceEdition文章编号：1009-4490(2011)014)098-05褐土剖面磁化率与重金属元素变化特征及相关性研究,王艳红，郑国璋,(山西师范大学城市与环境科学学院，山西临汾041000)摘要：研究通过对临汾市尧都区农田土壤剖面系统的测ht与采样，分析了土壤磁化率与重金属元素垂直变化特征及其相关性.结果表明:磁化率随深度增加而递减,重金属元素Cu,Ni、Cd含量随深度增加而递增,Zn的含最随深度增加而递减磁化率与重金属元素Cu.Ni.

2、Cd含量呈极显著负相关，而与Zn含最呈显著正相关.频率依赖系数与重金属元素含量不相关.说明磁性物质对重金属元素含量有一定的指示作用，可以通过检测褐土中磁化率快速地诊断褐土中重金属的含量及污染状况关健词：褐土；磁化率；重金属元素；变化特征；相关性中图分类号：P618文献标识码：A磁化率是环境磁学研究中的一个重要磁参数"，把磁化率与地球化学元素密切结合，探索环境变化对磁性质的影响及磁化率与地球化学元素相关性研究，是近些年环境磁学研究新的发展趋势之一Beckwith等曾研究了城市来源沉积物重金属和磁性的关系;Williams在苏格兰LochDee盆地采用磁化率曲线对比沉积物中重金属的化学分

3、析和1820年以来欧洲煤炭燃烧的资料，得出磁化率与Pb.Zn.Cu高度相关，并与欧洲煤炭消耗有相同趋势的结论;张卫国等在研究长江口潮滩沉积物磁性后，认为沉积物磁参数值与重金属元素含量有关；Carador等"°，曾探讨了葡萄牙塔霍河河口盐化沼泽地沉积物中部分重金属的积聚情况;Cmok等"U利用磁信息特征确定了现代碳酸盐沉积物中的污染状况.磁化率曲线被认为是一个较好的第四纪古气候的替代指标!,但对褐土农田磁化率与重金属关系的研究尚在起步阶段，本文旨在研究临汾盆地农业区褐土剖面磁化率与重金属元素含量的分布特征及其相关性，从而实现通过检测褐土磁化率快速诊断褐土中重金属元索

4、的含量及污染状况.1材料与方法1.1采样区概况与土壤采样临汾市尧都区尧庙镇伊村，海拔高度446m,是中国最古老的村镇之一，有着4200多年的历史.伊村某麦田(村36。02，14.4”上111。27,51.9«),位于汾河二级阶地上，温带大陆性季风气候，年平均降水最为527.4mm,地带性土壤为典型褐土，经资料考证和村民叙述，采样地所在剖面土层发育过程无次生破坏,基本为原生性土壤，具典型性.全村现有200ha耕地，代表性作物主要为小麦，以水井浇地为主，以磷肥和尿素为主要肥料，麦田年平均产量为6000kg/ha.取深度为120cm的褐土剖面，修整后可观察到耕作层深度为0cm10cm,褐色

5、;粘化层为10cm30cm,棕褐色;淀积层为30cm120cm,棕黄色.采取自底层向上每5cm呈S形连续采样的方法,用四分收稿日期：2010-10-20基金项目：山西省软科学研究计划项目资助(2008041032-03).作者简介：王艳红(1980-)，女，山西应县人，山西师范大学城市与环境科学学院2008级研究生，主要从事区域开发与可持续发展方面的研究.通讯作者：郑国璋(1965)，男，山西洪洞人，山西师范大学城市与环境科学学院教授，博士，主要从事资源环境与第四纪环境方面的研究.法取对角部分，将土样混合装入聚乙烯自封袋内，用记号笔记号,共采集24个土样.采集的样品经风干后,剔除新生体和杂物，

6、剩余的土壤样品进一步用玛瑙研钵研磨，分别过20目和100目的尼龙筛获得粒度比较均匀的样品.1.2实验与监测取过20目的土壤样品10g,用电位法测得土壤pH值在8.20-9.54范围内，呈碱性.取过100目的土壤样品0.5g,利用重铭酸钾氧化-外加热法测得0cm-40cm深度有机质平均含量为55.30%.用沉降法测得深度为20cm的土壤粘粒、粉(砂)粒、砂粒的平均值分别为：粘粒(<0.002mm)7.6%,粉(砂)粒(0.05mm-0.002mm)29.9%,砂粒(2mm-0.05mm)62.5%,根据土壤质地分类三角坐标图(美国制)确定该土壤质地为“砂质壤土”"I取过20目的样

7、品，用BartingtonMS-2型双频磁化率仪进行低频XLF(470Hz)和高频XHF(4700Hz)磁化率测危.本次研究的重金属元素是Cu、Zn、Ni、Cd四种，所有样品在山西师范大学城市与环境科学学院环境实验室测定,具体测定方法如下：称取1g过100目的土壤样品，用HNO3-HC1O4-HF消解，置入聚四氟乙烯堪堪内，加盖在电热板上100T低温消煮约1h,接着逐渐提高温度直到溶液温度为185此时电热板温度为268待免堪内容物呈灰白糊状时取下，冷却后加几滴HN03溶液溶解,用去离子水过滤洗入100mL容量瓶中，定容备测.用原子吸收光谱仪(火焰法)PEAA-400测定Cu.Zn.Ni,用原子

8、荧光光度计AFS-230E测定Cd和Cu的分析谱线为324.8nm,Zn的分析谱线为213.8nm,Ni的分析谱线为232nm.经分液漏斗振荡器萃取后用原子吸收光谱仪(石墨炉)来测定Cd,Cd的分析谱线是288.8nm.为了控制测定的准确度，在进行上述元素分析时，每10个测定样品用标准土壤样品校验.10%20%的平行样分析用于控制实验的精密度.样品监测分析过程中均加入国家标准土壤参比物质(GSS-1)进行全程分析质量控制,监测结果符合质量控制要求.2结果与分析,'2.1环境磁学分析根据磁化率测量结果计算出频率磁化率XFD(XFD常用来指示样品中磁性矿物的存在和含量的多少)，换算式为XF

9、D%=(XLF-XHF)/XLFx100(u.磁化率测量的相对误差小于0.3%.测得磁学参数的垂直变化趋势如图1所示.1XHF1.0XHF0.1XLF1.0XLFO.1XFDLOXFDO.1(lOVkg1)<%)图1褐土剖面磁学参数的变化Fig.1MagneticparametersvariationinBrownSoilprofile由图1可知：(1) 随着深度的增加各项磁指标值呈下降的趋势.XHF1.0、XHF0.1、XLF1.。及XLF0.1曲线在表层到58cm深度变化很小，呈稳定状态;于深度约58cm处突然减小，在105cm120cm段基本恒定.(2) XFD1.0曲线垂直自表土

10、向下有减小的趋势，但变化不明显.(3) XFD0.1曲线在0cm70cm段和100cm115cm段有两个明显的高峰值,70cm100cm和115cm120cm有两个明显的低峰值，最高峰值出现在70cm深度处.2.2重金属元素含分析依据所测数据做重金属元素含量垂直变化趋势如图2所示NiNiCuZn深度cm(mg/1)0.20.30.50.80.20.30.40.10.20.3图2褐土剖面重金属元素含量的变化Fig.2Variationofheavymetalelements'contentinBrownSoilprofile一般情况下,农田区表层土壤受到大气干湿沉降、化肥和灌溉水等的影响

11、，重金属元素在土壤剖面中会表现出表层相对富集的特点3们，而研究区土壤剖面中重金属元素的变化特征显得复杂.(1) 重金属元素Cu.Ni.Cd含量最大值并没有出现在表层,其含量值随深度增加呈现出波动增加的特点.(2) Cu含量在深度90cm处出现最大峰值;Ni含量变化在深度0cm-60cm段基本稳定，在60cm70cm段是一个迅速增加的阶段,120cm处出现最大值;Cd含量在75cm深度处出现最大值.(3) Zn含量的变化与其他三种规律不一致，其值在深度18cm处出现最大值，在深度85cm处出现第二个峰值，其含量随深度增加而不断减少.(4) 该土壤的重金属迁移下渗率大,可能与该土壤的质地有关.2.

12、3磁化率与重金属的垂直变化相关性分析利用spss统计软件对各磁指标与各重金属作了相关性分析，得到相关系数见表1.表1褐土剖面磁参数与重金属元素含匿的相关系数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分析低频磁化率XLF0.1与重金属Cu、Zn、Ni、Cd的相关性，如图3所示.由表1和图3可知：(1) 褐土剖面中高频磁化率XHF1.0、XHF0.1和低频磁化率XLF1.0、XLF0.1与重金属Cu、Ni、Cd含量均呈极显著负相关.(2) 褐土剖面中高频磁化率XHF0.1和低频磁化率XLF1.0与Zn含量呈极显著正相关;高频磁化率XHF1.0和低频磁化率XLF0.1与Zn含量呈显著正相关.(3) 褐土剖面中频率

14、依赖系数XFD1.0与Cu、Zn、Ni的含量呈正相关，与Cd呈负相关,但相关性不显著，不具统计学意义;XFD0.1与Cu、Ni呈正相关，与Zn、Cd呈负相关，但相关性不显著,不具统计学意义.重金属元素Cu、Zn、Ni、Cd与褐土剖面中古气候指标磁化率呈现一定的相关性,表明它们在土壤剖面中的分布特征也能反映古气候的信息，可依此来指示植被发育的古气候.一般地，在气候湿润、植被发育的古气候条件下，土壤的磁化率大，3(K20)/(Na.0)比值大，重金属元素含量也高;而在气候干旱、植被不发育的古气候条件下,土壤的w(Na2O+CaO+K20)/(A12O3)和切(SiO2)/o)(A1203)比值大,

15、重金属元素含量低”7).但在该剖面研究中，显然规律有一些不同,表现在Zn含量与Cu、Ni、Cd含量的垂直分布特征呈负相关，其原因有待进一步研究.64o.O.CV胃)UZ0_a_一1调140011111110111»111020406080100120140020406080100120140midov-kg*)聃1图3褐土剖面低频磁化率值与重金属元素含斌的相关性Fig.3Correlationbetweenlow-frequencymagneticsusceptibilitycontentandheavymetalelements;contentinBrownSoilprofile3

16、结论与讨论临汾市农业区(麦田)褐土剖面磁化率随深度增加而递减，重金属元素Cu、Ni、Cd含量随深度增加而递增,Zn的含量随深度增加而递减.磁化率与重金属元素Cu.Ni.Cd含最呈极显著负相关，而与Zn含量呈显著正相关.频率依赖系数与各重金属元素含量的相关性不具统计学意义.该结论说明磁性物质对重金属元素含量:有一定的指示作用，可以通过检测褐土中磁化率快速地诊断褐土中重金属的含量及污染状况.与其他方法(如化学分析)相比,磁化率测量具有灵敏、快速和经济等特点，因此，可以大规模地用于与磁性矿物伴生的某些重金属元素的土壤环境调查.但是，由于不同区域土壤中磁性矿物的来源不同，不能盲目地将某一区域获得的关系

17、应用于另一区域.只有在充分考察并建立了该区域某些重金属与磁学参数的显著相关关系的基础上，才能开展该区域某些重金属的环境磁学监测""参考文献：(1PiompsonR,OldfieldF.EnvironmentalmagnetismM.London：Alien&Unwin,1986.2 CallotJP,GurevitchE,WestphalM,etal.FlowpatternsintheSiberiantrapsdeducedfrommagneticfabricstudiesJ.GeophysicalJournalIn*tenutional,2004,156(3):4

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20、lsandmagneticoxidesintheLochDeebasin,Galloway,Scotland,sincec.AD1500J.TheHolocene,1991,1(2)：142150.9 张卫国，俞立中.沉枳物磁性测量对狭还原的指示及其在重金属污染研究中的应用J.科学通报，1998,43(19)：3743.10 CaradorI.ValeC,CatannoF.AccumulalionofZn.Pb,Cu,CramiNiinsedimentsbetweenrootsoftheTagusestuarysaltsmarshes,PortugalJ,Estums,CoastandShel

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