南京某钢铁公司周边耕作土壤的磁学性质

中国科学 D 辑:地球科学 2009年 第39卷 第9期: 1304 ~ 1312

《中国科学》杂志社

SCIENCE IN CHINA PRESS

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.④, Rösler W.④, Appel E.④, 孙伟华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@ 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112.5×10−8 m 3·kg −1; 20 cm 以下呈现为较低磁背景特征, 磁化率平均值为27.8×10−8 m 3·kg −1.

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.

关键词

某钢铁公司 土壤 重金属 磁指标

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

中国科学D辑: 地球科学 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: 城市公园土壤[14]、城市及工业区周围人类干扰较少的山坡上[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. 1材料与方法

1.1采样区概况与采样方法

上海某钢铁股份有限公司(简称为某钢铁公司), 始建于1969年, 地处南京市西南郊板桥地区(图1). 公司东连宁芜铁路, 宁芜公路, 北临长江. 该区冬季主导风向为东北风, 夏季以东南风为主. 公司经过30余年大规模的扩建, 已经发展成从采矿、选矿到炼焦、烧结、炼铁、炼钢、炼铸和轧钢全流程年生产3×106 t 铁和3×106t钢的大型钢铁联合企业. 同时其年消耗原料煤、燃料煤和焦炭达到3.8×106 t, 对该地区环境造成巨大影响.

研究区位于长江口南岸某钢铁公司周围, 属宁芜火山岩盆地北段. 区内土壤发育为不同时期的长江冲积、淤积母质, 水稻土为主要土壤类型. 钢铁公司周边除居民区外, 多为耕地(水田居多, 少数为旱地)环绕, 没有扰动过的土壤仅限于沿长江南岸局部分布的几座小山丘上, 这些山丘土壤除了其分布不能覆盖整个研究区域的局限外, 现场快速磁测还发现其磁背景值很高, 不适合作污染研究. 唯有该区广泛分布的耕作土壤可以尝试用于工业污染的磁学研究.

2007年4月, 采用GPS定位, 利用土壤采样器(Humax, 瑞典产)在某钢铁公司的周边选取了24个土壤柱样采集点, 其中水田7个, 旱地7个, 山丘树林5个, 公路附近5个. 首先在每个采样点先使用Bart- ington MS2D测量表层土壤磁化率40个(4 m2内)以寻找磁化率相对均匀的土壤, 然后在 4 m2内使用土壤采样器钻取30~50 cm的钻孔3~5个, 再使用SM-400磁化率测井仪, 现场对每个钻孔进行磁化率垂直剖面测试. 在上述的24个采样点中, 本次研究主要尝试用水田土壤作为研究对象, 采样时, 水田油菜小麦尚未收割, 田内无积水. 每个采集点视土壤柱样完好情况, 选取柱状样品2~3根, 装入塑料套管密封, 带回实验室. 实验室内根据Bartington MS2C测量结果及样品保存完好情况, 在每个采样点选取1根土壤柱样按照1 cm间隔分样. 因本次采集的7根近钢厂水田土壤剖面磁测结果一致, 本次研究仅选取其中1根柱样NJ008进行综合研究. 并与距离钢铁公司20.8 km的水田土壤剖面NJ013进行对比.

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