許昌市園林綠地表層土壤磁性特征研究

孫艷麗，郝瑩雷

(許昌學院 城鄉規劃與園林學院， 河南 許昌 461000)

近年來，隨著我國城市化和工業化的快速發展，人類活動對城市土壤的影響越來越重要.綠地土壤作為城市污染物重要的載體，影響著城市生態環境質量和人體健康[1].磁化率指標是土壤在外磁場中受感應產生的磁化強度與外加磁場強度的比值，反映了土壤中磁性礦物的數量[2]，因磁性顆粒常吸附各種重金屬元素，所以其在一定程度上可以指示土壤的污染狀況[3].Hanesch、Blundell、Hay等曾運用土壤磁性參數分析了城市綠地土壤重金屬污染狀況[4-6].Bityukova、Baghdadi等進行了綠地土壤磁化率與重金屬元素間關系的研究[7，8].盧升高、李曉慶等分別從土壤磁化率特征、磁化率與土壤重金屬元素的相關性、影響因素等方面對綠地土壤進行了相關研究[9，10].

許昌市是“國家園林城市”、“國家森林城市”，城市園林綠地土壤環境質量對土壤生態環境建設和園林綠地的合理開發與健康發展具有重要意義.目前，對許昌市園林綠地土壤磁學特征的相關研究還未見報道，通過研究許昌市園林綠地表層土壤磁性特征，初步判斷土壤環境質量，為改善許昌市生態環境質量和開展城市生態文明建設提供科學依據.

1 研究區概況

許昌市位于河南省中部(東經113°03′～114°19′，北緯33°42′～34°24′).屬北溫帶季風氣候，年平均氣溫14.3 ℃，年平均降水量640.9 mm；主要土壤類型為潮土、褐土.市區面積88 km2，建成區人口50萬.全市綠地總面積12.27 km2，森林覆蓋率達33.5%，建成區綠化覆蓋率42.68%，中心區人均公共綠地6.5 m2.植被類型屬暖溫帶闊葉林與針葉林混交林，植物區系具有過渡性特征.園林植物分屬64科、201種，其中以薔薇科、木犀科、忍冬科、豆科較多.建成區常見植物種類有大葉女貞(Ligusrunlucidum)、黃山欒樹(Koelreuteriaintegrifoliola)、楓楊(Pterocaryastenoptera)、雪松(Cedrusdeodara)、鳶尾(Iristectorum)、紅葉石楠(Photiniaserrulata)等[11].

2 研究方法

2.1 樣品采集

土壤樣品采集依照正方形網格法布點，在1：50 000許昌市區圖上劃分1×1 km網格，在每個有效網格內選取代表性綠地布設采樣點，用GPS進行定位.在各采樣點4 m2范圍內，按照梅花形采樣法進行表層(0～20 cm)土壤樣品采集.同時，在郊外農田布設對比樣點.本研究共采集市區表層土壤樣品99個(其中，工業區和公園各17個，學校和交通道路各22個，居住區9個)，農田對照樣品12個(圖1).

圖1 采樣點分布圖

2.2 實驗方法

將采集的土樣自然風干，過1 mm土壤篩后，稱取10 g左右，置于10 mL的圓柱狀聚乙烯樣品盒中，用英國Bartington MS2型雙頻磁化率儀進行低頻磁化率(0.47 kHz)和高頻磁化率(4.7 kHz)的測定.

2.3 頻率磁化率計算方法

頻率磁化率常用來指示當測量場頻率增加時磁化率增減的百分數，反映磁性礦物顆粒大小分配和超順磁顆粒的相對含量，對判別土壤磁性礦物的物源和成因有重要意義[8].計算公式為

Xfd(%)=(Xlf-Xhf)/Xlf×100 ，

其中，Xfd為頻率磁化率，Xlf為低頻磁化率，Xhf為高頻磁化率.

2.4 土壤重金屬污染分級

已有研究表明，土壤磁化率與土壤重金屬污染負荷指數PLI呈正相關，磁化率越大，重金屬的污染等級越高[12].本研究以劉德新等的土壤重金屬污染分級[13]為依據(表1)，評價許昌市園林綠地土壤的污染狀況.

表1 基于磁化率的土壤重金屬污染分級

3 結果與分析

3.1 園林綠地表層土壤磁化率的一般特征

園林綠地表層土壤磁化率為15.24×10-8～139.33×10-8m3·kg-1，均值為56.97×10-8m3·kg-1，變異系數為36.54 %.土壤頻率磁化率變幅為1.12%～17.51%，均值為7.33%，變異系數為41.82%.土壤磁化率與頻率磁化率之間呈負相關(p<0.05).

基于磁化率的土壤重金屬污染標準，許昌市區園林綠地73.0%樣點的土壤磁化率低于62×10-8m3·kg-1，對應PLI小于1，屬無污染級別；27.0%的樣點土壤磁化率在62×10-8和153×10-8m3·kg-1之間，屬于輕度污染級別.

3.2 不同功能區園林綠地表層土壤磁化率特征

不同功能區表層土壤磁化率均值表現為工業區>公園>居住區>交通道路>學校>農田，頻率磁化率表現為農田>交通道路>居住區>學校>公園>工業區(圖2).44%的工業區綠地土壤和33.3%的公園綠地土壤重金屬污染等級為輕度污染；居住區和學校綠地土壤屬于輕度污染的樣點比例分別為22.2%和22.7%；交通道路綠地土壤環境狀況較好，僅13.64%的樣點屬輕度污染級別；農田土壤磁化率均低于62×10-8m3·kg-1，屬于無污染級別.

3.3 園林綠地表層土壤磁化率的空間分布

從許昌市園林綠地表層土壤磁化率的空間分布等值線圖可以看出，土壤磁化率表現出由中心市區向外呈帶狀遞減的空間分布格局(圖3).在中部和北部出現兩個高值分布區，磁化率范圍為49.78×10-8～139.33×10-8m3·kg-1.市區西部和東部為低值區，磁化率范圍為15.24×10-8～49.78×10-8m3·kg-1.頻率磁化率則表現出中部和東北部較低，西部和東南部較高的空間分布格局，其分布特征與土壤磁化率相反(圖4).

圖2 許昌市不同功能區綠地表層土壤磁化率

圖3 園林綠地表層土壤磁化率空間分布

圖4 園林綠地表層土壤頻率磁化率空間分布

4 結果與討論

許昌市園林綠地表層土壤磁化率低于上海市、咸陽市的表層土壤，顯示了人類活動對園林綠地土壤磁化率的不同影響[14，15].多數樣點的表層土壤磁化率值對應于土壤重金屬無污染級別，表明整體土壤環境質量較好.Dearing曾以土壤頻率磁化率推算了超順磁性顆粒的濃度，得出頻率磁化率小于3%時，基本上沒有超順磁性顆粒；在3%～10%時，為超順磁性顆粒和粗顆粒混合存在.許昌園林綠地65%樣點的土壤頻率磁化率在3%～10%之間，小于3%的樣點僅為4.5%，這表明土壤污染物的晶體粒徑較粗，多為超順磁和粗顆粒混合，土壤磁性顆粒的累積受成土過程和人類污染的共同影響.

綠地表層土壤磁化率在不同功能區間的差異表現反映出了不同人類活動的影響.工業區綠地土壤磁化率高，污染較大，可能是由于該區分布有制造業、紡織業、建材公司等部門，工業活動中產生的粉塵、煙塵及廢棄物中含有的亞鐵磁性礦物造成了土壤中磁性顆粒增多.公園位于市區中心，周邊道路交通流量大，園內游客量密集及存在餐飲攤位經營，綠地土壤受到機動車尾氣排放、游客丟棄物和餐余垃圾的影響較強，使其土壤磁化率較高.居住區和學校因生活垃圾的排放，使土壤也呈現出一定程度的污染.交通道路綠地土壤的污染在功能區中較弱，與盧升高[9]、張孔合[16]研究得出交通沿線土壤磁化率在功能區中較高的結論不同.一方面可能是因為該功能區樣點多位于許昌市區外圍車流量較少的道路；另一方面，隔離帶綠地管理養護狀況較好，使交通活動對土壤污染的影響并不顯著.

土壤磁化率空間分布格局與許昌市的土地利用方式有關.城市的中部和北部分別是老城區和工業區，老城區建成歷史比較悠久，人口密集，生活垃圾量大，交通道路密集，車流量大.北部主要集聚了污水處理廠、造紙廠、紡織廠及建材廠等工業生產企業.工業生產、交通排放及人類生活排放產生的污染物，使這兩個區域的土壤磁化率較高.市區的西部和東部區域屬于郊區，以農田為主，工業企業分布相對較少，且多是一些對環境污染較小的新興工業，土壤受人為因素影響較小，磁性顆粒主要來源于成土過程.