新疆天山天池景區表土磁性特征的時空變化①

常 潔，陳學剛,2*，董 煜,2

(1 新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054；2 新疆師范大學新疆維吾爾自治區干旱區湖泊環境與資源重點實驗室，烏魯木齊 830054)

旅游過程中旅游景區是游客游覽的核心要素。但是，隨著景區內游客活動量的增加，在消耗景區內外資源的同時，景區污染物的排放也顯著增加。景區內土地踐踏、旅游設施建設、尾氣排放、旅游垃圾等一系列的旅游活動導致的生態污染直接影響到人們的健康[1]。土壤作為旅游景區生態圈中游客直接接觸的部分，在維持生態系統平衡與穩定的同時也極易受到旅游活動的干擾。而景區內表土對旅游活動的敏感性響應會通過土壤理化性質的改變表現出來[2]，所以對景區內土壤污染的研究是評價景區環境質量的重要手段[3]。土壤磁性作為土壤性質的一個重要組成部分，能夠表征人為活動影響下的表土磁性特征與自然成土下的表土磁性特征的差異性[4-5]。如，在景區自助游帶動下，私家車和區間車增多等一系列能源消耗與排放的旅游活動中產生的污染物通常含磁性礦物顆粒，而這些礦物顆粒主要是與交通活動如尾氣排放、輪胎磨損、垃圾焚燒等有關的Pb、Cu、Zn的污染來源[6]。研究顯示，污染物中磁學參數值與重金屬含量具有顯著正相關性，這使得磁學參數不僅成為重金屬元素含量的代用指標同時也能指示人為污染[7]。由于磁學參數能夠靈敏地判斷樣品中磁性礦物含量、礦物種類和粒徑大小，且通過磁學參數分析可推斷磁性顆粒受時空變化影響的過程，因而其也成為環境污染變化評估的代用指標[8-9]。磁學參數測量方法有迅速、靈敏、對環境無破壞性、費用低等優勢，因而被廣泛應用于土壤污染源的測定和追蹤、污染評價等方面[10]。當前，國內外學者針對土壤性質的時空變化分析主要集中在土壤的養分[11-12]、重金屬[13]和鹽分[14]

等，而針對土壤磁性的研究主要在單一時間點的分析并僅見于農田土壤磁化率空間變異研究[15]，關于景區內土壤磁性時空變異的報道尚不多見。本文在前人研究的基礎上對天池景區表土磁性隨時間變化引起的空間分布變化進行研究，并繪制空間分布圖，以期能得到天池景區表土磁性污染的時空變異特征，明晰表土的污染特點、污染程度、磁性分布規律等。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天山天池風景區位于天山東段博格達主峰北坡的新疆阜康市南，距阜康市區37 km，距首府97 km，地理坐標 88°00′ ~ 88°20′E，43°45′ ~ 43°59′N，面積248 km2，海拔1 910 m。研究區氣候屬典型的大陸性干旱氣候，年平均氣溫2.55 ℃，年降水量為500 ~600 mm；區內土壤類型以灰褐色森林土、山地栗鈣土、山地棕鈣土為主；地質構造方面，天山天池屬東天山博格達造山帶，呈東–西走向夾持于準噶爾和吐魯番–哈密兩個中、新生代盆地之間，處于博格達晚古生代弧后斷陷盆地與準噶爾中央地塊的接合部，斷層、褶皺發育，由一系列推覆構造巖片組成[16]。豐富的自然景觀和人文資源，不僅為天池景區旅游活動的開展提供了良好的環境基礎，且使其在新疆旅游業發展中居于重要地位，其于2007年被評為國家5A級旅游景區。

1.2 樣品采集和分析方法

2015年8月和2017年5月分別對天山天池景區內表土進行樣品采集，采樣點的選取主要以旅游交通區、旅游活動頻繁區和旅游活動稀少的未干擾區為主。采用以100 m間隔的系統采樣法均勻地在景區內進行布點采樣，分別采集79個(2015年)、35個(2017年)表土樣品，其中2017年采樣點與2015年采樣點重合。每個樣品利用梅花點采樣法采集表土0 ~ 10 cm，每個樣品混合而成1 kg左右的樣品，裝入雙層聚乙烯塑料密封袋中，標注樣品信息及編號。

采集的表土樣品經過放置在陰涼、干燥、通風、無塵土污染的室內進行自然風干后，揀出雜質、植物根系、大塊石礫等，過1 mm的尼龍篩，稱重并用塑料保鮮膜包緊后裝入10 cm3的測磁專用樣品盒內壓實封口，供測試使用。樣品送至中國地質大學古地磁實驗檢測室進行測試，樣品的低頻磁化率χLF(976Hz)和高頻磁化率χHF(15 616 Hz)采用卡帕橋MFK1-FA多頻磁化率儀測量，根據測量結果計算頻率磁化率χFD，χFD(%)=(χLF–χHF)/χLF×100。表土樣品的等溫剩磁(IRM)和飽和等溫剩磁(SIRM)利用IM-10-30脈沖磁化儀和旋轉磁力儀測量，SIRM外加磁場強度為1 000 mT；并測量樣品的–20、–100、–300 mT反向磁場的等溫剩磁。軟剩磁SOFT=(SIRM – IRM–20mT)/(2·m)(其中m代表質量)和硬剩磁HIRM=(SIRM +IRM–300mT)/(2·m)，SIRM/χLF以及比值參數通過已測磁性參數計算得到，Sratio(%)= –IRM–300mT/SIRM×100。

1.3 數據處理

樣品磁性參數的統計分析利用SPSS 20.0 軟件完成，磁學參數的統計圖和空間分布圖利用 Graph Prism 6和ArcGIS 10. 0軟件完成。

2 結果

2.1 磁性礦物類型參數

研究區兩次樣品的磁性參數描述性統計見表1。SOFT是反映低矯頑力的亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦或磁赤鐵礦)含量的指標[17-19]，HIRM則用于估計樣品中高矯頑力的不完全反鐵磁性礦物(如赤鐵礦和針鐵礦)含量[20]。從表1可以看出，研究區土壤SOFT的變化范圍2015年為(134.62 ~ 1 063.04)×10–5Am2/kg(平均值 283.29×10–5Am2/kg)，2017年為(108.98 ~831.57)×10–5Am2/kg(平均值 374.15×10–5Am2/kg)；HIRM的變化范圍2015年為(17.86 ~ 110.58)×10–5Am2/kg(平均值 43.96×10–5Am2/kg)，2017年為(11.48 ~ 144.39)×10–5Am2/kg(平均值 60.58×10–5Am2/kg)。Sratio可用來評價低矯頑力軟剩磁與高矯頑力硬剩磁礦物的相對含量[21]，其值越接近1時，表示低矯頑力的亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦或磁赤鐵礦)是樣品中主要的磁性礦物[22]。當Sratio<0.8，則說明樣品中含有較高比例的硬磁性礦物，反之，0.8

2.2 磁性礦物含量參數

χLF、SIRM與樣品中磁性礦物含量呈正比。χLF大體反映環境樣品中磁性礦物(包括抗磁性、順磁性、不完全反鐵磁性和亞鐵磁性礦物)的含量[24]。SIRM與χLF的區別在于其不受順磁性和抗磁性物質的影響，主要表明亞鐵磁性和不完全反鐵磁性礦物的貢獻[25]。天池景區表土的χLF、SIRM值變化范圍2015年 分 別 為(46.05 ~ 210.32)×10–8m3/kg(平 均 值95.25×10–8m3/kg)、(516.56 ~ 4 219.12)×10–5Am2/kg(平均值 1 110.86×10–5Am2/kg)；2017年分別為(43.20 ~326.54)×10–8m3/kg(平 均 值 113.04×10–8m3/kg)、(454.24 ~ 4 241.40)×10–5Am2/kg(平均值 1 574.40×10–5Am2/kg)。

2.3 磁性礦物粒度參數

如果樣品中磁鐵礦主導亞鐵磁性礦物，SIRM/χLF可用于估計磁性礦物粒度，其值越高，表明磁性礦物顆粒越粗，其低值指示樣品以多疇和超順磁性顆粒(SP)為主，低值到中值時以假單疇顆粒主導，其高值說明穩定單疇顆粒占優[26]。天池景區表土SIRM/χLF的平均值2015年、2017年分別為11.62×103、13.83×103A/m，屬于低值到中值過渡范圍；同時，2017年平均值高于2015年，表明粗顆粒磁性礦物增加。χFD反映細小的SP對磁化率的貢獻，值越高表明整體磁性顆粒越細；χFD值的大小也指示SP比例的多少，同時能夠辨別土壤顆粒是自然形成還是人為活動所致[27]。研究區土壤χFD變化范圍2015年為1.54% ~11.08%(平均值 7.59%)，2017年為1.53% ~ 13.71%(平均值 5.75%)。Dearing[28]指出，若χFD<2%，樣品中基本無SP的存在；2%<χFD<11%，樣品中SP含量介于10% ~ 50%；11%<χFD<14%，樣品中SP含量>75%，樣品中以SP顆粒為主。研究區2015年樣品中χFD% 值在8% ~ 11% 的樣品占比較高，而2017年樣品中χFD值在2% ~ 8% 的樣品占比較高，說明2017年樣品中粗顆粒比例明顯增多，兩次樣品中多數樣品的磁性載體含有10% ~ 50% 不等的SP顆粒。

表1 不同時期表土樣品磁性參數統計結果Table 1 Statistics of magnetic parameters of topsoil samples in different periods

3 討論

3.1 天池景區表土磁性特征

不同磁參數的雙變量圖是一種有用、有效的定性圖形技術，無需昂貴的化學分析，也可以快速、簡便地鑒別某些磁性礦物特征和疇態[26]。當磁性礦物由單一磁性礦物構成或磁性礦物的混合物以恒定比率控制時，χLF和SIRM呈線性關系。天池景區兩次表土樣品的χLF與SIRM變化趨勢相似且呈顯著正相關(r=0.75，0.74；圖2)，反映了樣品中磁性礦物主要是亞鐵磁性礦物質和不完全反鐵磁性礦物，同時較高的相關性說明表土樣品中磁性礦物來源的多樣性；χLF與SOFT呈極顯著正相關(r=0.90，0.89)，與HIRM呈中低度相關性(r=0.45，0.64)，反映表土樣品的磁學性質主要受低矯頑力亞鐵磁性礦物所主導，且伴有一定不完全反磁性礦物；SOFT平均值遠高于HIRM，也進一步證明了上述結果；Sratio值大于90%，表示低矯頑力的亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦或磁赤鐵礦)是樣品中主要的磁性礦物；從SIRM/χLF結果看，兩次樣品的載磁礦物以亞鐵磁性礦物(鈦磁鐵礦)為主。

天池景區2017年樣品χLF的平均值高于2015年，且變化幅度大于2015年。與其他研究區表土樣品相比，該景區表土樣品χLF平均值略低于喀納斯景區表土樣品(平均值 122.30×10–8m3/kg)[3]、銀川市城市表土樣品(平均值 117×10–8m3/kg)[29]。考慮近兩年自然因素的不變性，因此，2017年樣品磁性的增強主要是由旅游活動產生的生活排污、汽車尾氣、化石燃料燃燒等人為因素造成。

已有研究表明，自然成土土壤的χLF與χFD具有良好的正相關性，而污染土壤的相關性一般表現較高的χLF和較低的χFD[7]。2015年樣品χFD與χLF無相關性(r=0.07)，2017年樣品呈低相關性(r= –0.21)，表明景區表土樣品磁性未受SP顆粒主導，2017年樣品中粗顆粒明顯增加，磁性增強。人為磁性礦物的磁性不同于自然產生的磁性礦物，因為它們具有較粗的磁性顆粒尺寸(多疇和假單疇)[30]。綜合來看，天池景區表土樣品中存在人為形成的假單疇粗顆粒和一定量的SP細顆粒。

3.2 天池景區表土磁性特征的時間變化

不同時間段表土樣品表現出的磁性特征差異，在一定程度上可以追蹤當地土壤污染的時間變化。以天池景區表土磁性參數隨時間變化的關系作圖(圖3)，且以1% ~ 99%、25% ~ 75% 的概率作為時間變化下磁性參數變化分布范圍，比較兩個時間段的各項參數值，由圖3可知，景區2017年表土樣品的χLF、SIRM、SOFT和HIRM值明顯高于2015年。研究區遠離城市和工業區，受工礦污染排放影響很小，磁性礦物含量的增強可能與近兩年景區旅游活動排放的污染物累積有關，如景區內汽車尾氣排放及輪胎磨損、筑路材料等磁性礦物顆粒，這與其他學者研究結論類似[31]。比較兩次樣品的Sratio值和χFD，如圖3所示，2017年樣品的Sratio高于2015年，同時2017年樣品的χFD整體又小于2015年，這表明雖然兩組樣品的磁性顆粒都以粗顆粒為主，但2017年樣品的磁性顆粒矯頑力更低，磁性顆粒更粗。比較兩次景區表土樣品的SIRM/χLF平均值，可見，隨時間的進展磁性礦物顆粒粒徑增加。

3.3 天池景區表土磁性特征的空間變化

研究區2017年樣品的χLF、χFD、SIRM、SOFT和HIRM呈現出較高的CV值，均大于0.4，除了SOFT，其他變化程度都高于2015年樣品，兩次樣品Sratio的CV值最低，反映出2017年表土樣品的磁性參數變化幅度大，空間分布不均勻。研究區兩次表土樣品磁性礦物含量空間變化明顯，在磁性礦物含量的高值區可能存在土壤污染，為比較兩個時期景區表土樣品磁性礦物含量的空間變化規律，圈定受游客旅游活動影響的可能污染范圍和程度，對兩次樣品的χLF、SIRM、SOFT和HIRM值，采用反距離插值法進行空間插值，繪制出兩次樣品4種磁性參數的空間分布圖。從圖4可以看出，無論是2015年還是2017年樣品的χLF值，高值都主要出現在天池北部的西王母祖廟、定海神針幾個核心景點區域，并隨著樣品離核心景點區域距離的增加，χLF值呈逐漸下降的趨勢；在西北部停車場附近及天池湖南部周邊，兩次采樣點的χLF值均出現了相似的變化趨勢。2017年的χLF值相對于2015年增長趨勢明顯增大，范圍變廣，尤其是在天池北部的核心區域、天池湖三面以及天池中部的民族文化村，2017年高值點是2015年高值點的1.5倍，且污染面積明顯擴大，這可能是兩年內天池景區頻繁的旅游活動造成。可見，旅游活動對景區表土樣品的磁性礦物含量的貢獻很大。兩次采樣的SIRM、SOFT空間變化與χLF變化趨勢基本相似，亞鐵磁性礦物含量也呈現出沿環湖區高值并向外圍逐漸遞減的分布趨勢。2017年的SIRM高值點是2015年高值點的1.8倍，2017年的SOFT高值點是2015年高值點的1.3倍，與χLF相似，天池景區2017年西南部及環湖區域的SIRM與SOFT值明顯高于2015年。兩次采樣HIRM呈現從環湖區域值高并隨著遠離核心景點區域向外圍減少的趨勢，湖的北部值高，說明不完全反鐵磁性礦物顆粒較多。對比兩次采樣的HIRM，2017年的高值點小于2015年的高值點，但整體上2017年大于2015年；同時出現了湖的北部核心景點區域及環湖的值明顯增大。

綜上所述，4種磁性參數的空間分布狀況均表現出不連續分布的高值區域，兩次采樣點均顯示湖的北部游艇停靠區、停車場及周邊、核心景點區域值較高，2017年樣品的磁性參數高值區與2015年高值區相似且在2015年高值區基礎上范圍顯著擴大。可能原因是研究區北部分布著3個核心景點(定海神針的游客密集區、西王母神廟和飛龍潭)，景區內周圍分布著道路、乘船碼頭。該區域表土頻繁有尾氣的排放及游客踐踏、旅游垃圾等人為活動影響。環湖的西北部、西部和西南部土壤磁性參數富集程度僅次于環湖北部區域，可能是由于環湖周圍停靠在碼頭邊的游艇尾氣累積及游客增多導致交通區間車增加帶來的影響。湖的西南部和西北部不連續分布的高值點的增高是由于停車場周圍汽車的增多導致尾氣排放量增大導致，西部區域富集增大是由于靠近福壽觀和民俗文化區受到了旅游餐飲和住宿區燃煤飛灰的影響。

4 結論

1)天山天池景區表土樣品中磁性礦物以低矯頑力亞鐵磁性礦物(磁鐵礦和磁赤鐵礦)為主，同時伴有赤鐵礦和針鐵礦組成的不完全反鐵磁性礦物；樣品磁性礦物含量適中，低于喀納斯景區和銀川市區；兩次樣品中磁性礦物主要由假單疇粗顆粒，同時含有相對較低的SP顆粒混合構成。

2)天山天池景區表土樣品中磁性礦物特征隨時間變化顯著，2017年磁性礦物含量、粗顆粒比例高于2015年；除自然因素外，由于景區遠離城市和工業區，兩年的旅游活動產生的含有磁性礦物的污染物不斷的累積，因而造成兩次樣品磁性礦物含量和粒度的差異。

3)天山天池景區表土樣品的磁性參數空間分布變化明顯，兩期的磁性參數空間分布圖呈現出在受人為活動影響較大的停車場及交通要道等旅游活動密集區的磁性礦物含量明顯高于其他地區的格局。研究發現，監測景區表土磁性參數的時空變化有助于圈定可能污染范圍的變化和判別污染物來源。