收稿日期：2008-05-15

基金项目：浙江省自然科学基金项目（R305078）资助

作者简介：郭军玲（1984－），河南新乡人，在读研究生，主要从事环境生态学研究。

*通讯作者：E-mail:lusg@zju.edu.cn

城市污染土壤中磁性物质对重金属的富集作用郭军玲，张春梅，卢升高*

（浙江大学环境与资源学院，浙江杭州310029）

摘要：应用环境磁学方法监测土壤重金属污染是土壤污染研究的新途径。本研究以杭州和洛阳城市污染土壤为对象，应用磁分离技术分离污染土壤中的磁性物质。结果表明，杭州和洛阳城市土壤的磁性物质含量分别是0.20～2.75（平均值0.75%）和0.47%～3.67%（平均值1.36%），土壤中磁性物质数量取决于土壤的磁化率大小和重金属污染程度。统计分析表明土壤磁性物质含量与重金属综合污染负荷指数（PLI）呈极显著相关（R2=0.531），土壤磁性物质的含量可大致反映城市

土壤的重金属污染状况。城市土壤的重金属富集系数表明磁性物质对重金属有显著的富集作用，杭州和洛阳城市土壤中Fe的平均富集系数分别为20.1和15.8，土壤磁性物质对重金属的富集系数大小为Fe>Cr>Cu>Mn>Pb>Zn。土壤重金属在磁性物质中的富集作用解释了土壤磁测反映重金属污染状况的环境磁学机理。

关键词：城市土壤；磁性颗粒；磁分离；重金属；富集系数中图分类号：S152；X833文献标识码：A文章编号：0564-3945(2009)06-1421-05

Vol.40,No.6Dec.,2009

土壤通报

ChineseJournalofSoilScience第40卷第6期

2009年12月

随着我国工业化、城市化、农村集约化进程的不断加快，土壤重金属污染问题日益突出。在城市环境中，由于工业和人类活动将大量的重金属带入城市土壤中，造成这些元素在土壤中的积累，并通过大气、水体或食物链而直接或间接地威胁着人类的健康。因此，研究城市土壤的重金属污染来源、含量分布、化学形态、积累的生物效应及其污染修复对城市的可持续发展具有重要的意义[1~3]。环境磁学方法是研究土壤、沉积物和大气悬浮颗粒等环境污染监测的新方法，研究表明利用土壤和沉积物的磁性特征可反映环境污染的变化范围、污染程度和污染史等问题，在一定的环境中磁性指标可作为土壤、沉积物、大气悬浮颗粒中重金属元素含量的替代指标，可通过测定它们的磁性特征来解决重金属污染的起源、程度、分布等问题[4~10]。欧洲城市土壤磁性的研究发现[7~10]，城市土壤表现出明显的磁性增强现象，城市土壤的磁性指标(主要是磁化率和饱和等温剩磁)与重金属含量存在定量关系。我国杭州、洛阳、武汉、上海等城市土壤的磁测也获得了相同的结果[11~14]。这些研究证明磁测方法具有的快速、简便、低费用等特点使快速获取大量重金属污染数据成为可能，是反映土壤污染空间变异和污染制图的有效方法。利用土壤磁测指示重金属污染的基本理论是建立在污染土壤中磁性物质与重金属在起源上具有同源性，磁性物质对重金属元素和有机污染物具有很强富集作用的基础上。本文应用磁分离技术分离重金属污染土壤中的磁性物质，测定磁性物质中的重金属元素(Fe、Mn、Pb、Cu、Zn、Cr)含量，以证明污染土壤中磁性物质对重金属的富集作用，阐明土壤磁性指示重金属污染的机理，为发展环境磁学方法监测土壤重金属污染提供科学依据。

1试验材料和方法1.1土壤样品采集和磁分离在广泛测定杭州和洛阳两市不同功能区表土样品磁性基础上[11~12]，根据建立的磁测指示城市土壤重金属污染的方法，选择不同城市土地利用方式(工业区、道路和居民区)的重金属污染土壤进行磁分离。在杭州和洛阳分别选取19个和20个土样供研究。土壤样品系0～10cm表土，每个样品由3～5个取样点混合而成。采集的土壤样品在室温下自然风干，过2mm孔筛供土壤磁性参数测定。部分土样用玛瑙研钵研磨，过0.125mm塑料土筛，供重金属元素全量分析。土壤中磁性物质的提取方法为：称取一定量的土壤置于烧杯中，加入去离子水，土水比为1∶5；将烧杯置入超声波分散仪超声分散，然后在恒温磁力搅拌器中，将包有薄膜的磁转子投入，在室温下连续搅拌，将磁转子上吸附的黑色磁性物质取出，如此反复，一直到磁转子上无磁性物质为止，将磁性物质和剩余物质烘干，称重，供重金属元素全量分析。1.2试验方法土壤磁化率采用BartingtonMS2双频磁化率仪测定，测定土壤低频（0.47kHz）磁化率（χlf）和高频第40卷土壤通报

（4.7kHz）磁化率（χhf），并计算频率磁化率(χfd，χfd=[χlf-χhf]/χlf×100)。饱和等温剩磁（SIRM）采用英国Molspin脉冲磁化仪和Minispin旋转磁力仪测定。上述磁性参数的意义和测定方法可参阅卢升高等[15]。土壤和磁性物质的重金属含量采用HNO3-HClO4-HF三酸消化，原子吸收法（AAS）测定。2结果2.1城市土壤中的磁性物质含量表1是试验用土壤样品的Fe、Mn、Cr、Cu、Pb和

Zn含量和磁性参数（磁化率、频率磁化率和饱和等温剩磁）。结果表明，试验土壤表现为明显的重金属Cr、Cu、Pb和Zn富集。由于我国还没有城市土壤重金属浓度的控制标准，根据意大利环境部提出的公共用地、居住用地和私人区土壤重金属浓度控制标准，几种重要污染物的标准分别是Cu120、Cr120、Pb100、Zn150mgkg-1[16]，可见部分城市土壤样品存在重金属超标问题。根据加拿大魁北克环境部建立的居住、工业和商业用地土壤重金属环境标准[17]，试验土壤的重金属含量没有超过必须进行适当改良的C级标准（Cd20、Cu500、Ni500、Pb1000、Zn1500mgkg-1）。由于选取的研究土壤为重金属污染土壤，土壤有较高的磁化率，杭州和洛阳城市污染土壤的平均磁化率分别达200×10-8和463×10-8m3kg-1，频率磁化率则分别为3.0%和1.9%。图1是城市土壤的磁性物质含量分布，结果表明杭州城市土壤中的磁性物质含量为0.20%～2.75%，平均值0.75%。洛阳城市土壤中磁性物质含量范围为0.47%～3.67%，平均为1.36%。城市土壤磁性物质含量与磁化率和饱和等温剩磁性密切相关，图2是杭州和洛阳城市表土的磁性物质含量和磁化率与饱和等温剩磁的关系图，由图中可以清楚的看到，土壤磁性物质含量与表示磁性物质的浓度指标呈极显著正相关。

2.2城市土壤中磁性物质含量与重金属污染负荷指数的关系为说明土壤磁性物质含量与重金属污染的关系，计算了土壤的Tomlison污染负荷指数（PLI）[18]，计算公

杭州城市土壤Hangzhousoil(n=19)平均值最大值最小值标准误Cr(mgkg-1)63.3119.629.322.4Cu(mgkg-1)93.0177.335.141.1Mn(mgkg-1)572.21042.0398.6140.4Pb(mgkg-1)134.1344.531.973.4Zn(mgkg-1)282.9873.1106.7155.9Fe(%)3.04.22.10.6χlf120073488179χfd(%)3.09.21.01.9SIRM226.586.410.821.2洛阳城市土壤Luoyangsoil(n=20)Cr(mgkg-1)104.2460.151.192.6Cu(mgkg-1)111.3278.947.153.4Mn(mgkg-1)538.61197.2330.3182.2Pb(mgkg-1)257.02273.048.8486.6Zn(mgkg-1)364.2569.9162.3128.9Fe(%)3.64.32.60.9χlf14631128235233.1χfd(%)1.93.50.50.8SIRM246.0298.7010.2422.88

表1供试城市土壤的重金属含量和磁性参数Table1Heavymetalcontentsandmagneticparametersofurbansoils

注：1磁化率单位(χlf):10-8m3kg-1；2饱和等温剩磁单位(SIRM):10-3Am2kg-1。

Note:1Theunitsofmagneticsusceptibility(χlf):10-8m3kg-1;2Saturationisothermalremanentmagnetization(SIRM):10-3Am2kg-1.

图1城市土壤中的磁性物质含量分布Fig.1Magneticmaterialscontentsextractedfromurbansoils

图2城市土壤中的磁性物质含量与磁化率和饱和等温剩磁的(SIRM)关系Fig.2Relationshipbetweenmagneticmaterialscontentandmagneticsuscep-tibilityandsaturationisothermalremanentmagnetization(SIRM)inur-bansoils

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式为：PLI=(CF1×CF2×…×CFn)n姨其中CF金属=C金属浓度/C背景浓度，PLI反映了样品中重金属的综合污染状况。统计分析表明，土壤磁性物质含量与PLI呈极显著直线正相关（R2=0.531），这一结论与城市土壤中磁性浓度指标与PLI的关系一致。结果表明土壤磁性物质含量反映了土壤中的重金属污染状况，磁性物质含量与磁性指标可用于监测土壤的污染程度。2.3城市土壤中磁性物质对重金属的富集作用应用重金属富集系数(磁性和非磁性部分中的重金属含量之比)来衡量城市土壤中磁性物质对重金属元素的富集作用，结果见图4。图4中城市土壤磁性物质对重金属的富集系数可以看出，磁性物质对测定的Fe、Mn、Cu、Cr、Pb和Zn都表现出明显的富集作用，其中以Fe的富集系数最大，杭州城市土壤铁平均富集系数20.1，洛阳为15.8；磁性物质对重金属的富集系数大小为Fe>Cr>Cu>Mn>Pb>Zn。由于磁分离的是强磁性的氧化铁矿物，导致磁性物质中铁元素的富集，而Mn、Cu、Cr、Pb和Zn元素的富集系数表明提取的氧化铁对它们有较强富集作用，或这些金属元素与氧化铁在起源上的具有相同性。

3讨论磁分离技术最先是作为浓集土壤中氧化铁矿物技术得到应用的[19]，土壤中磁性物质的提取量与土壤中的磁性矿物种类、含量和施用的磁场强度密切相关。本研究中所用的磁体磁场比较弱，提取的主要是土壤中的强磁性物质，主要是磁铁矿和部分赤铁矿。结合城市污染土壤中磁性物质含量和磁性指标数据，污染土壤中存在一定数量的强磁性颗粒，这些颗粒使土壤磁性增强。城市土壤中磁性颗粒的来源主要与工业活动、汽车尾气、大气颗粒沉降等人类活动有关，这些人为起源磁性颗粒的磁性特征表现为高的磁化率值，而频率磁化率（χfd）值往往较低（表1）。χfd值是反映磁性矿物颗粒大小的重要指标，低的χfd（<3%）表明工业活动和汽车尾气等人为起源的磁性颗粒多以多畴态颗粒存在，而成土过程形成的磁性颗粒多呈以超顺磁性颗粒存在[15]。这些磁性特征为迅速识别污