环境磁学方法在珠三角表层土壤和沉积物环境质量监测中的应用PPT
环境磁学方法在珠三角表层土壤和沉积物环境质量监测中的应用为了解环境磁学方法在珠三角地区表层环境质量监测中的作用，野外采集该区陆地表土和河口表层沉积物样本共...
环境磁学方法在珠三角表层土壤和沉积物环境质量监测中的应用为了解环境磁学方法在珠三角地区表层环境质量监测中的作用，野外采集该区陆地表土和河口表层沉积物样本共 417 件，对所有样本进行多个环境磁学指标测试，通过系列分析，主要得到以下结论：1）表层环境系统中该两类环境物质 中磁性矿物颗粒均以亚铁磁性磁铁矿为主，人类活动产生的次生物质是其重要来源2）区内表层土壤和沉积物中磁颗粒均 以粗粒稳定单畴为主，与其他许多地方一般为多畴至准单畴粒级的结果不同3）磁化率、非磁滞剩磁和等温剩磁等可以指 示该区表层环境物质中 V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd 等重金属污染情况，但在本地区，它们对 Pb 污染基本不具指示 意义4）沿珠江口西部的陆地和水域都是区内污染物的关键汇聚区，粤港澳大湾区规划和建设过程中，应加强对该片区的 环境监管精细圈定珠江三角洲重金属污染范围并判断污染水平珠江三角洲是我国重要的农业基地之一；行政区划上，则指包含广州、珠海、中山等九市的城市群，是 中国改革开放的先行区和重要的经济中心另一方面，数十年快速的社会经济发展也付出了生态环境受损的巨大代价—— 珠江三角洲目前也是我国环境污染最严重的地区之一环境磁学方法因可提供的信息量大、测量方法经济便捷而引起了世界各地许多科学家的关注，且目前为止已在沉积物、 土壤和大气降尘等环境物质重金属污染监测和评价中得到广泛的应用。原理自然状态下，环境物质的磁学特征主要受控于母质类型和气候条件，以土壤磁化率为例，同一气候带内，不同母岩发 育而成的土壤，其磁化率值可存在巨大差异气候因素中，以降水量对土壤磁化率的影响最为显著，一般地，二者呈 现正相关性，但当年降水量达到 1100 mm 左右时，土壤磁化率值则发生明显下降近代，人类活动强度和范围日益增强，人类活动排放的大量污染物质，也或多或少地改变了环境物质的磁学自然属性珠江三角洲地处热带亚热带海洋性 季风气候区，年均气温 21.4~22.4 ℃，年均降雨量 1600~2300 mm（远大于 1100 mm 的“阈值”），加之地势低洼，地下水位 相对较高，土壤潜育化特点显著。改革开放以来，区内人口剧增，自然环境受到人类活动强烈改造。材料与方法主要针对三角洲内冲 洪积区农田集中区域布设采样点，每个片区均以约 500×500 m 网格布点（工作中根据野外实际情况略有调整）野外采样使 用多点混合法，采集表层 20 cm 的土壤，混合均匀后每个样本保留 1kg 左右，装入封口袋带回室内共采集土壤样本 389 个，采样点位置如图 1 所示首先利 用捷克产卡帕桥多频各向异性磁化率仪（MFK1-FA）测量样品的低频（976 Hz）和高频（15 616 Hz）体积磁化率（分别表 示为lf和hf），并作质量归一化处理，计算得到质量磁化率率 χlf和 χhf，根据公式 χfd=（χlf-χhf）/χlf×100% 计算了频率磁化率 χfd再将样品置于交变退磁仪 D-2000， 设置峰值场强为 100 mT 的交变退磁场中退磁，同时施加直流磁场 0.05 mT，在旋转磁力仪（JR-6A）上测试样品获得的非磁滞剩磁（ARM），质量归一化后，换算为非磁滞剩磁磁化率（χARM）主要磁学指标结果应用磁学方法进行环境研究的关键是识别环境物质内部磁性矿物的种类、含量、磁畴状态等。 常用的环境磁学指标中， 可用以指示样品中磁性矿物类型和相对浓度的参数主要有磁化率 χlf、等温剩磁 IRM、硬剩磁 HIRM、退磁系数 S-ratio 等； 可用于指示磁性矿物磁畴状态的参数包括有频率磁化率 χfd、χARM/χ、χARM/MSIR等代表性磁参数统计结果见表 1。主要指示磁性矿物类型与相对浓度的指标结果以上这些参数的分析结果综合指示，研究区域内，无论表层土壤还是 河口表层沉积物，其中的磁性矿物颗粒均应以亚铁磁性的磁铁矿为主，同时含有一定量的不完全反铁磁性矿物，如针铁矿， 它是气候潮湿地区土壤中的常见铁氧化物。主要指示磁性矿物粒度的指标结果磁性矿物的磁畴状态也是影响环境物质磁学性质的重要因素，以磁铁矿为例，按粒径从大到小，磁性颗粒分为多畴 （MD，直径大于 10μm）、准单畴（PSD，直径 0.2~10 μm）、稳定单畴（SSD，直径小于 0.2μm）和超顺磁（SP，直径小于 0.03μm）等。研究发现，频率磁化率 χfd对 SP 和 SSD 颗粒敏感，χfd被认为可以有效地用于细粒磁性矿物颗粒含量的半定量 估算，当 χfd>5%时，反映样品中有一定量的这类颗粒；而当 χfd >10%时，其中的细粒磁性矿物含量已相当可观[36]。据表 1 统计结果，研究区内 389 个土壤样本的 χfd 均值为 4.52%，珠江河口表层沉积物的 χfd 平均值为 6.85%，均在 5%左右，指示 区域内该两类表层环境物质中均含有一定量的 SP 和（或）SSD 颗粒。95%以上的样本中磁性矿物颗粒以粗粒 SSD 占据绝对优势，同时也含有一定量的 SP 颗粒。代表性环境磁学指标的空间分布特征35.2%的样本χlf值低于10×10-8m3·kg-1， 主要分布在广州市从化区、增城区和惠州市等远离珠江河口的片区29.8%的样本χlf值在10×10-8~20×10-8m3·kg-1之间，样点 分布较为分散16.7%的样本χlf值在20×10-8~50×10-8m3·kg-1之间，其中的70%分布在现代珠江口西岸的广州市南沙区、中山 市和珠海市；18.3%的样本χlf值大于50×10-8 m3·kg-1，其中的92%也分布河口西岸。珠江口内，以靠近西岸片区的表层沉积 物χlf值相对较高，靠近东岸及近海片区的较低。非磁滞剩磁磁化率χARM和饱和等温剩磁SIRM的空间分布特征与χlf基本一致。磁学指标与重金属含量相关性249 组土壤和沉积物样本的环境磁学指标与重金属元素含量相关性分析结果如表 3所示，主要反映亚铁磁性矿物含量的 χlf、ARM、χARM、IRM和 SIRM均与元素 V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn在 0.01水平呈现显著正相关关系（相关系数大于 0.5）， As、Cd 次之主要反映反铁磁性矿物比例的 HIRM 和 S-300 与各重金属元素基本不相关铅较为特殊，它除了与 χfd、 χARM/MSIR呈弱的正相关关系外，与其他磁学指标基本不相关磁性矿物颗粒来源上文结果分析表明，珠三角地区表层土壤和沉积物中的磁性矿物颗粒以粗粒 SSD 的亚铁磁性矿物为主，它们的来源通 常包括原生和次生两种其中，原生亚铁磁性矿物生成于火成岩并全部（或近乎全部）保留了原有磁性特征，多为砂或者 粗粉砂粒度级（MD+PSD）次生矿物则是后期经化学风化与成壤作用等生成，一般为 SSD 和 SP 颗粒而以 SSD 粒级为主的结果也说明，其中次生来源的颗粒占据优势对珠江口伶仃洋一个钻孔岩芯的分析结果显示，岩芯顶部沉积物的磁化率、非磁滞剩磁、饱和等温剩磁等较下部沉 积物明显偏高，指示近代强烈的人类活动已经显著改变了研究区环境的自然发展趋势。基于以上数据，结合珠三角地区 改革开放数十年来的发展历程和模式，以及近年的环境调查结果等综合分析认为，区内表层土壤和沉积物中的磁性矿物颗 粒除自然来源外，人类活动的贡献已经十分显著。结论在位于热带亚热带海洋性季风气候区的珠江三角洲，虽然土壤等环境物质的特征与其他地区存在明显差异，例如，珠 三角的土壤磁化率总体偏低，即便与同样毗邻河口海岸带的杭州、上海等地对比[18,50]，其表土磁化率也显著偏低，但环境 磁学指标，特别是 χlf、ARM、χARM和 SIRM 等同样具有重要的环境指示意义。具体结论如下：1）珠江三角洲地区第四纪冲洪积成因表层土壤和河口区表层沉积物中的磁性矿物颗粒均以粗粒 SSD 级的具亚铁磁性 的磁铁矿为主，人类活动产生的富含磁性颗粒的次生物质是其重要来源2）研究区表层土壤和沉积物中主要反映亚铁磁性矿物含量高低的磁学指标 χlf、χARM 和 SIRM 等与 V、Cr、Co、Ni、 Cu、Zn，以及 As、Cd 等均呈现显著正相关关系，可在一定程度上指示该类环境物质的重金属污染情况；但 χlf、χARM 和 SIRM 等对研究区表土和沉积物的 Pb 污染基本不具指示作用3）区域内表土的 χlf、χARM和 SIRM 等，其高值区均主要分布在现代珠江口的西岸；河口表层沉积物中，也以靠近西岸 片区的 χlf、χARM 和 SIRM 值相对靠近东岸及向海片区的更高。考虑到粤港澳大湾区发展需求和珠江河口湾的特殊地理环境 条件，应尤其注意对这些区域的环境监管
