水泥厂周边稻田土壤剖面磁学性质及其环境意义
作者：李 勇, 徐 炜
单位：安徽科技学院电气与电子工程学院；蚌埠玻璃工业设计研究院浮法玻璃新技术国家重点实验室
卷期：《土壤》2021年第53卷第2期
为了研究水泥工业粉尘对农田土壤磁学性质的影响，在水泥厂周边挖掘了2个稻田土壤剖面（L01、L02）和1个山林土壤剖面（L04），同时设置对照剖面（L03），采用环境磁学方法，对4个土壤剖面磁学参数、矿物成分和化学成分进行了测量和分析。结果表明：水泥厂周边3个土壤剖面中主要矿物成分是石英、伊利石、针铁矿、蒙脱石、方解石等。稻田土壤和山林土壤的磁学性质主要由亚铁磁性矿物决定，其中稻田土壤中存在亚铁磁性矿物和反铁磁性矿物，但亚铁磁性矿物含量较低，磁性矿物粒径较粗。山林土壤剖面中亚铁磁性矿物含量较高，磁性矿物粒径细。
由于受水泥粉尘影响，剖面L01、L02和L04存在表层土壤磁性增强现象（图1）和ωCaO（CaO质量分数）升高的现象（图2），3个剖面中0 ~ 20 cm土壤χ、χARM、SIRM和ωCaO的平均值明显高于20 cm以下土壤平均值，剖面L01离水泥厂更近，受水泥粉尘的影响更严重，其0 ~ 20 cm土壤磁性增强现象和ωCaO升高的现象更明显。而剖面L03的χ、SIRM、χARM值和ωCaO值在整个剖面上变化并不大。剖面L01、L02和L04中0 ~20 cm土壤的χ、SIRM和χARM值均随采样深度的增加而减小（图1a-图1c），这是随水泥粉尘进入土壤中的亚铁磁性矿物在雨水的作用下从表土层淋溶至心土层的结果。磁学参数χ、SIRM和χARM显示剖面L04中磁性矿物浓度大幅高于剖面L01、L02和L03，这是因为稻田土壤长期被水浸泡，在还原、缺氧和低pH的条件下，土壤中强磁性的亚铁磁性矿物或被溶解或被转化成弱磁性矿物所致。
图1 磁学参数的土壤剖面分布
图2 ωCaO的土壤剖面分布
剖面L04的χfd、χARM/SIRM明显高于剖面L01、L02和L03（图1e-图1f），在4个土壤剖面样品的Dearing图（图3）中，稻田土壤剖面L01、L02、L03上的样品集中分布在粗粒SSD（稳定单畴）区域，SP颗粒的含量较低。山林土壤剖面L04除0 ~ 20 cm土壤中个别样品分布在粗粒SSD区域和细粒SSD区域，大部分样品均分布在细粒SSD至SP过渡区域，SP含量高（>75%）。剖面L04中20 cm以下土壤的χfd平均值高达14.3%，指示这部分土壤中磁性矿物是在自然成土过程中形成的，该层土壤是未受工业污染的自然土壤。稻田土壤剖面由于长期浸泡在水中，其中细粒亚铁磁性颗粒物最容易被破坏，这是导致剖面L01、L02、L03中磁性矿物粒径较剖面L04粗的原因。此外，由于剖面L01、L02、L04受到水泥粉尘影响，剖面L01和L02上的样品在Dearing图中的分布位置相对于剖面L03更接近横轴，SP含量更低，与水泥粉尘样品分布位置更接近（图3），而剖面L04上0 ~ 20 cm土壤中磁性矿物粒径明显变粗，在Dearing图中与20 cm以下土壤明显分开。
图3 Dearing分析结果
剖面L01、L02和L04中ωCaO与磁学参数χ、χARM、SIRM均存在正相关关系（图4）。因此，稻田土壤剖面的磁学参数χ、χARM、SIRM和wCaO对水泥粉尘的影响具有较好的指示作用，两类参数的值越高，指示稻田土壤被水泥粉尘影响越严重。
图4 土壤样品ωCaO与磁学参数的相关性