基于BP神经网络的城市公园土壤重金属磁学诊断分析——以上海市莘庄公园为例

在上海市莘庄公园采集公园绿地表层土壤,结合磁学方法和化学方法,通过地统计学分析土壤重金属、土壤磁学特征的空间变异特征,对基于非线性BP神经网络和偏最小二乘法建立的土壤重金属磁学诊断模型的稳定性和精确性进行了比较分析。结果表明,土壤中Cu、Mn、Pb和Zn含量平均值分别为27.31、651.91、26.05和96.20 mg/kg,皆超过上海土壤重金属背景值,公园绿地土壤重金属存在富集现象。土壤低频磁化率、饱和等温剩磁和非磁滞剩磁磁化率平均值分别为27.39×10^-8 m³/kg、3 480.67×10^-6 Am²/kg和182.01×10^-8 m³/kg,也不同程度超出上海土壤背景值,公园绿地土壤存在磁性增强现象。土壤低频磁化率、饱和等温剩磁与Cu、Pb和Zn呈极显著正相关(p<0.01),与Mn呈显著正相关(p<0.05),通过非线性BP神经网络土壤重金属磁学诊断建模的稳定性和精确性均优于偏最小二乘法。     

新疆喀纳斯景区道路沿线表土环境磁学特征

为验证环境磁学方法监测旅游景区道路沿线土壤污染的可行性,分别采集新疆喀纳斯旅游景区道路沿线区（距离道路 < 0.5 m）、远离道路区（距离道路>30 m）以及远离旅游活动区（作为对照区）的表土样品,利用磁测、扫描电子显微镜和能谱仪方法对其磁学性质、空间分布及其成因进行研究.结果表明:①道路沿线区表土样品χ_LF（低频磁化率）、SIRM（饱和等温剩磁）平均值分别为194.24×10-8 m3/kg和2 288.62×10-5 Am2/kg,显著高于远离道路区和对照区.②道路沿线表土样品SOFT（软剩磁）、HIRM（硬剩磁）及S_-ratio（300 mT反向磁场测试的等温剩磁与SIRM比值的相反数）平均值分别是对照区的4.35、3.66、0.99倍,S_-ratio平均值接近于1,SIRM/χ_LF平均值小于20 kA/m,χ_FD（百分频率磁化率）平均值为2.04%,IRM（等温剩磁）获得曲线呈先快后慢的上升趋势.③道路沿线区表土样品的χ_LF、IRM_{20 mT}（20 mT正向磁场测试的等温剩磁）、SIRM相互之间以及三者与SOFT之间均呈显著正相关.χ_LF与χ_FD、SIRM/χ_LF均呈显著负相关,χ_FD与SIRM/χ_LF呈显著正相关,S_-ratio与SOFT呈显著正相关、与HIRM呈显著负相关.④道路沿线区和远离道路区表土样品的磁性矿物均存在光滑完整的球粒状、不规则或片状颗粒,其元素组成主要是C、O、Si、Al、Fe等,并含有微量的Ni、Cr、Mn等重金属元素.研究显示,新疆喀纳斯旅游景区道路沿线表土样品磁性矿物含量较高,载磁矿物以多畴、假单畴粗颗粒的亚铁磁性矿物为主导,χ_LF、SIRM、SOFT的空间变化趋势类似,均在通往湖口的道路处出现高值区,并且磁性颗粒较粗,形成潜在土壤污染区.道路沿线区表土样品磁性增强可能与旅游交通活动产生的磁性颗粒外源输入有关.因此,环境磁学方法具有大范围监测景区土壤环境、判别污染物来源和圈定旅游交通土壤污染范围的能力.      

西安城市不同功能区街道灰尘磁学特征及环境污染分析

为了解西安城市不同功能区的环境现状,通过采集西安城市不同功能区街道灰尘的样品,进行系统的环境磁学实验分析并结合扫描电子显微镜研究表明,街道灰尘中磁性矿物含量相对较高,多畴和假单畴的低矫顽力软磁性矿物为主要的载磁矿物,还含有赤铁矿等高矫顽力的硬磁性矿物.磁化率、饱和等温剩磁、低矫顽力软磁性矿物和非磁滞剩磁磁化率与饱和等温剩磁比值等磁性参数揭示出街道灰尘的磁学特征在西安城市不同功能区的差异以及污染的主要来源,根据污染程度划分为重度污染区、中度污染区和轻度污染区并对应西安市7个城市功能区:浐灞生态区(F区)为重度污染区,磁性物质含量较高,表明环境污染相对较重,污染的主要来源为"工业+交通";高新技术产业开发区(A区)和中心商务区(B区)磁性物质含量相对较高,粗颗粒物质相对较少,是中度污染的区域,其污染源分别为"工业"和"交通";经济技术开发区(C区)、科教商业区(D区)、科教文化产业区(E区)和教育科技产业区(G区)城市主要功能具有相似性,是轻度污染的区域,污染源主要为"交通".     

城市表土磁学特征对污染源的指示

分析徐州市城市表层土壤样品的磁学参数(磁化率、频率磁化率、饱和等温剩磁、非磁滞剩磁磁化率、热磁曲线和磁滞回线)变化特征,结果表明,徐州城市表土主要由单畴(SD)和多畴(MD)的亚铁磁性矿物控制,但也存在一定量的赤铁矿。人类活动导致徐州城市表土磁化率显著增加,交通区、居民区、绿地区的平均磁化率分别为:273.06×10~(-8)、111.02×10~(-8)和65.24×10~(-8)m~3/kg。交通运输是市中心交通区和居民区表土磁化率增加的主要来源,工业区附近道路表土中磁性矿物浓度大于远离工业区的交通道路和居民区,绿地区磁性矿物浓度较低。     

上海崇明岛沉积物重金属污染的磁学研究

系统分析了上海崇明岛的8个样点沉积物样品的重金属元素和磁化率、频率磁化率以及饱和等温剩磁等磁参数之间的关系,结果表明:介于轻度污染和偏中度污染的重金属Pb、Cr、Cu、zn元素与磁性矿物特别是亚铁磁性矿物之间在赋存形态、沉积特征上存在一定的联系,因此磁性测量可作为沉积物重金属污染记录信息提取的辅助手段,但不同的磁性参数对重金属的指示程度不同,由于本研究以较粗的多畴亚铁磁性矿物为主,同时质量磁化率(x)、非磁滞剩磁磁化率与饱和等温剩磁的比值(XARM/SIRM)对重金属元素含量变化比较敏感,因而X、XARM/SIRM可作为重金属含量的替代指标.最后在重金属元素和磁性参数相关性的基础上建立了磁诊断线性回归模型.     

西北典型工矿型城市街道尘埃重金属污染的环境磁学响应

以甘肃省白银市为研究区域,系统采集43个城区街道尘埃样品,并对其进行环境磁学和重金属元素特征分析.结果表明,白银市街道尘埃磁性特征以低矫顽力的磁铁矿和磁赤铁矿为主导,磁晶体粒径为较粗的假单畴(PSD)和多畴(MD)颗粒;样品低频磁化率(χlf)变化范围为(43.75~1 340.08)×10-8m3·kg-1,平均值为245.98×10-8m3·kg-1,与国内综合型大城市相比,白银市街道尘埃磁性矿物含量相对较低,但呈现明显的空间分布差异,表现为工业区高于带状交通区,带状交通区高于商业区,新城区磁性矿物含量较低;白银市各功能区污染源相对单一,工业污染对强磁性矿物的贡献占主导,污染程度空间分异显著.白银市街道尘埃样品中Cu、Pb、Zn整体含量较高,污染负荷指数(PLI)与低频磁化率(χlf)、非磁滞剩磁化率(χARM)、饱和等温剩磁(SIRM)、"软"剩磁(SOFT)相关性较高,且空间变化特征较为一致,表明反映磁性矿物含量的参数可以有效监测城市重金属污染,进而圈定重金属综合污染区域和范围,为进一步的城市污染治理工作提供快速有效的证据支持.     

上海城市表土磁性特征对重金属污染的指示作用

选取上海市城市表土作为研究对象,结合磁学方法与传统化学方法,研究了上海市192件表土样品的磁性特征和重金属含量,并探讨了磁学参数指示重金属污染的可行性.结果表明,上海市表土磁化率平均值为187.66×10~(-8)m~3·kg~(-1),亚铁磁性矿物占主导地位,颗粒较粗.上海市表土重金属Zn、Pb、Cu、Cr、Ni、Mn、Fe含量均超过背景值,属于轻度污染.重金属和磁学参数(磁化率、饱和等温剩磁)具有相似的空间分布,高值集中在宝山区和闵行区,低值集中在崇明区.工业生产和交通活动是上海市表土重金属、磁性矿物的主要来源.磁化率χlf指示污染负荷指数的半定量结果为:χlf38.90×10~(-8)m~3·kg~(-1)时,土壤属于清洁状态,无污染;38.90×10~(-8)m~3·kg~(-1)≤χlf258.69×10~(-8)m~3·kg~(-1)时,土壤遭受轻度污染;258.69×10~(-8)m~3·kg~(-1)≤χlf793.45×10~(-8)m~3·kg~(-1)时,土壤遭受中度污染;χlf≥793.45×10~(-8)m~3·kg~(-1)时,土壤遭受重度污染.因此,磁学参数对城市表土重金属污染有着一定的指示意义.     

磁化率对城郊耕地土壤重金属污染的指示研究——以许昌市为例

为探讨磁化率对土壤重金属污染的指示作用,利用磁化率仪和X射线荧光光谱仪对许昌市的城郊耕地土壤样品磁化率和重金属含量进行定量分析。结果显示,许昌城郊耕地土壤磁化率为35×10~(-8)~126×10~(-8)m~3/kg,平均值为94×10~(-8)m~3/kg,频率磁化率变化范围在4.7%~11.6%之间,平均值为7.9%。土壤中Pb、Cu、Zn、Cr含量分别为18.35~53.29、18.66~43.86、55.88~169.81和60.28~82.13μg/g,平均值分别超过背景值1.31、1.23、1.41、1.11倍。磁化率与Pb和Cu呈显著正相关,与Zn和Cr相关性不显著,表明磁化率可以指示Pb和Cu含量。土壤的污染负荷指数为0.95~2.03,平均值为1.24,表明许昌城郊耕地土壤重金属污染主要为中度污染水平,土壤磁化率与重金属污染负荷指数呈显著正相关,磁化率可以指示土壤重金属污染水平。     

南通市任港河底泥重金属污染的磁学诊断

以江苏省南通市任港河底泥柱样为研究对象,在系统的环境磁学、粒度、重金属及总有机碳含量分析的基础上,探讨了沉积物重金属污染的环境磁学诊断的可行性.结果表明,表层12cm以上样品中重金属Pb、Zn、Cu、Ni含量超出江苏省土壤背景值,剔除粒度影响后,重金属含量"上高下低"的特征仍很明显.该底泥柱样沉积物的磁性特征为亚铁磁性矿物所主导,亚铁磁性矿物含量在表层12cm以上沉积物要高于下部沉积物,其含量在沉积物上部的升高受到污染的影响.磁化率(χ)、饱和等温剩磁(SIRM)和非磁滞剩磁磁化率(χARM)与Pb、Zn、Cu、Ni含量有显著的正相关关系(r≥0.74,p<0.01,n=54),可用于定性评价任港河底泥的重金属污染程度.但因受到磁性矿物的来源和成岩作用等因素影响,表层沉积物亚铁磁性矿物与重金属含量升高不尽一致,利用磁性参数定量诊断重金属含量仍需慎重.     

工业区户外儿童游乐场地表灰尘重金属污染的磁学响应

以南京一个工业区为例,采集户外儿童游乐场地表灰尘样品,并对其进行环境磁学测量以及重金属总量和酸可提取态测定,以探究磁学参数对工业区该类环境介质重金属污染的指示作用.结果表明,地表灰尘样品中磁性矿物以亚铁磁性矿物为主,主要以假单畴-多畴颗粒存在;样品低频磁化率和饱和等温剩磁的平均值分别为939.31×10~(-8)m~3·kg~(-1)和16 618.74×10~(-5)A·m~2·kg~(-1),与城市非工业区相比磁性矿物含量较高.地表灰尘样品平均受到中度到高度的重金属污染,部分磁学参数与重金属总量和酸可提取态占比均显著相关,且与总量的相关性较强,其中,Mn、Ni、Cr总量以及污染负荷指数与非磁滞磁化率和饱和等温剩磁的相关性较高(0.69≤r≤0.86,P0.01),并具有一致的空间变化特征,且主成分分析结果表明重金属和磁性矿物均主要来自工业活动.因此,部分磁学参数可作为指示工业区户外儿童游乐场地表灰尘重金属污染状况的有效指标.     

崇明东滩湿地沉积物重金属污染的磁诊断

对取自崇明东滩的高潮滩、中潮滩和低潮滩的沉积物柱样进行了磁学、粒度、重金属含量等指标的分析、比较与综合研究. 结果表明:在以粉砂为主的崇明东滩,通过污染负荷指数法进行评价,除低潮滩无污染外,中潮滩和高潮滩均有中度的重金属污染. 选取中度重金属污染的高潮滩沉积物柱样进行粒度、重金属含量以及磁性参数的相关性分析显示,χ_fd,χ_ARM/SIRM与重金属含量和粘土(粒径<4 μm)之间有较高的相关性,并以此建立了磁诊断线性回归模型;χ_fd和χ_ARM/SIRM可作为重金属含量的替代指标.      

辽宁省阜新市主城区表土磁化率与重金属特征及关系的定量分析

煤炭城市表土的磁学特征与重金属累积存在密切联系,但其确切的数量关系仍然模糊.以阜新市主城区表土（0~20 cm）为研究对象,通过对磁化率及重金属（Cu、Zn、Cd、Hg）含量的测试以及空间插值分析,系统分析了表土的磁化率特征、重金属富集特征,并运用通径分析明确了二者的数量关系.结果表明:①阜新市主城区表土质量磁化率（χ_lf）、频率磁化率（χ_fd）平均值分别为196.88×10-8 m3/kg、2.41%,二者变异程度均较高;χ_lf高值主要集中在主城区的中心（围绕海州露天煤矿）及西北部,而χ_fd高值区则大体与χ_lf低值区对应,且呈斑状分布的格局特点.②Cu、Zn、Cd、Hg的平均含量分别为45.13、107.96、0.13、0.11 mg/kg,且点源污染特征明显;其中,Cu、Zn、Cd的富集多集中于经济活动频繁的主城区中心区域及海州露天矿的周边地带,Hg含量的高值区主要沿着细河呈东北-西南方向的带状分布特征.③主城区表土χ_lf与Cu、Zn、Cd的含量均呈显著正相关,且χ_lf与Zn、Cu含量存在χ_lf=-161.122+1.437[Zn]+4.729[Cu]的数量关系;χ_fd与Zn、Cd含量均呈显著负相关,且χ_fd与Cd含量存在χ_fd=3.720-10.154[Cd]的线性关系.研究显示,阜新市主城区表土重金属存在明显富集,其中,Cu、Zn、Cd的累积程度与磁化率呈显著相关,在城市表土环境的监测治理工作中,宜采用简便快捷的磁化率测试以指示相应重金属的富集状况.      

金川矿区表土金属空间污染特征及磁学响应

采集金川铜镍矿区及周边表层土壤样品26个,基于环境磁学方法对样品开展了金属元素（Cu、Ni、Cr、Fe、Sr、Ti、Pb和Mn）的含量分析及相关分析,采用单因子污染指数和内梅罗污染指数评价方法对研究区域表土金属污染状况进行评价.研究区域表土磁学特征与金属元素含量呈明显空间分布差异,体现为：矿区源地 > 加工区域 > 繁忙路段 > 门岗区域 > 其他区域;受Cu和Ni元素污染的土壤样品为重度污染,Cr、Pb、Ti、Sr等金属为轻度污染和中度污染;χ_lf、SIRM、χ_ARM和HIRM数值相对较高,表明研究区域亚铁磁性矿物含量较高;研究区表层土壤样品磁晶粒度特征以较粗的假单畴（PSD）和多畴（MD）颗粒为主导;相关分析结果表明Cu、Ni、Cr、Fe、Pb和Mn元素之间皆存在较好的相关性,其中Cu、Ni显著（R=0.91）;χ_lf和SIRM、χ_ARM与各金属的相关性较为突出（0.52≤R≤0.78）,表明磁参数可有效监测城市表土重金属污染状况,快速圈定重金属污染的区域与范围,为城市表土污染监测工作提供快速有效的数据支持.     

兰州城市土壤磁性特征及其对环境污染的指示

对兰州市城区117个表土样品和11个土壤剖面的磁学特征进行系统分析,结果表明:兰州市表土磁化率平均值为219.23×10-8m3/kg,低矫顽力的亚铁磁性矿物为主要载磁矿物.磁铁矿的高值主要集中在以下4个区域:(1)以兰州铝厂、西固火电厂为中心的工业区域;(2)以水上公园为中心的区域;(3)西北物资市场-西站-小西湖-西关-城关大桥沿线的狭长条带状区域;(4)以雁儿湾和兰东建材市场、皮革厂为中心的区域.对不同功能区而言,西固区和城关区磁性矿物浓度最高,安宁区磁性矿物浓度最低.土壤剖面结果显示,上部20cm,clf和SIRM显著升高;20cm以下,clf和SIRM稳定且较低,说明兰州市土壤污染的纵向迁移深度在20cm以内.兰州市表土、街道尘埃、大气降尘和河道沉积物相对无污染样品而言,都具有磁性矿物类型单一,以磁铁矿为主导的特征;并且都随着磁化率的升高,出现百分频率磁化率降低的趋势,显示出与无污染样品不同的特性.因此,运用环境磁学方法在城市环境下开展大规模、高分辨率的污染研究,可以快速、便捷、有效的提供污染分布信息.     

兰州市叶面尘磁性与黑碳特征对大气污染的响应

通过采集兰州市不同功能区小叶黄杨和刺柏叶片样品,对叶片表面滞尘量、叶表颗粒物磁性特征和黑碳（EC）浓度进行系统分析,探究其对周围大气污染的响应.结果显示,小叶黄杨和刺柏叶表颗粒物磁性特征以低矫顽力的亚铁磁性矿物为主导,磁晶体粒径以假单畴（PSD）颗粒为主.交通区小叶黄杨和刺柏饱和等温剩磁（SIRM）（489.40×10^-6A,290.73×10^-5A·m²/kg）显著高于公园（99.56×10^-6A,74.00×10^-5A·m²/kg）和生活区（61.91×10^-6A,209.79×10^-5A·m²/kg）,表明SIRM明显受到周围环境中污染物浓度的影响.小叶黄杨和刺柏叶表颗粒物亚铁磁性矿物浓度与黑碳浓度的高值分布区域在空间上具有一致性,并且二者高度相关（r=0.94,0.94;P<0.0001）,表明二者来源具有一致性.同时,不同采样高度不同树种叶片磁性对叶表颗粒物中黑碳浓度均有稳定的指示性,进一步表明叶表颗粒物SIRM可以作为指示叶表颗粒物黑碳污染的重要磁学参数.以城市绿化植物叶片为载体的环境磁学研究可实现颗粒物污染高空间分辨率的环境友好型监测.     

兰州某钢厂附近土壤磁化率特征及其环境意义

对兰州某钢厂周围土壤进行了磁化率与化学元素分析,采用污染指数评价方法和多元统计发现,表层2cm以内土壤的磁化率显著增高,达到背景值的3.5倍,且频率磁化率相对于深部土壤较低,对比不同位置样点磁化率值,显示钢厂周边土壤受到了钢厂生产排放物的污染.污染主要发生在下风向,且在2km以内最强,污染深度在2cm以内.磁化率与重金属元素含量相关性显著表明磁性矿物与重金属有相同的来源,本研究应用磁化率浓集因子S判别污染程度,结果与内梅罗综合污染指数评价大致相同,因此S可以作为判断这类土壤污染程度的指标.     

许昌市典型区域土壤磁化率与有机质含量的相关性研究

为探讨土壤磁化率对有机质含量的指示作用,对许昌市典型区域土壤磁化率与有机质含量的相关性进行研究,结果显示:研究区域土壤样品Xlf变化范围在15×10~(-8)~125×10~(-8)m~3/kg,平均值为64×10~(-8)m~3/kg,说明研究区土壤样品中磁性矿物含量较低。Xfd值在4.67%~26.67%之间,平均值为10.02%,反映了样品中超顺磁颗粒含量很高,说明研究区域土壤磁性矿物主要由自然成土作用形成,现代工业生产活动和人类的生活活动贡献较小。土壤有机质含量范围为3.74~31.93 g/kg,均值为17.09 g/kg。研究区域土壤磁化率与有机质含量呈不显著正相关性,反映了在长期人工施肥活动和城市化进程中人类活动导致土壤各理化因子之间发生学联系的弱化。     

城市表层土壤磁化率与重金属含量分布的相关性研究

以西安城市表层土壤为对象,测定表层土壤样品的磁化率和Co、Cr、Cu、Pb、Sn、Sr、Ba的含量,探讨表层土壤Co、Cr、Cu、Pb、Sn、Sr、Ba含量与磁化率的空间分布规律及二者的相关性.研究表明,西安城市表层土壤重金属含量与磁化率均具有中等程度的变异水平,所测7种重金属元素的平均含量均高于西安市主要土壤类型———褐土表层土壤背景值;土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Sn、Sr、Ba的含量均与低频磁化率(χLF)呈显著正相关,而与频率磁化率(χFD)呈显著负相关;土壤低频磁化率的空间分布与重金属Pb、Cu的变化趋势相似,频率磁化率则与Co、Cr、Ba等元素的空间变化趋势相反.污染评价结果显示,西安市土壤重金属处于中度污染,污染负荷指数的空间变化与磁化率指标高度相关.因此土壤磁化率可作为研究城市土壤重金属污染的辅助手段.     

上海市街道尘埃中碳组分污染特征

通过测定上海市街道尘埃碳组分含量,探讨有机碳（OC）和元素碳（EC）的相关性,并使用特征比值法讨论街道尘埃的主要污染来源;同时,对比分析了街道尘埃磁学参数与碳组分含量的关系.结果表明,OC、EC具有较好的相关性,相关系数为0.84,表明颗粒物存在相同的污染源;OC/EC为1.82,表明上海市街道尘埃存在二次污染,结合SEM形貌分析判别上海市颗粒物污染的主要来源;同时碳组分与磁学参数存在一定的相关关系,磁学参数（χ_LF、SIRM、χ_ARM）在一定程度上可以指示上海市街道尘埃的碳组分含量及其二次污染水平.