| 单词 | 土壤磁学及其应用研究 |
| 释义 | 【土壤磁学及其应用研究】 土壤磁性研究是土壤科学中的一个新领域，它是现代磁学的理论、技术手段和方法应用到土壤科学而产生的边缘分支学科。它的研究始于50年代，Borgne(1954)首次将地球物理学中的磁测技术引入土壤学，但直到70年代才有系统的土壤磁性研究。西欧、前苏联的学者对欧亚大陆的主要土壤进行了磁测，并在土壤学的许多领域开展应用。此外，美国、非洲和东南亚部分地区也报道了土壤磁性的测定结果。80年代以来，国外土壤磁性研究又开始向环境科学和生态学渗透，如古气候、古生态环境、湖泊海洋沉积物来源追踪和土壤污染源判断等，继而提出更广泛的环境磁学的概念，出版环境磁学的专业杂志和专著，拓宽了磁测的应用范围。 在中国，俞劲炎(1979)首次对土壤磁性研究进行介绍。80年代初，浙江农大、沈阳农大和北京地质仪器厂研制成WCL－1型土壤磁化率仪后，中国土壤磁性研究走向高潮，许多单位开始土壤磁性研究，对中国主要土壤类型，特别是红壤、水稻土和盐碱土进行了系统磁测，并对部分区域性土壤(浙江、宁夏、河北、吉林、辽宁等)进行了广泛的磁测。对土壤磁性的发生机制和影响因素进行了初步讨论，而且产生了磁测、磁诊断和磁处理等新技术用于土壤发生分类的理论研究以及土壤调查、制图、鉴定、土壤改良等多方面的实际工作，显示了其广阔的前景。土壤磁测结果是以一系列磁性参数表示的，最常用的有(1)磁化率(X)；(2)饱和等温剩磁(SIRM)；(3)剩余矫顽力(BCR)等。它们综合地反映了土壤的磁性及其磁性矿物的类型，是土壤磁学在各领域应用的基础。其中磁化率是土壤中各种磁性物质磁性的代数和，饱和等温剩磁和剩余矫顽力则反映铁磁性矿物的本质。广泛的磁测资料表明，土壤的磁性具有明显的发生学特征和地理分布规律，它是成土因素和成土过程的综合反映。宏观上，土壤的磁化率深受气候带分布的影响，中国东部湿润带玄武岩上发育的土壤磁化率呈现出从南到北逐渐降低的地带性变化规律。对中国各种母岩上发育的土壤磁化率与年均温度进行的相关分析表明，两者呈极显著的正相关。美国西部、英国、意大利和非洲一些国家的土壤磁化率分布也与气候的地带性分布规律相一致，与年均温度和年降雨量呈显著的正相关。此外，土壤磁化率值也呈现有规律的磁性地形土链分布。从成土过程看，潜育化、白浆化和灰化作用等明显降低土壤磁化率值，腐殖化、富铝化和粘化作用等则提高土壤磁化率值，因此，温带土壤中表土磁性增强现象是一普遍现象。至于土壤磁性的影响因素，人们较多地注意到了土壤水分状况、有机质含量、氧化铁含量和土壤颗粒组成的影响。同源母质上发育的土壤，磁化率值总是自型土＞半水成土＞水成土。大多数耕地土壤磁化率值与有机质含量有正相关关系。土壤磁性在各粒级中的分布多呈双峰型，来源于成土母质的原生铁磁性矿物多存在于砂粒组中，次生的铁磁性矿物多属单畴，存在粘粒组中，粉砂组磁性则较弱。部分受成土母质影响强烈的土壤，其磁化率和SIRM值在各粒级中的分布则呈“L”型，以砂粒组的磁性最强。土壤磁性发生机理是土壤磁学的理论基础，包括土壤中磁性矿物的种类、数量、起源及其在土壤形成过程中的变化规律。这也是拓宽土壤学应用范围和学科联系的基础。已报道的磁性矿物有：(1)磁铁矿(Fe2O3)及其Ti、A1、Co、Ni、Zn、Cr、Cu、Mn等金属离子的同晶替代系列；(2)磁赤铁矿(γ－Fe2O3)及其Ti、A1、Co、Ni、Zn、Cr、Cu、Mn等金属离子的同晶替代系列；(3)磁黄铁矿(FeS1+x)，0．86≤X≤0．96；(4)六方纤铁矿(γ－FeOOH)。其中磁铁矿和磁赤铁矿是土壤磁性的主要载体，磁黄铁矿在成土过程中易被微生物破坏，只在少数土壤中存在，六方纤铁矿只有芬兰土壤中发现过。上述磁性矿物的鉴定较为困难，利用X射线衍射(XRD)、差热分析(DTA)、电子显微镜、热磁分析和穆斯堡尔谱等技术对某些土壤的磁性矿物类型进行了鉴定。综合这些结果，表明磁铁矿多是原生矿物，存在于基性岩浆岩上发育的土壤，部分土壤中也存在次生磁铁矿。关于土壤磁性矿物的起源，西方学者都从室内人工合成试验模拟土壤环境来推测土壤磁性矿物的形成，其起源可归纳为4条途径：(1)母岩风化。母岩中含有极微量的磁铁矿(1%)是一普遍现象，部分岩浆岩中磁铁矿和钛磁铁矿(TiFeO3)可达10%。母岩中残留的磁铁矿多发生钛、铝等金属离子的同晶替代，结晶颗粒直径大多为1～50um，呈八面体或针状，它可由铁钛固溶体离钛氧化而成，也可低温氧化为磁赤铁矿。(2)氧化铁矿物的相互转化。应用XRD、DTA透射电子显微镜、穆斯堡尔谱和化学分析技术的研究资料表明，土壤中弱磁性的氧化铁和氢氧化铁在有机质存在下灼烧可转化为磁铁矿和磁赤铁矿，这种情况多发生在曾经遭受过森林大火的地方。在土壤环境下，针铁矿(α－FeOOH)、赤铁矿(α－Fe2O3)等氧化铁通过氧化还原交替也可形成微晶的磁铁矿和磁赤铁矿，它们多在超顺磁性或稳定单畴范围，呈针状或立方体。此外，纤铁矿(γ／FeOOH)脱水也可形成磁赤铁矿，其转化温度在200～300℃。(3)生物合成作用。Blackmore(1982)首次发现磁性细菌内含有微晶的磁铁矿颗粒，随后，人们发现许多生物能合成磁性颗粒，如细菌、藻类、鸽子、蜜蜂、甲贝、鲸甚至人。透射电镜观察磁性细菌合成的磁铁矿颗粒粒径在4×10－7～1．2×10－6m，属单畴和超顺磁性颗粒范围，形态呈立方体或八面体，穆斯堡尔谱测定其穆谱与实验室合成的纯磁铁矿相同，说明生物合成的磁铁矿纯度较高。(4)大气磁性悬浮物。工业燃烧的煤，在高温下煤中含有的FeS氧化生成赤铁矿，赤铁矿与熔融的硅酸盐反应生成磁铁矿和磁赤铁矿，它们随烟尘、煤灰进入土壤。决定土壤磁性的因素不仅包括磁性矿物的种类，更重要的是磁性矿物的数量和磁性。土壤磁性矿物由于受矿物成因、同晶替代、结晶状况和颗粒大小等因素的影响，其磁性差异甚大，如金属离子(A13+、Ti4+、Mg2+等)对铁的同晶替代可增大磁性矿物的磁化率和SIRM。合成针铁矿的穆斯堡尔谱发现，铝替代量增大，则针铁矿的超精细内磁场降低，磁化率和SIRM增大，其值与针铁矿铝替代量呈显著正相关，并用于解释水稻土比同源旱地土壤磁化率低的原因和水稻土类型间磁性的差异。土壤磁性矿物的数量取决于两方面的因素：一是母质和母岩中铁磁性矿物的数量，即土壤磁性的“本底”；二是成土和风化过程中铁磁性矿物的消长关系，即原生磁性矿物的破坏(主要是磁铁矿及其含钛系列)和次生铁磁性矿物的形成及其在土壤剖面中的再分配。因技术上的原因，土壤磁性矿物还不能直接定量测定，多以穆斯堡尔谱和磁测技术间接推算其含量。俞劲炎等(1986)曾根据土壤磁化率除以土壤磁性矿物磁化率的平均值(x±／8．8×10－4)推算土壤中磁赤铁矿的含量。尧德中等(1980)根据穆斯堡尔谱中磁铁矿和磁赤铁矿所占面积百分数推算土壤磁性矿物含量，并分析了几种红壤的磁性矿物含量，强磁性的玄武岩红壤(云南昆明)中磁性矿物含量可达5%～10%。土壤磁学的应用范围十分广泛，且随着土壤磁学研究的深入，应用范围有日益扩大的趋势。中国学者将磁测结果用作土壤发生分类的诊断指标之一，并在太湖流域水稻土、浙江滨海盐土、宁夏土壤和福建南亚热带赤红壤发育水稻土上进行了初步尝试。不过，这一工作需要大量资料反复验证，时机尚不成熟。当然，由于磁测的快速、连续、非破坏性和数字化，在土壤调查和土壤剖面性态研究中具有独特的作用。如在土壤母质类型划分、土壤分布界限圈定、土壤诊断层(粘化层、灰化层、铁锰结核层、潜育层、碱化层、白浆层等)位置和深度的判断、异源母质的判别等方面应用效果良好。土壤磁测是结合X射线衍射、差热分析、电子显微镜、穆斯堡尔谱等技术研究土壤氧化铁矿物类型及形态转化的新手段。Childs等(1983)在应用热磁分析、化学分析、XRD、DTA和穆斯堡尔谱技术研究汤加王国土壤氧化铁中，将土壤热磁分析中磁性变化的幅度和温度作为鉴别土壤氧化铁类型的依据，将土壤热磁分析结果与合成纤铁矿的热磁分析比较作为土壤中纤铁矿含量的半定量方法和氧化铁结晶程度的指标。波兰学者则根据热磁曲线和剩磁、居里点等研究了生草灰化土、灰色森林土和黑钙土中氧化铁形成的转化。土壤侵蚀和水文学研究中侵蚀泥砂的来源判断是极为困难的，而土壤磁测技术则提供了一种简便快速的手段。其方法有二：一是根据侵蚀泥砂的磁性参数(X、SIRM、BCR、IRM－0．1T／SIRM)与潜在侵蚀源物质磁性比较判断其来源，结合土壤径流动态判断侵蚀方式。因为侵蚀泥砂记录了其来源的磁性“指纹”。Oldfield等(1979)在英国西南部Jackmoor Brook流域进行了利用磁测判断河流悬移物来源的成功尝试，并建立了专用的取样和测定方法，只需采集50ml携带泥砂的河水就可完成各项磁性参数测定。二是磁性“示踪法”，将经还原灼烧增强了磁性的泥砂(其X800℃／X常温，SIRM800℃／SIRM常温可增强430～1400倍)作为“示踪剂”埋入可能发生侵蚀的地方，发生土壤侵蚀后，用实验室型磁化率仪测定河流悬移物的磁性或用探针型野外磁化率仪直接在河床上测定磁性，以判断泥砂动态。芬兰、希腊、加拿大等国则研究了土壤磁性与重金属元素(Pb、Zn、Cu)等污染的关系，用于判断土壤污染源、土壤污染范围及污染历史等方面。Sidhu等(1980、1988)研究了土壤磁性矿物转化与土壤微量元素的关系，在某些土壤上，微量元素同晶替代系列磁铁矿的分解是重要的微量元素给源之一。同时，土壤磁性也反映了生态环境的变迁，用于判断埋藏古土壤和推断古气候。通过改变土壤的磁性来改良土壤(简称土壤磁法改良)是土壤改良的新途径。中国研究者对用磁场处理土壤、磁场处理工矿含铁废渣(粉煤灰和尾矿)以获得剩余磁化强度，然后把它们作为土壤磁性改良剂施入土壤，以改良土壤促进作物生长等做了广泛试验。湖北、山东、浙江等地的多点对比试验，在粘质红壤、砂姜黑土和水稻土上施少量磁性粉煤灰(3．75t／ha)，水稻、小麦、油菜和大豆均获增产，其效果与大用量粉煤灰(＞75t／ha)改土效果相近。鉴于粉煤灰和尾矿的数量极大，用作土壤磁性改良剂是废渣处理的新途径，有广阔的应用前景。20世纪内将是国际土壤磁学研究的成熟时期，中国应进一步加强对下列问题的研究：(1)土壤磁性的发生机制和消长规律，包括若干含铁(锰、钛)物质的生成、转化、迁移的土壤生物地球化学机制。同时，开展土壤电磁场的理论研究，探索中国主要土壤电场、磁场的类型、发生机制和影响因素，建立土壤电磁场理论。(2)土壤－植物磁场处理的生物学效应及有关的磁生物学依据，探索“磁场－土壤－植物－环境”相互关系的某些信息。(3)土壤植物电磁效应的应用，包括土壤磁性改良剂的应用技术、改土机制、土壤电磁效应的技术参数等。(4)中国主要土壤磁性的矿物学基础，土壤磁性矿物鉴定的方法论、土壤磁性矿物的发生学意义以及磁测在土壤氧化铁转化、迁移等方面开展应用。可以预期，土壤磁学的发展有待于现代电磁学、生物磁学理论和技术的进一步引进，而它们的结合，必将给土壤科学、环境科学和生物学带来新的信息，为丰富土壤科学理论，进而为控制和调节植物生长，合理利用土壤资源，保护人类生存环境提供新理论和新手段。【参考文献】：1 Oldfield F．Environmental Magnetism Newsletter，University of Liverpool，1987，1～112 Thompson R，Oldfield F．Environmental Magnetism，George Allen and Uniwin．，1986，72～873 俞劲炎，等．土壤学进展，1978，4：1～124 詹硕仁，等．土壤，1982，14(3)：112～1135 俞劲炎，等．土壤学报，1986，23(1)：50～566 俞劲炎，等．土壤通报，1981，1：35～387 尧德中，等．科学通报．1989，16：1263～1265(浙江农业大学卢升高、俞劲炎撰) |
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