Magnetic evidence for heavy metal pollution of topsoil in Shanghai, China

Abstract

This study presents the results obtained from magnetic susceptibility and heavy metal (Cu, Zn, Pb, and Cr) concentration measurements of soil profiles collected from arable land and urban parks in Baoshan District, an industrial district of Shanghai, China. The study focuses on the investigation of vertical variations in magnetic susceptibilities and heavy metal concentrations and on correlations between magnetic susceptibilities and heavy metal concentrations in soil profiles. The results demonstrate that magnetic enhancement in the surface layer of the soil profile is associated with increased heavy metal pollution. The enrichment factors (EF) and the Tomlinson Pollution Load Index (PLI-EF) are calculated for estimating the level of heavy metal pollution of soil profiles in the study. The significant positive correlations between heavy metal contents, enrichment factors (EF), Tomlinson pollution load index (PLI-CF), modified Tomlinson pollution load index (PLI-EF), and magnetic susceptibility (c) indicate that much of the heavy metal contamination in the study area is linked to combustion derived particulate emissions. The results confirm that the combined magnetic measurement and heavy metal concentration analysis could provide useful information for soil monitoring in urban environments. However, the use of magnetic technique to locate the heavy metal pollution boundary in the soil profile of this studied area should be confirmed by further geochemical analysis.

Keywords

soil / pollution / magnetic susceptibility / heavy metals / Shanghai

References

[1] Angulo  E (1996). The Tomlinson pollution load index applied to heavy metal “Mussel-Watch” data: a useful index to assess coastal pollution.  Sci Total Environ, 187(1): 19–56

[2] Blaha  U, Appel   E, Stanjek  H (2008). Determination of anthropogenic boundary depth in industrially polluted soil and semi-quantification of heavy metal loads using magnetic susceptibility.  Environ Pollut, 156(2): 278–289

[3] Boyko  T, Scholger   R, Stanjek  H (2004). Topsoil magnetic susceptibility mapping as a tool for pollution monitoring: repeatability of in situ measurements.  J Appl Geophys, 55(3‒4): 249–259

[4] Canbay  M, Aydin   A, Kurtulus  C (2010). Magnetic susceptibility and heavy-metal contamination in topsoils along the Izmit Gulf coastal area and IZAYTAS (Turkey).  J Appl Geophys, 70(1): 46–57

[5] Cao  L W,  Appel  E,  Hu  S Y,  Yin  G,  Lin  H,  Röslera  W (2015). Magnetic response to air pollution recorded by soil and dust-loaded leaves in a changing industrial environment.  Atmos Environ, 119: 304–313

[6] CEPA (Chinese Environmental Protection Administration) (1990). Elemental Background Values of Soils in China.Beijing: Environmental Science Press of China (in Chinese)

[7] Chan  L S,  Yeung  C H,  Yim  W W S,  Or  O L (1998). Correlation between magnetic susceptibility and distribution of heavy metals in contaminated sea-floor sediments of Hong Kong Harbour.  Environmental Geology, 36(1‒2): 77–86

[8] Dearing  J A,  Dann  R J L,  Hay  K,  Lees  J A,  Loveland  P J,  Maher  B A,  O'Grady  K (1996). Frequency-dependent susceptibility measurements of environmental materials.  Geophys J Int, 124(1): 228–240

[9] Duan  X M,  Hu  S Y,  Yan  H T (2009). Relationship between magnetic parameters and heavy element contents of arable soil around Meishan steel mill, Nanjing.  Sci China Ser D, 39(9): 1304–1312(in Chinese)

[10] Hanesch  M, Scholger   R (2002). Mapping of heavy metal loadings in soils by means of magnetic susceptibility measurements.  Environmental Geology, 42(8): 857–870

[11] Hay  K, Dearing   J A, Baban   S M J, Loveland   P (1997). A preliminary attempt to identify atmospherically-derived pollution particles in English topsoils from magnetic susceptibility measurements.  Phys Chem Earth, 22(1–2): 207–210

[12] Heller  F, Strzyszcz   Z, Magiera  T (1998). Magnetic record of industrial pollution in forest soils of Upper Silesia, Poland.  J Geophys Res Solid Earth, 103(B8): 17767–17774

[13] Hoffmann  V, Knab   M, Appel  E (1999). Magnetic susceptibility mapping of roadside pollution.  J Geochem Explor, 66(1–2): 313–326

[14] Hu  X F, Su   Y, Ye  R,  Li  X Q,  Zhang  G L (2007). Magnetic properties of the urban soils in Shanghai and their environmental implications.  Catena, 70(3): 428–436

[15] Jordanova  D, Hoffmann   V, Fehr K T (2004). Mineral magnetic characterization of anthropogenic magnetic phases in the Danube river sediments (Bulgarian part).  Earth Planet Sci Lett, 221(1‒4): 71–89

[16] Kapička  A,  Petrovský  E,  Ustjak  S,  Macháčková   K (1999). Proxy mapping of fly-ash pollution of soils around a coal-burning power plant: a case study in the Czech Republic.  J Geochem Explor, 66(1–2): 291–297

[17] Lecoanet H, Léveque  F, Ambrosi J P (2003). Combination of magnetic parameters: an efficient way to discriminate soil-contamination sources (south France).  Environ Pollut, 122(2): 229–234

[18] Liang  T, Chen   Y, Zhang  C S (2008). Intertidalite Sediment by using grid sampling method.  Environ Sci, 29(2): 421–427(in Chinese)

[19] Lu  S G (2003). Chinese Soil Magnetism and Environment. Higher Education Press, Beijing (in Chinese)

[20] Lu  S G, Bai   S Q (2006). Study on the correlation of magnetic properties and heavy metals content in urban soils of Hangzhou City, China.  J Appl Geophys, 60(1): 1–12

[21] Lu  S G, Bai   S Q, Xue   Q F (2007). Magnetic properties as indicators of heavy metals pollution in urban topsoils: a case study from the city of Luoyang, China.  Geophys J Int, 171(2): 568–580

[22] Pang  J H (1995). Change and evaluation of elements content in soil in Shanghai City.  Trop and Subtrop Soil Science, 4(1): 47–52(in Chinese)

[23] Petrovský  E,  Kapička  A,  Jordanova  N,  Borůvka  L (2001). Magnetic properties of alluvial soils contaminated with lead, zinc and cadmium.  J Appl Geophys, 48(2): 127–136

[24] Petrovský  E,  Kapička  A,  Zapletal  K,  Šebestova  E,  Spanilá  T,  Dekkers  M J,  Rochette  P (1998). Correlation between magnetic parameters and chemical composition of lake sediments from northern Bohemia--Preliminary study.  Phys Chem Earth, 23(9–10): 1123–1126

[25] Rudnick  R L,  Gao  S (2004). Composition of the Continental Crust. In: Treatise on Geochemistry. Amsterdam:Elsevier, 1–64

[26] Schmidt  A, Yarnold   R, Hill  M,  Ashmore  M (2005). Magnetic susceptibility as proxy for heavy metal pollution: a site study.  J Geochem Explor, 85(3): 109–117

[27] Sharma  A P,  Tripathi  B D (2008). Magnetic mapping of fly-ash pollution and heavy metals from soil samples around a point source in a dry tropical environment.  Environ Monit Assess, 138(1‒3): 31–39

[28] Shu  J, Dearing   J A, Morse   A P, Yu   L Z, Yuan   N (2001). Determining the sources of atmospheric particles in Shanghai, China, from magnetic and geochemical properties.  Atmos Environ, 35(15): 2615–2625

[29] Sinex  S A,  Wright  D A (1988). Distribution of trace metals in the sediments and biota of Chesapeake Bay.  Mar Pollut Bull, 19(9): 425–431

[30] Taylor  S R,  McLennan  S M (1995). The geochemical evolution of the continental crust.  Rev Geophys, 33(2): 241–265

[31] Wang  B, Xia   D S, Yu   Y, Jia  J,  Xu  S J (2013). Magnetic records of heavy metal pollution in urban topsoil in Lanzhou, China.  Chin Sci Bull, 58(3): 384–395

[32] Wang X S (2013). Magnetic properties and heavy metal pollution of soils in the vicinity of a cement plant, Xuzhou (China). J Appl Geophys, 98: 73–78

[33] Wang  X S,  Qin  Y (2005). Correlation between magnetic susceptibility and heavy metals in urban topsoil: a case study from the city of Xuzhou, China.  Environment Geology, 49(1): 10–18

[34] Wang  X S,  Sun  C (2008). Concentrations of anthropogenic Pt and Pd in urban roadside soils in Xuzhou, China.  Front Environ Sci Eng China, 2(4): 475–479

[35] Xia  D S,  Wang  B,  Yu  Y,  Jia  J,  Nie  Y,  Wang  X,  Xu  S (2014). Combination of magnetic parameters and heavy metals to discriminate soil-contamination sources in Yinchuan—A typical oasis city of Northwestern China.  Sci Total Environ, 485 – 486: 83–92

[36] Zhang  J, Liu   C L (2002). Riverine composition and estuarine geochemistry of particulate metals in China—Weatheringfeatures, anthropogenic impact and chemical fluxes.  Estuar Coast Shelf Sci, 54(6): 1051–1070

[37] Zhang  W G,  Feng  H,  Chang  J N,  Qu  J G,  Xie  H X,  Yu  L Z (2009). Heavy metal contamination in surface sediments of Yangtze River intertidal zone: an assessment from different indexes.  Environ Pollut, 157(5): 1533–1543

Acknowledgments

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 41001331), The Programme of Introducing Talents of Discipline to University(111 Project) and the Natural Science Foundation of Shanghai (Grant No. 15ZR1428700). The authors thank Professor Lu Ming and Zhou Limin of East China Normal University for their help with geochemical analysis. Thanks to Cashion for the language modification.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg