成都平原農田大氣降塵重金屬含量特征分析

葉嬌瓏 鐘紅梅 袁宏 馬嬋華 歐陽文杰

摘 要：為探究大氣降塵中重金屬污染程度，在成都平原某農田區及周邊設置51個采樣點采集大氣降塵，分析降塵重金屬含量。結果表明：研究區大氣降塵重金屬含量均高于土壤背景值;As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn重金屬含量的變異程度大，空間分布不均勻;根據元素富集特征分析發現，各重金屬均受人為活動影響，但程度不同。其中：Cd元素富集呈顯著污染，受人為活動影響劇烈;重金屬元素Cu、Pb、As為一類，主要受工廠冶煉和交通活動影響;Cd、Hg、Zn各為一類，主要受工業、交通活動以及燃煤影響。

關鍵詞：大氣降塵;重金屬;聚類分析

中圖分類號：X513;X820.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0136-03

Abstract： In order to evaluate the contamination of heavy metals from atmospheric deposition in Chongzhou city， Sichuan province， 51 samples of atmospheric dust were collected and analyzed. The results showed that the content of heavy metals were higher than ones in soil.? The content of As， Cd， Cr， Cu， Hg， Ni， Pb， Zn had a large degree of variation and uneven distribution in space. According to analysis， all heavy metals were mainly controlled by human factors， especially Cd showed high contamination and affected by human activities severely. Cu， Pb， As fall into one category， and their contents mainly originated from factory and traffic emission. Cd， Hg， Zn can be divided into three different categories， the contents of which mainly originated from industrial emission， traffic emission and coal combustion.

Keywords： atmospheric dust;heavy metals;cluster analysis

近年來，隨著城市的迅速擴張和經濟的快速發展，燃煤、機動車、工業以及揚塵等重金屬污染源排放到大氣中的顆粒物日趨嚴重。重金屬因不能被生物降解且具有生物累積性，直接威脅人類健康而受到了廣泛關注[1-3]。國內外許多學者將降塵元素含量與當地土壤元素背景值進行對比，發現降塵元素含量高于當地背景值的情況普遍存在[4-6]。大氣降塵污染已成為不可避免的環境問題，將會對動物、植物和人體產生直接或間接危害。通過對降塵量的理化性質進行測定，可以定量分析大氣降塵的污染程度、危害水平以及來源[7-10]。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

研究區位于成都平原，四川盆地西部，范圍37.5 km2，以農業規模化種植為主。本試驗于2021年5月按照《區域生態地球化學評價技術要求》在研究區進行土壤和大氣降塵樣品采集工作。

采樣點密度為10 km2有1～3個點，主要在農田中進行采集，采樣點周圍無遮擋，并考慮風向、地形等因素，避開煙囪、道路等位置。用毛刷刷取1.5～2.0 m高度居民建筑木質門窗、房梁、玻璃邊角等部位的大氣降塵至樣品袋中，去除雜質過篩后送實驗室進行化驗分析。農田區采集樣品39件，其他主要生產活動區12件，共51件。

1.2 樣品分析

本研究選取生物毒性顯著的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等重金屬元素進行分析，用ICP-MS全譜儀和X熒光儀測定重金屬含量。

2 結果和討論

2.1 研究區重金屬含量特征

對研究區大氣降塵樣品中的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn進行統計分析，得到研究區大氣降塵重金屬分布情況，如表1所示。

由表1可知，研究區大氣降塵重金屬含量的變異程度較大，變異系數為Zn>As>Cu>Pb>Ni>Cd>Hg>Cr，其中Cr變異系數最小為25%，其余均大于等于50%，尤其是Zn大于100%，屬于強變異元素。大氣降塵時空分布不均勻，可能與研究區土地利用類型不同、采樣點周邊環境具有一定差異有關[11]。

2.2 大氣降塵重金屬富集特征

富集因子（Enrichment Factor，EF）是分析污染程度和來源的有效手段，是定量分析重金屬來源的重要指標[10]，主要通過試驗樣品中元素的實際測量值與元素的背景值含量進行比較分析來判斷各元素的人為活動影響狀況[12]。

計算公式為：

[EF=CxCref大氣降塵CxCref土壤]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[Cx]為重金屬元素x的含量;[Cref]為地殼源的參比元素Al。Southernland將污染程度劃分為5個等級[13]，如表2所示。研究區農田大氣降塵重金屬富集因子如圖1所示。

由圖1可知，研究區農田區域大氣降塵重金屬富集因子[EF]均不相同，Cd>Zn>Hg>Pb>Cu>As>Cr>Ni。除Cr、Ni外，其他重金屬均大于2，說明研究區大氣降塵重金屬均受到了人為因素的影響，影響程度不同。[EF]<2為無污染或弱污染，說明Cr、Ni元素主要來源于土壤揚塵。Zn、Hg元素EF值超過5，為顯著污染。Cd元素[EF]值超過20，為高污染。

根據走訪調研，采集研究區及周邊主要生產活動可能對大氣降塵重金屬有貢獻的元素，如汽車尾氣、工廠排放以及道路揚塵等，通過統計得到富集因子對比圖，如圖2所示。各項活動與農田大氣降塵重金屬富集因子[EF]值變化趨于一致，并呈現累積疊加效應。大氣降塵中重金屬元素富集因子[EF]值基本都高于其他活動的[EF]值。大氣降塵Zn元素的[EF]值為7.4，屬于顯著污染，燃煤廠、涂料家具廠等工業區[EF]值為6，其中鋼鐵冶煉廠[EF]值超過40，道路塵[EF]值為26，工業生產和尾氣排放是大氣降塵Zn元素的重要來源;Pb、Hg元素富集則主要為鋼鐵冶煉、汽車排放等;大氣降塵中Cr、Ni元素富集程度不高，汽車尾氣、鋼鐵冶煉是貢獻源。農田區域大氣降塵Cd元素[EF]值超過20，為高污染，其他各生產活動區Cd元素[EF]值均超過5，因此大氣降塵Cd元素富集是各干擾因子累積的結果。農田土壤Cd元素[EF]值為5.3，Cd元素富集受人為活動影響大，同時受局部氣候、空氣流通等情況的影響。

2.3 大氣降塵聚類分析

根據大氣降塵樣品As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素含量分析結果進行聚類分析，得到研究區大氣降塵聚類分析的樹狀圖，如圖3所示。

由圖3可以將大氣降塵分為5類：第1類為Cu、Pb、As，主要來源于交通活動和工廠生產排放;第2類為Cd;第3類為Hg;第4類為Cr、Ni，主要受土壤揚塵的影響;第5類為Zn。

結合上述大氣降塵富集因子分析和聚類分析兩種方法所獲得的結果，除Cr、Ni主要來源于土壤揚塵外，其他重金屬均主要來源于人為因素。其中：Cu、Pb應主要受工廠冶煉和交通活動影響;Cd、Hg、Zn的影響因素相對單一，因此各為一類;Hg、Cd的主要影響因素是燃煤和工廠排放污染;Zn的主要影響因素是交通活動。

3 結論

①通過對研究區大氣降塵重金屬含量特征進行分析可知，大氣降塵中重金屬含量均高于土壤背景值。由于大氣降塵中重金屬來源的時空分布特征及濃度不同，且受盆地地形影響，區域氣流疏通性較弱，因此大氣中重金屬含量累積導致近地表沉降，重金屬元素含量較高。

②從大氣降塵重金屬富集特征可以看出，除Cr、Ni主要來源于土壤揚塵外，其他重金屬均主要來源于人為因素，Cd元素富集呈顯著污染，受人為活動影響劇烈。

③從聚類分析可知：重金屬元素Cu、Pb、As為一類，主要受工廠冶煉和交通活動影響;Cd、Hg、Zn各為一類，主要受工業、交通活動以及燃煤影響。

參考文獻：

[1]王淑蘭，柴發合，張遠航，等.成都市大氣降塵污染特征及其來源分析[J].地理科學，2004（4）：488-492.

[2]施澤明，倪師軍，張成江.城市環境近地表大氣塵研究的意義及進展[J].廣東微量元素科學，2007（2）：1-5.

[3]黃順生，華明，金洋，等.南京市大氣降塵重金屬含量特征及來源研究[J].地學前緣，2008（5）：161-166.

[4]楊立輝，柯釗躍，謝志宜，等.廣東某鉛礦周邊地區大氣顆粒物重金屬水平及人群暴露風險評價[J].中國環境監測，2015（4）：48-53.

[5]倪劉建，張甘霖，阮心玲，等.南京市不同功能區大氣降塵的沉降通量及污染特征[J].中國環境科學，2007（1）：2-6.

[6]張春艷，韓寶平，王曉，等.典型城市工業區TSP中重金屬污染研究[J].中國環境監測，2007（2）：71-74.

[7]張春榮，吳正龍，田紅，等.青島市區大氣降塵重金屬的特征和來源分析[J].環境化學，2014（7）：1177-1193.

[8]黃順生，華明，金洋，等.南京市大氣降塵重金屬含量特征及來源研究[J].地學前緣，2008（5）：161-166.

[9]高峰，張樹禮，郭二果.城市大氣降塵研究方法綜述[J].北方環境，2011（7）：97-99.

[10]于瑞蓮，胡恭任，戚紅璐，等.泉州市不同功能區大氣降塵重金屬污染及生態風險評價[J].環境化學，2010（6）：1086-1090.

[11]黃強，宋建中，彭平安.珠江三角洲大氣干沉降金屬元素濃度和來源分析[J].地球與環境，2013（5）：498-505.

[12]中國環境監測總站.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環境科學出版社，1990：334-379.

[13]SUTHERLAND R A.Bed sediment-associated trace metals in an urban stream，Oahuk，Hawaii[J].Environmental Geology，2000（6）：611-627.