湛江東海島農(nóng)田葉面降塵重金屬污染的環(huán)境評(píng)價(jià)

唐道斌，牛東風(fēng)*，葉怡欣，鐘東亮，麥瓊媚，劉俊秀

(1.嶺南師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，廣東 湛江 524048；2.嶺南師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，廣東 湛江 524048)

葉面降塵是大氣顆粒物在重力、降水、吸附等作用下附著在植物葉片表面的總稱[1]，其主要來源于交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、建筑施工、風(fēng)沙揚(yáng)塵等，其粒徑多在10 μm以上，極易富集大氣中重金屬元素等污染物，并且在一定條件下遷移至大氣、水體、土壤等環(huán)境中[2-3]，給人體健康和土壤安全帶來不利的影響。葉面降塵對(duì)區(qū)域環(huán)境大氣狀況有良好的指示作用，因其采樣方便、代表性強(qiáng)，近年來已經(jīng)成為國內(nèi)外大氣環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[4-11]。然而，以往的研究大多關(guān)注城市中心區(qū)、工業(yè)區(qū)、居民區(qū)等人類活動(dòng)頻繁區(qū)的降塵重金屬污染情況，缺乏葉面降塵重金屬對(duì)農(nóng)田影響的監(jiān)測。植物葉面降塵重金屬可以通過降水、風(fēng)等進(jìn)入土壤，并在土壤中累積，是農(nóng)田土壤重金屬的重要來源之一，又由于重金屬具有易富集、不可降解、強(qiáng)毒性等特性，加上土壤本身的自凈能力差、累積時(shí)間長等因素，容易引起土壤的自然功能失調(diào)、質(zhì)量下降等問題[12]。東海島作為湛江的鋼鐵和化工基地，湛江寶鋼和中科煉化項(xiàng)目已經(jīng)建成并投入生產(chǎn)，因鋼鐵和石化生產(chǎn)所造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)一直是當(dāng)?shù)鼐用窠】祮栴}的關(guān)注點(diǎn)。民以食為天，農(nóng)作物質(zhì)量安全一直是不可忽視的問題，因此，調(diào)查農(nóng)田葉面降塵重金屬污染狀況，對(duì)農(nóng)作物質(zhì)量安全和防治降塵污染具有重要意義，并為湛江東海島建成鋼鐵石化基地后環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東海島位于雷州半島東部，北緯20°55′～21°55′，東經(jīng)110°11′～110°21′，是廣東第一大島，面積286 km2，其中農(nóng)田面積約1.27 km2。東海島屬熱帶濕潤海洋性季節(jié)氣候，年平均氣溫23.5 ℃，多年平均降水量1534 mm，降水集中在5～10月，占全年總降水量的80%，夏季盛行東風(fēng)，冬季盛行偏北風(fēng)[13]。近年來，隨著寶鋼湛江鋼鐵基地、中科煉化、巴斯夫等3個(gè)投資分別超100億美元的重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目落地建設(shè)或建成投產(chǎn)，東海島從昔日漁業(yè)海島變成了多個(gè)千億級(jí)產(chǎn)業(yè)集群的主戰(zhàn)場，是湛江鋼鐵和石化基地，正在發(fā)展成為華南地區(qū)現(xiàn)代化臨港重大產(chǎn)業(yè)的集聚基地。

1.2 樣品采集與處理

采樣時(shí)間為2019年1月，選擇晴朗無風(fēng)的天氣前往東海島農(nóng)田采集植物葉面降塵，此前，東海島已經(jīng)2個(gè)月沒有降水，葉面降塵滯留量較多。為了保證樣點(diǎn)的代表性，通過衛(wèi)星定位并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，挑選農(nóng)田集中且周邊有喬木，并遠(yuǎn)離路邊和居民點(diǎn)的地點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，共有10個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。每個(gè)采樣點(diǎn)，每棵喬木自下而上4個(gè)方向依次進(jìn)行采集，混合成約500 g的葉片，后密封保存帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集的葉片用二次蒸餾水沖洗，沖洗得到的洗脫液移至蒸發(fā)皿，經(jīng)烘箱烘干后得到干的葉面降塵樣品。將待測葉面降塵樣品送往澳實(shí)分析檢測(廣州)有限公司進(jìn)行檢測，測定降塵樣品中的As、Cd、Cu等7種重金屬元素的含量。測定方法：用高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸消解后，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量，利用原子熒光光譜法測定As含量。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，樣品均設(shè)定了空白試驗(yàn)和20%的平行樣品，采用標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(GLG908-4)進(jìn)行質(zhì)量控制。

圖1 東海島農(nóng)田葉面降塵重金屬采樣點(diǎn)分布

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 地累積指數(shù)法 為了研究葉面降塵中重金屬元素污染程度，采用地累積指數(shù)法[14]進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式如下。

(1)

式(1)中：Cn是樣品中元素n的實(shí)測含量；Bn是沉積物中元素n的地球化學(xué)背景值，本研究選取湛江土壤背景值；k是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.5。通常采用Muller[14]的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：Igeo≤0表示無污染；05表示極度污染。

1.3.2 單因子指數(shù)法 單因子評(píng)價(jià)法是用來評(píng)價(jià)單個(gè)污染因子對(duì)降塵的污染程度，污染指數(shù)愈小，說明該因子對(duì)環(huán)境介質(zhì)污染程度愈輕，其計(jì)算公式如下。

Pi=Ci/Si

(2)

式(2)中：Pi為重金屬的單因子污染指數(shù)，Ci為降塵重金屬含量實(shí)測值，Si為國家評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)單因子污染指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，Pi越大，污染水平越高。Pi<1為未受到污染，1≤Pi<2為輕度污染，23為重度污染。

1.3.3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法，又稱為綜合污染指數(shù)法，是將目標(biāo)單個(gè)污染指數(shù)按一定方法綜合考慮對(duì)環(huán)境介質(zhì)的影響程度，兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最大值的一種評(píng)價(jià)方法，其計(jì)算公式如下。

(3)

式(3)中，Piave為降塵中各重金屬單因子污染指數(shù)的平均值；Pimax為降塵中各重金屬單因子污染指數(shù)的最大值；PI為采樣點(diǎn)降塵重金屬綜合污染指數(shù)。PI分級(jí)等級(jí)為：PI≤0.7，為Ⅰ級(jí)，清潔；0.73.0，為Ⅴ級(jí)，重度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面降塵重金屬含量測定結(jié)果

東海島農(nóng)田葉面降塵重金屬含量測定結(jié)果如表1所示，其葉面降塵As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分別為13.54、0.87、121.20、57.10、38.57、60.15和471.30 mg/kg。其中Cd、Cu、Zn的平均含量超過國家農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，分別是篩選值的2.90、1.14、2.36倍。As、Cr、Pb的平均含量雖然沒有超過國家農(nóng)用地降塵污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但超過了湛江降塵背景值，分別是湛江土壤背景值的1.81、1.46、2.37倍。其中，Ni平均含量未超過國家農(nóng)用地降塵污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和湛江土壤背景值，其平均含量相對(duì)較低。這表明了東海島農(nóng)田葉面降塵重金屬元素出現(xiàn)了不同程度的積累，應(yīng)特別關(guān)注Cd、Cu、Zn元素。各元素的變異系數(shù)都在10%～100%之間，屬于中等變異程度，受到一定程度的人為干擾。

表1 東海島農(nóng)田葉面降塵重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 葉面降塵重金屬污染評(píng)價(jià)

2.2.1 單因子和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果 東海島農(nóng)田葉面降塵重金屬單因子和內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示，整體上As、Cr、Cu、Ni、Pb的Pi均值都小于1，表明東海島農(nóng)田整個(gè)葉面降塵中As、Cr、Cu、Ni、Pb元素尚未達(dá)到污染狀態(tài)；Cd、Zn的Pi均值都大于1，表明東海島農(nóng)田葉面降塵中Cd、Zn元素已達(dá)到輕度污染狀態(tài)。局部上，個(gè)別采樣點(diǎn)的葉面降塵存在重金屬污染，如DHD-2、DHD-5～DHD-8受到了Cd和Zn的輕度污染，而DHD-3受到了Cd的中度污染和Zn的重度污染，DHD-10受到了Cd和Zn的中度污染。總體上，Cd和Zn在各個(gè)采樣點(diǎn)的Pi值都大于其他重金屬元素，部分樣點(diǎn)存在中度污染和重度污染，污染相對(duì)嚴(yán)重。

表2 東海島農(nóng)田葉面降塵重金屬單因子和內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

由于PI值越小，說明該因子對(duì)環(huán)境介質(zhì)污染程度愈輕；PI越大，則說明該因子對(duì)環(huán)境介質(zhì)污染程度愈嚴(yán)重。各采樣點(diǎn)的PI值介于0.55～2.46之間。其中，DHD-3和DHD-10樣點(diǎn)的PI值超過2.0，屬于中度污染，污染較為嚴(yán)重；DHD-5～DHD-8和DHD-2樣點(diǎn)的PI值介于1.0～2.0之間，屬于輕度污染；DHD-9和DHD-4的PI值超過并接近0.7，處于警戒線。

2.2.2 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2所示，As的Igeo值變化區(qū)間為-1.17～0.67；Cd的Igeo值變化區(qū)間為2.47～4.35；Cr的Igeo值變化區(qū)間為-1.75～0.58；Cu的Igeo值變化區(qū)間為-0.11～1.58；Ni的Igeo值變化區(qū)間為-2.22～0.69；Pb的Igeo值變化區(qū)間為-0.77～1.28；Zn的Igeo值變化區(qū)間為1.91～4.13。7種重金屬元素污染程度都在極度污染以下，Cd在10個(gè)樣點(diǎn)的污染程度都在中度-嚴(yán)重污染以上，在7種重金屬元素中度污染程度是最嚴(yán)重的元素，各重金屬元素污染程度由大到小依次為Cd>Zn>Cu>Pb>As>Cr>Ni。全部樣點(diǎn)的Zn都為輕度污染以上，其中DHD-6和DHD-9的Zn達(dá)到嚴(yán)重污染，DHD-4更是達(dá)到嚴(yán)重-極度污染。除DHD-2外，其余樣點(diǎn)的As都為輕度污染；除了DHD-10，其余樣點(diǎn)的Ni均為無污染，由此可見，Ni和As的污染程度輕微。Pb和Cu在DHD-3～DHD-10處于輕度污染-中度污染之間，污染情況較好。

圖2 不同采樣點(diǎn)葉面降塵重金屬地累積指數(shù)及污染特征

3 討論

3.1 不同地區(qū)葉面降塵重金屬含量比較

當(dāng)前，我國還沒有關(guān)于降塵重金屬含量限制值的規(guī)定，不同地區(qū)因環(huán)境背景不同，其葉面降塵重金屬含量來源有所差異，故將東海島農(nóng)田葉面降塵與其他城市葉面降塵重金屬含量進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)(表3)：本研究區(qū)的葉面降塵重金屬Cd平均含量處于很低水平；Cr、Cu、Pb和Zn平均含量處于中等水平，而As、Ni平均含量處于較高水平。相比之下，廣州市和惠州市各功能區(qū)的Cd、Cr、Pb和Zn平均含量遠(yuǎn)超湛江東海島農(nóng)田，其原因可能是工業(yè)排放、交通排放、人居活動(dòng)等原因?qū)е轮亟饘僭蒯尫艁碓炊啵亟饘僭睾慨惓８遊6]；而開封市作為典型的燃煤城市，其工業(yè)體系完整，煤炭燃燒、冶煉加工、機(jī)械制造等生產(chǎn)活動(dòng)是導(dǎo)致Cd、Pb和Zn平均含量較高的原因[3]；北京市的城區(qū)公園和道路綠地葉面降塵重金屬Cu、Pb和Zn平均含量都比湛江東海島農(nóng)田的高，這與城市交通排放、地面灰塵的二次揚(yáng)塵和燃煤有關(guān)[17]；至于阿克蘇市，其經(jīng)濟(jì)較落后，各功能區(qū)的葉面降塵重金屬平均含量都不大，但工業(yè)是葉面降塵Zn積累的重要來源，汽車對(duì)葉面降塵Pb和Cd的積累貢獻(xiàn)較大[10]。研究表明，進(jìn)入降塵被農(nóng)作物吸收，通過食物鏈進(jìn)入人體，或進(jìn)入大氣經(jīng)呼吸、口攝入等被人體吸收，這些因素都會(huì)對(duì)農(nóng)作物安全和人體健康產(chǎn)生危害[18-19]。

表3 東海島農(nóng)田與其他城市葉面降塵重金屬含量對(duì)比

3.2 葉面降塵重金屬來源分析

由表4可知，As-Pb、Cd-Cu、Cd-Zn、Cu-Zn、Pb-Zn之間都達(dá)到了顯著正相關(guān)，Cd-Pb、Cu-Pb、Cr-Ni之間都達(dá)到了極顯著正相關(guān)(P<0.01，r>0.7)，這說明葉面降塵Cd、Pb、Cu和Zn的來源相似；Cr-Ni雖然為極顯著正相關(guān)，但與其他元素相關(guān)性不顯著。為了進(jìn)一步了解東海島農(nóng)田葉面降塵重金屬污染來源，采用主成分分析方法進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示，通過最大方差法旋轉(zhuǎn)以后，根據(jù)特征值大于1的原則篩選出2個(gè)因子，其貢獻(xiàn)累積率為75.84%，表明了這2個(gè)因子反映了大部分葉面降塵重金屬來源信息。

表4 葉面降塵重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)

表5 重金屬元素主成分分析結(jié)果

因子1由As、Cd、Cu、Pb、Zn組成，方差貢獻(xiàn)率為52.764%。其中Cd、Cu、Pb和Zn的載荷均超過0.7，可以認(rèn)為是重要的污染因子，具有較高載荷的重金屬元素之間相關(guān)性好，這與相關(guān)性分析結(jié)果一致。研究表明，降塵Pb的釋放來源主要是交通排放，但鋼鐵冶煉排放也會(huì)造成Pb的累積[20-21]，樣點(diǎn)DHD-3、DHD-7和DHD-9相對(duì)靠近省道S288，是東海島鋼鐵石化區(qū)通往市區(qū)的主干道和必經(jīng)之路；而樣點(diǎn)DHD-4～DHD-6則更靠近鋼鐵石化區(qū)，尤其是樣點(diǎn)DHD-6的Pb含量達(dá)到了59.4 mg/kg，遠(yuǎn)超背景值。一般來說，Cu大多主要來源于燃煤、汽油、車輛磨損、垃圾焚燒和金屬冶煉[22]；Zn是冶金塵特征元素，鍍鋅防護(hù)欄表皮脫落和橡膠輪胎的磨損也會(huì)釋放Zn[23]；Cd主要來自化石燃料燃燒、冶煉化工、電鍍等[24-25]；As元素主要來自殘留在土壤中的農(nóng)藥化肥和殺蟲劑，通過土壤揚(yáng)塵累積在葉面降塵中，也受土壤母質(zhì)和煤炭燃燒影響[26]。

因子2由Cr、Cu和Ni組成，方差貢獻(xiàn)率為23.08%，相應(yīng)的因子載荷值為0.879、0.509和0.939。Cr和Ni具有較高的載荷，且Cr-Ni之間為極顯著正相關(guān)，說明其物質(zhì)來源相近，同時(shí)Cr平均含量遠(yuǎn)超過當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸担f明其受人類活動(dòng)的影響較大，Cr可能與燃煤、汽油燃燒等活動(dòng)有關(guān)[27]；但Ni來源具有多樣性，受到自然和人類活動(dòng)的雙重影響，其平均含量與當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸迪嘟f明可能來自成土母質(zhì)[28]。綜合上述，因子1中As、Cd、Cu、Pb和Zn這5種元素所代表的實(shí)際意義，即交通源和工業(yè)源是葉面降塵重金屬的主要來源。此外，地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果可知(圖2)，距離工業(yè)區(qū)較近的DHD-3～9樣點(diǎn)的重金屬污染程度也相對(duì)較高，尤其是DHD-4。相比之下，DHD-1、DHD-2、DHD-10這3個(gè)采樣點(diǎn)距離工業(yè)區(qū)較遠(yuǎn)，污染程度相對(duì)較低，這說明與鋼鐵石化區(qū)工業(yè)氣體排放有一定的關(guān)系。

4 結(jié)論

東海島農(nóng)田葉面降塵Cd、Cu、Zn的平均含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)，而As、Cr、Pb平均含量沒有超過國家標(biāo)準(zhǔn)，但超過湛江土壤背景值，Ni低于國際標(biāo)準(zhǔn)和湛江土壤背景值。

單因子-內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：總體上，Cd、Zn在各個(gè)采樣點(diǎn)的單因子污染指數(shù)值都大于其他重金屬元素，部分樣點(diǎn)存在中度污染和重度污染，污染相對(duì)嚴(yán)重。

地累積指數(shù)污染評(píng)價(jià)結(jié)果表明：Cd污染程度最嚴(yán)重，Zn為中度-嚴(yán)重污染，Cu、Pb、As為輕度污染，Cr、Ni污染程度為無污染，但部分樣點(diǎn)達(dá)到輕度污染；各重金屬元素污染程度從高到低依次為Cd>Zn>Cu>Pb>As>Cr>Ni。

不同城市不同功能區(qū)的葉面降塵重金屬含量不同，湛江東海島與其他城市相比還是處于較低水平。東海島農(nóng)田葉面降塵重金屬來源復(fù)雜，Pb主要來源交通活動(dòng)，Zn、Cd、Cu和Cr主要與工業(yè)活動(dòng)有關(guān)，As主要與土壤中農(nóng)藥化肥和殺蟲劑有關(guān)，Ni可能來自當(dāng)?shù)赝寥滥纲|(zhì)。

多種污染評(píng)價(jià)方法都表明：靠近鋼鐵石化區(qū)的農(nóng)田葉面降塵重金屬污染程度大，不利于農(nóng)田農(nóng)作物生產(chǎn)，需要當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門引起重視。