黃河北平原區(qū)大氣干濕沉降物地球化學(xué)特征研究
——以山東省茌平縣為例

常彬

（1 山東省物化探勘查院 山東濟(jì)南 250013 2 山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心 山東濟(jì)南 250013 3 山東省土壤地球化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室 山東濟(jì)南 250013）

大氣沉降是大氣圈物質(zhì)下沉或降落到達(dá)地表的過程或現(xiàn)象［1］，是表層耕地土壤中某些元素的主要輸入途徑［2］，甚至大氣沉降物對(duì)土壤輸入的Hg 和Pb 并不低于污水輸入［3］。近年來，全國各地陸續(xù)開展了土壤地球化學(xué)評(píng)價(jià)工作，大氣干濕沉降物調(diào)查作為影響土壤質(zhì)量的重要因素，取得了一系列重要成果［4-7］。本文以2015—2017 年開展的“山東省茌平縣農(nóng)業(yè)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目為依托，對(duì)茌平縣大氣干濕沉降物地球化學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，探索城市工業(yè)發(fā)展與大氣環(huán)境變化的相互作用，為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地可持續(xù)利用和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域基本概況

研究區(qū)為聊城市茌平縣全區(qū)，位于山東省西部，總面積1 003.37 km2，區(qū)域內(nèi)河流縱橫交錯(cuò)，有徒駭河和馬頰河2 條主要河流。茌平縣是聊城市唯一的百強(qiáng)縣，近年來工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，礦物采掘、工農(nóng)業(yè)排污以及過量開采地下水等活動(dòng)造成了地面沉降、水土污染等一系列地質(zhì)災(zāi)害，給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。

茌平縣地處黃河下游沖積平原區(qū)，地勢(shì)較平緩，地面傾斜方向基本隨河流流向自西南向東北微傾。本區(qū)無基巖出露，屬覆蓋區(qū)，地層自下而上依次為奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭—二疊紀(jì)月門溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀(jì)石盒子群，古近系、新近系和第四系。全縣土壤主要有潮土、風(fēng)沙土和鹽土3 個(gè)土類，潮土土類占總土地面積的95.61%，風(fēng)沙土類占4.37%，鹽土土類占0.02%。

1.2 區(qū)域構(gòu)造概況

由于燕山和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)生于古近紀(jì)以前，新近紀(jì)以來，斷裂活動(dòng)不明顯。主要斷層有聊考斷裂、博平斷層、茌平斷層、劉集斷層等，分布情況見圖1。

圖1 茌平縣構(gòu)造綱要圖

1.3 工作區(qū)土壤結(jié)構(gòu)

工作區(qū)全部為第四系覆蓋，地表埋深200 m 以內(nèi)為第四系的近代黃河沖積層，巖性分砂性土和粘性土2 大類。砂性土包括粉細(xì)砂和粉土，粘性土包括粘土和粉質(zhì)粘土。土體結(jié)構(gòu)屬于粉土、粘土及砂組成的多層結(jié)構(gòu)土體。為了較直觀地體現(xiàn)茌平縣淺層土壤結(jié)構(gòu)，選擇一條貫穿茌平縣東西方向的剖面線見圖2，0 m～5 m 土壤剖面見圖3。

圖2 3-3'剖面鉆孔位置圖

圖3 3-3'線0 m～5 m 土壤剖面圖

2 樣品采集與分析

本文按《山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范（試行）》要求開展系統(tǒng)的采樣工作，具體方法如下。

（1）在調(diào)查區(qū)的每個(gè)重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及工業(yè)廠區(qū)附近放置降塵缸17 個(gè)，采集大氣干濕沉降物，采集周期為1 a。采樣點(diǎn)分布見圖4。

圖4 大氣干濕沉降物采樣點(diǎn)分布圖

（2）本次采集樣品的降塵缸以及收集樣品的自封袋均用蒸餾水清洗，放置降塵缸后在室內(nèi)把采樣點(diǎn)標(biāo)繪在1∶5 萬地形圖手圖上，使用便攜式GPS 并結(jié)合地形圖定點(diǎn)，每一采樣點(diǎn)都用噴漆在明顯的固定物上作了標(biāo)記。

（3）野外記錄統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)化的大氣干濕沉降物采樣記錄表，使用代碼和簡明文字記錄樣品的各種特征。降塵缸放置后以直徑2 mm 小圓圈標(biāo)定采樣點(diǎn)，寫上樣品號(hào)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)繪制成采樣點(diǎn)位底圖，轉(zhuǎn)點(diǎn)誤差小于0.5 mm。把GPS 測(cè)定的采樣點(diǎn)地理坐標(biāo)及采樣點(diǎn)航跡數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存。

大氣干濕沉降物樣品元素測(cè)試分析由山東省物化探勘查院巖礦測(cè)試中心進(jìn)行分析測(cè)試，分析指標(biāo)（元素）共有Cd、Hg、Pb、As、Ni、Cr、V、Co、Se、F、S 等。各分析指標(biāo)分析方法與檢出限見表1 和表2。分析儀器以先進(jìn)的現(xiàn)代化大型ICP-OES 為主體，加上其他先進(jìn)的靈敏度較高的專項(xiàng)分析儀器。各指標(biāo)數(shù)據(jù)報(bào)出率、分析的準(zhǔn)確度、精密度均滿足中國地質(zhì)調(diào)查局《1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求》。

表1 大氣沉降物元素全量分析樣品處理與分析方法

表2 大氣沉降物分析元素方法檢出限

3 大氣干濕沉降物環(huán)境地球化學(xué)特征

3.1 大氣干濕沉降物元素含量特征

山東省茌平縣大氣干濕沉降物含量及特征見表3 和表4，可以看出，茌平縣大氣干濕沉降物中大多數(shù)元素的含量變化起伏較大，變異系數(shù)較大，其中Pb、Cd、Hg、As 元素的變異系數(shù)在0.40 與0.60 之間，Cr、Ni、Zn、Se 元素的變異系數(shù)在0.60 與1.00 之間，F(xiàn)、S 元素的含量變化最顯著，尤其在人口密集區(qū)含量偏高，其變異系數(shù)分別為1.43、1.72。

表3 山東省茌平縣大氣干濕沉降物元素含量一覽表

表4 山東省茌平縣大氣干濕沉降物元素含量特征表

3.2 大氣干濕沉降物年通量地球化學(xué)特征

山東省茌平縣大氣干濕沉降年通量及特征見表5 和表6，可以看出，茌平縣大氣干濕沉降物年通量變異系數(shù)介于0.42～1.52 之間，數(shù)據(jù)離散程度較高，其中變異系數(shù)大于1.00 的指標(biāo)為Cu、Pb、Cd、As、F、S 元素，變異系數(shù)在0.60 與1.00 之間的指標(biāo)為Cr、Ni、Zn、Hg 元素，變異系數(shù)在0.40 與0.60 之間的指標(biāo)為Se 元素。

表5 山東省茌平縣大氣干濕沉降物年通量一覽表 單位：mg／（m2·a）

表6 山東省茌平縣大氣干濕沉降物年通量特征表

大氣降塵物質(zhì)來源主要包括土壤、燃煤塵、交通塵、建筑塵、冶金塵等。研究區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地主要以潮土和鹽化潮土為主，由于土壤成分相對(duì)單一，因此外源污染應(yīng)該是造成區(qū)內(nèi)土壤重金屬元素積累的主要原因。通過分析大氣沉降物元素含量及年通量空間分布特征可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)中元素含量及年通量較高區(qū)均位于工業(yè)園區(qū)周圍以及高速公路或重要國道、省道周邊，而元素含量較低區(qū)均位于距離工業(yè)園區(qū)較遠(yuǎn)處，說明工業(yè)園區(qū)廢氣排放及大型汽車尾氣排放是造成大氣沉降物有害元素含量較高的主要原因。

4 大氣干濕沉降物地球化學(xué)等級(jí)

重金屬的污染與危害已成為人類所面臨重要的環(huán)境問題之一。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，在許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家，大氣沉降對(duì)土壤系統(tǒng)中重金屬累積貢獻(xiàn)率在各種外源輸入因子中排在首位，因此研究大氣沉降對(duì)土壤重金屬累積影響以及防治重金屬污染保障人體健康具有重要意義。根據(jù)《山東省1∶50 000 土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求》和國家地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）大氣質(zhì)量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)茌平縣采集的大氣沉降物樣品中的Cd 及Hg 重金屬元素進(jìn)行地球化學(xué)等級(jí)劃分，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值見表7。

參照表7 給出的劃分標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)大氣干濕沉降物評(píng)價(jià)指標(biāo)Cd 與Hg 年沉降通量含量小于等于該值時(shí)為一等，數(shù)字代碼為1，表示大氣干濕沉降物沉降對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量影響不大；當(dāng)大氣干濕沉降物評(píng)價(jià)指標(biāo)Cd 與Hg 年沉降通量大于該值時(shí)為二等，數(shù)字代碼為2，表示大氣干濕沉降物沉降對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量影響較大；數(shù)字代碼為0 時(shí)，表示該評(píng)價(jià)單元未采集大氣干濕沉降物樣品。

表7 大氣干濕沉降環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

通過表5 可以看出，茌平縣大氣干濕沉降物年通量中Cd與Hg 較小，所布置的所有大氣干濕沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)Cd 的沉降通量均小于3 mg/（m2·a），Hg 的沉降通量均小于0.5 mg/（m2·a），其環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)為一等，茌平縣大氣干濕沉降物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量影響不大。分布情況見圖5。

圖5 大氣干濕沉降物環(huán)境地球化學(xué)綜合分級(jí)圖

5 結(jié)論

（1）茌平縣大氣干濕沉降物中大多數(shù)元素含量和年通量變化起伏較大，變異系數(shù)較大。工業(yè)園區(qū)廢氣排放及大型汽車尾氣排放是造成大氣沉降物有害元素含量較高的主要原因。

（2）茌平縣Cd 與Hg 的沉降通量較小，大氣干濕沉降環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)為一等，茌平縣大氣干濕沉降物Cd 及Hg 對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量影響不大。