成都平原农田大气降尘重金属含量特征分析

2021-01-11叶娇珑钟红梅袁宏马婵华欧阳文杰

河南科技 2021年23期

叶娇珑钟红梅袁宏马婵华欧阳文杰

摘要：为探究大气降尘中重金属污染程度，在成都平原某农田区及周边设置51个采样点采集大气降尘，分析降尘重金属含量。结果表明：研究区大气降尘重金属含量均高于土壤背景值;As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn重金属含量的变异程度大，空间分布不均匀;根据元素富集特征分析发现，各重金属均受人为活动影响，但程度不同。其中：Cd元素富集呈显著污染，受人为活动影响剧烈;重金属元素Cu、Pb、As为一类，主要受工厂冶炼和交通活动影响;Cd、Hg、Zn各为一类，主要受工业、交通活动以及燃煤影响。

关键词：大气降尘;重金属;聚类分析

中图分类号：X513;X820.4 文献标识码：A 文章编号：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，随着城市的迅速扩张和经济的快速发展，燃煤、机动车、工业以及扬尘等重金属污染源排放到大气中的颗粒物日趋严重。重金属因不能被生物降解且具有生物累积性，直接威胁人类健康而受到了广泛关注[1-3]。国内外许多学者将降尘元素含量与当地土壤元素背景值进行对比，发现降尘元素含量高于当地背景值的情况普遍存在[4-6]。大气降尘污染已成为不可避免的环境问题，将会对动物、植物和人体产生直接或间接危害。通过对降尘量的理化性质进行测定，可以定量分析大气降尘的污染程度、危害水平以及来源[7-10]。

1 材料与方法

1.1 样品采集

研究区位于成都平原，四川盆地西部，范围37.5 km2，以农业规模化种植为主。本试验于2021年5月按照《区域生态地球化学评价技术要求》在研究区进行土壤和大气降尘样品采集工作。

采样点密度为10 km2有1～3个点，主要在农田中进行采集，采样点周围无遮挡，并考虑风向、地形等因素，避开烟囱、道路等位置。用毛刷刷取1.5～2.0 m高度居民建筑木质门窗、房梁、玻璃边角等部位的大气降尘至样品袋中，去除杂质过筛后送实验室进行化验分析。农田区采集样品39件，其他主要生产活动区12件，共51件。

1.2 样品分析

本研究选取生物毒性显著的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等重金属元素进行分析，用ICP-MS全谱仪和X荧光仪测定重金属含量。

2 结果和讨论

2.1 研究区重金属含量特征

对研究区大气降尘样品中的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn进行统计分析，得到研究区大气降尘重金属分布情况，如表1所示。

由表1可知，研究区大气降尘重金属含量的变异程度较大，变异系数为Zn>As>Cu>Pb>Ni>Cd>Hg>Cr，其中Cr变异系数最小为25%，其余均大于等于50%，尤其是Zn大于100%，属于强变异元素。大气降尘时空分布不均匀，可能与研究区土地利用类型不同、采样点周边环境具有一定差异有关[11]。

2.2 大气降尘重金属富集特征

富集因子（Enrichment Factor，EF）是分析污染程度和来源的有效手段，是定量分析重金属来源的重要指标[10]，主要通过试验样品中元素的实际测量值与元素的背景值含量进行比较分析来判断各元素的人为活动影响状况[12]。

计算公式为：

[EF=CxCref大气降尘CxCref土壤] （1）

式中：[Cx]为重金属元素x的含量;[Cref]为地壳源的参比元素Al。Southernland将污染程度划分为5个等级[13]，如表2所示。研究区农田大气降尘重金属富集因子如图1所示。

由图1可知，研究区农田区域大气降尘重金属富集因子[EF]均不相同，Cd>Zn>Hg>Pb>Cu>As>Cr>Ni。除Cr、Ni外，其他重金属均大于2，说明研究区大气降尘重金属均受到了人为因素的影响，影响程度不同。[EF]<2为无污染或弱污染，说明Cr、Ni元素主要来源于土壤扬尘。Zn、Hg元素EF值超过5，为显著污染。Cd元素[EF]值超过20，为高污染。

根据走访调研，采集研究区及周边主要生产活动可能对大气降尘重金属有贡献的元素，如汽车尾气、工厂排放以及道路扬尘等，通过统计得到富集因子对比图，如图2所示。各项活动与农田大气降尘重金属富集因子[EF]值变化趨于一致，并呈现累积叠加效应。大气降尘中重金属元素富集因子[EF]值基本都高于其他活动的[EF]值。大气降尘Zn元素的[EF]值为7.4，属于显著污染，燃煤厂、涂料家具厂等工业区[EF]值为6，其中钢铁冶炼厂[EF]值超过40，道路尘[EF]值为26，工业生产和尾气排放是大气降尘Zn元素的重要来源;Pb、Hg元素富集则主要为钢铁冶炼、汽车排放等;大气降尘中Cr、Ni元素富集程度不高，汽车尾气、钢铁冶炼是贡献源。农田区域大气降尘Cd元素[EF]值超过20，为高污染，其他各生产活动区Cd元素[EF]值均超过5，因此大气降尘Cd元素富集是各干扰因子累积的结果。农田土壤Cd元素[EF]值为5.3，Cd元素富集受人为活动影响大，同时受局部气候、空气流通等情况的影响。

2.3 大气降尘聚类分析

根据大气降尘样品As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素含量分析结果进行聚类分析，得到研究区大气降尘聚类分析的树状图，如图3所示。

由图3可以将大气降尘分为5类：第1类为Cu、Pb、As，主要来源于交通活动和工厂生产排放;第2类为Cd;第3类为Hg;第4类为Cr、Ni，主要受土壤扬尘的影响;第5类为Zn。

结合上述大气降尘富集因子分析和聚类分析两种方法所获得的结果，除Cr、Ni主要来源于土壤扬尘外，其他重金属均主要来源于人为因素。其中：Cu、Pb应主要受工厂冶炼和交通活动影响;Cd、Hg、Zn的影响因素相对单一，因此各为一类;Hg、Cd的主要影响因素是燃煤和工厂排放污染;Zn的主要影响因素是交通活动。

3 结论

①通过对研究区大气降尘重金属含量特征进行分析可知，大气降尘中重金属含量均高于土壤背景值。由于大气降尘中重金属来源的时空分布特征及浓度不同，且受盆地地形影响，区域气流疏通性较弱，因此大气中重金属含量累积导致近地表沉降，重金属元素含量较高。

②从大气降尘重金属富集特征可以看出，除Cr、Ni主要来源于土壤扬尘外，其他重金属均主要来源于人为因素，Cd元素富集呈显著污染，受人为活动影响剧烈。

③从聚类分析可知：重金属元素Cu、Pb、As为一类，主要受工厂冶炼和交通活动影响;Cd、Hg、Zn各为一类，主要受工业、交通活动以及燃煤影响。

参考文献：

[1]王淑兰，柴发合，张远航，等.成都市大气降尘污染特征及其来源分析[J].地理科学，2004（4）：488-492.

[2]施泽明，倪师军，张成江.城市环境近地表大气尘研究的意义及进展[J].广东微量元素科学，2007（2）：1-5.

[3]黄顺生，华明，金洋，等.南京市大气降尘重金属含量特征及来源研究[J].地学前缘，2008（5）：161-166.

[4]杨立辉，柯钊跃，谢志宜，等.广东某铅矿周边地区大气颗粒物重金属水平及人群暴露风险评价[J].中国环境监测，2015（4）：48-53.

[5]倪刘建，张甘霖，阮心玲，等.南京市不同功能区大气降尘的沉降通量及污染特征[J].中国环境科学，2007（1）：2-6.

[6]张春艳，韩宝平，王晓，等.典型城市工业区TSP中重金属污染研究[J].中国环境监测，2007（2）：71-74.

[7]张春荣，吴正龙，田红，等.青岛市区大气降尘重金属的特征和来源分析[J].环境化学，2014（7）：1177-1193.