重慶主城區(qū)空氣降塵中重金屬的特點(diǎn)及其在表層土壤中的累積量研究①

王 佳，劉 斌，肖柏林，李余杰，張?zhí)锎T, 吳 璜, 張玉婷

重慶主城區(qū)空氣降塵中重金屬的特點(diǎn)及其在表層土壤中的累積量研究①

王 佳1，劉 斌*，肖柏林，李余杰，張?zhí)锎T, 吳 璜, 張玉婷

(重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030)

探索不同功能區(qū)空氣降塵中重金屬通量特征并對(duì)其進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，對(duì)于了解空氣降塵輸入對(duì)土壤中重金屬累積影響具有重要意義。對(duì)重慶主城的居住區(qū)(JZ)、文教區(qū)(WJ)、商業(yè)區(qū)(SY)、郊區(qū)(JQ)、交通區(qū)(JT)和工業(yè)-居住混合區(qū)(GJ)逐月進(jìn)行空氣降塵通量和Cr、Ni、Cd、Pb含量的測(cè)定。結(jié)果表明，工業(yè)–居住混合區(qū)的空氣降塵通量平均值最高，文教區(qū)的最低。6類功能區(qū)秋季的降塵量相對(duì)較低。Cd、Cr、Ni和Pb的平均降塵量在不同功能區(qū)分布存在差異。空氣降塵中4種重金屬元素的平均含量為：Cd 2.14 mg/kg、Cr 66.36mg/kg、Ni 27.69 mg/kg、Pb 98.33 mg/kg。6類功能區(qū)降塵中Cd、Cr、Ni和Pb 4種重金屬含量一般冬季較高。地積累指數(shù)法的分析表明降塵中Cd污染最嚴(yán)重。經(jīng)推算，以空氣降塵的方式向土壤中輸入的重金屬，使重慶主城區(qū)土壤中Cd、Cr、Ni和Pb等4種重金屬元素的濃度在累積100 a后仍將低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。土壤中重金屬元素增加速度最快為Cd，其次為Pb和Cr，Ni的增長(zhǎng)為負(fù)值。

重慶；空氣降塵；重金屬；污染評(píng)價(jià)；土壤

空氣降塵是地–氣界面物質(zhì)交換下行過程的主要途徑，也是重金屬元素在環(huán)境中傳輸?shù)闹匾緩?。大量人為排放的重金屬污染物進(jìn)入大氣后吸附在氣溶膠上，最終通過大氣干濕降塵回到地表環(huán)境，以不同形式累積于土壤、水體、灰塵、植物體內(nèi)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，且會(huì)通過灰塵攝入和食物鏈等途徑對(duì)人類健康構(gòu)成威脅[1-2]。此外，空氣降塵在一定程度上對(duì)大氣污染程度具有指示作用，其降塵量、化學(xué)組成及各成分含量反映了大氣環(huán)境的質(zhì)量。城市化、工業(yè)化的不斷推進(jìn)使得城市空氣降塵量明顯增加，同時(shí)降塵中各種金屬元素的含量也逐漸增加[3]。由于氣候、自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化程度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響，空氣降塵中重金屬的分布具有明顯的時(shí)空分布差異[4-6]。Sun等[7]利用苔袋法對(duì)重慶大氣重金屬降塵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明九龍坡區(qū)的重金屬降塵量顯著高于其他區(qū)域；由于氣候原因，干降塵中重金屬含量高于濕降塵。彭玉龍等[8]對(duì)重慶主城區(qū)降水中重金屬的分布特征及其降塵量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)降水中重金屬含量和降塵量空間差異不大，但都有明顯的季節(jié)差異。

空氣降塵的影響范圍廣，是土壤重金屬的主要來源之一，對(duì)土壤中重金屬元素含量有重要的影響[5, 9]。據(jù)Nriagu[10]報(bào)道，在許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家，空氣降塵對(duì)土壤系統(tǒng)中重金屬的累積貢獻(xiàn)率在各種外源輸入因子中排在首位。盧一富和邱坤艷[11]對(duì)鉛冶煉企業(yè)周邊環(huán)境的研究發(fā)現(xiàn)，空氣降塵是土壤重金屬污染的主要來源。張國忠[1]對(duì)華北地區(qū)大氣干濕降塵對(duì)農(nóng)田土壤重金屬的貢獻(xiàn)進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明禹城站土壤中Cu、Se、Cd、As 4種元素分別有78%、11%、8%、10% 來自空氣降塵，欒城站土壤中Zn元素有20% 的空氣降塵貢獻(xiàn)率，而土壤的Cd元素基本完全來自于空氣降塵。孫春媛等[12]對(duì)北京城區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)土壤重金屬與空氣降塵的相關(guān)性顯著，但各元素存在差異，主要與其降塵特性有關(guān)。此外，重金屬元素通過空氣降塵降落到土壤，還可能改變土壤中原有元素的比率，破壞土壤中重金屬元素的生態(tài)平衡濃度，導(dǎo)致新的重金屬氧化物出現(xiàn)，從而破壞生態(tài)平衡[13]。

目前，對(duì)于我國城市空氣降塵和其中重金屬元素的時(shí)空分布特點(diǎn)的研究尚較少，不同研究得出的結(jié)論往往存在矛盾之處。且現(xiàn)有的報(bào)道大多只針對(duì)濕降塵或干降塵進(jìn)行研究，缺乏對(duì)于大氣總降塵量的監(jiān)測(cè)和分析。另一方面，目前對(duì)于城市空氣降塵的污染狀況及其對(duì)土壤系統(tǒng)的影響等問題尚缺乏全面研究和深入揭示。因此，論文選擇重慶市主城區(qū)作為研究對(duì)象，通過定位監(jiān)測(cè)，研究城市空氣降塵的時(shí)空變化特點(diǎn)，評(píng)價(jià)空氣降塵中主要重金屬元素的污染狀況，并預(yù)測(cè)和分析空氣降塵對(duì)土壤中重金屬累積的影響，以期為更全面地掌握城市空氣降塵的特點(diǎn)和生態(tài)影響，從而更有效地防治環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣時(shí)間與地點(diǎn)

重慶位于中國內(nèi)地西南部、長(zhǎng)江上游地區(qū)，地貌以丘陵、山地為主，坡地面積較大，有“山城”之稱。重慶地勢(shì)由南北向長(zhǎng)江河谷逐級(jí)降低，西北部和中部以丘陵、低山為主，東北部靠大巴山、東南部連武陵山。重慶市年平均氣溫16 ~ 18 ℃，重慶市年平均降水量較豐富，大部分地區(qū)在1 000 ~ 1 350 mm，降水多集中在5—9月，占全年總降水量的70% 左右。

為了解空氣降塵的空間分布特點(diǎn)，在重慶主城區(qū)選取6類不同的功能區(qū)進(jìn)行樣品采集和分析，分別為居住區(qū)(JZ)、文教區(qū)(WJ)、商業(yè)區(qū)(SY)、郊區(qū)(JQ)、交通區(qū)(JT)和工業(yè)–居住(GJ)混合區(qū)。每類功能區(qū)布置1 ~ 2個(gè)空氣降塵采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)降塵桶，采集大氣干濕總降塵樣品。其中商業(yè)區(qū)布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)(三峽廣場(chǎng))，居住區(qū)布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)(逸雅苑)，文教區(qū)布設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn)(重慶大學(xué)B區(qū))，郊區(qū)布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)(虎溪)，交通區(qū)布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)(同興樞紐站)，工業(yè)-居住混合區(qū)布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)(雙碑會(huì)山康城)。采樣時(shí)間為2016年11月—2017年10月，共252個(gè)樣品。

1.2 樣品采集與分析

樣品采集與處理依照GB/T 15265-94《環(huán)境空氣降塵的測(cè)定重量法》進(jìn)行。

根據(jù)GB/T 15265-94《環(huán)境空氣降塵的測(cè)定重量法》，空氣降塵通量的計(jì)算公式如下[14]：

30/()(1)

式中：為月降塵通量(g/(m2·30d))；為降塵總量(g)；為降塵桶的面積(m2)；為采樣天數(shù)(d)。

樣品經(jīng)硝酸–王水在電熱板上消解后，過濾并定容在25 ml容量瓶中。

對(duì)所有空氣降塵樣品進(jìn)行降塵總質(zhì)量及Cr、Cd、Pb、Ni元素含量的測(cè)定。重金屬元素含量采用原子吸收分光光度儀(島津AA-6880，日本)進(jìn)行測(cè)定[15]。

所有檢測(cè)樣品進(jìn)行平行樣測(cè)定，每個(gè)樣品平行測(cè)定 3 次。并用國家標(biāo)準(zhǔn)灰塵GBW10021(GSB-12)進(jìn)行分析質(zhì)量控制，取國家標(biāo)準(zhǔn)灰塵按照上述樣品重金屬測(cè)定方法與空氣降塵樣品同時(shí)進(jìn)行。Cd的回收率為93.9% ~ 105.6%，Cr的回收率為97.8% ~ 103.6%，Ni的回收率為98.1% ~ 102.2%，Pb的回收率為96.5% ~ 104.1%。

1.3 降塵中重金屬污染評(píng)價(jià)方法

地積累指數(shù) (geoaccumulation index) 是由德國Muller于1969年提出，被廣泛應(yīng)用于研究沉積物、土壤、灰塵中重金屬的污染評(píng)價(jià)[16-18]。計(jì)算公式如下：

geolog2(C/ 1.5B)(2)

式中：C表示元素在降塵中的含量(mg/kg)，B表示降塵中該元素的地球化學(xué)背景值，本研究選擇重慶市化學(xué)背景值[19]。地積累指數(shù)分為7個(gè)等級(jí)[17]。無污染：geo≤0；無污染至中度污染：05。

1.4 空氣降塵對(duì)土壤重金屬累積的估算

假定每年由空氣降塵輸入的重金屬在土壤中全部累積而不發(fā)生遷移，則土壤中重金屬含量的累積量計(jì)算公式如下:

式中：土為土壤單位面積的質(zhì)量(kg/m2)；一般空氣降塵落入土壤并在0.2 m內(nèi)的耕作層均勻混合，則取值0.2 m；為土壤容重，取值1 200 kg/m3[20]。為重金屬含量在土壤中的年累積量(mg/(kg·a))，背景為區(qū)域土壤重金屬含量背景值[21](mg/kg)，降為降塵中重金屬的含量(mg/kg)，降為空氣降塵通量(kg/(m2·a))，為降塵累積時(shí)間(a)，土為土壤含水率，一般取20%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel 2010 辦公軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用 SigmaPlot 12.5 作圖，IBM SPSS statistics 24統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行各重金屬間差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣降塵中重金屬元素的特點(diǎn)

2.1.1 空氣降塵通量及其時(shí)空分布特點(diǎn) 不同功能區(qū)的空氣降塵量存在差異。由表1可見，6類功能區(qū)空氣降塵通量平均值分別為2.74、2.04、2.81、2.21、3.16、4.70g/(m2·30d)，由大到小依次排序?yàn)楣I(yè)–居住混合區(qū)>交通區(qū)>商業(yè)區(qū)>居住區(qū)>郊區(qū)>文教區(qū)。工業(yè)–居住混合區(qū)的降塵量一般大于其他功能區(qū)，在1、2、7和8月表現(xiàn)得比較明顯。文教區(qū)由于植被覆蓋率高，地表裸露少，固結(jié)作用強(qiáng)，表層土壤不容易發(fā)生二次揚(yáng)塵且高大茂密的植被具有吸滯煙塵的作用[2]，減少了空氣降塵通量。郊區(qū)由于遠(yuǎn)離工業(yè)生產(chǎn)，車流量和人流量較小，空氣降塵量一般較低。工業(yè)-居住混合區(qū)和交通區(qū)分別主要受工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、居民活動(dòng)影響及車流量的影響一般空氣降塵量較高。而商業(yè)區(qū)和居住區(qū)降塵量主要受車輛、人流量以及居民生活影響較大。

表1 不同功能區(qū)干濕月降塵通量(g/(m2·30d))

同一功能區(qū)不同時(shí)間的空氣降塵量有波動(dòng)。其中居住區(qū)在1月降塵量最低，而在5月降塵量最高，是1月降塵量的4.35倍。文教區(qū)在5、6月的降塵量較高，在10月降塵量最低，不到5、6月降塵量的30%。10月商業(yè)區(qū)的降塵量最小，僅為0.74 g/(m2·30d)，也是各功能區(qū)10月份中最低的降塵量；商業(yè)區(qū)3月的降塵量最高，同時(shí)也高于該月其他各功能區(qū)的降塵量。郊區(qū)的降塵量最高值5.58 g/(m2·30d) 和最低值0.64 g/(m2·30d) 分別在5月和12月，其最高值為最低值的8.72倍。交通區(qū)在3月出現(xiàn)降塵量最高值，在4月出現(xiàn)降塵量最低值，最高值高于最低值的2倍。工業(yè)–居住混合區(qū)的降塵量在不同月份波動(dòng)較大；最高值10.26 g/(m2·30d) 和最低值2.36 g/(m2·30d) 分別出現(xiàn)在7月和4月；1月、7月和8月工業(yè)–居住混合區(qū)降塵量較高且顯著高于該功能區(qū)其他月份，同時(shí)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同月份的其他功能區(qū)。5月除工業(yè)–居住混合區(qū)外，其他各功能區(qū)降塵量普遍較高。

根據(jù)圖1所示，各功能區(qū)秋季的降塵量相對(duì)較低。居住區(qū)、文教區(qū)、商業(yè)區(qū)和郊區(qū)春夏兩季的降塵量一般較高，高于秋、冬季節(jié)。交通區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)冬夏兩季降塵量高于其他季節(jié)，其中工業(yè)–居住混合區(qū)夏季降塵量最為突出，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3個(gè)季節(jié)，且該功能區(qū)冬夏兩季的降塵量高于同期其他功能區(qū)的降塵量，并為各功能區(qū)四季降塵量的最高值。

不同季節(jié)空氣降塵量有明顯差異。除冬季與秋季、夏季與春季間空氣降塵量不存在顯著性差異外，其他各季節(jié)之間的降塵量的差異均為極顯著(<0.01)。6類功能區(qū)在不同季節(jié)降塵量有明顯波動(dòng)。居住區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)四季間降塵量有顯著性差異(<0.05)，而交通區(qū)、文教區(qū)和郊區(qū)四季降塵量差異不顯著。

(JZ：居住區(qū)，WJ：文教區(qū)，SY：商業(yè)區(qū)，JQ：郊區(qū)，JT：交通區(qū)，GJ：工業(yè)-居住混合區(qū)，下圖同)

2.1.2 空氣重金屬降塵的時(shí)空分布特點(diǎn) 由圖2所示，降塵中Cd、Cr、Ni、Pb 4種重金屬元素含量在6類功能區(qū)隨季節(jié)變化產(chǎn)生差異。

對(duì)于重金屬Cd來說，冬季各功能區(qū)降塵中Cd含量一般較高，其中文教區(qū)和郊區(qū)Cd的冬季降塵含量最高；而各功能區(qū)春季的降塵中Cd含量均較低，居住區(qū)春季降塵中Cd的含量最低。6類功能區(qū)降塵中Cr的最高含量為工業(yè)–居住混合區(qū)冬季和夏季；居住區(qū)、郊區(qū)、交通區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)冬季降塵Cr的含量較高，均高于其他3個(gè)季節(jié)；文教區(qū)各季節(jié)降塵Cr的含量變化較小，其中春季降塵Cr的含量最高；商業(yè)區(qū)降塵Cr的含量在秋季最高，而在冬、春季節(jié)較低。居住區(qū)和文教區(qū)秋、冬季節(jié)的降塵Ni的含量高于其他兩季，且冬季最為明顯。商業(yè)區(qū)Ni降塵的最高含量在夏季，而春季最低；郊區(qū)降塵Ni的最高含量和最低含量分別在冬季和秋季，春季和夏季差異不大；交通區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)均為冬、春季節(jié)降塵Ni的含量較高，且冬、春季節(jié)差異較小。對(duì)于重金屬Pb來說，除郊區(qū)外，其他5類功能區(qū)降塵Pb的含量均為冬季最高；居住區(qū)、文教區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)夏季降塵Pb的含量最低。

居住區(qū)、文教區(qū)和郊區(qū)冬季降塵中Cd含量與其他3個(gè)季節(jié)存在極顯著差異(<0.01)；而商業(yè)區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)4個(gè)季節(jié)間降塵中Cd的含量差異不顯著。居住區(qū)除夏、秋季節(jié)間降塵中Cr的含量無顯著差異外，其他各季節(jié)間差異均顯著(<0.05)；郊區(qū)冬季降塵中Cr的含量與夏、秋季節(jié)存在極顯著差異，而春季與其他季節(jié)差異均不顯著；交通區(qū)冬季降塵中Cr的含量與其他3個(gè)季節(jié)間均存在顯著差異；工業(yè)–居住混合區(qū)降塵中Cr的含量在秋季和冬季與其他季節(jié)的差異均顯著；文教區(qū)和商業(yè)區(qū)各季節(jié)降塵中Cr的含量不存在顯著性差異。居住區(qū)、郊區(qū)和商業(yè)區(qū)降塵中Ni的含量在春夏和春秋季節(jié)間存在顯著性差異；文教區(qū)、交通區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)降塵中Ni的含量在各季節(jié)間差異均不顯著。居住區(qū)、文教區(qū)和郊區(qū)冬季降塵中Pb的含量與其他季節(jié)間的差異均極顯著，工業(yè)–居住混合區(qū)夏季與冬季和秋季間的差異顯著，商業(yè)區(qū)和交通區(qū)各季節(jié)間差異不顯著。

圖2 不同功能區(qū)降塵中重金屬四季的含量變化

不同功能區(qū)空氣降塵中重金屬的平均含量見表2。由表2可見，同一種重金屬在不同功能區(qū)含量差異較大。Cd的含量在居住區(qū)和文教區(qū)之間存在顯著性差異(=0.014)，而其他功能區(qū)間差異不顯著。居住區(qū)與文教區(qū)、工業(yè)–居住混合區(qū)和交通區(qū)間Cr的含量差異存在顯著性(<0.05)，其中與前兩者的Cr含量存在極顯著差異(<0.01)；文教區(qū)除與居住區(qū)之間Cr的含量存在顯著差異外，還與郊區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)的Cr的含量存在顯著性差異；商業(yè)區(qū)僅與工業(yè)–居住混合區(qū)間Cr的含量差異存在顯著性，郊區(qū)僅與文教區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)間Cr的含量差異存在顯著性；交通區(qū)與居住區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)間Cr的含量差異存在顯著性，工業(yè)–居住混合區(qū)與其他功能區(qū)之間Cr的含量均存在顯著性差異。Ni在各功能區(qū)的含量差異不存在顯著性。商業(yè)區(qū)與居住區(qū)、交通區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)之間Pb的含量差異為顯著；文教區(qū)與交通區(qū)、郊區(qū)與交通區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)之間Pb的含量差異存在顯著性，交通區(qū)與文教區(qū)、郊區(qū)和工業(yè)-居住混合區(qū)之間Pb的含量差異為顯著，其中交通區(qū)與郊區(qū)和工業(yè)–居住混合區(qū)之間Pb的含量差異為極顯著。

表2 不同功能區(qū)空氣降塵重金屬含量(mg/kg)

Cd在文教區(qū)的含量較高，在居住區(qū)的含量較低。Cr的最高含量為97.92 mg/kg，出現(xiàn)在工業(yè)–居住混合區(qū)，是其最低值的2.37倍。Ni在不同功能區(qū)的含量差異相對(duì)較小，其最高值30.55 mg/kg和最低值23.79 mg/kg分別出現(xiàn)在文教區(qū)和郊區(qū)。各功能區(qū)Pb的含量一般高于其他重金屬，交通區(qū)Pb的含量最高，達(dá)到121.72 mg/kg；郊區(qū)Pb的含量最低，為75.47 mg/kg。從各重金屬元素的平均含量來看，由大到小依次為Pb>Cr>Ni>Cd。表中各重金屬元素的變異系數(shù)較大，反映了各降塵中重金屬含量的時(shí)空分布差異較大。

目前，我國對(duì)于空氣降塵中重金屬元素的含量限值尚未作出規(guī)定，為判斷重慶主城區(qū)空氣降塵重金屬的含量水平，將其與國內(nèi)一些典型地區(qū)的空氣降塵通量及重金屬元素含量進(jìn)行比較，如表3所示。比較結(jié)果表明，除長(zhǎng)株潭地區(qū)外，重慶主城空氣降塵通量均低于國內(nèi)其他地區(qū)。降塵中Cd、Cr、Ni、Pb含量與國內(nèi)其他地區(qū)相比而言也普遍較低，Cd、Cr含量除分別高于哈爾濱和寶雞外，均低于其他地區(qū)；Ni和Pb的含量均低于其他地區(qū)。相同地域特征的城市，降塵中重金屬的含量也有明顯區(qū)別，例如西南地區(qū)的攀枝花與重慶主城相比，其空氣降塵中Cd、Cr、Ni、Pb的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于重慶主城，分別為后者的2.2、6.5、2.7和2.9倍。這主要是由于城市空氣降塵通量及重金屬含量不僅受氣候條件等自然因素的影響，還受當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口分布及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等的影響。位于西北地區(qū)的寶雞市其降塵中Cd、Cr、Pb的含量均遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，這可能是由于該城市礦產(chǎn)資源豐富，其開發(fā)利用使該地區(qū)空氣降塵的重金屬含量較高。

表3 不同地區(qū)空氣降塵通量及重金屬含量的比較

注：由于各參考文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)單位不同，部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過單位換算。“–”未測(cè)。

2.2 空氣降塵中重金屬污染評(píng)價(jià)

通過地積累指數(shù)法對(duì)空氣降塵中Cd、Cr、Pb和Ni等4種重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果如表4，Cd為降塵中4種重金屬污染程度最嚴(yán)重的，其次為Pb，Ni和Cr的污染程度最輕。6類功能區(qū)的Cd污染程度均為重度污染。除郊區(qū)Pb的污染程度為無污染至中度污染外，其他各功能區(qū)的Pb污染程度均為中度污染，其中交通區(qū)的污染最為嚴(yán)重。對(duì)于各功能區(qū)重金屬Ni和Cr來說，二者均為無污染。

2.3 空氣降塵對(duì)土壤重金屬累積的影響

空氣降塵在土壤污染元素來源的研究中往往被忽視，沒有引起足夠重視，通常認(rèn)為與其他方式的污染相比，空氣降塵輸入重金屬元素的總量微小，不足以對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。目前，關(guān)于空氣降塵對(duì)土壤中重金屬累積影響的相關(guān)研究逐漸受到重視。空氣降塵進(jìn)入土壤后，可能使土壤中重金屬元素濃度增加。由于大氣濕降塵一般不會(huì)影響到土壤體積，因此會(huì)使土壤中重金屬元素的含量增加；而大氣干降塵中重金屬元素的含量若高于土壤，則會(huì)使土壤表層重金屬含量增加，反之則減少[8]。

表4 不同功能區(qū)降塵中重金屬的地積累指數(shù)

由于土壤具有范圍廣、體量大、區(qū)域差異顯著等特點(diǎn)，因此本論文以重慶市土壤背景值[21]為基礎(chǔ)，根據(jù)公式(4)，預(yù)測(cè)重慶主城空氣降塵輸入對(duì)土壤重金屬含量累積的影響，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，增加比例最多的元素為Cd，其次為Pb、Cr。Ni的增加比例為負(fù)數(shù)，由于空氣降塵中Ni的平均含量低于土壤背景值，則空氣降塵中Ni輸入土壤會(huì)使土壤中Ni的含量降低。該預(yù)測(cè)結(jié)果與污染評(píng)價(jià)結(jié)果一致，均為Cd污染程度最重，Pb污染程度次之，Ni和 Cr的污染程度較低。重慶主城區(qū)的空氣降塵輸入重金屬Cd、Cr、Ni、Pb在土壤中累積100 a時(shí)的含量仍然遠(yuǎn)低于GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

空氣降塵對(duì)土壤重金屬含量增加的貢獻(xiàn)不大，這與土壤的體積和質(zhì)量相比空氣降塵量而言大得多有很大關(guān)系。但是另一方面，空氣降塵是城市灰塵的主要來源之一[27]。已有一些研究表明，灰塵是城市人群(尤其兒童)重金屬暴露的重要途徑，是造成兒童血液中Pb等重金屬元素含量異常的原因之一[28]。此外，空氣降塵中的重金屬也可能會(huì)被蔬菜吸收而進(jìn)入人類食物鏈，影響人體健康[1-2]。因此，對(duì)大氣重金屬降塵的深入研究仍是十分必要的，特別是對(duì)于Cd等具有嚴(yán)重健康危害的元素應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

表5 空氣降塵對(duì)重慶主城區(qū)土壤重金屬累積的影響

注：根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(15618—1995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤pH>7.5進(jìn)行對(duì)比。

3 結(jié)論

1)重慶主城區(qū)空氣降塵通量及Pb、Cr、Ni、Cd等4種重金屬降塵量都存在明顯的時(shí)空分布差異。不同功能區(qū)的平均降塵量由大到小依次為工業(yè)–居住混合區(qū)>交通區(qū)>商業(yè)區(qū)>居住區(qū)>郊區(qū)>文教區(qū)。大氣干濕降塵通量的平均值為：2.94 g/(m2·30d)。6類功能區(qū)在不同季節(jié)降塵量有較大波動(dòng)。各功能區(qū)秋季的降塵量相對(duì)較低?？諝饨祲m中4種重金屬元素的平均含量為：Cd 2.14 mg/kg、Cr 66.63 mg/kg、Ni 27.69 mg/kg、Pb 98.33 mg/kg。降塵中Cd、Cr、Ni、Pb 4種重金屬含量在6類功能區(qū)隨季節(jié)變化產(chǎn)生差異。6類功能區(qū)降塵中重金屬含量一般冬季較高。

2)地積累指數(shù)分析結(jié)果表明，Cd為降塵中4種重金屬污染程度最嚴(yán)重的，其次為Pb，Ni和Cr的污染程度最輕。

3)若僅考慮空氣降塵的輸入，且不考慮輸出，則重慶市主城區(qū)土壤中Cd、Cr、Ni和Pb等4種重金屬元素的含量在累積100 a后仍將低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?？諝饨祲m對(duì)重慶市主城區(qū)土壤重金屬含量的增加影響不大。4種元素中，空氣降塵導(dǎo)致的土壤中Cd含量的增加最快。

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Characteristics of Heavy Metals in Atmospheric Deposition and Its Impact on Their Accumulation in Soil of Chongqing

WANG Jia, LIU Bin*, XIAO Bolin, LI Yujie, ZHANG Tianshuo, WU Huang, ZHANG Yuting

(Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

It is crucial to explore the characteristics of heavy metals in atmospheric deposition in different functional areas and to evaluate the pollution for understanding the influences of atmospheric deposition on heavy metal accumulation in soil. Samples of atmospheric deposition were collected monthly from the residential, educational, commercial, suburban, transportation and industrial-residential areas and the fluxes of atmospheric deposition were calculated and the contents of Cr, Ni, Cd and Pb were measured. The results showed that the average flux of atmospheric deposition was the highest in industrial-residential area but the lowest in the educational areas. The atmospheric deposition in the 6 functional areas were lower in autumn. There were differences in the average contents of Cd, Cr, Ni and Pb in the atmospheric deposition between different functional areas. The average concentrations of the four heavy metals in the atmospheric deposition were 2.14 mg/kg for Cd, 66.36 mg/kg for Cr, 27.69 mg/kg for Ni, and 98.33 mg/kg for Pb, respectively. The concentrations of Cd, Cr, Ni and Pb in the atmospheric deposition in the 6 functional areas were generally higher in winter. The geoaccumulation indexes indicated that Cd pollution was most serious in the atmospheric deposition. It is forecasted that the concentrations of the four heavy metals in soil of Chongqing will remain below the 2ndgrade of Soil Environmental Quality Standard after 100 a accumulation from the atmospheric deposition, among of which, Cd will increase the fastest, followed by Pb and Cr, but Ni will decrease gradually.

Chongqing; Atmospheric deposition; Heavy metals; Pollution evaluation; Soil

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(106112014CDJZR210013，106112012CDJZR210012)資助。

liubinenvi@sina.com)

王佳(1988—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥牢廴痉乐?、環(huán)境與健康。E-mail:475738258@qq.com

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10.13758/j.cnki.tr.2019.06.016