黃土區(qū)降塵及其元素成分特征分析

梁婷 同延安 王兵 萬紅蓮 喬麗

摘要 為研究陜西黃土區(qū)大氣降塵污染及其化學(xué)成分特征，在洛川縣設(shè)點(diǎn)對(duì)大氣降塵進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示，2017年洛川總降塵量為58.1 t/（km2·a），月均值為4.8 t/（km2·月），月最大和最小值分別為24.9和0.1 t/（km2·月）。降塵量季節(jié)變化表現(xiàn)為春季>冬季>秋季>夏季，依次占年降塵量的59.7%、27.5%、9.3%和3.5%。降塵中可溶性鹽分沉降總量為24.548 kg/（hm2·a），降塵中各種鹽分沉降量從大到小分別為NH4+-N、Ca、NO3--N、Mg、Na、K、S和P。降塵中Fe、Al及重金屬Cu、Mn、Pb、Zn的含量分別為10.889、95.309、10.178、51.164、96.027和9.189 mg/kg，均相對(duì)較低。

關(guān)鍵詞 降塵;化學(xué)成分特征;陜西黃土區(qū)

中圖分類號(hào) X513? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）04-0056-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.04.015

Characteristic Analysis of Dustfall and Its Elementary Composition in Loess Area—Taking Luochuan as an Example

LIANG Ting1，2，TONG Yan-an2，WANG Bing1 et al （1.Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulation，College of Geography and Environment，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji，Shaanxi 721013; 2.College of Resource and Environment，Northwest A & F University，Yangling，Shaanxi 712100）

Abstract In order to study the atmospheric dust pollution and its chemical composition characteristics in the loess area of Shaanxi，a site was established in Luochuan County to monitor the atmospheric dust.The results showed that the total dustfall in Luochuan in 2017 was 58.1 t/（km2·a），the monthly average value was 4.8 t/（km2·month），and the monthly maximum and minimum were 24.9 and 0.1 t/（km2·month），respectively.The seasonal variation of dustfall precipitation showed that in spring > winter > autumn > summer，which accounted for 59.7%，27.5%，9.3% and 3.5% of total dustfall in turn.The total amount of soluble salt in dustfall was 24.548 kg/（hm2·a），with the elements descending order of NH4+-N，Ca，NO3--N，Mg，Na，K，S and P.The average contents of Fe，Al，Cu，Mn，Pb and Zn in the dust were 10.889，95.309，10.178，51.164，96.027 and 9.189 mg/kg，respectively，which were relatively low.

Key words Dust fall;Chemical composition characteristics;Loess area of Shaanxi

基金項(xiàng)目 陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（18JK0047）;寶雞文理學(xué)院科研項(xiàng)目（ZK2017043）。

作者簡介 梁婷（1986—），女，陜西岐山人，講師，博士，從事大氣氮沉降、施肥與環(huán)境研究。通信作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事土壤化學(xué)、植物營養(yǎng)等方面的研究。

收稿日期 2020-07-23;修回日期 2020-08-10

大氣降塵也稱自然降塵，指大氣中自然降落于地面上的顆粒物，其粒徑多在10 μm以上[1]。降塵除對(duì)生物界產(chǎn)生直接的物理性傷害外，更重要的是間接的化學(xué)危害，并可造成嚴(yán)重的二次污染，是城市大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一，其值可作為空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)，其計(jì)量指標(biāo)單位為一定時(shí)間內(nèi)單位面積上地表沉降物質(zhì)的量[2]。由于浮塵危害人類健康，改變大氣輻射平衡，影響植物光合作用，影響土壤的性質(zhì)和組成，因而引起國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[3]。特別是近年來，由于人類活動(dòng)的加劇，脆弱生態(tài)系統(tǒng)受到了劇烈擾動(dòng)，揚(yáng)沙、浮塵和沙塵暴等惡劣天氣現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，由此帶來的大量降塵對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量、土壤性質(zhì)和人群健康產(chǎn)生了顯著影響[4-6]。因此，研究大氣降塵的污染特征和變化規(guī)律，了解影響自然降塵量的主要因子，可以有針對(duì)性地進(jìn)行有效的環(huán)境管理，減輕降塵對(duì)空氣污染的貢獻(xiàn)，改善環(huán)境質(zhì)量。

近年來，我國大氣降塵的研究成果多集中在城市中大氣降塵的特征、分布規(guī)律、降塵中重金屬含量及降塵源解析方面[7]。但由于目前對(duì)降塵數(shù)據(jù)的有效分析和利用尚處于研究階段，國家也無明確、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這為研究和評(píng)價(jià)城市大氣污染狀況、制定改善城市生活環(huán)境的具體措施帶來了一定的困難。該研究以位于黃土高原溝壑區(qū)的洛川為例，通過一年的降塵收集，分析降塵量的變化，旨在為黃土區(qū)的大氣降塵研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

洛川（ 35°45′36″N， 109°25′12″ E ）位于陜西中部、延安地區(qū)南部，地處渭北黃土高原溝壑區(qū)，是黃土高原面積最大、土層最厚的塬區(qū)，居喬山、喬山林帶之間。洛川縣總面積為1 886 km2，其中耕地面積為1.23萬hm2，占土地總面積的7%。該縣總?cè)丝跒?0萬。洛川縣屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，氣候較溫和，太陽輻射能量豐富，年均氣溫9.2 ℃，年降水量622 mm，無霜期167 d，日照充足，晝夜溫差大，雨熱同季。該地區(qū)礦產(chǎn)貧乏，農(nóng)作物以小麥、玉米、糜谷和高粱為主，林木主要以油松、側(cè)柏和櫟樹為主，歷史上該地區(qū)農(nóng)業(yè)多次受到破壞，發(fā)展比較緩慢。

1.2 樣品采集

2017年1—12月在洛川縣設(shè)置采樣點(diǎn)，連續(xù)采樣1年。大氣降塵采樣嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 15265—1994）執(zhí)行，即濕法收集。集塵缸選用高30 cm、內(nèi)徑15 cm、缸底平整的圓筒形玻璃缸。集塵缸設(shè)在離地面2.5 m 高處，收集該位置的大氣降塵，附近（10 m×10 m）無高大建筑，且避開煙囪和交通主干道等點(diǎn)、線污染源的局部污染。集塵缸在放到采樣點(diǎn)之前，加入少量乙二醇（防止冬季冰凍，保持缸底濕潤，抑制微生物及藻類生長），以占滿缸底為準(zhǔn)，加少量蒸餾水量（視氣候情況而定）。每月初在采樣點(diǎn)上放置降塵缸，月末收集樣品，取樣時(shí)用蒸餾水多次沖洗采降塵缸，將每次沖洗后的混濁液體裝入收集瓶中，如此反復(fù)數(shù)次，直至沖凈為止。進(jìn)而運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。

1.3 樣品分析

大氣降塵量的測(cè)定采用《環(huán)境空氣降塵的測(cè)定》GB/T 15265—1994中的分析方法，即重量法。

該研究中，樣品K、Na、Ca、Mg、S等元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試所用的儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS），符合全國土壤污染狀況調(diào)查樣品分析測(cè)試技術(shù)規(guī)定以及最新的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—2008中有關(guān)土壤污染分析測(cè)試方法的要求。

1.4 數(shù)據(jù)處理

降塵量為單位面積上單位時(shí)間內(nèi)從大氣中沉降的顆粒物的質(zhì)量，其計(jì)量單位為每月每平方公里面積上沉降的顆粒物的噸數(shù)，即t/（km2·月）。降塵總量按公式（1）計(jì)算：

M=W1-W0-WCs×n×30×104（1）

式中，M為降塵總量，t/（km2·月）;W1為降塵、瓷坩堝和乙二醇水溶液蒸發(fā)至干并在（105±5）℃恒重后的重量，g;W0為在（105±5）℃烘干的瓷坩堝重量，g;WC為與采樣操作等量的乙二醇水溶液蒸發(fā)至干并在（105±5）℃恒重后的重量，g;s為集塵缸缸口面積，cm2;n為采樣天數(shù)（準(zhǔn)確到0.1 d）。

一年通常劃分為四季：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月—次年2月）。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2007完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣降塵量及年內(nèi)變化

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2017年洛川總降塵量為58.1 t/（km2·a），月均值為4.8 t/（km2·月），月最大和最小降塵量分別為24.9 和0.1 t/（km2·月）。與李晉昌等[8]在黃土高原東部（山西省）的大氣降塵量研究結(jié)果相比，略高于南部的隰縣[49.77 t/（km2·a）]，但這兩地降塵量均遠(yuǎn)低于中部的大同[136.67 t/（km2·a）]及北部的興縣[160.56 t/（km2·a）]。張寧等[9]研究得出河西走廊月均降塵量為23.51 t/（km2·月）。屈建軍等[10]測(cè)得西端敦煌莫高窟的月均降塵量為30.45 t/（km2·月），隴中黃土高原月均降塵量為9.56～34.73 t/（km2·月）。10年年均總降塵量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，河西走廊為282.1 t/（km2·a），其中敦煌莫高窟為365.4 t/（km2·a）;隴中黃土高原為199.6 t/（km2·a）;隴南山地為89.9 t/（km2·a）;甘南高原為55.9 t/（km2·a）。該研究中，洛川與隴南山地和甘南高原月均降塵量接近，但低于敦煌、隴中和河西走廊，年均總降塵量也有同樣規(guī)律。這主要是由于試驗(yàn)地位于郊區(qū)，遠(yuǎn)離重工業(yè)區(qū)和交通繁華地區(qū)，且由于處在沙塵暴發(fā)生的邊緣地區(qū)，能快速通過重力沉降的顆粒物不會(huì)大量傳輸?shù)竭@里。這與裴玉芳等[11-12]對(duì)青海省8個(gè)樣點(diǎn)近10年降塵量時(shí)空分布規(guī)律的研究結(jié)果相吻合，多年平均降塵量西寧市最大，可達(dá)800～1 000 t/（km2·a），降塵量最小的地區(qū)為遠(yuǎn)離人類活動(dòng)的清潔地區(qū)瓦里關(guān)山，說明降塵量與城市的發(fā)達(dá)程度有關(guān)系。西寧市是青海省政治、文化和經(jīng)濟(jì)的中心，是青海省最繁華的地區(qū)，其降塵量也是最大的。洛川縣位于延安市南部，其縣域發(fā)展位于陜西省排名后十位，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展整體靠后，這也可能是降塵量較低的一個(gè)原因。

從圖1可以看出，洛川降塵量的高值出現(xiàn)在4—5月份，這與甘肅省相似，甘肅省全年中的高值主要出現(xiàn)在3—7月份，河西走廊高值期維持的時(shí)間長些，而在甘肅中部和東南部則一般在3—5月份[9]。撫順市全年降塵月最高值出現(xiàn)在4月份，最低值出現(xiàn)在8月份[13]，這些地區(qū)春季大量揚(yáng)塵對(duì)降塵產(chǎn)生了較為突出的影響。西北地區(qū)3—5月份是沙塵暴的暴發(fā)季節(jié)，降塵量高符合實(shí)際情況，洛川由于處在黃土塬上，地勢(shì)較高，天氣狀況較為復(fù)雜，降塵量月變化規(guī)律不太明顯。

2.2 大氣降塵量的季節(jié)變化

由圖2可見，洛川大氣降塵量的季節(jié)變化特征較為明顯，春季最大（34.7 t/km2），冬秋季次之（16.0和5.4 t/km2），夏季最?。?.0 t/km2）;春、夏、秋、冬四季降塵量分別占年降塵量的59.7%、3.5%、9.3%和27.5%。青海省降塵量的季節(jié)變化特點(diǎn)為春夏季高于冬秋季[12]，黃土高原東部研究區(qū)也是如此特征，與該研究結(jié)果相一致，都是春季降塵量較高。據(jù)李晉昌等[8]研究表明，春冬季降塵受隨機(jī)因子即地方性因素影響較大，因此主要來源于地方性粉塵。夏秋季由于部分區(qū)域土地退化嚴(yán)重（如沙漠化、水土流失和土壤鹽漬化）而部分區(qū)域植被覆蓋較好及遠(yuǎn)源對(duì)當(dāng)?shù)亟祲m貢獻(xiàn)明顯減小[14]。對(duì)于西北地區(qū)而言，春季多大風(fēng)沙塵天氣，造成春季降塵量明顯高于其他季節(jié)。夏季天氣炎熱，一方面大氣擴(kuò)散條件較好且降水量較大，對(duì)空氣中的灰塵有較好的清除作用，另一方面夏季植物生長茂密，能夠覆蓋部分裸露土壤，進(jìn)而阻擋了揚(yáng)塵， 所以夏季降塵量最小。冬季取暖設(shè)施增加，氣候趨勢(shì)穩(wěn)定，逆溫現(xiàn)象頻繁發(fā)生，抑制了污染物在大氣中的擴(kuò)散，降塵量逐步增大且秋季建筑施工增加了二次揚(yáng)塵的污染，導(dǎo)致降塵量偏高[11]。

2.3 降塵中可溶性營養(yǎng)成分

由表1可見，2017年洛川降塵中可溶性鹽分沉降總量為24.548 kg/（hm2·a），沉降量從大到小分別為NH4+-N、Ca、NO3--N、Mg、Na、K、S和P。與降塵一樣，各營養(yǎng)成分的月變化不一，其中K、Na、Ca、Mg沉降量主要集中在10—12月份，S、P、NH4+-N和NO3--N沉降量則主要集中在6—7月份。文倩等[15]研究發(fā)現(xiàn)和田地區(qū)大氣降塵含鹽量沉降最高為35.00 g/kg，最低則為4.69 g/kg，降塵平均總鹽含量為15.70 g/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于耕地，降塵向土壤供鹽量共計(jì)27.25 kg/（hm2·a），將向土壤提供大量鹽分，且主要集中在土壤表層、亞表層或耕層，是荒漠風(fēng)沙區(qū)土壤鹽分表聚的主要途徑[16]。

從全球物質(zhì)循環(huán)角度來看，大氣沉降作為輸入生物所必需的營養(yǎng)成分的一個(gè)途徑近年來也被關(guān)注。該研究結(jié)果顯示，由降塵帶來的N、P、K沉降量分別為14.843、0.099、0.224 kg/（hm2·a），其中NH4+-N和NO3--N沉降量分別為8.248和6.595 kg/（hm2·a）。硝態(tài)氮在降塵中含量少于銨態(tài)氮的原因可能是氣溶膠對(duì)陽離子有一定的吸附作用，容易聚集沉降，且在以農(nóng)牧業(yè)為主的洛川，銨態(tài)氮主要來源于銨態(tài)氮肥以及畜禽糞便中氨氣的揮發(fā)。趙妍等[17]研究得出沈陽市春季降塵中全氮、全磷、全鉀含量分別為2.32～3.97、1.83～3.85和15.85～21.36 g/kg，且春季降塵中氮磷鉀含量都高于郊區(qū)農(nóng)田土壤。洛川降塵輸入中P沉降量較低，這可能是由于氣溶膠粒子對(duì)磷有較強(qiáng)的吸附作用，且有效性P相對(duì)較少是由于磷酸鹽在自然界中常以沉淀和吸附的方式存在。

2.4 降塵中Fe、Al及重金屬離子的含量

從表2可以看出，洛川降塵中Fe和Al的含量分別為10.889和95.309 mg/kg，重金屬Cu、Mn、Pb、Zn的含量平均值分別為10.178、51.164、96.027和9.189 mg/kg。該研究中的各重金屬含量均遠(yuǎn)低于蘭州市重金屬含量的平均值[18]，并且各種金屬含量的月變化幅度較大，可能與降塵金屬來源有關(guān)。有研究認(rèn)為，大氣顆粒物中的 Cu 來源于交通污染，Cu 通常用于汽車的剎車中以控制熱量的傳遞以及汽車油泵材料的磨損產(chǎn)生[19]。Pb濃度與汽車尾氣排放有關(guān)，盡管無鉛汽油的使用使得汽車尾氣對(duì)大氣中 Pb 的影響有所減弱，但隨著汽車數(shù)量的迅速增加以及之前排放的 Pb的累積，交通污染源依然是大氣環(huán)境中Pb的主要來源[20]。降塵中的Zn有一部分受到工業(yè)生產(chǎn)的影響，另一部分來自汽車輪胎的磨損[21]。而是由于Fe、Al、Mn為地殼組成元素，降塵中的Fe、Al、Mn主要由自然來源（土壤顆粒）貢獻(xiàn)。洛川位于延安南部，距離西安、寶雞、延安等省內(nèi)一、二線城市較遠(yuǎn)，工業(yè)和交通業(yè)較之欠發(fā)達(dá)，空氣污染較輕。但目前，對(duì)大氣降塵中重金屬最大允許濃度尚無統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

（1）2017年洛川年總降塵量為58.1 t/（km2·a），月均值為4.8 t/（km2·月），月最大值和最小值分別為24.9和0.1 t/（km2·月）。洛川大氣降塵量季節(jié)變化特征明顯，春季>冬季>秋季>夏季，依次占年降塵量的59.7%、27.5%、9.3%和3.5%。

（2）2017年洛川降塵中可溶性鹽分沉降總量為24.548 kg/（hm2·a），沉降量從大到小分別為NH4+-N、Ca、NO3--N、Mg、Na、K、S和P。降塵中Fe、Al及重金屬Cu、Mn、Pb、Zn的含量平均值分別為10.889、95.309、10.178、51.164、96.027和9.189 mg/kg，均較低。

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