北京降塵元素特征與重金屬污染成因分析

熊秋林

東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013

大氣降塵可以反映大氣顆粒物的自然沉降量，具有重要的環(huán)境指示意義。其攜帶的有毒重金屬易沉積在植物、土壤和水體中，通過食物鏈的傳遞和累積，對人體健康、植物和水生生物等造成嚴(yán)重的危害，已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。研究大氣降塵的元素特征、重金屬污染評價(jià)及成因分析對于大氣環(huán)境治理以及居民健康防護(hù)意義重大。針對北京大氣降塵重金屬污染成因這一科學(xué)問題，論文首先基于北京及周邊地區(qū)大氣降塵、地表土以及典型污染端元樣品的元素含量ICP-MS測試結(jié)果，分析了北京大氣降塵的元素特征；基于GIS地統(tǒng)計(jì)分析理論交叉驗(yàn)證并選取了北京降塵中主要重金屬的最優(yōu)空間插值模型，并探討了北京降塵重金屬污染的空間分布；其次，在傳統(tǒng)的單一重金屬污染評價(jià)方法的基礎(chǔ)上提出并構(gòu)建了“降塵重金屬綜合污染指數(shù)”模型，對北京降塵重金屬污染狀況進(jìn)行了綜合評價(jià)；然后，通過各污染端元顯著因子識別方法構(gòu)建了北京降塵局部污染源重金屬成分譜，并綜合應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析解析了北京大氣降塵重金屬的局地污染源；同時(shí)探討了地表土重金屬污染以及下墊面土地利用類型對北京降塵重金屬污染的影響；最后，利用HYSPLIT-4區(qū)域傳輸模型，并結(jié)合區(qū)域站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)，綜合分析了北京大氣降塵重金屬污染受區(qū)域傳輸?shù)挠绊?。主要結(jié)論如下。

(1) 重金屬Pb、Cr、Cu、Zn的含量較高，是北京降塵中的主要重金屬元素；并且其在城區(qū)的含量(分別為147.1、195.9、239.2和713.2 mg·kg-1)要明顯高于近郊地區(qū)的含量(分別為91.6、125.1、131.9和514.5 mg·kg-1)。重金屬Bi、Mo、Cd、Pb、Cr的變異系數(shù)均大于60%(其中Cr的變異系數(shù)高達(dá)126.9%)，其空間變異均很強(qiáng)。

(2) 北京城區(qū)和近郊地區(qū)均存在大氣降塵重金屬污染，且北京城區(qū)的污染較近郊地區(qū)的要嚴(yán)重。北京大氣降塵中Cd、Cu、Zn 3種重金屬污染較重(Zn和Cu的平均含量分別為相應(yīng)土壤環(huán)境背景值的9.5和10.7倍，屬于重度污染；Cd的平均含量高達(dá)相應(yīng)土壤環(huán)境背景值的28.1倍，存在嚴(yán)重污染)。重金屬Cd、Zn、Pb和Cu是北京市降塵中顯著污染因子，其中Cd和Zn是極顯著污染因子。此外，北京近郊降塵中重金屬Cr也是顯著污染因子。

(3) 北京降塵重金屬污染在空間上存在不同程度的變異。重金屬Cd總體上呈現(xiàn)偏重以上的污染，在西城區(qū)、東城區(qū)和朝陽區(qū)的部分地區(qū)呈現(xiàn)重度到嚴(yán)重污染；Zn在大部分地區(qū)為中度以上的污染，在中心城區(qū)(東城區(qū)和西城區(qū))及其周邊呈現(xiàn)偏重污染；Cu在整個(gè)城區(qū)呈現(xiàn)輕度以上的污染，在中心城區(qū)及其周邊地區(qū)呈現(xiàn)中度到偏重污染；Pb在絕大部分地區(qū)為輕度以上污染，在朝陽區(qū)、西城區(qū)、東城區(qū)以及豐臺區(qū)的部分地區(qū)呈現(xiàn)偏重污染。而重金屬Cr、Mo和Bi在部分地區(qū)呈現(xiàn)中度到偏重污染。

(4) 通過典型污染端元顯著因子識別與重金屬成分譜構(gòu)建，并運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析(聚類分析、Pearson相關(guān)分析、Kendall相關(guān)分析以及主成分分析)。研究發(fā)現(xiàn)，北京大氣降塵重金屬的局地污染源主要包括地殼來源(包括道路揚(yáng)塵、建筑粉塵和遠(yuǎn)程傳輸?shù)膲m埃)和化石燃料燃燒(汽車尾氣排放、煤炭燃燒、生物質(zhì)燃燒和工業(yè)過程)。

(5) 利用HYSPLIT-4傳輸模擬并結(jié)合區(qū)域?qū)崪y數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，北京大氣降塵重金屬Zn、Cd、V、Cr、Co、Ni和Mo除了受局地污染源排放影響外，還受一定的周邊區(qū)域傳輸影響，尤其是北京南邊(石家莊、保定方向)污染氣團(tuán)的傳輸影響。