黄土区降尘及其元素成分特征分析

梁婷 同延安 王兵 万红莲 乔丽

摘要 为研究陕西黄土区大气降尘污染及其化学成分特征，在洛川县设點对大气降尘进行监测。结果显示，2017年洛川总降尘量为58.1 t/（km2·a），月均值为4.8 t/（km2·月），月最大和最小值分别为24.9和0.1 t/（km2·月）。降尘量季节变化表现为春季>冬季>秋季>夏季，依次占年降尘量的59.7%、27.5%、9.3%和3.5%。降尘中可溶性盐分沉降总量为24.548 kg/（hm2·a），降尘中各种盐分沉降量从大到小分别为NH4+-N、Ca、NO3--N、Mg、Na、K、S和P。降尘中Fe、Al及重金属Cu、Mn、Pb、Zn的含量分别为10.889、95.309、10.178、51.164、96.027和9.189 mg/kg，均相对较低。

关键词 降尘;化学成分特征;陕西黄土区

中图分类号 X513  文献标识码 A

文章编号 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

基金项目 陕西省教育厅专项科研计划项目（18JK0047）;宝鸡文理学院科研项目（ZK2017043）。

作者简介 梁婷（1986—），女，陕西岐山人，讲师，博士，从事大气氮沉降、施肥与环境研究。通信作者，教授，博士，博士生导师，从事土壤化学、植物营养等方面的研究。

收稿日期 2020-07-23;修回日期 2020-08-10

大气降尘也称自然降尘，指大气中自然降落于地面上的颗粒物，其粒径多在10 μm以上[1]。降尘除对生物界产生直接的物理性伤害外，更重要的是间接的化学危害，并可造成严重的二次污染，是城市大气环境监测的重要内容之一，其值可作为空气质量评价的指标，其计量指标单位为一定时间内单位面积上地表沉降物质的量[2]。由于浮尘危害人类健康，改变大气辐射平衡，影响植物光合作用，影响土壤的性质和组成，因而引起国内外学者广泛关注[3]。特别是近年来，由于人类活动的加剧，脆弱生态系统受到了剧烈扰动，扬沙、浮尘和沙尘暴等恶劣天气现象频繁出现，由此带来的大量降尘对大气环境质量、土壤性质和人群健康产生了显著影响[4-6]。因此，研究大气降尘的污染特征和变化规律，了解影响自然降尘量的主要因子，可以有针对性地进行有效的环境管理，减轻降尘对空气污染的贡献，改善环境质量。

近年来，我国大气降尘的研究成果多集中在城市中大气降尘的特征、分布规律、降尘中重金属含量及降尘源解析方面[7]。但由于目前对降尘数据的有效分析和利用尚处于研究阶段，国家也无明确、统一的评价标准，这为研究和评价城市大气污染状况、制定改善城市生活环境的具体措施带来了一定的困难。该研究以位于黄土高原沟壑区的洛川为例，通过一年的降尘收集，分析降尘量的变化，旨在为黄土区的大气降尘研究提供基础数据和相关资料。

1 材料与方法

1.1 采样点概况

洛川（ 35°45′36″N， 109°25′12″ E ）位于陕西中部、延安地区南部，地处渭北黄土高原沟壑区，是黄土高原面积最大、土层最厚的塬区，居乔山、乔山林带之间。洛川县总面积为1 886 km2，其中耕地面积为1.23万hm2，占土地总面积的7%。该县总人口为20万。洛川县属暖温带半湿润大陆性气候，气候较温和，太阳辐射能量丰富，年均气温9.2 ℃，年降水量622 mm，无霜期167 d，日照充足，昼夜温差大，雨热同季。该地区矿产贫乏，农作物以小麦、玉米、糜谷和高粱为主，林木主要以油松、侧柏和栎树为主，历史上该地区农业多次受到破坏，发展比较缓慢。

1.2 样品采集

2017年1—12月在洛川县设置采样点，连续采样1年。大气降尘采样严格按照国家标准（GB/T 15265—1994）执行，即湿法收集。集尘缸选用高30 cm、内径15 cm、缸底平整的圆筒形玻璃缸。集尘缸设在离地面2.5 m 高处，收集该位置的大气降尘，附近（10 m×10 m）无高大建筑，且避开烟囱和交通主干道等点、线污染源的局部污染。集尘缸在放到采样点之前，加入少量乙二醇（防止冬季冰冻，保持缸底湿润，抑制微生物及藻类生长），以占满缸底为准，加少量蒸馏水量（视气候情况而定）。每月初在采样点上放置降尘缸，月末收集样品，取样时用蒸馏水多次冲洗采降尘缸，将每次冲洗后的混浊液体装入收集瓶中，如此反复数次，直至冲净为止。进而运回实验室待测。

1.3 样品分析

大气降尘量的测定采用《环境空气降尘的测定》GB/T 15265—1994中的分析方法，即重量法。

该研究中，样品K、Na、Ca、Mg、S等元素质量分数测试所用的仪器为电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），符合全国土壤污染状况调查样品分析测试技术规定以及最新的土壤环境质量标准GB 15618—2008中有关土壤污染分析测试方法的要求。

1.4 数据处理

降尘量为单位面积上单位时间内从大气中沉降的颗粒物的质量，其计量单位为每月每平方公里面积上沉降的颗粒物的吨数，即t/（km2·月）。降尘总量按公式（1）计算：

M=W1-W0-WCs×n×30×104（1）

式中，M为降尘总量，t/（km2·月）;W1为降尘、瓷坩埚和乙二醇水溶液蒸發至干并在（105±5）℃恒重后的重量，g;W0为在（105±5）℃烘干的瓷坩埚重量，g;WC为与采样操作等量的乙二醇水溶液蒸发至干并在（105±5）℃恒重后的重量，g;s为集尘缸缸口面积，cm2;n为采样天数（准确到0.1 d）。

一年通常划分为四季：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月—次年2月）。数据统计分析采用Excel 2007完成。

2 结果与分析

2.1 大气降尘量及年内变化

监测结果显示，2017年洛川总降尘量为58.1 t/（km2·a），月均值为4.8 t/（km2·月），月最大和最小降尘量分别为24.9 和0.1 t/（km2·月）。与李晋昌等[8]在黄土高原东部（山西省）的大气降尘量研究结果相比，略高于南部的隰县[49.77 t/（km2·a）]，但这两地降尘量均远低于中部的大同[136.67 t/（km2·a）]及北部的兴县[160.56 t/（km2·a）]。张宁等[9]研究得出河西走廊月均降尘量为23.51 t/（km2·月）。屈建军等[10]测得西端敦煌莫高窟的月均降尘量为30.45 t/（km2·月），陇中黄土高原月均降尘量为9.56～34.73 t/（km2·月）。10年年均总降尘量的统计结果，河西走廊为282.1 t/（km2·a），其中敦煌莫高窟为365.4 t/（km2·a）;陇中黄土高原为199.6 t/（km2·a）;陇南山地为89.9 t/（km2·a）;甘南高原为55.9 t/（km2·a）。该研究中，洛川与陇南山地和甘南高原月均降尘量接近，但低于敦煌、陇中和河西走廊，年均总降尘量也有同样规律。这主要是由于试验地位于郊区，远离重工业区和交通繁华地区，且由于处在沙尘暴发生的边缘地区，能快速通过重力沉降的颗粒物不会大量传输到这里。这与裴玉芳等[11-12]对青海省8个样点近10年降尘量时空分布规律的研究结果相吻合，多年平均降尘量西宁市最大，可达800～1 000 t/（km2·a），降尘量最小的地区为远离人类活动的清洁地区瓦里关山，说明降尘量与城市的发达程度有关系。西宁市是青海省政治、文化和经济的中心，是青海省最繁华的地区，其降尘量也是最大的。洛川县位于延安市南部，其县域发展位于陕西省排名后十位，区域经济发展整体靠后，这也可能是降尘量较低的一个原因。

从图1可以看出，洛川降尘量的高值出现在4—5月份，这与甘肃省相似，甘肃省全年中的高值主要出现在3—7月份，河西走廊高值期维持的时间长些，而在甘肃中部和东南部则一般在3—5月份[9]。抚顺市全年降尘月最高值出现在4月份，最低值出现在8月份[13]，这些地区春季大量扬尘对降尘产生了较为突出的影响。西北地区3—5月份是沙尘暴的暴发季节，降尘量高符合实际情况，洛川由于处在黄土塬上，地势较高，天气状况较为复杂，降尘量月变化规律不太明显。

2.2 大气降尘量的季节变化

由图2可见，洛川大气降尘量的季节变化特征较为明显，春季最大（34.7 t/km2），冬秋季次之（16.0和5.4 t/km2），夏季最小（2.0 t/km2）;春、夏、秋、冬四季降尘量分别占年降尘量的59.7%、3.5%、9.3%和27.5%。青海省降尘量的季节变化特点为春夏季高于冬秋季[12]，黄土高原东部研究区也是如此特征，与该研究结果相一致，都是春季降尘量较高。据李晋昌等[8]研究表明，春冬季降尘受随机因子即地方性因素影响较大，因此主要来源于地方性粉尘。夏秋季由于部分区域土地退化严重（如沙漠化、水土流失和土壤盐渍化）而部分区域植被覆盖较好及远源对当地降尘贡献明显减小[14]。对于西北地区而言，春季多大风沙尘天气，造成春季降尘量明显高于其他季节。夏季天气炎热，一方面大气扩散条件较好且降水量较大，对空气中的灰尘有较好的清除作用，另一方面夏季植物生长茂密，能够覆盖部分裸露土壤，进而阻挡了扬尘， 所以夏季降尘量最小。冬季取暖设施增加，气候趋势稳定，逆温现象频繁发生，抑制了污染物在大气中的扩散，降尘量逐步增大且秋季建筑施工增加了二次扬尘的污染，导致降尘量偏高[11]。

2.3 降尘中可溶性营养成分

由表1可见，2017年洛川降尘中可溶性盐分沉降总量为24.548 kg/（hm2·a），沉降量从大到小分别为NH4+-N、Ca、NO3--N、Mg、Na、K、S和P。与降尘一样，各营养成分的月变化不一，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沉降量则主要集中在6—7月份。文倩等[15]研究发现和田地区大气降尘含盐量沉降最高为35.00 g/kg，最低则为4.69 g/kg，降尘平均总盐含量为15.70 g/kg，远远高于耕地，降尘向土壤供盐量共计27.25 kg/（hm2·a），将向土壤提供大量盐分，且主要集中在土壤表层、亚表层或耕层，是荒漠风沙区土壤盐分表聚的主要途径[16]。

从全球物质循环角度来看，大气沉降作为输入生物所必需的营养成分的一个途径近年来也被关注。该研究结果显示，由降尘带来的N、P、K沉降量分别为14.843、0.099、0.224 kg/（hm2·a），其中NH4+-N和NO3--N沉降量分别为8.248和6.595 kg/（hm2·a）。硝态氮在降尘中含量少于铵态氮的原因可能是气溶胶对阳离子有一定的吸附作用，容易聚集沉降，且在以农牧业为主的洛川，铵态氮主要来源于铵态氮肥以及畜禽粪便中氨气的挥发。赵妍等[17]研究得出沈阳市春季降尘中全氮、全磷、全钾含量分别为2.32～3.97、1.83～3.85和15.85～21.36 g/kg，且春季降尘中氮磷钾含量都高于郊区农田土壤。洛川降尘输入中P沉降量较低，这可能是由于气溶胶粒子对磷有较强的吸附作用，且有效性P相对较少是由于磷酸盐在自然界中常以沉淀和吸附的方式存在。

2.4 降尘中Fe、Al及重金属离子的含量

从表2可以看出，洛川降尘中Fe和Al的含量分别为10.889和95.309 mg/kg，重金属Cu、Mn、Pb、Zn的含量平均值分别为10.178、51.164、96.027和9.189 mg/kg。该研究中的各重金属含量均远低于兰州市重金属含量的平均值[18]，并且各种金属含量的月变化幅度较大，可能与降尘金属来源有关。有研究认为，大气颗粒物中的 Cu 来源于交通污染，Cu 通常用于汽车的刹车中以控制热量的传递以及汽车油泵材料的磨损产生[19]。Pb浓度与汽车尾气排放有关，尽管无铅汽油的使用使得汽车尾气对大气中 Pb 的影响有所减弱，但随着汽车数量的迅速增加以及之前排放的 Pb的累积，交通污染源依然是大气环境中Pb的主要来源[20]。降尘中的Zn有一部分受到工业生产的影响，另一部分来自汽车轮胎的磨损[21]。而是由于Fe、Al、Mn为地壳组成元素，降尘中的Fe、Al、Mn主要由自然来源（土壤颗粒）贡献。洛川位于延安南部，距离西安、宝鸡、延安等省内一、二线城市较远，工业和交通业较之欠发达，空气污染较轻。但目前，对大气降尘中重金属最大允许浓度尚无统一评价标准。

3 结论

（1）2017年洛川年總降尘量为58.1 t/（km2·a），月均值为4.8 t/（km2·月），月最大值和最小值分别为24.9和0.1 t/（km2·月）。洛川大气降尘量季节变化特征明显，春季>冬季>秋季>夏季，依次占年降尘量的59.7%、27.5%、9.3%和3.5%。

（2）2017年洛川降尘中可溶性盐分沉降总量为24.548 kg/（hm2·a），沉降量从大到小分别为NH4+-N、Ca、NO3--N、Mg、Na、K、S和P。降尘中Fe、Al及重金属Cu、Mn、Pb、Zn的含量平均值分别为10.889、95.309、10.178、51.164、96.027和9.189 mg/kg，均较低。

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