北京降尘元素特征与重金属污染成因分析

熊秋林

东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌 330013

大气降尘可以反映大气颗粒物的自然沉降量，具有重要的环境指示意义。其携带的有毒重金属易沉积在植物、土壤和水体中，通过食物链的传递和累积，对人体健康、植物和水生生物等造成严重的危害，已经引起人们的广泛关注。研究大气降尘的元素特征、重金属污染评价及成因分析对于大气环境治理以及居民健康防护意义重大。针对北京大气降尘重金属污染成因这一科学问题，论文首先基于北京及周边地区大气降尘、地表土以及典型污染端元样品的元素含量ICP-MS测试结果，分析了北京大气降尘的元素特征；基于GIS地统计分析理论交叉验证并选取了北京降尘中主要重金属的最优空间插值模型，并探讨了北京降尘重金属污染的空间分布；其次，在传统的单一重金属污染评价方法的基础上提出并构建了“降尘重金属综合污染指数”模型，对北京降尘重金属污染状况进行了综合评价；然后，通过各污染端元显著因子识别方法构建了北京降尘局部污染源重金属成分谱，并综合应用多元统计分析解析了北京大气降尘重金属的局地污染源；同时探讨了地表土重金属污染以及下垫面土地利用类型对北京降尘重金属污染的影响；最后，利用HYSPLIT-4区域传输模型，并结合区域站点实测数据，综合分析了北京大气降尘重金属污染受区域传输的影响。主要结论如下。

(1) 重金属Pb、Cr、Cu、Zn的含量较高，是北京降尘中的主要重金属元素；并且其在城区的含量(分别为147.1、195.9、239.2和713.2 mg·kg-1)要明显高于近郊地区的含量(分别为91.6、125.1、131.9和514.5 mg·kg-1)。重金属Bi、Mo、Cd、Pb、Cr的变异系数均大于60%(其中Cr的变异系数高达126.9%)，其空间变异均很强。

(2) 北京城区和近郊地区均存在大气降尘重金属污染，且北京城区的污染较近郊地区的要严重。北京大气降尘中Cd、Cu、Zn 3种重金属污染较重(Zn和Cu的平均含量分别为相应土壤环境背景值的9.5和10.7倍，属于重度污染；Cd的平均含量高达相应土壤环境背景值的28.1倍，存在严重污染)。重金属Cd、Zn、Pb和Cu是北京市降尘中显著污染因子，其中Cd和Zn是极显著污染因子。此外，北京近郊降尘中重金属Cr也是显著污染因子。

(3) 北京降尘重金属污染在空间上存在不同程度的变异。重金属Cd总体上呈现偏重以上的污染，在西城区、东城区和朝阳区的部分地区呈现重度到严重污染；Zn在大部分地区为中度以上的污染，在中心城区(东城区和西城区)及其周边呈现偏重污染；Cu在整个城区呈现轻度以上的污染，在中心城区及其周边地区呈现中度到偏重污染；Pb在绝大部分地区为轻度以上污染，在朝阳区、西城区、东城区以及丰台区的部分地区呈现偏重污染。而重金属Cr、Mo和Bi在部分地区呈现中度到偏重污染。

(4) 通过典型污染端元显著因子识别与重金属成分谱构建，并运用多元统计分析(聚类分析、Pearson相关分析、Kendall相关分析以及主成分分析)。研究发现，北京大气降尘重金属的局地污染源主要包括地壳来源(包括道路扬尘、建筑粉尘和远程传输的尘埃)和化石燃料燃烧(汽车尾气排放、煤炭燃烧、生物质燃烧和工业过程)。

(5) 利用HYSPLIT-4传输模拟并结合区域实测数据对比分析发现，北京大气降尘重金属Zn、Cd、V、Cr、Co、Ni和Mo除了受局地污染源排放影响外，还受一定的周边区域传输影响，尤其是北京南边(石家庄、保定方向)污染气团的传输影响。