安徽旌德－宁国地区大气干湿沉降地球化学特征及评价研究

吴 正，邢润华，陈富荣，李明辉，刘 超，李 杨

安徽省地质调查院（安徽省地质科学研究所），安徽合肥230001

0 引言

大气干湿沉降是有害物质进入土壤的一种重要途径，是影响农田生态系统安全的重要因素［1-2］，主要指存在于空气中的细小颗粒物（粒径大于10μm）由于重力作用自然降落于地面，长时间悬浮于大气或在风的作用下进行长距离、大范围的传输，通过干、湿沉降的方式进入土壤，并在土壤中不同程度地累积，对土壤环境质量带来较大的影响［3-4］.国内外研究表明：1）大气沉降物对土壤重金属元素Hg和Pb的输入贡献并不低于污水灌溉［5］；2）许多工业发达国家，大气沉降对土壤系统中重金属累积贡献率在各种外源输入因子中排在首位［6-8］；3）经干湿沉降进入土壤的重金属元素，与当地经济发展模式、产业结构等有直接关系［9-10］.

本研究通过分别采集区内大气干、湿沉降物，对比分析元素含量特征、通量特征，统计研究干、湿沉降元素含量及分布特征，并对大气干湿沉降环境地球化学进行评价，以期为该地区土壤污染整治提供科学依据［11-13］.

1 研究区概况

研究区位于安徽省东南部，行政区划隶属于宣城市管辖.该区地处皖南山区，跨长江、钱塘江两大流域，地表水资源丰富.地貌形态以山地和丘陵为主，地势总体南高北低（图1），属于“以林为主，稻麦杂一年二熟北亚热带”农业气候区.

图1 研究区地貌图Fig.1 Geomorphological map of the study area

研究区大地构造位置处于下扬子陆块皖南褶冲带东南部，构造线以北东向为主，属扬子地层区江南地层分区，地层自新元古代至第四纪发育齐全，岩浆岩较为发育，成矿地质条件良好.土壤母质以浅色碎屑岩风化物母质和酸性岩类风化物母质为主，遍布全区.土壤类型主要为红壤，占整个研究区面积的60.04%左右.

2 样品采集与测试

2.1 样点布设

研究区共布设了6件大气干湿尘降物取样点（广德市、泾县和绩溪县各1处，宁国市3处），放置周期为1 a.样点均布设于农耕区、城镇近郊区及矿产较集中地区，兼顾空间分布的均匀性，周边无遮挡的高大树木或建筑物，并避开烟囱、交通道路等污染源.集尘缸选用上口径51.5 cm、下口径44 cm、高70 cm无污染塑料桶，用1 m高三脚架固定放置在距地面5 m以上居民楼顶平台，并罩上尼龙网，放置前用蒸馏水清洗桶壁.

2.2 样品采集

因大气干湿沉降物较多，采用虹吸法抽取静置的集尘缸中上部澄清溶液至另一容器，测定上清液的总体积或重量，按照检测指标的不同分别采集不同的样品［14-15］.

①取上清液500 mL注入塑料容器中，加入1∶1硝酸10 mL，用于检测溶液中金属元素；

②取上清液500 mL注入另外一个塑料容器中，加入5%重铬酸钾（保护剂）溶液5 mL，用于检测溶液中汞元素；

③取1 500 mL上清液移至塑料容器中，检测溶液中其他元素；

④剩余的沉淀物和悬浊液转移至合适的容器中，测定其总体积和质量，搅拌均匀，取全部浑浊液至塑料容器中密封.将上述密封好的上清液样品与沉淀物和悬浊液样品及时送至实验室处理分析.

2.3 样品测试

样品分析测试工作由安徽省地质实验研究所承担.主要以中国地质调查局地质调查技术标准《区域地球化学样品分析方法》（DD2005－03）为依据，结合《生态地球化学评价样品分析外部检查质量控制暂行规定》和《生态地球化学评价样品分析技术要求补充规定》等相关技术标准［16］，测试方法如表1所示.

表1 干湿沉降滤液分析方法Table 1 Analysis methods of atmospheric dry and wet deposition filtrate

3 大气干湿沉降物地球化学特征与评价

3.1 大气干湿沉降中元素含量特征

通过分析测试数据（表2）不难看出，研究区内干沉降的元素含量值远高于湿沉降元素含量（假定湿沉降密度为1计算）［17-18］.说明大气中这些元素主要以矿物相形式存在或吸附在固体颗粒上，然后通过大气沉降等途径持续地大量输入到地表环境中，对环境的生物地球化学循环造成持久的负面影响［19-20］.

表2 研究区大气干湿沉降中元素含量特征Table 2 Element contents of atmospheric dry and wet deposition in the study area

结合点位分布情况，对干、湿沉降进行对比分析（图2）.宁国市万家乡（YDQ03）湿沉降中Cd、Ni、Pb、Zn含量相对高，该点周边矿点、矿化点较多，钨钼矿、铅锌银矿、铅矿、钨矿、萤石矿等均有分布，同时该点的酸碱度最低、酸性较强；广德市四合乡（YDQ01）干沉降中As、Ni、F含量高，该点北部有一中型萤石矿，南部有稀土矿和萤石矿，干沉降中F高含量可能与其有关；宁国市青龙乡（YDQ02）干沉降中Hg、Se、Cr、Zn含量高，该点位于宁国市城郊，附近有公路和铁路，北部有石灰岩矿及煤矿.

图2 研究区不同样点大气湿沉降和干沉降相对含量对比柱状图Fig.2 Comparison of relative contents between atmospheric dry and wet deposition at different sampling sites

3.2 湿、干沉降中元素含量及分布特征

大气沉降是大气圈物质下沉或降落到达地表的过程或现象，通过降水过程表现的大气沉降为湿沉降，通过气体扩散、固体物降落表现的大气沉降为干沉降.国内外学者开展的相关研究［21-23］表明，大气干湿沉降是元素在环境中迁移、循环的重要环节，与生态、农业、健康、气候等领域都关系密切.

3.2.1 湿沉降中元素含量及分布

湿沉降中As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Se、F、pH含量与《农田灌溉水质标准》（GB5084—2005）中标准值相比较，宁国市万家乡（YDQ03）、霞西镇（YDQ04）两个点湿沉降pH超标，其他点位指标均未超标.采用《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）进行评价，广德市四合乡（YDQ01）、宁国市青龙乡（YDQ02）、宁国市万家乡（YDQ03）、绩溪县杨溪镇（YDQ06）4个点湿沉降中Zn达到Ⅱ类水，宁国市万家乡（YDQ03）湿沉降中Cd达到Ⅱ类水，宁国市万家乡（YDQ03）、霞西镇（YDQ04）两个点湿沉降pH超标，其他点位均达到Ⅰ类水质标准（表3）.一般认为，湿沉降的加入对表层土壤质量（或体积）的影响较小，所以湿沉降对农田土壤重金属的累积是正向的，高重金属含量水平的大气湿沉降会直接造成研究区土地质量的下降［24］.

表3 研究区湿沉降元素含量特征Table 3 Characteristics of wet deposition element content in the study area

3.2.2 干沉降中元素含量及分布

干沉降中As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni含量采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）中筛选值和管制值进行评价，其中筛选值和管制值均从严取值，Se、F采用《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）中Se、F过剩等级标准进行评价［25-27］.通过比较分析，干沉降中除As外，其余7种重金属元素的含量均超过土壤环境质量标准.具体如下：As均低于筛选值，Hg、Ni均只有1个点位高于筛选值，Cr、Zn、Cu部分或全部样点高于筛选值，Pb、Cd全部样点高于筛选值，其中Pb有1个样点高于管制值，Cd有5个样点高于管制值，Se均达到过剩等级，F均在过剩等级以下.因此，干沉降中Cd、Se的高含量会对研究区土壤污染造成较大影响.

3.2.3 大气干湿沉降中重金属元素的来源

对干、湿沉降的分析显示，研究区内的Cd、Pb等重金属元素含量较高.通过开展实地调查和综合分析，认为主要是因为区内分布有较多的矿点及矿化点，小型钨钼矿、铅锌银矿、铅矿、钨矿、萤石矿的开采可能会导致Cd、Pb等重金属含量增多；同时，部分点布设于城镇周边或者公路铁路附近，汽车尾气的排放及人为活动也会带来一定的重金属污染；此外，研究区的主要经济产业为汽车零部件产业、耐磨铸件和精密制造产业等，主要位于宁国市周边地区（研究区西北方向），锅炉燃烧、工业焚烧产生大量的烟尘，在区内主导风向偏东风的作用下，可能会给区内的大气环境带来一定的影响［28-29］.

3.3 大气干湿沉降元素通量特征

参照《土地质量地球评价规范》附录F，对研究区大气干湿沉降物元素年沉降通量密度地球化学参数进行统计（见表4）.大气干湿沉降物元素通量密度即一年时间内单位面积中大气干湿沉降物中元素的质量［mg/（m2·a）］.

表4 研究区大气干湿沉降物元素年沉降通量密度地球化学参数统计表Table 4 Geochemical parameters of annual deposition flux density of atmospheric dry and wet deposition elements

研究区年沉降通量平均值与全国平均值相比，As年沉降通量低，Hg、Ni、Pb、Cr、Cu、Cd偏低，Zn偏高.

针对研究区内大气干湿沉降通量情况，统计对比了区内不同土地利用类型及国内不同地区的大气通量值，并开展了综合研究.对比统计情况如表5所示.

表5 不同地区大气干湿沉降重金属元素沉降通量对比统计表Table 5 Comparison of deposition flux of heavy metal elements in atmospheric dry and wet deposition among different regions

对比分析研究区内不同土地利用类型，除Pb外，其余7种重金属元素沉降通量值均表现为丘陵地区小于城镇及工矿区，说明丘陵山区总体环境优于城镇及工矿区.Pb超标主要集中在YDQ04号点，为研究区最高值，可能与近期村委会的整体装修（如焊接、油漆等）有关；同时，村委会东边有一条道路，汽车尾气的排放也可能带来一定的污染.

通过与北京平原区、河北南部、成都经济区、南京市、长江三角洲等地大气干湿沉降通量对比分析，研究区内全部8种重金属元素沉降通量均低于以上5个地区，说明相对于我国人口密集的经济区、工业较发达地区和中部平原区，研究区内重金属对土壤的污染程度较低.该现象产生的原因主要是由于工业的快速发展导致燃煤的大量燃烧，以及汽车尾气的大量排放和人为密集活动等［32］.

3.4 大气干湿沉降环境地球化学评价

依据《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T0295—2016），进行大气干湿沉降物Cd、Hg环境地球化学等级划分评价，划分标准见表6.

大气干湿沉降物环境地球化学综合等级以单指标环境地球化学等级为基础，按照一票否决原则，取Cd、Hg单指标环境地球化学最差等级.当大气干湿沉降物评价指标年沉降通量密度小于或等于该值时为一等，表示大气干湿沉降物沉降对土壤环境质量影响不大；当大气干湿沉降物评价指标年沉降通量密度大于该值时为二等，表示大气干湿沉降物沉降对土壤环境质量影响较大［33］.

研究区大气干湿沉降通量密度统计结果显示，6件样品Cd、Hg年通量密度均小于表6中的标准值，划定为一等.因此研究区大气干湿沉降环境地球化学综合等级为一等.

表6 大气干湿沉降通量环境地球化学等级分级标准值Table 6 Environmental geochemical grading values of atmospheric dry and wet deposition flux

4 结论

（1）研究区干沉降的元素含量值远高于湿沉降元素含量，元素主要以矿物相形式存在或吸附在固体颗粒上，且其含量与周围环境（如工矿企业、道路、人为活动）有一定影响，这一点应引起足够重视.

（2）对干、湿沉降元素含量及分布特征分别进行研究分析，干沉降中Cd、Se的高含量会对研究区土壤污染造成较大影响，湿沉降中YDQ03和YDQ04样点pH超灌溉水水质标准，所有点均达到地表水Ⅱ类环境质量标准.

（3）区内重金属元素年沉降通量密度与全国年沉降通量密度相比，As年沉降通量低，Hg、Ni、Pb、Cr、Cu、Cd偏低，Zn偏高.

（4）大气干湿沉降重金属元素通量一般表现为丘陵山区小于城镇及工矿区，主要受燃煤燃烧、尾气排放及人为活动等影响.

（5）根据大气干湿沉降环境地球化学评价结果，大气干湿沉降物环境地球化学单指标和综合指标评价结果均为一等，表明研究区大气环境质量很好.