黄河北平原区大气干湿沉降物地球化学特征研究——以山东省茌平县为例

常彬

（1 山东省物化探勘查院 山东济南 250013 2 山东省地质勘查工程技术研究中心 山东济南 250013 3 山东省土壤地球化学工程实验室 山东济南 250013）

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［1］，是表层耕地土壤中某些元素的主要输入途径［2］，甚至大气沉降物对土壤输入的Hg 和Pb 并不低于污水输入［3］。近年来，全国各地陆续开展了土壤地球化学评价工作，大气干湿沉降物调查作为影响土壤质量的重要因素，取得了一系列重要成果［4-7］。本文以2015—2017 年开展的“山东省茌平县农业生态地球化学调查评价”项目为依托，对茌平县大气干湿沉降物地球化学现状进行评价，探索城市工业发展与大气环境变化的相互作用，为农业结构调整、土地可持续利用和环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 区域基本概况

研究区为聊城市茌平县全区，位于山东省西部，总面积1 003.37 km2，区域内河流纵横交错，有徒骇河和马颊河2 条主要河流。茌平县是聊城市唯一的百强县，近年来工农业迅速发展，矿物采掘、工农业排污以及过量开采地下水等活动造成了地面沉降、水土污染等一系列地质灾害，给生态环境造成了严重破坏。

茌平县地处黄河下游冲积平原区，地势较平缓，地面倾斜方向基本随河流流向自西南向东北微倾。本区无基岩出露，属覆盖区，地层自下而上依次为奥陶纪马家沟群，石炭—二叠纪月门沟群本溪组、太原组、山西组，二叠纪石盒子群，古近系、新近系和第四系。全县土壤主要有潮土、风沙土和盐土3 个土类，潮土土类占总土地面积的95.61%，风沙土类占4.37%，盐土土类占0.02%。

1.2 区域构造概况

由于燕山和喜马拉雅运动的影响，研究区内断裂构造发育，主要发生于古近纪以前，新近纪以来，断裂活动不明显。主要断层有聊考断裂、博平断层、茌平断层、刘集断层等，分布情况见图1。

图1 茌平县构造纲要图

1.3 工作区土壤结构

工作区全部为第四系覆盖，地表埋深200 m 以内为第四系的近代黄河冲积层，岩性分砂性土和粘性土2 大类。砂性土包括粉细砂和粉土，粘性土包括粘土和粉质粘土。土体结构属于粉土、粘土及砂组成的多层结构土体。为了较直观地体现茌平县浅层土壤结构，选择一条贯穿茌平县东西方向的剖面线见图2，0 m～5 m 土壤剖面见图3。

图2 3-3'剖面钻孔位置图

图3 3-3'线0 m～5 m 土壤剖面图

2 样品采集与分析

本文按《山东省土地质量地球化学评价规范（试行）》要求开展系统的采样工作，具体方法如下。

（1）在调查区的每个重点乡镇以及工业厂区附近放置降尘缸17 个，采集大气干湿沉降物，采集周期为1 a。采样点分布见图4。

图4 大气干湿沉降物采样点分布图

（2）本次采集样品的降尘缸以及收集样品的自封袋均用蒸馏水清洗，放置降尘缸后在室内把采样点标绘在1∶5 万地形图手图上，使用便携式GPS 并结合地形图定点，每一采样点都用喷漆在明显的固定物上作了标记。

（3）野外记录统一使用标准化的大气干湿沉降物采样记录表，使用代码和简明文字记录样品的各种特征。降尘缸放置后以直径2 mm 小圆圈标定采样点，写上样品号，并进行转绘制成采样点位底图，转点误差小于0.5 mm。把GPS 测定的采样点地理坐标及采样点航迹数据输入计算机储存。

大气干湿沉降物样品元素测试分析由山东省物化探勘查院岩矿测试中心进行分析测试，分析指标（元素）共有Cd、Hg、Pb、As、Ni、Cr、V、Co、Se、F、S 等。各分析指标分析方法与检出限见表1 和表2。分析仪器以先进的现代化大型ICP-OES 为主体，加上其他先进的灵敏度较高的专项分析仪器。各指标数据报出率、分析的准确度、精密度均满足中国地质调查局《1∶5万土地质量地球化学调查评价技术要求》。

表1 大气沉降物元素全量分析样品处理与分析方法

表2 大气沉降物分析元素方法检出限

3 大气干湿沉降物环境地球化学特征

3.1 大气干湿沉降物元素含量特征

山东省茌平县大气干湿沉降物含量及特征见表3 和表4，可以看出，茌平县大气干湿沉降物中大多数元素的含量变化起伏较大，变异系数较大，其中Pb、Cd、Hg、As 元素的变异系数在0.40 与0.60 之间，Cr、Ni、Zn、Se 元素的变异系数在0.60 与1.00 之间，F、S 元素的含量变化最显著，尤其在人口密集区含量偏高，其变异系数分别为1.43、1.72。

表3 山东省茌平县大气干湿沉降物元素含量一览表

表4 山东省茌平县大气干湿沉降物元素含量特征表

3.2 大气干湿沉降物年通量地球化学特征

山东省茌平县大气干湿沉降年通量及特征见表5 和表6，可以看出，茌平县大气干湿沉降物年通量变异系数介于0.42～1.52 之间，数据离散程度较高，其中变异系数大于1.00 的指标为Cu、Pb、Cd、As、F、S 元素，变异系数在0.60 与1.00 之间的指标为Cr、Ni、Zn、Hg 元素，变异系数在0.40 与0.60 之间的指标为Se 元素。

表5 山东省茌平县大气干湿沉降物年通量一览表 单位：mg／（m2·a）

表6 山东省茌平县大气干湿沉降物年通量特征表

大气降尘物质来源主要包括土壤、燃煤尘、交通尘、建筑尘、冶金尘等。研究区内土壤质地主要以潮土和盐化潮土为主，由于土壤成分相对单一，因此外源污染应该是造成区内土壤重金属元素积累的主要原因。通过分析大气沉降物元素含量及年通量空间分布特征可以看出，监测点中元素含量及年通量较高区均位于工业园区周围以及高速公路或重要国道、省道周边，而元素含量较低区均位于距离工业园区较远处，说明工业园区废气排放及大型汽车尾气排放是造成大气沉降物有害元素含量较高的主要原因。

4 大气干湿沉降物地球化学等级

重金属的污染与危害已成为人类所面临重要的环境问题之一。据研究发现，在许多工业发达国家，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，因此研究大气沉降对土壤重金属累积影响以及防治重金属污染保障人体健康具有重要意义。根据《山东省1∶50 000 土地质量地球化学调查评价技术要求》和国家地质矿产行业标准《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）大气质量等级划分标准，对茌平县采集的大气沉降物样品中的Cd 及Hg 重金属元素进行地球化学等级划分，分级标准值见表7。

参照表7 给出的划分标准值，当大气干湿沉降物评价指标Cd 与Hg 年沉降通量含量小于等于该值时为一等，数字代码为1，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Cd 与Hg 年沉降通量大于该值时为二等，数字代码为2，表示大气干湿沉降物沉降对土壤环境质量影响较大；数字代码为0 时，表示该评价单元未采集大气干湿沉降物样品。

表7 大气干湿沉降环境地球化学等级分级标准值

通过表5 可以看出，茌平县大气干湿沉降物年通量中Cd与Hg 较小，所布置的所有大气干湿沉降监测点Cd 的沉降通量均小于3 mg/（m2·a），Hg 的沉降通量均小于0.5 mg/（m2·a），其环境地球化学等级为一等，茌平县大气干湿沉降物对土壤环境质量影响不大。分布情况见图5。

图5 大气干湿沉降物环境地球化学综合分级图

5 结论

（1）茌平县大气干湿沉降物中大多数元素含量和年通量变化起伏较大，变异系数较大。工业园区废气排放及大型汽车尾气排放是造成大气沉降物有害元素含量较高的主要原因。

（2）茌平县Cd 与Hg 的沉降通量较小，大气干湿沉降环境地球化学等级为一等，茌平县大气干湿沉降物Cd 及Hg 对土壤环境质量影响不大。