陶美娟,周 靜,梁家妮,崔紅標(biāo),徐 磊
1.中國科學(xué)院南京土壤研究所,江蘇 南京 210008
2.國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,中國科學(xué)院紅壤生態(tài)實驗站,江西 鷹潭 335211
3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049
重金屬元素可通過化石燃料燃燒、汽車尾氣、工業(yè)煙氣、粉塵等進(jìn)入大氣,吸附在氣溶膠上,然后通過干濕沉降的方式進(jìn)入土壤、水、植物表面等環(huán)境介質(zhì),并在這些環(huán)境介質(zhì)中遷移轉(zhuǎn)化,影響環(huán)境質(zhì)量,進(jìn)而威脅生物體的健康[1-5]。近年來,大氣沉降對土壤、植物系統(tǒng)的影響已受到人們的關(guān)注[6-8],尤其是工業(yè)活動使許多地方的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)暴露于污染環(huán)境中,嚴(yán)重危害了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全,研究表明,大氣沉降已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中重金屬重要來源之一[9]。
江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠是當(dāng)前全球單體最大的閃銅現(xiàn)代化冶煉廠。廠區(qū)位于城市郊區(qū),周圍屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。自貴溪冶煉廠建廠以來,以點源、面源形式向空氣中排放煙塵,產(chǎn)生大氣重金屬沉降,影響環(huán)境質(zhì)量。對貴溪冶煉廠周邊區(qū)域農(nóng)田土壤的研究表明,該地區(qū)土壤已受到重金屬污染,主要污染元素為 Cu、Cd,部分農(nóng)田作物減產(chǎn)甚至絕收,給當(dāng)?shù)貛韲?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[10-13]。此外,夏季為該地區(qū)農(nóng)作物生長旺盛季節(jié),大氣沉降可以對農(nóng)作物重金屬積累產(chǎn)生直接影響,并通過食物鏈富集到人體、動物體中,危害人畜健康,引發(fā)癌癥和其他疾病等[14-17]。因此,該文選擇夏季(6—8月)對該地區(qū)土壤主要污染元素Cu、Cd的大氣沉降情況進(jìn)行監(jiān)測,分析了Cu、Cd沉降的時空分布特征,以期補(bǔ)充前人的研究,為冶煉廠周邊區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境研究及污染防治提供參考。
江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠所在的江西省貴溪市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,溫暖濕潤,四季分明,年平均溫度為18.2℃,平均降水量1 836.2 mm。夏季多受副熱帶高壓控制,盛行偏南風(fēng)。6月份貴溪一帶正處于副熱帶高壓邊緣的西南氣流中,水汽充足,往往出現(xiàn)降水集中期。7—8月,完全被單一的副熱帶高壓控制,天氣多晴熱,受臺風(fēng)影響時,有可能產(chǎn)生較大的降水過程。
1.2.1 監(jiān)測點布設(shè)
根據(jù)污染源特點和風(fēng)向的不同,在貴溪冶煉廠周邊區(qū)域共設(shè)置了8個監(jiān)測點,見表1。監(jiān)測時間為2012年6—8月及2013年6—8月,每月收集1次,共采集干濕沉降混合樣品48個。沉降桶置于農(nóng)田附近的居民樓頂平臺,由沉降支架固定。其中,沉降桶為無蓋聚乙烯桶(高40 cm,直徑15 cm),沉降支架高1.5 m。為了避免樣品受到人為干擾、低空地面揚塵及桶內(nèi)干沉降反復(fù)揚起等影響[18-19],干濕沉降桶布置時做到:①距離主干道至少1 km;②沉降桶置于居民樓頂平臺,一般高度為6~8 m;③采集點上空無樹木、建筑等任何遮擋;④桶內(nèi)預(yù)存極少量去離子水以利于干沉降附著;⑤采取被動監(jiān)測方式,避免任何人為干擾。
表1 冶煉廠周邊各監(jiān)測點信息表
1.2.2 分析方法
樣品前處理:每月將沉降樣品無損耗、無污染運回實驗室,并放置同規(guī)格空沉降桶于原處。樣品靜置3 d,用虹吸法分離出上清液,測量、記錄上清液體積;下層沉淀物及少量懸濁液全部轉(zhuǎn)移至玻璃燒杯內(nèi),經(jīng)0.45μm聚酯纖維濾膜過濾,記錄濾液體積,濾液體積與上清液體積合并記為溶液總體積,得溶解部分樣品,沉淀風(fēng)干后稱重,得沉淀部分樣品。上述所有樣瓶在使用前均經(jīng)過10%HNO3溶液浸泡24 h、蒸餾水沖洗、去離子水潤洗、晾干處理。
溶解部分樣品分析:即溶液中 Cu、Cd濃度,原子吸收分光光度計法測定。
沉淀部分樣品分析:即沉淀中Cu、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù),采用硝酸-高氯酸全量分解法消解,原子吸收分光光度計法測定[20]。
上述樣品測試后的數(shù)據(jù),用 Microsoft excel 2003和SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。分別得到元素Cu、Cd的含量數(shù)據(jù)[21](沉淀物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溶液的濃度)。據(jù)此可以計算出樣品中 Cu、Cd的質(zhì)量:
式中:Qt為每月總質(zhì)量,mg;Qs為元素溶解部分質(zhì)量,mg;Qi為元素沉淀部分質(zhì)量,mg;V為溶液總體積,L;Cs為溶液部分元素濃度,mg/L;M為月沉淀總質(zhì)量,g;Ci為沉淀部分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg。
各監(jiān)測點元素的月沉降量為
式中:F為元素月沉降量,mg/m2;S為監(jiān)測面積,m2。
由2012年 6—8月每月沉降量之和,得出2012年夏季大氣Cu、Cd沉降通量;由2013年6—8月每月沉降量之和,得出2013年夏季大氣Cu、Cd沉降通量。
圖1為冶煉廠周邊區(qū)域各監(jiān)測點夏季Cu、Cd沉淀部分與溶解部分的示意圖。由圖1可以看出,Cu溶解部分總量均大于沉淀部分總量,尤以2013年WJ監(jiān)測點表現(xiàn)最為明顯,溶解部分總量是沉淀部分總量的8.72倍;其余各點溶解部分總量與沉淀部分總量的比值為1.01~6.71。各監(jiān)測點夏季Cd溶解部分總量與沉淀部分總量的比值為 0.63~4.61,最高、最低比值分別出現(xiàn)在2012年BJXQ監(jiān)測點、2013年SJ監(jiān)測點。由于降雨的酸堿度和顆粒物中重金屬的形態(tài)分布會直接影響重金屬的溶出率[22],因此,Cu、Cd元素溶解部分總量與沉淀部分總量的差異,不但與季節(jié)降雨總量、降塵總量有關(guān),還與降雨酸堿度、降塵中重金屬形態(tài)分布有關(guān)。
圖1 冶煉廠周邊區(qū)域各監(jiān)測點夏季Cu、Cd沉淀部分與溶解部分
表2顯示了各監(jiān)測點6—8月Cu、Cd的沉降通量。從表2可見,2012、2013年冶煉廠周邊區(qū)域夏季 Cu沉降通量分別為 42.5~421、40.6~94.3 mg/m2,平均值分別為 149、59.4 mg/m2;2012、2013年夏季 Cd沉降通量分別為 1.01~5.06、0.12 ~ 0.44 mg/m2,平均值分別為 2.02、0.26 mg/m2。與南京市工業(yè)混合區(qū)[23](Cd每月沉降通量 0.04 mg/m2)、大慶市石油化工區(qū)[24](Cu每月沉降通量1.39 mg/m2)、Cd 0.02 mg/m2相比,該研究區(qū)域?qū)儆贑u、Cd高沉降區(qū)。樣品沉淀部分Cu、Cd平均含量分別是682、27.1 mg/kg,均遠(yuǎn)高于農(nóng)田土壤中的環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)限值[25](Cu 為 50 mg/kg,Cd 為 0.3 mg/kg)。
表2 各監(jiān)測點6—8月夏季Cu、Cd沉降通量mg/m2
表2數(shù)據(jù)說明,冶煉活動已經(jīng)對大氣質(zhì)量造成一定影響,長期與空氣直接接觸的農(nóng)作物可通過表皮細(xì)胞和氣孔吸收有害物質(zhì)[26],危害農(nóng)作物生長,這也為解釋該地區(qū)農(nóng)作物重金屬超標(biāo)現(xiàn)象[27]提供參考。
冶煉廠周邊區(qū)域不同監(jiān)測點元素月沉降量變化很大,由表3可見,Cu最大值為最小值的2.42~23.5倍、Cd最大值為最小值的 2.47~6.11倍;從變異系數(shù)來看,Cu除 2013年 6月、2013年8月外,其余月份變異系數(shù)均超過70%,Cd在2012年6月、2013年6月監(jiān)測期間各監(jiān)測點變異系數(shù)也超過了50%。元素月沉降量在不同監(jiān)測點之間存在較大差異性,說明冶煉活動已經(jīng)對大氣Cu、Cd沉降產(chǎn)生了明顯的影響。在各監(jiān)測點月降雨量基本相同、離冶煉廠距離基本相等的情況下,分析了風(fēng)向頻率(監(jiān)測點處于冶煉廠下風(fēng)向時,該風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)與總觀測次數(shù)比值,見圖2)與各監(jiān)測點元素月沉降量的關(guān)系,結(jié)果如表4所示??梢姼鞅O(jiān)測點Cu月沉降量與對應(yīng)風(fēng)向頻率在2012年6、7月表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性(P<0.01),2012年 8月,2013年 7、8月表現(xiàn)出顯著相關(guān)性(P<0.05),2013年6月為比較顯著相關(guān)(P<0.1)。Cd月沉降量與對應(yīng)風(fēng)向頻率在2012年6月表現(xiàn)出極顯著相關(guān)(P<0.01),2012年8月、2013年6月為顯著相關(guān)(P<0.05),其余監(jiān)測月份為比較顯著相關(guān)(P<0.1)。因此,風(fēng)向是導(dǎo)致Cu、Cd沉降量出現(xiàn)空間差異性的主要原因。
表3 冶煉廠周邊區(qū)域各監(jiān)測點元素月沉降量 mg/m2
圖2 2012、2013年夏季冶煉廠周邊區(qū)域風(fēng)向玫瑰圖
表4 不同監(jiān)測點元素月沉降量與月風(fēng)向頻率相關(guān)性分析(n=8)
由表5可見,監(jiān)測期間 Cu、Cd沉降量存在一定的時間差異性,其中2012年6月 Cu、Cd平均沉降量與2013年6、7、8月 Cu、Cd平均沉降量均表現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05)。造成差異的原因可能是:①監(jiān)測期間冶煉廠每月向大氣中排放的煙塵量不同。造成沉淀部分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溶解部分元素濃度的不同,影響總沉降量。②每月降雨量不同。2012年6月降雨量為383 mm,分別是2013年7、8月降雨量的10.35、6.72倍。雨水沖刷使空氣中不能自由降落的塵粒降至地面,會導(dǎo)致元素沉降量增加[28-29]。通過對表5中對月降雨量及其對應(yīng)Cu、Cd平均月沉降量進(jìn)一步分析可知,該區(qū)域Cu、Cd平均月沉降量與月降雨量間相關(guān)性均達(dá)到顯著水平,相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.87(P <0.05),說明降雨量是 Cu、Cd月沉
降量存在差異性的主要影響因素。這一現(xiàn)象與韓明山等[30-31]的研究結(jié)果基本一致。
表5 監(jiān)測期間該區(qū)域降雨量及元素平均沉降量
監(jiān)測期間 Cu、Cd在沉淀部分和溶解部分中含量具有較大差異,Cu在該期間各監(jiān)測點溶解部分均大于沉淀部分,兩者比值為1.01~8.72,Cd在2013年夏季SJ、WJ、JNG監(jiān)測點表現(xiàn)出沉淀部分大于溶解部分的現(xiàn)象,其余監(jiān)測點兩者比值范圍為1.17~4.61。冶煉廠周邊區(qū)域2012年夏季Cu、Cd沉降通量分別為 42.5~421、1.01~5.06 mg/m2,平 均 值 分 別 為 149、2.02 mg/m2;2013年夏季 Cu、Cd沉降通量分別為 40.6~94.3、0.12~ 0.44 mg/m2,平均值分別為 59.4、0.26 mg/m2。該結(jié)果可為研究大氣沉降對冶煉廠周邊區(qū)域農(nóng)作物重金屬積累提供參考。
Cu、Cd月沉降量均存在一定空間變異性,Cu最大值為最小值的2.42~23.5倍、Cd最大值為最小值的2.47~6.11倍,說明冶煉活動對大氣Cu、Cd沉降產(chǎn)生了一定影響。造成該差異的原因主要是各監(jiān)測點所對應(yīng)的風(fēng)向頻率不同。各監(jiān)測點Cu、Cd月沉降量與所對應(yīng)風(fēng)向頻率均表現(xiàn)出相關(guān)性,其中 Cu在2012年6、7月為極顯著相關(guān)(P<0.01),2012年 8月、2013年 7、8月為顯著相關(guān)(P<0.05),2013年6月為比較顯著相關(guān)(P<0.1);Cd在2012年6月表現(xiàn)出極顯著相關(guān)(P<0.01),2012年8月、2013年6月為顯著相關(guān)(P<0.05),2012年 7月、2013年 7、8月為比較顯著相關(guān)(P<0.1)。
不同月份之間Cu、Cd沉降量具有一定差異性,其中2012年6月 Cu、Cd平均沉降量與2013年6、7、8月 Cu、Cd平均沉降量均表現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05)。月降雨量的不同是導(dǎo)致差異性的主要原因,Cu、Cd平均月沉降量與月降雨量間相關(guān)性均達(dá)到顯著水平,相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.87(P<0.05)。
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