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        寧國市大氣干濕沉降物地球化學(xué)特征及評價

        2022-07-18 03:51:56杜國強夏飛強
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年13期
        關(guān)鍵詞:寧國市樣點點位

        劉 超,杜國強, 吳 正,夏飛強

        (1.安徽省地質(zhì)調(diào)查院(安徽省地質(zhì)科學(xué)研究所),安徽合肥 230001;2.安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院,安徽合肥 230001)

        農(nóng)田中土壤元素除了來自成土母質(zhì)外,大氣干濕沉降物、灌溉水也是其重要的元素輸入途徑。隨著人類工業(yè)生產(chǎn)的加劇,大氣中重金屬元素含量明顯增加,最終以干濕沉降物的形式進入土壤,從而影響土壤的環(huán)境質(zhì)量。另外SO等工業(yè)氣體的大量排放,也導(dǎo)致酸雨的產(chǎn)生,使土壤進一步酸化,從而增加有害元素Cd等動態(tài)含量。重金屬污染土壤的結(jié)果就是農(nóng)作物安全問題,作為食物鏈重要一環(huán),農(nóng)作物中重金屬元素含量如果過高,勢必會影響到人體的健康。為了綜合反映研究區(qū)的土地質(zhì)量,需要對大氣沉降等外部影響因素進行評估,作為對土地質(zhì)量地球化學(xué)等級劃分的補充,為此,筆者在研究區(qū)布置了24個大氣干濕塵降物接塵點,實際收回24個樣,通過分別采集區(qū)內(nèi)大氣干、濕沉降物,對比分析了元素含量特征、通量特征,統(tǒng)計研究了干、濕沉降元素含量及分布特征,并最終開展了大氣干濕沉降物環(huán)境地球化學(xué)評價,為該地區(qū)土壤污染整治提供了科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        寧國市位于安徽省東南部,地處安徽省東南邊緣之中段,屬皖南山地丘陵區(qū),市域地形地貌復(fù)雜,以丘陵山地為主,間有崗嵐、河谷平原和盆地等,地貌組合分異明顯,位于北亞熱帶季風亞濕潤氣候區(qū),氣候溫和、雨量充沛、日照尚足、四季分明,風向以東風為主,其次為東北風-東南風。

        研究區(qū)位于揚子地塊下?lián)P子地區(qū)的東南部,江南造山帶的北東端,元古代以來的多次構(gòu)造變動留下了豐富的構(gòu)造形跡,至中生代形成基本構(gòu)造格架。屬揚子地層區(qū)江南地層分區(qū),主要出露震旦紀、寒武紀、奧陶紀、志留紀、泥盆紀、石炭紀、二疊紀、侏羅紀、白堊紀地層及河谷地帶發(fā)育的第四紀地層(圖1),成礦地質(zhì)條件良好。土壤母質(zhì)以淺色碎屑巖風化物母質(zhì)和酸性巖類風化物母質(zhì)為主。土壤類型以紅壤為主,具有弱富鋁化作用,呈紅色或棕紅色。

        研究區(qū)共布設(shè)了24個大氣干濕塵降物采樣點,平均采樣密度為1個點/100 km,放置周期為1年。主要選擇離公路相對較遠、周圍環(huán)境較好、無餐飲、無工礦企業(yè)廢氣排放、住戶相對較少的村莊布設(shè)樣點,其中在汪溪街道布設(shè)一個廠礦企業(yè)控制點,其東南有在產(chǎn)大型化工企業(yè),在南山街道布設(shè)一個城鄉(xiāng)接合部控制點,主城區(qū)未布設(shè)點位。接塵缸大小根據(jù)寧國市雨季最大降雨量選定,以不滿溢為準,選用上口徑51.5 cm、下口徑44 cm、高70 cm無污染塑料桶,加蓋后實際接收直徑為41 cm,經(jīng)處理后用1 m高的三腳架固定放置在距地面三層樓房平臺上。接塵缸安裝尼龍防護網(wǎng),防止外來枯枝落葉、動物糞便等雜質(zhì)落入缸內(nèi)。

        圖1 寧國市土壤類型Fig.1 Soil type of Ningguo City

        對接收一年的大氣干濕沉降物樣品進行收集與處理,吸取上清液至干凈塑料容器中攪拌均勻,記錄上清液總體積;取上清液2 500 mL至干凈塑料容器中作為原樣;取上清液500 mL至干凈塑料容器中,加入1∶1硝酸10 mL用于測定Cd等元素;取上清液500 mL至干凈塑料容器中,加入5%的重鉻酸鉀溶液5 mL,用于測定Hg元素;將接塵缸中剩余的沉淀物和懸濁液移至干凈塑料容器中并記錄其質(zhì)量。每個樣點采集4件樣品分別密封、編號,連同送樣單和記錄數(shù)據(jù)送實驗室進行測試分析。

        樣品檢測工作由安徽省地質(zhì)實驗研究所(國土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心)承擔,檢測As、Cd、Cr、Hg、Pb這5種重金屬元素,針對不同檢測項目制定了分析方法配套方案。濕沉降依據(jù)國家標準方法《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T 5750—2006)和相關(guān)行業(yè)標準分析方法《地下水質(zhì)檢驗方法》(DZ/T 0064—93)采用等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、原子熒光光譜法(AFS)為主的配套方案,見表1;干沉降依據(jù)國家標準方法和相關(guān)行業(yè)標準分析方法《區(qū)域地球化學(xué)樣品分析方法》(DZ/T 0279—2016)制定分析方法配套方案,見表2。

        2 結(jié)果與分析

        從研究區(qū)大氣干濕沉降物元素含量特征(表3)可以看出,研究區(qū)干沉降A(chǔ)s、Cd、Cr、Hg、Pb元素含量遠高于濕沉降(假定濕沉降比重為1計算),表明區(qū)內(nèi)大氣中這5種元素主要以礦物相形式存在或吸附于固體顆粒上,通過大氣沉降等途徑持續(xù)地輸入到地表環(huán)境中,一定程度上對周邊土壤環(huán)境質(zhì)量存在影響。

        表1 大氣干沉降物分析方法配套方案Table 1 Supporting scheme for analysis method of atmospheric dry deposition

        表2 大氣濕沉降物分析方法配套方案Table 2 Supporting scheme for analysis method of atmospheric wet deposition

        干沉降中As、Cd、Cr、Hg、Pb這5種重金屬采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中篩選值和管制值從嚴取值進行評價,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表4),干沉降中Hg有2個樣點超過篩選值;As有1個樣點超過篩選值;Cd、Pb均超過篩選值,其中Cd有19個樣點超過管制值,Pb只有1個樣點超過管制值;Cr有6個樣點超過篩選值,無樣點超過管制值。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)干沉降5種元素高含量或超過管制值的樣點主要集中在01~05號共5個樣點。因此,01~05號樣點控制范圍內(nèi)大氣干沉降中As、Cd、Cr、Hg、Pb對土壤環(huán)境質(zhì)量影響相對于其他樣點較大,尤其是02號樣點。

        表3 研究區(qū)大氣干濕沉降物中元素含量特征Table 3 Content characteristics of elements in atmospheric dry and wet depositions in the study area

        表4 研究區(qū)干沉降元素含量特征Table 4 Content characteristics of dry deposition elements in the study area

        濕沉降中As、Hg、Cd、Cr、Pb依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)進行評價時,汪溪街道姚高村(03)、南極鄉(xiāng)南極村(18)、萬家鄉(xiāng)云山村(19)3個樣點濕沉降中Cr達到Ⅱ類水質(zhì)標準,其他點位各指標均達到Ⅰ類水質(zhì)標準;依據(jù)《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》(GB 5084—2005)進行評價時,所有點位各指標均達安全清潔水質(zhì)標準。

        根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)的標準,計算大氣干濕沉降物元素通量密度,即一年時間單位面積大氣干濕沉降物中所含某元素質(zhì)量,獲得各采樣點As、Hg、Cd、Cr、Pb元素輸入通量密度。從研究區(qū)大氣干濕沉降物元素年通量密度地球化學(xué)參數(shù)特征(表5)可以看出,相對于全國平均水平,區(qū)內(nèi)大氣干濕沉降物中各元素年通量密度處于相對較低水平,表明寧國市大氣干濕沉降物中重金屬危害程度低于全國平均水平。

        表5 研究區(qū)大氣干濕沉降物元素通量密度地球化學(xué)參數(shù)特征Table 5 Characteristics of geochemical parameters of element flux density of atmospheric dry and wet deposition in the study area

        各元素通量密度分布情況具有相似性,總體在寧國市北部分布高通量,其余地區(qū)通量較低(圖2~3,以Cd、Hg為例)。其中02號點位5種重金屬元素通量密度為全區(qū)最高,并遠高于其他點位,可能與靠近企業(yè)有關(guān);01號點位As、Hg、Cr元素通量密度較高,Cd、Pb元素通量密度一般;03號點位只有Cr元素通量密度相對較高,其他元素通量密度較低;05號點位As、Cr通量密度較高,15號點位As通量密度較高,其他元素通量密度均較低;其他各點位5種重金屬通量密度均為一般或較低分布。

        由于研究區(qū)內(nèi)各地區(qū)年降雨量差異較小,各元素年通量的差異主要是由大氣顆粒物及其重金屬濃度所決定,研究區(qū)內(nèi)年輸入平均通量密度從大到小依次為Pb>Cr>As>Cd>Hg,除Hg元素外,Cd平均通量密度最小。以Cd為例,根據(jù)寧國市土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價結(jié)果顯示研究區(qū)表層土壤Cd含量平均值為0.41 mg/kg,如果大氣Cd以0.25 mg/m的年輸入量可使區(qū)內(nèi)表層土壤Cd含量年升高0.000 83~0.001 25 mg/kg(表層土壤深度按20 cm計,土壤容重按1.0~1.5 g/cm計算)。由此可以看出,區(qū)內(nèi)大氣Cd沉降對土壤環(huán)境質(zhì)量影響總體較為微弱。但值得注意的是,02號點位Cd年輸入通量密度達到1.16 mg/m,可使影響范圍內(nèi)表層土壤Cd含量年升高0.003 85~0.005 80 mg/kg,因此,應(yīng)關(guān)注02號點位附近大氣干濕沉降物導(dǎo)致的土壤Cd富集作用。

        由各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)大氣干濕沉降物元素通量密度平均值統(tǒng)計(表6)可知,區(qū)內(nèi)As、Hg、Cd、Cr、Pb輸入通量密度總體上在汪溪街道和港口鎮(zhèn)相對較高,其中汪溪街道Hg輸入通量密度低于港口鎮(zhèn),汪溪街道其他4種元素輸入通量密度均高于港口鎮(zhèn)。此外南山街道Cr元素輸入通量密度也相對較高,其他地區(qū)5種重金屬元素輸入通量密度均較低。研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)中大型工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)主要分布在港口鎮(zhèn)和汪溪街道,推測區(qū)內(nèi)5種元素的大氣輸入通量密度與工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。

        圖2 大氣干濕沉降物Cd年通量密度分布Fig.2 Annual Cd flux density distribution of atmospheric dry and wet deposition

        表6 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)大氣干濕沉降物元素通量密度平均值統(tǒng)計

        圖3 大氣干濕沉降物Hg年通量密度分布Fig.3 Annual Hg flux density distribution of atmospheric dry and wet deposition

        根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)的標準要求(表7),大氣干濕沉降物環(huán)境地球化學(xué)綜合等級以單指標環(huán)境地球化學(xué)等級為基礎(chǔ),按照一票否決原則,取Cd、Hg單指標環(huán)境地球化學(xué)等級最差等級。當大氣干濕沉降物評價指標年沉降通量密度小于或等于該值時為一等,表示大氣干濕沉降物沉降對土壤環(huán)境質(zhì)量影響不大;當大氣干濕沉降物評價指標年沉降通量密度大于該值時為二等,表示大氣干濕沉降物沉降對土壤環(huán)境質(zhì)量影響較大。經(jīng)分析,研究區(qū)24個點位大氣干濕沉降物Cd、Hg元素通量密度均達到一等標準,因此研究區(qū)大氣干濕沉降物環(huán)境地球化學(xué)綜合等級均為一等。

        表7 大氣干濕沉降物環(huán)境地球化學(xué)等級分級標準值Table 7 Environmental geochemical grade standard values of atmospheric dry-wet deposition fluxes

        3 結(jié)論

        (1)寧國市大氣中As、Cd、Cr、Hg、Pb這5種重金屬元素主要以礦物相形式存在或吸附在固體顆粒上,然后通過大氣沉降等途徑持續(xù)地大量輸入到地表環(huán)境中,對環(huán)境的生物地球化學(xué)循環(huán)造成一定的持久負面影響。

        (2)寧國市大氣中As、Cd、Cr、Hg、Pb這5種重金屬元素年沉降通量密度與全國年沉降通量密度相比,均低于全國平均值。

        (3)大氣干濕沉降重金屬元素通量密度受工業(yè)生產(chǎn)影響較大。

        (4)根據(jù)大氣干濕沉降環(huán)境地球化學(xué)評價結(jié)果,寧國市大氣干濕沉降物環(huán)境地球化學(xué)單指標和綜合指標評價結(jié)果均為一等,表明寧國市大氣環(huán)境質(zhì)量很好,對土壤影響總體較小。

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