湛江东海岛农田叶面降尘重金属污染的环境评价

时间：2024-05-24

唐道斌，牛东风*，叶怡欣，钟东亮，麦琼媚，刘俊秀

(1.岭南师范学院地理科学学院，广东湛江 524048；2.岭南师范学院化学化工学院，广东湛江 524048)

叶面降尘是大气颗粒物在重力、降水、吸附等作用下附着在植物叶片表面的总称[1]，其主要来源于交通运输、工业生产、建筑施工、风沙扬尘等，其粒径多在10 μm以上，极易富集大气中重金属元素等污染物，并且在一定条件下迁移至大气、水体、土壤等环境中[2-3]，给人体健康和土壤安全带来不利的影响。叶面降尘对区域环境大气状况有良好的指示作用，因其采样方便、代表性强，近年来已经成为国内外大气环境研究领域的热点之一[4-11]。然而，以往的研究大多关注城市中心区、工业区、居民区等人类活动频繁区的降尘重金属污染情况，缺乏叶面降尘重金属对农田影响的监测。植物叶面降尘重金属可以通过降水、风等进入土壤，并在土壤中累积，是农田土壤重金属的重要来源之一，又由于重金属具有易富集、不可降解、强毒性等特性，加上土壤本身的自净能力差、累积时间长等因素，容易引起土壤的自然功能失调、质量下降等问题[12]。东海岛作为湛江的钢铁和化工基地，湛江宝钢和中科炼化项目已经建成并投入生产，因钢铁和石化生产所造成的环境风险一直是当地居民健康问题的关注点。民以食为天，农作物质量安全一直是不可忽视的问题，因此，调查农田叶面降尘重金属污染状况，对农作物质量安全和防治降尘污染具有重要意义，并为湛江东海岛建成钢铁石化基地后环境风险评估提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东海岛位于雷州半岛东部，北纬20°55′～21°55′，东经110°11′～110°21′，是广东第一大岛，面积286 km2，其中农田面积约1.27 km2。东海岛属热带湿润海洋性季节气候，年平均气温23.5 ℃，多年平均降水量1534 mm，降水集中在5～10月，占全年总降水量的80%，夏季盛行东风，冬季盛行偏北风[13]。近年来，随着宝钢湛江钢铁基地、中科炼化、巴斯夫等3个投资分别超100亿美元的重大产业项目落地建设或建成投产，东海岛从昔日渔业海岛变成了多个千亿级产业集群的主战场，是湛江钢铁和石化基地，正在发展成为华南地区现代化临港重大产业的集聚基地。

1.2 样品采集与处理

采样时间为2019年1月，选择晴朗无风的天气前往东海岛农田采集植物叶面降尘，此前，东海岛已经2个月没有降水，叶面降尘滞留量较多。为了保证样点的代表性，通过卫星定位并结合实地调查，挑选农田集中且周边有乔木，并远离路边和居民点的地点作为采样点，共有10个采样点(图1)。每个采样点，每棵乔木自下而上4个方向依次进行采集，混合成约500 g的叶片，后密封保存带回实验室。将采集的叶片用二次蒸馏水冲洗，冲洗得到的洗脱液移至蒸发皿，经烘箱烘干后得到干的叶面降尘样品。将待测叶面降尘样品送往澳实分析检测(广州)有限公司进行检测，测定降尘样品中的As、Cd、Cu等7种重金属元素的含量。测定方法：用高氯酸、硝酸、氢氟酸和盐酸消解后，利用电感耦合等离子体质谱仪测定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量，利用原子荧光光谱法测定As含量。为保证数据的准确性，样品均设定了空白试验和20%的平行样品，采用标准参考物质(GLG908-4)进行质量控制。

图1 东海岛农田叶面降尘重金属采样点分布

1.3 评价方法

1.3.1 地累积指数法为了研究叶面降尘中重金属元素污染程度，采用地累积指数法[14]进行评价，其计算公式如下。

(1)

式(1)中：Cn是样品中元素n的实测含量；Bn是沉积物中元素n的地球化学背景值，本研究选取湛江土壤背景值；k是经验系数，一般取1.5。通常采用Muller[14]的分级标准：Igeo≤0表示无污染；05表示极度污染。

1.3.2 单因子指数法单因子评价法是用来评价单个污染因子对降尘的污染程度，污染指数愈小，说明该因子对环境介质污染程度愈轻，其计算公式如下。

Pi=Ci/Si

(2)

式(2)中：Pi为重金属的单因子污染指数，Ci为降尘重金属含量实测值，Si为国家评价标准值。对单因子污染指数进行分级，Pi越大，污染水平越高。Pi<1为未受到污染，1≤Pi<2为轻度污染，23为重度污染。

1.3.3 内梅罗污染指数法内梅罗污染指数法，又称为综合污染指数法，是将目标单个污染指数按一定方法综合考虑对环境介质的影响程度，兼顾了单因子污染指数平均值和最大值的一种评价方法，其计算公式如下。

(3)

式(3)中，Piave为降尘中各重金属单因子污染指数的平均值；Pimax为降尘中各重金属单因子污染指数的最大值；PI为采样点降尘重金属综合污染指数。PI分级等级为：PI≤0.7，为Ⅰ级，清洁；0.73.0，为Ⅴ级，重度污染。

2 结果与分析

2.1 叶面降尘重金属含量测定结果

东海岛农田叶面降尘重金属含量测定结果如表1所示，其叶面降尘As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分别为13.54、0.87、121.20、57.10、38.57、60.15和471.30 mg/kg。其中Cd、Cu、Zn的平均含量超过国家农用地土壤污染风险筛选值，分别是筛选值的2.90、1.14、2.36倍。As、Cr、Pb的平均含量虽然没有超过国家农用地降尘污染风险筛选值，但超过了湛江降尘背景值，分别是湛江土壤背景值的1.81、1.46、2.37倍。其中，Ni平均含量未超过国家农用地降尘污染风险筛选值和湛江土壤背景值，其平均含量相对较低。这表明了东海岛农田叶面降尘重金属元素出现了不同程度的积累，应特别关注Cd、Cu、Zn元素。各元素的变异系数都在10%～100%之间，属于中等变异程度，受到一定程度的人为干扰。

表1 东海岛农田叶面降尘重金属含量统计结果

2.2 叶面降尘重金属污染评价

2.2.1 单因子和内梅罗污染指数法评价结果东海岛农田叶面降尘重金属单因子和内梅罗污染指数评价结果如表2所示，整体上As、Cr、Cu、Ni、Pb的Pi均值都小于1，表明东海岛农田整个叶面降尘中As、Cr、Cu、Ni、Pb元素尚未达到污染状态；Cd、Zn的Pi均值都大于1，表明东海岛农田叶面降尘中Cd、Zn元素已达到轻度污染状态。局部上，个别采样点的叶面降尘存在重金属污染，如DHD-2、DHD-5～DHD-8受到了Cd和Zn的轻度污染，而DHD-3受到了Cd的中度污染和Zn的重度污染，DHD-10受到了Cd和Zn的中度污染。总体上，Cd和Zn在各个采样点的Pi值都大于其他重金属元素，部分样点存在中度污染和重度污染，污染相对严重。

表2 东海岛农田叶面降尘重金属单因子和内梅罗污染指数评价结果

由于PI值越小，说明该因子对环境介质污染程度愈轻；PI越大，则说明该因子对环境介质污染程度愈严重。各采样点的PI值介于0.55～2.46之间。其中，DHD-3和DHD-10样点的PI值超过2.0，属于中度污染，污染较为严重；DHD-5～DHD-8和DHD-2样点的PI值介于1.0～2.0之间，属于轻度污染；DHD-9和DHD-4的PI值超过并接近0.7，处于警戒线。

2.2.2 地累积指数评价结果地累积指数评价结果如图2所示，As的Igeo值变化区间为-1.17～0.67；Cd的Igeo值变化区间为2.47～4.35；Cr的Igeo值变化区间为-1.75～0.58；Cu的Igeo值变化区间为-0.11～1.58；Ni的Igeo值变化区间为-2.22～0.69；Pb的Igeo值变化区间为-0.77～1.28；Zn的Igeo值变化区间为1.91～4.13。7种重金属元素污染程度都在极度污染以下，Cd在10个样点的污染程度都在中度-严重污染以上，在7种重金属元素中度污染程度是最严重的元素，各重金属元素污染程度由大到小依次为Cd>Zn>Cu>Pb>As>Cr>Ni。全部样点的Zn都为轻度污染以上，其中DHD-6和DHD-9的Zn达到严重污染，DHD-4更是达到严重-极度污染。除DHD-2外，其余样点的As都为轻度污染；除了DHD-10，其余样点的Ni均为无污染，由此可见，Ni和As的污染程度轻微。Pb和Cu在DHD-3～DHD-10处于轻度污染-中度污染之间，污染情况较好。

图2 不同采样点叶面降尘重金属地累积指数及污染特征

3 讨论

3.1 不同地区叶面降尘重金属含量比较

当前，我国还没有关于降尘重金属含量限制值的规定，不同地区因环境背景不同，其叶面降尘重金属含量来源有所差异，故将东海岛农田叶面降尘与其他城市叶面降尘重金属含量进行对比，可以发现(表3)：本研究区的叶面降尘重金属Cd平均含量处于很低水平；Cr、Cu、Pb和Zn平均含量处于中等水平，而As、Ni平均含量处于较高水平。相比之下，广州市和惠州市各功能区的Cd、Cr、Pb和Zn平均含量远超湛江东海岛农田，其原因可能是工业排放、交通排放、人居活动等原因导致重金属元素释放来源多，重金属元素含量异常高[6]；而开封市作为典型的燃煤城市，其工业体系完整，煤炭燃烧、冶炼加工、机械制造等生产活动是导致Cd、Pb和Zn平均含量较高的原因[3]；北京市的城区公园和道路绿地叶面降尘重金属Cu、Pb和Zn平均含量都比湛江东海岛农田的高，这与城市交通排放、地面灰尘的二次扬尘和燃煤有关[17]；至于阿克苏市，其经济较落后，各功能区的叶面降尘重金属平均含量都不大，但工业是叶面降尘Zn积累的重要来源，汽车对叶面降尘Pb和Cd的积累贡献较大[10]。研究表明，进入降尘被农作物吸收，通过食物链进入人体，或进入大气经呼吸、口摄入等被人体吸收，这些因素都会对农作物安全和人体健康产生危害[18-19]。

表3 东海岛农田与其他城市叶面降尘重金属含量对比

3.2 叶面降尘重金属来源分析

由表4可知，As-Pb、Cd-Cu、Cd-Zn、Cu-Zn、Pb-Zn之间都达到了显著正相关，Cd-Pb、Cu-Pb、Cr-Ni之间都达到了极显著正相关(P<0.01，r>0.7)，这说明叶面降尘Cd、Pb、Cu和Zn的来源相似；Cr-Ni虽然为极显著正相关，但与其他元素相关性不显著。为了进一步了解东海岛农田叶面降尘重金属污染来源，采用主成分分析方法进行分析，结果如表5所示，通过最大方差法旋转以后，根据特征值大于1的原则筛选出2个因子，其贡献累积率为75.84%，表明了这2个因子反映了大部分叶面降尘重金属来源信息。

表4 叶面降尘重金属元素之间的相关系数

表5 重金属元素主成分分析结果

因子1由As、Cd、Cu、Pb、Zn组成，方差贡献率为52.764%。其中Cd、Cu、Pb和Zn的载荷均超过0.7，可以认为是重要的污染因子，具有较高载荷的重金属元素之间相关性好，这与相关性分析结果一致。研究表明，降尘Pb的释放来源主要是交通排放，但钢铁冶炼排放也会造成Pb的累积[20-21]，样点DHD-3、DHD-7和DHD-9相对靠近省道S288，是东海岛钢铁石化区通往市区的主干道和必经之路；而样点DHD-4～DHD-6则更靠近钢铁石化区，尤其是样点DHD-6的Pb含量达到了59.4 mg/kg，远超背景值。一般来说，Cu大多主要来源于燃煤、汽油、车辆磨损、垃圾焚烧和金属冶炼[22]；Zn是冶金尘特征元素，镀锌防护栏表皮脱落和橡胶轮胎的磨损也会释放Zn[23]；Cd主要来自化石燃料燃烧、冶炼化工、电镀等[24-25]；As元素主要来自残留在土壤中的农药化肥和杀虫剂，通过土壤扬尘累积在叶面降尘中，也受土壤母质和煤炭燃烧影响[26]。

因子2由Cr、Cu和Ni组成，方差贡献率为23.08%，相应的因子载荷值为0.879、0.509和0.939。Cr和Ni具有较高的载荷，且Cr-Ni之间为极显著正相关，说明其物质来源相近，同时Cr平均含量远超过当地土壤背景值，说明其受人类活动的影响较大，Cr可能与燃煤、汽油燃烧等活动有关[27]；但Ni来源具有多样性，受到自然和人类活动的双重影响，其平均含量与当地土壤背景值相近，说明可能来自成土母质[28]。综合上述，因子1中As、Cd、Cu、Pb和Zn这5种元素所代表的实际意义，即交通源和工业源是叶面降尘重金属的主要来源。此外，地累积指数评价结果可知(图2)，距离工业区较近的DHD-3～9样点的重金属污染程度也相对较高，尤其是DHD-4。相比之下，DHD-1、DHD-2、DHD-10这3个采样点距离工业区较远，污染程度相对较低，这说明与钢铁石化区工业气体排放有一定的关系。