湛江東海島農田葉面降塵重金屬污染的環境評價

唐道斌，牛東風*，葉怡欣，鐘東亮，麥瓊媚，劉俊秀

(1.嶺南師范學院 地理科學學院，廣東 湛江 524048；2.嶺南師范學院 化學化工學院，廣東 湛江 524048)

葉面降塵是大氣顆粒物在重力、降水、吸附等作用下附著在植物葉片表面的總稱[1]，其主要來源于交通運輸、工業生產、建筑施工、風沙揚塵等，其粒徑多在10 μm以上，極易富集大氣中重金屬元素等污染物，并且在一定條件下遷移至大氣、水體、土壤等環境中[2-3]，給人體健康和土壤安全帶來不利的影響。葉面降塵對區域環境大氣狀況有良好的指示作用，因其采樣方便、代表性強，近年來已經成為國內外大氣環境研究領域的熱點之一[4-11]。然而，以往的研究大多關注城市中心區、工業區、居民區等人類活動頻繁區的降塵重金屬污染情況，缺乏葉面降塵重金屬對農田影響的監測。植物葉面降塵重金屬可以通過降水、風等進入土壤，并在土壤中累積，是農田土壤重金屬的重要來源之一，又由于重金屬具有易富集、不可降解、強毒性等特性，加上土壤本身的自凈能力差、累積時間長等因素，容易引起土壤的自然功能失調、質量下降等問題[12]。東海島作為湛江的鋼鐵和化工基地，湛江寶鋼和中科煉化項目已經建成并投入生產，因鋼鐵和石化生產所造成的環境風險一直是當地居民健康問題的關注點。民以食為天，農作物質量安全一直是不可忽視的問題，因此，調查農田葉面降塵重金屬污染狀況，對農作物質量安全和防治降塵污染具有重要意義，并為湛江東海島建成鋼鐵石化基地后環境風險評估提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

東海島位于雷州半島東部，北緯20°55′～21°55′，東經110°11′～110°21′，是廣東第一大島，面積286 km2，其中農田面積約1.27 km2。東海島屬熱帶濕潤海洋性季節氣候，年平均氣溫23.5 ℃，多年平均降水量1534 mm，降水集中在5～10月，占全年總降水量的80%，夏季盛行東風，冬季盛行偏北風[13]。近年來，隨著寶鋼湛江鋼鐵基地、中科煉化、巴斯夫等3個投資分別超100億美元的重大產業項目落地建設或建成投產，東海島從昔日漁業海島變成了多個千億級產業集群的主戰場，是湛江鋼鐵和石化基地，正在發展成為華南地區現代化臨港重大產業的集聚基地。

1.2 樣品采集與處理

采樣時間為2019年1月，選擇晴朗無風的天氣前往東海島農田采集植物葉面降塵，此前，東海島已經2個月沒有降水，葉面降塵滯留量較多。為了保證樣點的代表性，通過衛星定位并結合實地調查，挑選農田集中且周邊有喬木，并遠離路邊和居民點的地點作為采樣點，共有10個采樣點(圖1)。每個采樣點，每棵喬木自下而上4個方向依次進行采集，混合成約500 g的葉片，后密封保存帶回實驗室。將采集的葉片用二次蒸餾水沖洗，沖洗得到的洗脫液移至蒸發皿，經烘箱烘干后得到干的葉面降塵樣品。將待測葉面降塵樣品送往澳實分析檢測(廣州)有限公司進行檢測，測定降塵樣品中的As、Cd、Cu等7種重金屬元素的含量。測定方法：用高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸消解后，利用電感耦合等離子體質譜儀測定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量，利用原子熒光光譜法測定As含量。為保證數據的準確性，樣品均設定了空白試驗和20%的平行樣品，采用標準參考物質(GLG908-4)進行質量控制。

圖1 東海島農田葉面降塵重金屬采樣點分布

1.3 評價方法

1.3.1 地累積指數法 為了研究葉面降塵中重金屬元素污染程度，采用地累積指數法[14]進行評價，其計算公式如下。

(1)

式(1)中：Cn是樣品中元素n的實測含量；Bn是沉積物中元素n的地球化學背景值，本研究選取湛江土壤背景值；k是經驗系數，一般取1.5。通常采用Muller[14]的分級標準：Igeo≤0表示無污染；05表示極度污染。

1.3.2 單因子指數法 單因子評價法是用來評價單個污染因子對降塵的污染程度，污染指數愈小，說明該因子對環境介質污染程度愈輕，其計算公式如下。

Pi=Ci/Si

(2)

式(2)中：Pi為重金屬的單因子污染指數，Ci為降塵重金屬含量實測值，Si為國家評價標準值。對單因子污染指數進行分級，Pi越大，污染水平越高。Pi<1為未受到污染，1≤Pi<2為輕度污染，23為重度污染。

1.3.3 內梅羅污染指數法 內梅羅污染指數法，又稱為綜合污染指數法，是將目標單個污染指數按一定方法綜合考慮對環境介質的影響程度，兼顧了單因子污染指數平均值和最大值的一種評價方法，其計算公式如下。

(3)

式(3)中，Piave為降塵中各重金屬單因子污染指數的平均值；Pimax為降塵中各重金屬單因子污染指數的最大值；PI為采樣點降塵重金屬綜合污染指數。PI分級等級為：PI≤0.7，為Ⅰ級，清潔；0.73.0，為Ⅴ級，重度污染。

2 結果與分析

2.1 葉面降塵重金屬含量測定結果

東海島農田葉面降塵重金屬含量測定結果如表1所示，其葉面降塵As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分別為13.54、0.87、121.20、57.10、38.57、60.15和471.30 mg/kg。其中Cd、Cu、Zn的平均含量超過國家農用地土壤污染風險篩選值，分別是篩選值的2.90、1.14、2.36倍。As、Cr、Pb的平均含量雖然沒有超過國家農用地降塵污染風險篩選值，但超過了湛江降塵背景值，分別是湛江土壤背景值的1.81、1.46、2.37倍。其中，Ni平均含量未超過國家農用地降塵污染風險篩選值和湛江土壤背景值，其平均含量相對較低。這表明了東海島農田葉面降塵重金屬元素出現了不同程度的積累，應特別關注Cd、Cu、Zn元素。各元素的變異系數都在10%～100%之間，屬于中等變異程度，受到一定程度的人為干擾。

表1 東海島農田葉面降塵重金屬含量統計結果

2.2 葉面降塵重金屬污染評價

2.2.1 單因子和內梅羅污染指數法評價結果 東海島農田葉面降塵重金屬單因子和內梅羅污染指數評價結果如表2所示，整體上As、Cr、Cu、Ni、Pb的Pi均值都小于1，表明東海島農田整個葉面降塵中As、Cr、Cu、Ni、Pb元素尚未達到污染狀態；Cd、Zn的Pi均值都大于1，表明東海島農田葉面降塵中Cd、Zn元素已達到輕度污染狀態。局部上，個別采樣點的葉面降塵存在重金屬污染，如DHD-2、DHD-5～DHD-8受到了Cd和Zn的輕度污染，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。總體上，Cd和Zn在各個采樣點的Pi值都大于其他重金屬元素，部分樣點存在中度污染和重度污染，污染相對嚴重。

表2 東海島農田葉面降塵重金屬單因子和內梅羅污染指數評價結果

由于PI值越小，說明該因子對環境介質污染程度愈輕；PI越大，則說明該因子對環境介質污染程度愈嚴重。各采樣點的PI值介于0.55～2.46之間。其中，DHD-3和DHD-10樣點的PI值超過2.0，屬于中度污染，污染較為嚴重；DHD-5～DHD-8和DHD-2樣點的PI值介于1.0～2.0之間，屬于輕度污染；DHD-9和DHD-4的PI值超過并接近0.7，處于警戒線。

2.2.2 地累積指數評價結果 地累積指數評價結果如圖2所示，As的Igeo值變化區間為-1.17～0.67；Cd的Igeo值變化區間為2.47～4.35；Cr的Igeo值變化區間為-1.75～0.58；Cu的Igeo值變化區間為-0.11～1.58；Ni的Igeo值變化區間為-2.22～0.69；Pb的Igeo值變化區間為-0.77～1.28；Zn的Igeo值變化區間為1.91～4.13。7種重金屬元素污染程度都在極度污染以下，Cd在10個樣點的污染程度都在中度-嚴重污染以上，在7種重金屬元素中度污染程度是最嚴重的元素，各重金屬元素污染程度由大到小依次為Cd>Zn>Cu>Pb>As>Cr>Ni。全部樣點的Zn都為輕度污染以上，其中DHD-6和DHD-9的Zn達到嚴重污染，DHD-4更是達到嚴重-極度污染。除DHD-2外，其余樣點的As都為輕度污染；除了DHD-10，其余樣點的Ni均為無污染，由此可見，Ni和As的污染程度輕微。Pb和Cu在DHD-3～DHD-10處于輕度污染-中度污染之間，污染情況較好。

圖2 不同采樣點葉面降塵重金屬地累積指數及污染特征

3 討論

3.1 不同地區葉面降塵重金屬含量比較

當前，我國還沒有關于降塵重金屬含量限制值的規定，不同地區因環境背景不同，其葉面降塵重金屬含量來源有所差異，故將東海島農田葉面降塵與其他城市葉面降塵重金屬含量進行對比，可以發現(表3)：本研究區的葉面降塵重金屬Cd平均含量處于很低水平；Cr、Cu、Pb和Zn平均含量處于中等水平，而As、Ni平均含量處于較高水平。相比之下，廣州市和惠州市各功能區的Cd、Cr、Pb和Zn平均含量遠超湛江東海島農田，其原因可能是工業排放、交通排放、人居活動等原因導致重金屬元素釋放來源多，重金屬元素含量異常高[6]；而開封市作為典型的燃煤城市，其工業體系完整，煤炭燃燒、冶煉加工、機械制造等生產活動是導致Cd、Pb和Zn平均含量較高的原因[3]；北京市的城區公園和道路綠地葉面降塵重金屬Cu、Pb和Zn平均含量都比湛江東海島農田的高，這與城市交通排放、地面灰塵的二次揚塵和燃煤有關[17]；至于阿克蘇市，其經濟較落后，各功能區的葉面降塵重金屬平均含量都不大，但工業是葉面降塵Zn積累的重要來源，汽車對葉面降塵Pb和Cd的積累貢獻較大[10]。研究表明，進入降塵被農作物吸收，通過食物鏈進入人體，或進入大氣經呼吸、口攝入等被人體吸收，這些因素都會對農作物安全和人體健康產生危害[18-19]。

表3 東海島農田與其他城市葉面降塵重金屬含量對比

3.2 葉面降塵重金屬來源分析

由表4可知，As-Pb、Cd-Cu、Cd-Zn、Cu-Zn、Pb-Zn之間都達到了顯著正相關，Cd-Pb、Cu-Pb、Cr-Ni之間都達到了極顯著正相關(P<0.01，r>0.7)，這說明葉面降塵Cd、Pb、Cu和Zn的來源相似；Cr-Ni雖然為極顯著正相關，但與其他元素相關性不顯著。為了進一步了解東海島農田葉面降塵重金屬污染來源，采用主成分分析方法進行分析，結果如表5所示，通過最大方差法旋轉以后，根據特征值大于1的原則篩選出2個因子，其貢獻累積率為75.84%，表明了這2個因子反映了大部分葉面降塵重金屬來源信息。

表4 葉面降塵重金屬元素之間的相關系數

表5 重金屬元素主成分分析結果

因子1由As、Cd、Cu、Pb、Zn組成，方差貢獻率為52.764%。其中Cd、Cu、Pb和Zn的載荷均超過0.7，可以認為是重要的污染因子，具有較高載荷的重金屬元素之間相關性好，這與相關性分析結果一致。研究表明，降塵Pb的釋放來源主要是交通排放，但鋼鐵冶煉排放也會造成Pb的累積[20-21]，樣點DHD-3、DHD-7和DHD-9相對靠近省道S288，是東海島鋼鐵石化區通往市區的主干道和必經之路；而樣點DHD-4～DHD-6則更靠近鋼鐵石化區，尤其是樣點DHD-6的Pb含量達到了59.4 mg/kg，遠超背景值。一般來說，Cu大多主要來源于燃煤、汽油、車輛磨損、垃圾焚燒和金屬冶煉[22]；Zn是冶金塵特征元素，鍍鋅防護欄表皮脫落和橡膠輪胎的磨損也會釋放Zn[23]；Cd主要來自化石燃料燃燒、冶煉化工、電鍍等[24-25]；As元素主要來自殘留在土壤中的農藥化肥和殺蟲劑，通過土壤揚塵累積在葉面降塵中，也受土壤母質和煤炭燃燒影響[26]。

因子2由Cr、Cu和Ni組成，方差貢獻率為23.08%，相應的因子載荷值為0.879、0.509和0.939。Cr和Ni具有較高的載荷，且Cr-Ni之間為極顯著正相關，說明其物質來源相近，同時Cr平均含量遠超過當地土壤背景值，說明其受人類活動的影響較大，Cr可能與燃煤、汽油燃燒等活動有關[27]；但Ni來源具有多樣性，受到自然和人類活動的雙重影響，其平均含量與當地土壤背景值相近，說明可能來自成土母質[28]。綜合上述，因子1中As、Cd、Cu、Pb和Zn這5種元素所代表的實際意義，即交通源和工業源是葉面降塵重金屬的主要來源。此外，地累積指數評價結果可知(圖2)，距離工業區較近的DHD-3～9樣點的重金屬污染程度也相對較高，尤其是DHD-4。相比之下，DHD-1、DHD-2、DHD-10這3個采樣點距離工業區較遠，污染程度相對較低，這說明與鋼鐵石化區工業氣體排放有一定的關系。

4 結論

東海島農田葉面降塵Cd、Cu、Zn的平均含量超過國家標準，而As、Cr、Pb平均含量沒有超過國家標準，但超過湛江土壤背景值，Ni低于國際標準和湛江土壤背景值。

單因子-內梅羅污染指數評價結果表明：總體上，Cd、Zn在各個采樣點的單因子污染指數值都大于其他重金屬元素，部分樣點存在中度污染和重度污染，污染相對嚴重。

地累積指數污染評價結果表明：Cd污染程度最嚴重，Zn為中度-嚴重污染，Cu、Pb、As為輕度污染，Cr、Ni污染程度為無污染，但部分樣點達到輕度污染；各重金屬元素污染程度從高到低依次為Cd>Zn>Cu>Pb>As>Cr>Ni。

不同城市不同功能區的葉面降塵重金屬含量不同，湛江東海島與其他城市相比還是處于較低水平。東海島農田葉面降塵重金屬來源復雜，Pb主要來源交通活動，Zn、Cd、Cu和Cr主要與工業活動有關，As主要與土壤中農藥化肥和殺蟲劑有關，Ni可能來自當地土壤母質。

多種污染評價方法都表明：靠近鋼鐵石化區的農田葉面降塵重金屬污染程度大，不利于農田農作物生產，需要當地環保部門引起重視。