天津市土壤风沙尘元素的分布特征和来源研究

生态环境2005,14(4):[e-mail]基金项目：国家863计划项目（2001AA641060）作者简介：姬亚芹（1971－），女，讲师，博士，主要研究方向为颗粒物污染防治、环境影响评价和规划等。E-mail:[e-mail]收稿日期：2005-03-12天津市土壤风沙尘元素的分布特征和来源研究姬亚芹，朱坦，白志鹏，冯银厂南开大学环境科学与工程学院//国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，天津300071摘要：通过与土壤标准和背景值的比较分析了天津市土壤风沙尘元素的质量分数分布特征，通过富集因子法分析了天津市风沙尘元素的富集特征，进而说明天津市风沙尘元素的来源及其变化。结果表明，（1）Cr、Ni、Cu、Zn和As质量分数均有超过土壤标准的现象。（2）Ni、Cu、Pb、Zn和Ag超过背景值10倍以上，受到了人为污染。（3）粗颗粒中西青区的Pb元素，津南区的Ni元素和Pb元素以及细颗粒中东丽区的Ca元素和Zn元素，西青区的Cu、Pb，津南区的Cr、Ni、Pb等元素达到显著污染级别；各区粗细颗粒中的Ag元素污染级别最高，有的为极强烈污染；这些元素是典型的人为污染元素。⑷粗颗粒中只有Ca和Ni污染级别有所增加，细颗粒中只有Na、Ni、As等3种元素的富集因子略有增加。所以，天津市土壤风沙尘的治理重在控制人为来源的Ni、Cu、Pb、Zn、Ag、Cr和Ca等高污染元素。关键词：富集因子；土壤风沙尘；特征；来源中图分类号：X131.1文献标识码：A文章编号：1672-2175（2005）04-0518-05土壤风沙尘是指由于自然力或人力作用把裸露地面、农田，干枯的河道、湖底的土壤扬起并扩散到空气中的尘[1]。土壤风沙尘是大气颗粒物源解析研究中的一个重要源，土壤风沙尘对大气颗粒物的贡献率比较高，例如常州市、天津经济技术开发区等地区的土壤风沙尘贡献率均居各排放源之首[2,3]。上海土壤风沙尘的贡献率为27.6%，仅次于建筑尘（32.1%）[4]。天津市作为北方历史悠久的大城市，能源结构以燃煤为主，从20世纪80年代开始，大气颗粒物作为一类重要的污染物引起了重视，采取了许多措施，但颗粒物一直是大气首要污染物，1997年到2003年连续7年TSP的年均值均超过0.2mg·m-3的国家标准，2001到2003年连续3年PM10年均值均超过0.1mg·m-3的国家标准（表1）。为此，天津市先后进行了3次源解析，大气颗粒物源解析的结果表明：土壤风沙尘的分担率全年平均达到39%，居各排放源之首。可见，土壤风沙尘是天津市颗粒物污染的一类重要尘源。土壤风沙尘又是一个特殊的源类，它一方面是大气颗粒物的源，另一方面也是大气颗粒物的汇，即土壤风沙尘会通过风蚀和搬运作用而由土壤表面悬入空中并可能从一个地区进入另一个地区；同时，大气中的颗粒物由于大气沉降而吸附在土壤表面进而影响土壤风沙尘的组成及其含量（即成分谱）[5]。也就是说土壤风沙尘元素来源相当广泛，一部分直接来源于母岩母质，受自然因素的影响，一部分来源于其他地区（如沙尘天气作用），另外一部分则来源于人类的活动，这些来源均与风沙尘所在地区密切相关，具有区域性。风沙尘成分谱的建立是CMB法大气颗粒物源解析工作的基础，该方法受到美国环境保护局的推荐，在中国国家环保总局1993年下发的《城市环境综合整治规划编制技术大纲》中也明确规定使用受体模型进行城市源解析工作。土壤风沙尘元素含量特征直接影响大气颗粒物源解析的结果，土壤风沙尘元素的来源影响风沙尘成分谱的组成和含量高低。因此，土壤风沙尘元素分布特征和来源的分析为建立区域性的土壤风沙尘成分谱提供理论支持。1数据来源2002年，南开大学与天津市环境监测中心合作进行了采暖期、非采暖期和风沙季的TSP和PM10源解析。本次源解析土壤风沙尘均在城市四郊采样，采样点位如下：东丽区李明庄田野；津南区双港田野；西青区侯台田野；北辰区董新房田野；分别选择一片裸露地面，按照梅花布点原则进行布点，在每个采样点上用笤帚扫0～20cm地表土于采样袋中，过尼龙筛。用3080E2型X射线荧光光谱分析仪分析19种元素：Na、Mg、Al、Si、K、P、表1天津市大气颗粒物污染状况Table1AirparticulatepollutionstatusinTianjin项目1997年1998年1999年2000年2001年2002年2003年TSP年均值/(mg·m-3)0.3390.3390.3480.3050.2830.2780.263PM10年均值/(mg·m-3)0.1670.1380.133姬亚芹等：天津市土壤风沙尘元素的分布特征和来源研究519Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ba、Pb、Ag。2元素质量分数分布特征对土壤风沙尘元素质量分数的分布特征的研究采用土壤环境质量评价标准GB15618－1995《土壤环境质量标准》中的三级标准。通过与国家标准比较可知，各区Pb、As粗细颗粒中均未超过三级标准限值，Cr、Ni、Cu、Zn等4种元素粗颗粒中含量均未超过三级标准，铬元素津南区PM10超过水田标准，镍元素津南PM10超过三级标准，铜元素西青PM10超过三级标准，锌元素东丽PM10超标。砷元素只有北辰和东丽2个区的细颗粒中含量超过二级标准，铜元素西青TSP中含量超过二级标准，镍元素各区粗细颗粒中含量均超过二级标准。可见，粗颗粒中元素污染程度相对好于细颗粒中元素污染程度，全市镍元素污染最重，津南区污染重于其他3个区。通过与天津市A层土壤背景值中位值比较可知，所有元素中只有硅元素和铁元素的含量低于背景值，其他元素均不同程度的有超过背景值的现象，其中，铝元素，镁元素，钠元素和锰元素4个元素超过背景值的倍数较小，均在2倍以内，其他元素超过背景值的倍数均在2倍以上，而且Ni，Cu，Pb，Zn,Ag5个元素含量超过背景值10倍以上，说明这5个元素已经受到了非常大的人类的干扰。3元素富集因子分析(enrichmentfactor,Ef)其污染物来源富集因子分析方法被经常用来分析土壤中元素的富集程度和来源，以判断人为源与自然源对土壤中元素含量的贡献水平,表征元素的可能来源，富集因子又称富集系数。元素富集因子Ef的计算公式为:Ef＝(Ci/Cr)/(Xi/Xr)式中，Ef为富集因子；Ci为土壤风沙尘中元素的质量分数；Cr为土壤风沙尘中选定的参比元素的质量分数；Xi为参比系统中测量元素的质量分数；Xr为参比系统中参比元素的质量分数。其中，(Ci/Cr)为土壤风沙尘项目，(Xi/Xr)为参比系统。国际上一般选择全球平均地壳物质中或当地土壤中Al、Ti、Fe、Si等作为参比元素。以地壳平均为参考物质计算的富集因子称为相当于地壳的富集度,以土壤参考物质计算的富集因子称为相当于土壤的富集度。我们以土壤背景值中位值为参比系统（表2），以铝元素为参比元素来计算对于表2天津市土壤风沙尘成分谱Table2TheprofileofsoildustinTianjinw/%项目SiAlCaMgNaFeKTiMnPCrCoNiCuPbZnBaAsAgPm/02西青12.119.997.552.441.312.782.80.670.040.10.010.00360.020.050.020.001690.130.001970.00005Pm/02津南16.856.736.21.441.332.923.050.440.040.130.040.00460.030.010.010.002020.130.001780.00008Pm/02北辰9.6613.96.21.862.372.974.340.880.070.160.020.0020.010.00060.010.000410.170.002670.00033Pm/02东丽11.769.7914.222.482.393.184.531.040.080.05－0.00170.010.00350.0020.130.10.002730.00033Tsp/02西青17.035.064.471.341.281.731.490.490.030.06－-0.00340.010.020.01－0.080.001260.00025Tsp/02津南19.16.325.171.341.482.412.60.720.040.090.010.00260.0200.01－0.110.001970.00026Tsp/02北辰25.39.740.740.370.451.271.230.040.020.040.0040.00130.010.01－－0.040.001170.00027Tsp/02东丽22.429.125.350.870.441.431.070.270.030.040.010.00330.010.01－－0.020.001140.00025土壤三级标准0.04(0.03)①0.020.040.050.050.003(0.004)②土壤二级标准0.03(0.02)③0.0050.01(0.02)⑤0.030.0250.0025(0.003)④土壤背景值[6]28.03⑥7.251.971.271.493.412.160.370.0660.074⑥0.008390.001390.0030.00280.0020.007720.050.000920.000003注：①②③④数据括号中为旱地，括号外为水田；⑤数据括号中为果园，括号外为农田；⑥数据为天津市地质调查研究院，《天津市国土农业环境地球化学调查报告（供审稿）（2003年12月）》生态环境2005,14(4):[e-mail]基金项目：国家863计划项目（2001AA641060）作者简介：姬亚芹（1971－），女，讲师，博士，主要研究方向为颗粒物污染防治、环境影响评价和规划等。E-mail:[e-mail]收稿日期：2005-03-12土壤背景值的富集因子。目前，对富集因子数值的大小反映富集程度的判定规则有多种看法，当土壤中的富集因子显著大于1时，表示该元素有外来污染;当富集因子小于1，表示该元素被淋溶；当富集因子近似等于1时，表示该元素未被污染也未被淋溶[7]。根据富集因子的大小，可以将元素的富集（污染）程度分为6个级别（表3）[8]。污染级别越高受到人类活动的影响越大。3.1富集因子空间分布特征从各个方向土壤风沙尘元素富集系数表（表4）来看，天津市4个郊区粗细颗粒土壤风沙尘中Si、Fe、Mn的富集因子均小于1，均受到不同程度的淋溶。粗细颗粒土壤风沙尘中Na、Mg、K、P元素的富集因子均小于2，污染级别为0～1，基本未受到污染。粗细颗粒土壤风沙尘中Ag富集因子在12.25～111.94，各区均受到显著污染，各区粗颗粒中Ag污染等级均为极强烈，北辰和东丽两区的细颗粒中Ag污染强烈。Ca元素的污染级别在0～3之间，除了北辰区以外的其它3个区均属于二级或三级污染，已经受到扰动，但是影响不是很大，没有达到显著污染级别。Ni、Cu、Pb粗细颗粒中元素富集因子差别较大，其中，粗颗粒中元素的富集因子在2～10.23之间，属于中到显著污染级别，受到人类活动的影响较显著；而细颗粒中3个元素各区间差别较大，西青和津南2个区富集因子较高，属于中到显著污染级别，北辰和东丽的污染级别均未达到显著级别，污染较轻。细颗粒中Zn元素4区差别最大，东丽区富集因子12.47，是其他3个区富集因子的415～44倍，东丽区Zn元素受到了人类活动的较大影响，属于显著污染级别和富集状态，其他3个区处于淋溶状态。粗颗粒中Cr元素富集因子各区小于2，处于淋溶和微富集状态，基本未受到人类活动的影响，而细颗粒中Cr元素津南为5.14，属于显著污染级别，其他3个区