大气沉降对土壤和作物中重金属富集的影响及其研究进展

2019-01-21朱慧君

中国资源综合利用 2019年3期

朱慧君，江婷，闫超

（1.秦皇岛市环境监控中心，河北秦皇岛 066001；2.河北省环境监测中心，石家庄 050000；3.河北省秦皇岛环境监测中心，河北秦皇岛 066001）

大气沉降现象主要是指人类活动所产生的各种粉尘，在风力作用或者是通过雨、雪、雹、雾、霾等降水方式间接沉降到地面。因此，可将大气沉降现象分成两种形式，一种是干沉降，另一种是湿沉降[1]。调查显示，大气沉降现象具有明显的地域性，可将某个地区大气污染情况间接地反映出来[2]。重金属物质作为大气沉降污染物的重要内容之一，对人类生命健康和自然环境具有严重的负面影响。

1 土壤和作物中重金属来源及其污染现状

重金属物质进入土壤和作物主要有两种途径，一种是自然来源，另一种是人为活动。其中，自然来源主要是指成土母质与成土过程的重金属物质在土壤中不断积累；人为活动主要是指大气沉降、工业排放、农药施用、肥料、灌溉等作用，重金属物质被排放到土壤表面或者是土壤内层。土壤重金属积累现象主要受自然因素与人为因素的双重作用，准确识别土壤重金属来源，成为控制土壤重金属污染的重要手段[3]。现如今，如何判断土壤重金属来源不仅是环境化学研究工作的重要内容，还是农田金属风险管理控制工作以及农田重金属污染治理工作的关键内容。

我国土地利用类型有很多，如耕地、林地、园地等，其中耕地土壤是一种被认为开发程度最高的土壤，具有极强的利用性，这种土壤类型中重金属含量最为突出。根据相关资料可知，1989年，我国共有600万hm2的农田受到重金属污染，污染面积占我国耕地总面积的4.6%；2014年，我国被重金属污染的土地占我国土地总面积的16.1%，其中耕地点位超标率高达19.4%，以镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）等重金属为代表。通过实践研究得知，土壤和作物中的重金属主要来自两个方面：一是我国工业化程度与城镇化水平不断加快，大量工业生产活动提升重金属物质的排放量；二是人口量的迅速增长，导致粮食需求增加，高强度农业生产活动加剧土壤重金属物质的积累。

2 大气沉降中重金属物质的主要来源与时空分布

2.1 大气沉降中重金属物质的主要来源

煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧、汽车尾气的排放、工业冶炼工作的开展、土壤扬尘现象等均会使重金属物质进入大气，并使重金属物质吸附在气溶胶分子上，在干沉降与湿沉降的作用下，将重金属物质注入农田生态系统。通过实践调查得知，镉（Cd）金属混入空气主要源于化石燃料的燃烧、汽车尾气的排放、工业冶炼工作的开展、塑料工业的生产以及电镀活动；汞（Hg）金属混入空气主要源于化石燃料的燃烧、工业冶炼工作的开展、汽车尾气的排放、塑料工业的生产以及电池；砷（As）金属混入空气主要源于矿石资源的开采、化石燃料的燃烧、汽车尾气的排放、工业冶炼工作的开展；铜（Cu）金属混入空气主要源于汽车尾气的排放、工业冶炼工作的开展、土壤扬尘现象；铅（Pb）金属混入空气主要源于化石燃料的燃烧、汽车尾气的排放、工业冶炼工作的开展、土壤扬尘现象以及矿石资源的开采；锌（Zn）金属混入空气主要源于矿石资源的开采、汽车尾气的排放以及工业冶炼工作的开展；铬（Cr）金属混入空气主要源于工业冶炼工作的开展、汽车尾气的排放、化石燃料的燃烧、钢铁物质的生产以及电镀；镍（Ni）金属混入空气主要源于矿石资源的开采、化石燃料的燃烧以及电镀。

2.2 大气沉降中重金属物质的时空分布

近年来，我国近地表降尘量以及重金属物质在沉降物质中的含量均呈现不断增长的趋势。现如今，大气沉降已经被我国认定为区域农田土壤重金属污染的主要来源。受大气沉降受降水、污染源、距离运输等气象因素的影响，重金属物质在大气沉降活动中呈现一种区域分布状态，不同地区重金属物质在大气中所占据的比重有所不同。

通过上文分析，人们能够发现重金属来源具有较强的多样性，同时受到各种自然因素的影响。现如今，我国相关研究人员对大气沉降重金属时间分布情况进行研究时，主要从重金属含量变化视角出发，通过对比我国北方典型地区与南方典型地区在夏季与冬季的大气沉降现象，分析不同地区大气沉降中重金属含量的差异性。查阅资料可知，不同地区大气沉降中重金属含量具有明显差异，这种差异现象同该地区气候条件和工业结构具有密不可分的关系；冬季大气沉降中重金属含量明显高于其他季节大气沉降中重金属含量，供暖阶段大气沉降中重金属含量明显高于非供暖阶段大气沉降中重金属含量[4]。

我国大气沉降重金属含量分布具有以下特点：一是我国冬季寒冷，拥有较高的供暖需求，从而提升了对化石能源的需求，尤其是我国北方地区，大规模集中供暖现象十分严重，无形中增加了重金属物质的排放量；二是我国冬季部分地区容易形成逆温现象，阻碍空气垂直对流运动，重金属物质无法迁移或排放，在大气沉降中过于集中；三是我国降水季节分明，呈现冬多、夏少现象，在雨水冲刷作用下，空气中重金属物质明显降低[5]。

我国北方地区供暖时间相对较长，因不同地区所处的维度不同，维度越高的地区往往越寒冷。例如，哈尔滨就位于北京的北方，哈尔滨冬季温度比北京更低，冷的时间也比北京更长，所需的供暖温度更高、供暖时间更长。煤炭作为供暖活动的主要原料，煤炭原料中含有大量重金属物质，如镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）等。相关数据显示，供暖期大气沉降中重金属物质的含量是非供暖其大气沉降中重金属物质含量的1.8倍。与此同时，大气沉降中重金属物质的含量不仅与煤炭燃烧活动有关，还与工业生产活动具有密切关系。例如，强烈的西北风将内陆地区气溶胶颗粒带入青岛市，进一步加重青岛市重金属物质对大气环境的污染；东莞市拥有我国最大的火电厂群，该地拥有众多印染企业和造纸企业，每年需要消耗大量煤炭资源，该地区冬季少雨，导致大气沉降中重金属物质含量较高；浦口是南京市的重要工业园区，拥有众多工厂，重金属排放量高，因此该地冬夏两季大气沉降中重金属物质含量没有明显差异[6]。

3 大气沉降对土壤和作物重金属富集的影响

3.1 大气沉降对土壤重金属富集的影响

相关资料显示，近地表大气沉降中重金属含量逐年上涨，成为区域土壤重金属污染的主要来源。有研究学者表示，城市与工厂周边地区重金属大气沉降通量、重金属污染程度与表层土壤重金属含量之间具有密不可分的关系，大气中重金属沉降通量与重金属污染程度越高，土壤中重金属含量也就越高。近年来，国内外不少专家学者均针对农田土壤重金属污染物来源以及重金属输入通量进行调查，从中发现：欧美国家农田土壤形成重金属积累现象主要源于农药、肥料的使用；我国农田土壤形成重金属积累现象主要源于大气沉降中重金属含量超标[7]。

现如今，我国68%的能源物质主要依靠煤炭资源的燃烧。煤炭资源在燃烧过程中向空气中释放出大量的铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg），显著提升大气中重金属物质的输入量，在大气沉降作用下，增加农田土壤中铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg）的积累量。松嫩平原作为我国粮食主产区之一，在我国粮食生产中占据不容忽视的地位。有研究人员曾对松嫩平原的土壤进行检测，发现镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）通过大气沉降进入土壤中，形成重金属富集现象[8]。目前，大气沉降现象已经成为松嫩平原土壤重金属污染的主要来源。

3.2 大气沉降对作物重金属富集的影响

通过实践调查得知，大气沉降现象能够直接或间接地影响农作物的生长，在农作物体内形成重金属富集现象。大气中的重金属物质，随着大气沉降作用，将重金属物质输入土壤中，对土壤造成重金属污染。土壤作为农作物的重要生长条件，被污染的土壤将重金属物质输入植物体内，农作物会出现重金属积累现象。因此，城镇、工业区及其周边地区所种植的农产品的重金属含量往往较高。土壤是一个复杂的有机体，其质地、阳离子交换、有机质含量、根系分泌物和pH值等因素均会影响农作物对重金属的吸收量，导致某种状态下“土壤-作物”重金属积累无法形成明显的线性关系。

为进一步了解大气沉降现象对作物积累重金属的影响，研究人员特运用透射镜观测方法和扫描电镜观测方法，从植物组织水平和植物亚细胞水平入手，对重金属物质在植物中的积累量进行定量分析和定性分析。通过对农作物亚细胞中重金属物质分布情况进行观察，发现重金属物质进入农作物体内后，通常会聚集到农作物的液泡或细胞壁中，高活性的细胞器往往不会出现重金属物质积累现象。原因是细胞壁中的半纤维素和果胶能够与重金属物质络合，有效提升农作物对重金属物质的耐受性，使农作物在重金属浓度较低时依然能够完成细胞的正常代谢活动。