牛玉斌,樊 瑾,李詩(shī)瑤,張振師,余海龍,黃菊瑩

(1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,寧夏 銀川 750021;2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì) 研究院有限公司,陜西 西安 710065;3.寧夏大學(xué) 環(huán)境工程研究院,寧夏 銀川 750021)

大氣降塵是大氣環(huán)境中因重力作用降至地表的大氣顆粒物，其粒徑多在10 μm 以上，這些細(xì)微顆粒物主要來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng)排放的粉塵(如工業(yè)廢氣、建筑揚(yáng)塵等)和由風(fēng)力帶到空氣中的地面固體顆粒物[1]。目前我國(guó)城市空氣污染特征由SO2，NOx類(lèi)污染逐漸趨向塵類(lèi)污染，降塵攜帶的污染物化學(xué)成分復(fù)雜，在沉降后會(huì)對(duì)土壤、植物、水體等造成二次污染，危害人體健康[2]。隨著我國(guó)城市建設(shè)和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，一些工業(yè)密集型的區(qū)域的大氣降塵量出現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)[3]。大氣降塵是大氣污染監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)，而土壤作為大氣污染物的主要蓄積庫(kù)和指示器，在一定程度上反映了區(qū)域環(huán)境的污染狀況[4]。大氣降塵在干旱、半干旱區(qū)土壤形成過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，會(huì)影響沉降區(qū)域的土壤結(jié)構(gòu)和組分[5]。分形維數(shù)可以用以衡量土壤及大氣降塵的粒度組成。如謝云霞等認(rèn)為火電廠、市政焚化、冶金過(guò)程等產(chǎn)生的大氣顆粒物一般都具有分形結(jié)構(gòu)[6]。土壤分形維數(shù)能夠反映土壤結(jié)構(gòu)、屬性及肥力[7]。大氣降塵作為一種外源物質(zhì)，影響土壤的的組成和性質(zhì)，其數(shù)量和成分類(lèi)型可在一定程度上影響成土過(guò)程的特點(diǎn)和強(qiáng)弱[8]。燃煤煙塵是火電廠周?chē)祲m的主要物質(zhì)來(lái)源。大氣降塵為土壤提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并導(dǎo)致土壤重金屬積累，會(huì)對(duì)土壤酶活性、生物活動(dòng)與生物多樣性產(chǎn)生影響[9]。

寧東能源工業(yè)基地(以下簡(jiǎn)稱“寧東基地”)是依托寧東煤炭資源建設(shè)的能源、化工及相關(guān)產(chǎn)業(yè)集群的大型工業(yè)基地，重點(diǎn)發(fā)展煤炭、電力、煤化工和新材料4大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)格局及當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境決定了寧東基地的大氣降塵來(lái)源復(fù)雜，空氣污染嚴(yán)重。在現(xiàn)代人為活動(dòng)條件下，大氣降塵是土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)演變的重要影響因素[10]。據(jù)報(bào)道，工業(yè)混合區(qū)和鋼鐵工業(yè)區(qū)降塵每年可能增加土壤厚度0.15～0.33 mm，其累積效應(yīng)將是非常明顯的[10]。因此，在工業(yè)區(qū)進(jìn)行大氣降塵對(duì)周邊土壤的影響研究具有重要意義。土壤顆粒組成的分形維數(shù)可以用來(lái)分析成土強(qiáng)度及其發(fā)育環(huán)境[11]。目前關(guān)于燃煤煙塵對(duì)周?chē)寥烙绊懙难芯恐饕性诘猍12]、硫[13]沉降和重金屬沉降[14]。土壤是大氣降塵的最終歸宿，大氣降塵攜帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、重金屬最終會(huì)沉降于土壤中，而重金屬含量與降塵粒徑有一定依附關(guān)系[15]，而關(guān)于大氣降塵粒徑組成規(guī)律及其痕量重金屬在土壤中富集的規(guī)律研究鮮有報(bào)道。

因此，本文旨在通過(guò)對(duì)寧東基地典型燃煤電廠周邊大氣降塵礦物組成、來(lái)源及表層土壤接受降塵后顆粒組成及養(yǎng)分和重金屬含量變化規(guī)律的測(cè)定和計(jì)算，揭示工礦區(qū)大氣降塵對(duì)當(dāng)?shù)赝寥腊l(fā)育演化過(guò)程的累積影響及作用機(jī)理，為該區(qū)域的土壤利用和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧東基地核心區(qū)的馬蓮臺(tái)電廠。據(jù)調(diào)查，該電廠燃煤鍋爐排放煙氣的凈化方式主要是靜電除塵器，并配備了濕式石灰石—石膏法煙氣脫硫裝置。寧東基地位于陜、甘、寧、蒙毗鄰地區(qū)，西與自治區(qū)首府銀川市隔黃河相望，東與陜北能源化工基地、蒙西能源化工基地毗鄰，地理坐標(biāo)(106°21′39″—106°56′34″E；37°04′48″—38°17′41″N)，規(guī)劃面積3 483.70 km2，是國(guó)家14個(gè)億噸級(jí)煤炭基地之一。研究區(qū)地處寧夏黃河?xùn)|岸鄂爾多斯臺(tái)地，北臨毛烏素沙地，南至寧南黃土丘陵北界，條帶狀分布的緩坡丘陵較多，海拔1 150～1 512 m。研究區(qū)屬中溫帶干旱氣候區(qū)，具有典型的溫帶大陸氣候特征，降雨多集中在7—9月，多年平均降水量為194.7 mm，蒸發(fā)量為2 088.2 mm，年均溫6.7～8.8 ℃。研究區(qū)風(fēng)大沙多，全年大風(fēng)(17 m/s以上)日數(shù)為63 d，年平均風(fēng)速2.5～2.6 m/s，風(fēng)向多為西北風(fēng)。土壤類(lèi)型主要是灰鈣土和風(fēng)沙土，淡灰鈣土主要分布在寧東工業(yè)園區(qū)附近，風(fēng)沙土主要分布在基地中部和南部。植被覆蓋度10%～30%，天然植被分布稀少、且不均勻,主要以一年生或多年生、旱生或超旱生灌木、半灌木或草本植物為主，具耐旱、耐寒、耐土壤貧瘠。

1.2 樣品采集和處理

本研究采樣以馬蓮臺(tái)電廠為中心。2018年3—4月，根據(jù)廢氣排放特征、盛行風(fēng)向、地形于電廠東南距離煙囪設(shè)置4個(gè)間隔為100 m的輻射采樣點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，電廠煙囪與采樣點(diǎn)距離最近為500 m左右，每個(gè)梯度按蛇形布置7個(gè)收集地面降塵用的集塵缸(缸口直徑80 cm，深30 cm，布設(shè)于空曠、無(wú)地物遮擋處)，3月10日第1次采集降塵，此后每隔10 d采集1次，共計(jì)采集6次降塵。將各梯度的大氣降塵匯總，篩除其中樹(shù)葉、碎屑，風(fēng)干后存儲(chǔ)于帶有標(biāo)號(hào)的聚乙烯塑料樣品袋中。同期，在每個(gè)梯度選取3個(gè)點(diǎn)(每個(gè)點(diǎn)采集附近3處土樣混合而成)0—10 cm的表層土帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、標(biāo)記儲(chǔ)存。并在背風(fēng)向50 km遠(yuǎn)處選點(diǎn)采集表土作為對(duì)照。大氣降塵和土壤的有機(jī)質(zhì)含量、全N含量和全P含量，分別采用重鉻酸鉀容量—外加熱法、凱氏定氮法和HClO4-H2SO4法測(cè)定。大氣降塵和土壤的重金屬采用HNO3-HClO4-HF三酸消化法提取，在Agilent 7500電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)上測(cè)定。降塵的礦物物相分析采用寧夏大學(xué)測(cè)試分析中心的利用智能轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(XRD,Smart Lab0303050201)完成，試驗(yàn)條件：Cu靶，波長(zhǎng)為0.154 186 2 nm；工作電壓及電流為45 kV和200 mA，測(cè)試范圍10°～80°；掃描速度8.255 1°/min，步寬0.01°。

圖1 采樣點(diǎn)布設(shè)示意圖

為了更好地反映樣品的粒徑組成狀況，粒徑分析前，稱10 g樣品，加入10 ml 15% H2O2除去有機(jī)質(zhì)，10 ml的0.2 mol/LHCl去除碳酸鹽，適量蒸餾水去除Ca2+和Cl-，加入10 ml 0.5 mol/L六偏磷酸鈉(適用于pH>7.5的土壤)攪拌均勻之后，用Master Sizer2000超聲波粒度分析儀進(jìn)行測(cè)定。實(shí)際分析中每個(gè)樣品重復(fù)3次，測(cè)定結(jié)果取平均值。對(duì)樣品測(cè)量結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)其粒徑分布范圍在0.01～1 000 μm，為參比大氣降塵粒級(jí)大小及其對(duì)土壤的影響，本研究參照中國(guó)制土壤粒級(jí)制對(duì)大氣降塵和土壤進(jìn)行粒級(jí)劃分。

1.3 數(shù)據(jù)分析

降塵礦物物相分析采用專(zhuān)業(yè)軟件MDI Jade 6.5中分3步完成：①“大海撈針”。遴選與XRD圖譜擬合最好的礦物；②單峰分析。選擇所選中峰對(duì)應(yīng)的物相；③指定元素分析。選擇降塵中可能存在的元素，再依據(jù)元素組成匹配與其對(duì)應(yīng)的礦物。數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)用Excel 2010完成，并在SPSS 24中進(jìn)行相關(guān)分析與多元線性逐步回歸分析，用Origin 9.0作圖。

大氣降塵和土壤粒徑分形維數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ri表示相鄰兩個(gè)粒級(jí)Ri與Ri+1間平均粒徑，即Ri=(Ri+Ri+1)/2；Rmax為最大粒級(jí)的平均粒徑；V(r

大氣降塵和土壤綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算公式為：

(2)

式中：RI為降塵和土壤中多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ti為重金屬i的毒性系數(shù)；Ci，Bi分別為重金屬i的實(shí)測(cè)含量和背景含量(mg/kg)。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣降塵與表土黏土礦物組成

研究區(qū)土壤主要以石英、斜長(zhǎng)石、方解石和黏土礦物組成，黏土礦物組成主要以伊利石為主,高嶺石、綠泥石、蒙脫石、蛭石等也占一定比例。而通過(guò)對(duì)研究區(qū)降塵的XRD圖譜(見(jiàn)圖2)解讀發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)降塵礦物組成大體與土壤相似，主要由石英、方解石、斜長(zhǎng)石、綠泥石、高嶺石和二硫化硅組成。從XRD圖譜中可以看出離火電廠越遠(yuǎn)，石英的含量逐漸增加，其他礦物成分的含量在不同梯度上較為穩(wěn)定(見(jiàn)圖2)。對(duì)比降塵中的少量礦物類(lèi)型的數(shù)量發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)表1)，隨著離火電廠距離的增加，少量礦物類(lèi)型的數(shù)量都呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，少量礦物中含Cr和Mn的礦物，以及磷酸鋁(AlPO4)基本在各個(gè)梯度都有分布，其他含重金屬礦物多分布在100 m處，并且降塵中還分布著一些多環(huán)芳烴化合物(PHAs)，是燃煤不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)性碳?xì)浠衔颷16]。

圖2 研究區(qū)大氣降塵的XRD圖譜

表1 大氣降塵中少量礦物的類(lèi)型

2.2 不同距離梯度大氣降塵與表土的粒徑分布

粒度頻率分布曲線能反映大氣降塵和土壤顆?？傮w特征，同時(shí)可反映大氣降塵和土壤中各種粒度的相對(duì)含量及其對(duì)粒度的貢獻(xiàn)。由表2可知，降塵的粒徑主要集中分布在10～50 μm和50～250 μm，占其總體積的87.48%～89.21%，隨著距離的增加降塵各個(gè)粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)普遍呈先減小后增加再減小的規(guī)律。土壤的粒徑主要分布在10～50 μm和50～250 μm，占其總體積的78.73%～95.74%，浮動(dòng)范圍比大氣降塵的要大，但土壤各個(gè)粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)隨距離變化無(wú)明顯規(guī)律。在同一距離梯度上降塵的50～250 μm和250～1 000 μm的體積分?jǐn)?shù)普遍高于土壤，土壤的<1 μm，1～2 μm，2～5 μm，5～10 μm和10～50 μm體積分?jǐn)?shù)普遍高于降塵。從分形維數(shù)來(lái)看，土壤明顯高于降塵。大氣降塵和表土的粒徑分布曲線表現(xiàn)為非正態(tài)性及雙峰和多峰分布，說(shuō)明一般大氣降塵和表土顆粒組成具有多源性[32]。其中，大氣降塵的累計(jì)曲線呈5峰分布，表土的粒徑分布曲線的累計(jì)曲線呈現(xiàn)4峰分布，在100 m處出現(xiàn)5個(gè)峰。大氣降塵和表土的粒徑分布的前4個(gè)峰態(tài)分布趨勢(shì)相同，大氣降塵的第5個(gè)峰主要分布在250～1 000 μm(見(jiàn)圖3)，且降塵粒徑隨距離增大呈變粗趨勢(shì)。

表2 大氣降塵和表土粒徑分布情況

注：100 m，200 m，300 m，400 m分別代表距離火電廠的距離。

2.3 土壤和大氣降塵分形維數(shù)與各粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

采用多元線性回歸分析不同采樣距離大氣降塵、土壤粒徑分布分形維數(shù)的變化與各粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，將7個(gè)粒級(jí)依次標(biāo)注為：<1 μm(X1)，1～2 μm(X2)，2～5 μm(X3)，5～10 μm(X4)，10～50 μm(X5)，50～250 μm(X6)，250～1 000 μm(X7)。從皮爾遜相關(guān)性系數(shù)(見(jiàn)表3)發(fā)現(xiàn)，降塵分形維數(shù)與<1 μm，1～2 μm，2～5 μm降塵的體積分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)(n=9,p<0.05)；土壤分形維數(shù)與<1 μm，1～2 μm，2～5 μm，5～10 μm土壤的體積分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，與10～50 μm和50～250 μm的體積分?jǐn)?shù)負(fù)相關(guān)(n=9,p<0.05)。由表4可知，降塵和土壤粒徑分形維數(shù)的皮爾遜相關(guān)性系數(shù)為0.651，表示降塵與土壤的分形維數(shù)呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系(n=9,p<0.05)。說(shuō)明大氣降塵顆粒粒徑越小，土壤分形維數(shù)越大。

表3 表土和大氣降塵分形維數(shù)與各粒級(jí)之間的皮爾遜相關(guān)性

降塵分形維數(shù)(Da)與各粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)間的多元逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)：<1 μm和250～1 000 μm粒級(jí)的體積分?jǐn)?shù)與降塵分形維數(shù)偏相關(guān)性呈極顯著相關(guān)。土壤分形維數(shù)(Ds)與各粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)之間的多元逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，<1 μm和10～50 μm粒級(jí)的體積分?jǐn)?shù)與土壤分形維數(shù)偏相關(guān)性呈顯著相關(guān)(見(jiàn)表4)。

表4 大氣降塵與表土分形維數(shù)之間的回歸分析

2.4 大氣降塵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與表土土壤養(yǎng)分間關(guān)系

由表5可知，距離火電廠越遠(yuǎn)，大氣降塵中有機(jī)質(zhì)含量有降低的趨勢(shì)，200和400 m之間差異最為顯著；全N持續(xù)增加，100和400 m之間差異顯著；全P含量較為穩(wěn)定。距離火電廠越遠(yuǎn)，土壤中有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，100和400 m之間差異顯著；全N保持微弱的上升趨勢(shì)，100和400 m之間差異顯著；全P含量較為穩(wěn)定，并且與大氣降塵中全P含量相當(dāng)。采樣過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，電廠周邊表層土壤中含有大量顆粒狀有機(jī)質(zhì)存在。

表5 不同距離大氣降塵與表土養(yǎng)分的分布情況

通過(guò)對(duì)大氣降塵和土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析(表6)發(fā)現(xiàn)，大氣降塵的有機(jī)質(zhì)含量與土壤的有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.581(n=9,p<0.05)；而大氣降塵的全N含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量和全N含量都呈現(xiàn)很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.703，0.803(n=9,p<0.05)。

表6 大氣降塵和表土養(yǎng)分相關(guān)性分析

2.5 大氣降塵與土壤中重金屬含量及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由表7可知，距離火電廠越遠(yuǎn)，降塵中Zn，Ni，Cd和Cr的含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，距離越遠(yuǎn)增加越明顯，并且100～400 m之間Zn，Ni，Cd和Cr的含量差異顯著；而Pb距離火電廠越遠(yuǎn)呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，火電廠近端和遠(yuǎn)端差異極其顯著；Cu距離火電廠越遠(yuǎn)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，300 m處與其他各梯度之間差異顯著。距離火電廠越遠(yuǎn)土壤中重金屬并無(wú)明顯變化規(guī)律，除Ni和Cd在火電廠近端和遠(yuǎn)端差異顯著之外，Zn，Cr，Pb和Cu在各個(gè)距離梯度上差異并不顯著，但土壤中重金屬含量全部低于降塵。降塵和土壤中重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)都大于600，有著極強(qiáng)生態(tài)危害[31-32]，并且距離火電廠越遠(yuǎn)降塵中重金屬的生態(tài)危害指數(shù)在增加，而土壤中重金屬的生態(tài)危害指數(shù)在下降。通過(guò)對(duì)大氣降塵和土壤重金屬的相關(guān)性分析(表8)發(fā)現(xiàn)，大氣降塵和表土中Zn，Ni，Cd和Pb的含量呈現(xiàn)較弱的負(fù)相關(guān)性，Cr和Cu呈現(xiàn)較弱的正相關(guān)性。

表7 不同距離大氣降塵和表土重金屬含量分布

表8 大氣降塵和表土重金屬相關(guān)性分析

3 結(jié)果討論

3.1 寧東能源工業(yè)基地大氣降塵組分及其粒徑空間分布特征

降塵顆粒物的礦物組成是分析大氣污染的重要手段之一。寧東能源工業(yè)基地特殊的地理位置、產(chǎn)業(yè)布局和大氣條件使該區(qū)降塵量大且來(lái)源復(fù)雜。因當(dāng)?shù)貧夂蚋稍锷儆辏脖幌∈?，大風(fēng)日數(shù)較多。自然源降塵主要來(lái)自于境內(nèi)揚(yáng)塵，主要成分為石英、方解石、斜長(zhǎng)石、綠泥石和高嶺石等(見(jiàn)圖2)。人為源降塵組分則較為復(fù)雜，其中重金屬礦物組成涉及Ag，Cr，Pb，Co，Mn，As，Cu(見(jiàn)表1)和二硫化硅以及一些多環(huán)芳烴化合物(PHAs)，是燃煤不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)性碳?xì)浠衔锖褪⒑推渌杌锉贿€原成的中間產(chǎn)物[19]。這和王毓秀在山西陽(yáng)泉、朔州等地的火電廠煙塵成分譜的研究結(jié)果相近[20]，部分差異如Ag，Co等元素在其煙塵成分譜中沒(méi)有檢出，這可能和當(dāng)?shù)仉姀S燃煤的品質(zhì)有關(guān)。當(dāng)?shù)仄髽I(yè)類(lèi)型多樣，涉及煤炭、石油、天然氣的開(kāi)采及深度加工，而一些痕量元素如Ag，Cr，Pb，Co，Mn，As，Cu的存在不僅印證了當(dāng)?shù)匚廴镜亩嘣葱?，更說(shuō)明當(dāng)?shù)貪撛谖廴镜膹?fù)雜性。

燃煤煙塵是火電廠周?chē)祲m的主要物質(zhì)來(lái)源。順主風(fēng)向存在著大氣降塵的風(fēng)力分選過(guò)程[21]，不同粒徑降塵在大氣中的移動(dòng)方式和移動(dòng)距離各不相同。研究區(qū)常年盛行西北風(fēng)，大風(fēng)攜帶和輸送大量的燃煤煙塵、風(fēng)沙與地表塵土，并在不同距離沉降。本研究通過(guò)對(duì)盛行風(fēng)下風(fēng)向降塵粒徑組成統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在東南方向上顆粒物容易擴(kuò)散，粒徑較粗且沉降距離更遠(yuǎn)。由于距離物源遠(yuǎn)近不同，在大氣降塵粒度組成及其分形維數(shù)上存在一定的差異性，表現(xiàn)為距離物源300 m遠(yuǎn)處，50～250 μm粒徑降塵和分形維數(shù)(D)均呈增加趨勢(shì)，這表明大氣降塵的粒度分布分形維數(shù)與氣象因素密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明火電廠周邊不同距離大氣降塵粒徑主要集中在10～250 μm之間，并且在此粒徑范圍內(nèi)存在雙峰分布：10～50 μm和50～250 μm。其中10～50 μm大氣降塵以短時(shí)懸浮方式移動(dòng)，而50～250 μm則以變性躍移方式移動(dòng)[22-23]。從0—10 cm表層樣品的顏色來(lái)看，在研究所涉及的距離范圍內(nèi)土壤表層除了塵暴降塵明顯特征的黃褐色粉末[24]，還有分布較為均勻的黑色顆粒物，這種顏色特征說(shuō)明其來(lái)源為地表工業(yè)煙塵排放，這與施澤明等[25]的研究結(jié)果相似。說(shuō)明研究區(qū)大氣降塵粒度分布及其分形維數(shù)和區(qū)域環(huán)境、氣候特征吻合。

3.2 寧東基地大氣降塵對(duì)表土物質(zhì)組成及其粒徑分形維數(shù)的影響

土壤粒徑分布分形維數(shù)是不同粒徑含量的綜合反映，可用以描述土壤內(nèi)部復(fù)雜與不規(guī)則結(jié)構(gòu)[26]。表土粒度組成不僅與地表沉積物的來(lái)源有關(guān)，而且與大氣降塵活動(dòng)中的搬運(yùn)和堆積過(guò)程密切相關(guān)。氣候因素是影響地表沉積物特征的關(guān)鍵因素，且在風(fēng)力作用下，產(chǎn)生粒徑高度分選和成分組成混合的特征。本研究中，火電廠周邊表土粒徑分布呈多峰分布，其中主峰為10～50 μm，次峰為50～250 μm。多峰分布說(shuō)明其可能具有不同的來(lái)源，從本研究中大氣降塵的物相分析結(jié)果顯示：成分涉及自然源降塵和燃煤煙塵顆粒(圖2,表1)。以往的研究發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地越粗，分形維數(shù)值越小[27]。本研究中，土壤分形維數(shù)在2.41～2.56之間(表2)。據(jù)李德成[28]的研究發(fā)現(xiàn)砂土的分形維數(shù)為2.56，而本研究中，土壤質(zhì)地類(lèi)型也是砂土，但隨接受降塵量的多寡，分形維數(shù)相應(yīng)地發(fā)生變化，反映了土壤顆粒物質(zhì)的增減狀況，說(shuō)明降塵能夠改變土壤的組成并影響土壤分形維數(shù)。

3.3 大氣降塵對(duì)土壤中重金屬與養(yǎng)分含量的貢獻(xiàn)

作為“西電東送”火電基地，寧東能源工業(yè)基地的煤電產(chǎn)業(yè)規(guī)模在全國(guó)都屬前列。但煤電行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)向大氣中排放大量含有重金屬的污染物，它們吸附于氣溶膠中，以沉降的方式進(jìn)入周邊表層土壤，是大氣降塵中重金屬污染的重要來(lái)源。由于大氣降塵顆粒物其較小的粒徑分布既決定了顆粒物的可遷移性，也決定了其潛在污染的可能。大氣降塵為土壤提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)，將各類(lèi)重金屬帶入土壤。本研究中，在相同距離上大氣降塵中的重金屬含量普遍高于表土，主要是因?yàn)楸韺油寥乐写罅款w粒狀有機(jī)質(zhì)的存在，以及大氣降塵攜帶的養(yǎng)分元素進(jìn)入土壤引起可溶性有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的增加，這為重金屬元素的固定和富集提供了可能。有機(jī)質(zhì)的存在延長(zhǎng)了重金屬在土壤中的滯留時(shí)間，有利于重金屬的固定，提高其在土壤中的富集量，從而使土壤中重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)概率增大[29]。燃煤中所含的Pb，Cr，Cd等痕量重金屬在燃燒過(guò)程中會(huì)部分或全部揮發(fā)成氣態(tài)，并富集在細(xì)顆粒物表面隨廢氣排放[30]。同時(shí)，本研究結(jié)果顯示大氣降塵中Zn，Ni，Cd，Cr，Cu元素含量進(jìn)入土體后都有不同程度的降低(表6)，大氣降塵中Zn，Ni，Cd，Cr，Pb，Cu含量平均值分別超過(guò)表土中平均值的44.89%，23.31%，10.96%，10.55%，2.65%和53.34%，主要是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)中的腐植酸具有一定的還原性可促進(jìn)土壤中部分重金屬元素形成硫化物而沉淀[31]。大氣降塵和土壤綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表明，距離火電廠越遠(yuǎn)降塵中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)在增加，而土壤中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)在下降。土壤重金屬與大氣降塵重金屬之間的關(guān)聯(lián)性可以反映重金屬污染的來(lái)源、土壤—大氣系統(tǒng)中重金屬的傳輸、遷移和擴(kuò)散特征[32]。羅娜娜等[33]采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)北京城區(qū)大氣降塵與地表土壤重金屬元素之間進(jìn)行了關(guān)聯(lián)度分析，發(fā)現(xiàn)大氣降塵與表層土壤是高度關(guān)聯(lián)的。而本研究中采用Pearson相關(guān)分析法分析了大氣降塵與地表土壤重金屬元素之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)果表明Cr和Cu呈現(xiàn)較弱的正相關(guān)性(表8)。其關(guān)聯(lián)度之間存在差別，可能和不同元素的沉降特性有關(guān)[34]，也可能和當(dāng)?shù)刂脖惶卣?、地形、風(fēng)力風(fēng)向等有關(guān)，這些因素會(huì)影響到燃煤煙塵等污染物的擴(kuò)散方式和路徑從而使大氣降塵對(duì)表層土壤的影響不均勻。

土壤是大氣降塵的最終歸宿，大氣降塵攜帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉降到地表會(huì)改變土壤的養(yǎng)分供給。從表5可以看出，大氣降塵中養(yǎng)分含量較高。其中有機(jī)質(zhì)是土壤的8～15倍，全N是土壤的2～3倍。沉降到土壤中也使表土的土壤有機(jī)質(zhì)和全N含量在不同距離梯度上均有增加，其中有機(jī)質(zhì)含量比對(duì)照增加1.92～4.51倍；降塵可以使氣攜氮化物進(jìn)入土壤，但本研究所屬區(qū)域降雨過(guò)少空氣濕度也較小，更多的N會(huì)以干沉降的形式沉降于距離更遠(yuǎn)處，因而本研究中大氣降塵對(duì)土壤N含量的影響較小。這表明降塵是土壤養(yǎng)分補(bǔ)充的一個(gè)重要途徑。不同距離上增加程度的差異，主要是由攜帶養(yǎng)分的降塵特性和地形、風(fēng)速造成的，這和自然源降塵的養(yǎng)分變化規(guī)律相似[35]。主要表現(xiàn)為降塵中的養(yǎng)分含量隨策源地距離的增加而增加。因本試驗(yàn)中土樣采集于當(dāng)年7月，降塵作用大于風(fēng)蝕作用時(shí)，降塵導(dǎo)致養(yǎng)分的凈增加。

4 結(jié) 論

(1) 寧東基地大氣降塵的成分來(lái)源復(fù)雜，包括了自然源和人為源降塵。其中自然源降塵主要來(lái)自于境內(nèi)揚(yáng)塵，主要成分為石英、方解石、斜長(zhǎng)石、綠泥石和高嶺石等。人為源降塵則涉及Ag，Cr，Pb，Co，Mn，As，Cu和二硫化硅以及一些多環(huán)芳烴化合物(PHAs)等燃煤過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。

(2) 大氣降塵和表土的粒徑分布曲線在不同距離上均呈非正態(tài)性及雙峰和多峰分布,說(shuō)明大氣降塵和表土顆粒組成具有多源性。

(3) 大氣降塵和土壤綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表明，距離污染源越遠(yuǎn)降塵中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在增加，而土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在下降。Pearson 相關(guān)分析分析表明，表土與大氣降塵中Cr和Cu兩種重金屬元素具有一定的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.103，0.30。盡管相關(guān)性較弱，但其累積效應(yīng)還是具有較大潛在威脅。

(4) 土壤是大氣降塵的最終歸宿，大氣降塵攜帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉降到地表改變了土壤的養(yǎng)分供給，尤其是有機(jī)質(zhì)的增加量最為顯著。