大氣沉降對土壤和作物中重金屬富集的影響及其研究進展

朱慧君，江 婷，閆 超

（1.秦皇島市環(huán)境監(jiān)控中心，河北 秦皇島 066001；2.河北省環(huán)境監(jiān)測中心，石家莊 050000；3.河北省秦皇島環(huán)境監(jiān)測中心，河北 秦皇島 066001）

大氣沉降現(xiàn)象主要是指人類活動所產生的各種粉塵，在風力作用或者是通過雨、雪、雹、霧、霾等降水方式間接沉降到地面。因此，可將大氣沉降現(xiàn)象分成兩種形式，一種是干沉降，另一種是濕沉降[1]。調查顯示，大氣沉降現(xiàn)象具有明顯的地域性，可將某個地區(qū)大氣污染情況間接地反映出來[2]。重金屬物質作為大氣沉降污染物的重要內容之一，對人類生命健康和自然環(huán)境具有嚴重的負面影響。

1 土壤和作物中重金屬來源及其污染現(xiàn)狀

重金屬物質進入土壤和作物主要有兩種途徑，一種是自然來源，另一種是人為活動。其中，自然來源主要是指成土母質與成土過程的重金屬物質在土壤中不斷積累；人為活動主要是指大氣沉降、工業(yè)排放、農藥施用、肥料、灌溉等作用，重金屬物質被排放到土壤表面或者是土壤內層。土壤重金屬積累現(xiàn)象主要受自然因素與人為因素的雙重作用，準確識別土壤重金屬來源，成為控制土壤重金屬污染的重要手段[3]?，F(xiàn)如今，如何判斷土壤重金屬來源不僅是環(huán)境化學研究工作的重要內容，還是農田金屬風險管理控制工作以及農田重金屬污染治理工作的關鍵內容。

我國土地利用類型有很多，如耕地、林地、園地等，其中耕地土壤是一種被認為開發(fā)程度最高的土壤，具有極強的利用性，這種土壤類型中重金屬含量最為突出。根據相關資料可知，1989年，我國共有600萬hm2的農田受到重金屬污染，污染面積占我國耕地總面積的4.6%；2014年，我國被重金屬污染的土地占我國土地總面積的16.1%，其中耕地點位超標率高達19.4%，以鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、銅（Cu）、鉛（Pb）等重金屬為代表。通過實踐研究得知，土壤和作物中的重金屬主要來自兩個方面：一是我國工業(yè)化程度與城鎮(zhèn)化水平不斷加快，大量工業(yè)生產活動提升重金屬物質的排放量；二是人口量的迅速增長，導致糧食需求增加，高強度農業(yè)生產活動加劇土壤重金屬物質的積累。

2 大氣沉降中重金屬物質的主要來源與時空分布

2.1 大氣沉降中重金屬物質的主要來源

煤、石油、天然氣等化石燃料的燃燒、汽車尾氣的排放、工業(yè)冶煉工作的開展、土壤揚塵現(xiàn)象等均會使重金屬物質進入大氣，并使重金屬物質吸附在氣溶膠分子上，在干沉降與濕沉降的作用下，將重金屬物質注入農田生態(tài)系統(tǒng)。通過實踐調查得知，鎘（Cd）金屬混入空氣主要源于化石燃料的燃燒、汽車尾氣的排放、工業(yè)冶煉工作的開展、塑料工業(yè)的生產以及電鍍活動；汞（Hg）金屬混入空氣主要源于化石燃料的燃燒、工業(yè)冶煉工作的開展、汽車尾氣的排放、塑料工業(yè)的生產以及電池；砷（As）金屬混入空氣主要源于礦石資源的開采、化石燃料的燃燒、汽車尾氣的排放、工業(yè)冶煉工作的開展；銅（Cu）金屬混入空氣主要源于汽車尾氣的排放、工業(yè)冶煉工作的開展、土壤揚塵現(xiàn)象；鉛（Pb）金屬混入空氣主要源于化石燃料的燃燒、汽車尾氣的排放、工業(yè)冶煉工作的開展、土壤揚塵現(xiàn)象以及礦石資源的開采；鋅（Zn）金屬混入空氣主要源于礦石資源的開采、汽車尾氣的排放以及工業(yè)冶煉工作的開展；鉻（Cr）金屬混入空氣主要源于工業(yè)冶煉工作的開展、汽車尾氣的排放、化石燃料的燃燒、鋼鐵物質的生產以及電鍍；鎳（Ni）金屬混入空氣主要源于礦石資源的開采、化石燃料的燃燒以及電鍍。

2.2 大氣沉降中重金屬物質的時空分布

近年來，我國近地表降塵量以及重金屬物質在沉降物質中的含量均呈現(xiàn)不斷增長的趨勢?，F(xiàn)如今，大氣沉降已經被我國認定為區(qū)域農田土壤重金屬污染的主要來源。受大氣沉降受降水、污染源、距離運輸?shù)葰庀笠蛩氐挠绊?，重金屬物質在大氣沉降活動中呈現(xiàn)一種區(qū)域分布狀態(tài)，不同地區(qū)重金屬物質在大氣中所占據的比重有所不同。

通過上文分析，人們能夠發(fā)現(xiàn)重金屬來源具有較強的多樣性，同時受到各種自然因素的影響?，F(xiàn)如今，我國相關研究人員對大氣沉降重金屬時間分布情況進行研究時，主要從重金屬含量變化視角出發(fā)，通過對比我國北方典型地區(qū)與南方典型地區(qū)在夏季與冬季的大氣沉降現(xiàn)象，分析不同地區(qū)大氣沉降中重金屬含量的差異性。查閱資料可知，不同地區(qū)大氣沉降中重金屬含量具有明顯差異，這種差異現(xiàn)象同該地區(qū)氣候條件和工業(yè)結構具有密不可分的關系；冬季大氣沉降中重金屬含量明顯高于其他季節(jié)大氣沉降中重金屬含量，供暖階段大氣沉降中重金屬含量明顯高于非供暖階段大氣沉降中重金屬含量[4]。

我國大氣沉降重金屬含量分布具有以下特點：一是我國冬季寒冷，擁有較高的供暖需求，從而提升了對化石能源的需求，尤其是我國北方地區(qū)，大規(guī)模集中供暖現(xiàn)象十分嚴重，無形中增加了重金屬物質的排放量；二是我國冬季部分地區(qū)容易形成逆溫現(xiàn)象，阻礙空氣垂直對流運動，重金屬物質無法遷移或排放，在大氣沉降中過于集中；三是我國降水季節(jié)分明，呈現(xiàn)冬多、夏少現(xiàn)象，在雨水沖刷作用下，空氣中重金屬物質明顯降低[5]。

我國北方地區(qū)供暖時間相對較長，因不同地區(qū)所處的維度不同，維度越高的地區(qū)往往越寒冷。例如，哈爾濱就位于北京的北方，哈爾濱冬季溫度比北京更低，冷的時間也比北京更長，所需的供暖溫度更高、供暖時間更長。煤炭作為供暖活動的主要原料，煤炭原料中含有大量重金屬物質，如鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）等。相關數(shù)據顯示，供暖期大氣沉降中重金屬物質的含量是非供暖其大氣沉降中重金屬物質含量的1.8倍。與此同時，大氣沉降中重金屬物質的含量不僅與煤炭燃燒活動有關，還與工業(yè)生產活動具有密切關系。例如，強烈的西北風將內陸地區(qū)氣溶膠顆粒帶入青島市，進一步加重青島市重金屬物質對大氣環(huán)境的污染；東莞市擁有我國最大的火電廠群，該地擁有眾多印染企業(yè)和造紙企業(yè)，每年需要消耗大量煤炭資源，該地區(qū)冬季少雨，導致大氣沉降中重金屬物質含量較高；浦口是南京市的重要工業(yè)園區(qū)，擁有眾多工廠，重金屬排放量高，因此該地冬夏兩季大氣沉降中重金屬物質含量沒有明顯差異[6]。

3 大氣沉降對土壤和作物重金屬富集的影響

3.1 大氣沉降對土壤重金屬富集的影響

相關資料顯示，近地表大氣沉降中重金屬含量逐年上漲，成為區(qū)域土壤重金屬污染的主要來源。有研究學者表示，城市與工廠周邊地區(qū)重金屬大氣沉降通量、重金屬污染程度與表層土壤重金屬含量之間具有密不可分的關系，大氣中重金屬沉降通量與重金屬污染程度越高，土壤中重金屬含量也就越高。近年來，國內外不少專家學者均針對農田土壤重金屬污染物來源以及重金屬輸入通量進行調查，從中發(fā)現(xiàn)：歐美國家農田土壤形成重金屬積累現(xiàn)象主要源于農藥、肥料的使用；我國農田土壤形成重金屬積累現(xiàn)象主要源于大氣沉降中重金屬含量超標[7]。

現(xiàn)如今，我國68%的能源物質主要依靠煤炭資源的燃燒。煤炭資源在燃燒過程中向空氣中釋放出大量的鉛（Pb）、砷（As）、汞（Hg），顯著提升大氣中重金屬物質的輸入量，在大氣沉降作用下，增加農田土壤中鉛（Pb）、砷（As）、汞（Hg）的積累量。松嫩平原作為我國糧食主產區(qū)之一，在我國糧食生產中占據不容忽視的地位。有研究人員曾對松嫩平原的土壤進行檢測，發(fā)現(xiàn)鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）通過大氣沉降進入土壤中，形成重金屬富集現(xiàn)象[8]。目前，大氣沉降現(xiàn)象已經成為松嫩平原土壤重金屬污染的主要來源。

3.2 大氣沉降對作物重金屬富集的影響

通過實踐調查得知，大氣沉降現(xiàn)象能夠直接或間接地影響農作物的生長，在農作物體內形成重金屬富集現(xiàn)象。大氣中的重金屬物質，隨著大氣沉降作用，將重金屬物質輸入土壤中，對土壤造成重金屬污染。土壤作為農作物的重要生長條件，被污染的土壤將重金屬物質輸入植物體內，農作物會出現(xiàn)重金屬積累現(xiàn)象。因此，城鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)及其周邊地區(qū)所種植的農產品的重金屬含量往往較高。土壤是一個復雜的有機體，其質地、陽離子交換、有機質含量、根系分泌物和pH值等因素均會影響農作物對重金屬的吸收量，導致某種狀態(tài)下“土壤-作物”重金屬積累無法形成明顯的線性關系。

為進一步了解大氣沉降現(xiàn)象對作物積累重金屬的影響，研究人員特運用透射鏡觀測方法和掃描電鏡觀測方法，從植物組織水平和植物亞細胞水平入手，對重金屬物質在植物中的積累量進行定量分析和定性分析。通過對農作物亞細胞中重金屬物質分布情況進行觀察，發(fā)現(xiàn)重金屬物質進入農作物體內后，通常會聚集到農作物的液泡或細胞壁中，高活性的細胞器往往不會出現(xiàn)重金屬物質積累現(xiàn)象。原因是細胞壁中的半纖維素和果膠能夠與重金屬物質絡合，有效提升農作物對重金屬物質的耐受性，使農作物在重金屬濃度較低時依然能夠完成細胞的正常代謝活動。

4 結論

農田生態(tài)系統(tǒng)具有較強的復雜性與開放性，大氣沉降現(xiàn)象會將大量重金屬聚集在土壤和作物中，嚴重降低土壤質量和農作物質量，制約農產業(yè)的發(fā)展，影響人們的生命健康，與可持續(xù)發(fā)展理念相違背。