宿州市街塵重金屬污染特征、來源及風險評價

許東升，李 琦，黃淑玲

（宿州學院 地球科學與工程學院，安徽 宿州 234000）

宿州市街塵重金屬污染特征、來源及風險評價

許東升，李 琦，黃淑玲

（宿州學院 地球科學與工程學院，安徽 宿州 234000）

以宿州市不同功能區（商業區、工業區、居民區、車站附近、和文教休憩區）的街道路面灰塵為研究對象，利用X-RF熒光光譜對Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V等元素進行了分析，采用主成分分析法探討了重金屬可能的污染源，通過內梅羅污染指數法評價重金屬污染水平.結果顯示，污染可能來自三個方面：Mn和V可能來自當地的土壤，Cu、Pb和Zn來源可能為交通污染，Cr主要來源于工業污染；而評價結果表明，Mn、V在警戒限之內，屬于尚清潔；Cu屬于輕度污染；Pb和Cr屬于中度污染；Zn為重度污染.不同功能區的內梅羅污染指數各不相同，如商業區、工業區和車站附近的Zn、Pb和Cr污染指數較高.

宿州市；街道路面灰塵；重金屬；風險評價

城市街道灰塵是城市環境的重要污染源.它的顆粒物能夠吸附大量的有害物質，在一定的外動力作用下再次揚起，通過呼吸道和皮膚進入人體，從而對人體健康造成嚴重危害.在所富集的眾多污染物中，重金屬由于具有持久性、隱匿性和不可降解性等特點，在城市街道灰塵中的累積具有更為重要的環境指示意義和較大的環境污染危害[1].有關街塵重金屬污染的研究起始于20世紀70年代，Dayetall在《Nature》雜志上首先提出了“城市街道灰塵”的名稱，并進行了街塵中鉛污染的探討[2]，隨后國外學者在城市街塵的積累分布、粒徑效應及其生物有效性等方面開展了一系列的研究工作[3,4].而國內方面的相關研究起步較晚，早期主要關注于街塵重金屬的污染特征及空間分異規律，近年來，許多學者也在街塵重金屬污染來源及風險評價等方面進行了相關探討[5-7]，而有關宿州市街塵污染的研究仍處于空白.

宿州市位于安徽省北部，黃淮平原南端，市區面積2868km2，市區人口170×104.境內平原廣袤，交通便利，是貫通華東、華南、華中、華北地區的重要交通樞紐.近年來，隨著經濟建設和城市化進程的加快，宿州市工業，尤其是煤炭工業發展迅速，而商業、建筑業、交通業也得到了較快發展（據統計，截至到2008年，宿州市轄區內擁有汽車量已增至47025輛），使得城市環境生態環境問題日益凸顯.本文通過對宿州市街塵的采樣分析，首先探討了街塵中重金屬的含量及污染空間分布特征，在此基礎上，結合相關分析和主成分分析方法，對街塵中重金屬元素進行了來源解析，最后，利用內梅羅污染指數法對街塵重金屬污染程度進行了評價，以期為宿州市街塵重金屬污染與環境質量控制提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣品采集和處理

根據宿州市不同功能區劃分，分別選擇城市商業區、工業區、居民區、文教休憩區以及車站附近的主干道路面進行街塵樣品采集，每類功能區設置采樣點4～6個，采樣點布設見圖1.采樣于2011年10月進行，天氣條件為晴朗無風，在每個采樣點采用3～4處地面街塵樣品混合，每處采樣半徑為1m，用塑料刷和塑料簸箕收集.每個樣品重約400g，共采集23個街塵樣品.

樣品使用自封袋密封后帶回實驗室，首先放置室內陰涼處自然風干1～2周，并剔除植物殘余及雜物，經研磨后過100目不銹鋼篩保存待測.

1.2 實驗分析方法

稱取過篩后待測樣品4g，經30t壓力機壓片，在安徽省煤礦勘探工程技術研究中心使用X-RF熒光光譜儀（型號Explorer 9000SDD，美國伊諾斯(Innov-X System)公司）測定樣品中重金屬含量，同時利用國家標樣（GBW07307）進行校準，測試相對標準偏差（RSD）小于10%.

圖1 采樣點布設圖

2 結果與分析

2.1 街塵中重金屬元素的含量

宿州市街塵中重金屬元素含量如表1所示.由表 1 可知，重金屬元素 Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V 的含量范圍分別是 20～52、121～538、38～75、67～221、270～499和52～115mg/kg，平均含量分別為34、206、51、109、381 和 79mg/kg，其中 Cu、Zn、Pb 和 Cr的平均含量均高于安徽省土壤背景值[8]，分別是背景值的1.7、3.3、1.9和1.6倍，而Mn和V的平均含量則低于安徽省土壤背景值.從各元素的變異系數來看，Zn和Cr的空間變異系數分別為45.57%和32.81%，屬于強變異，說明這兩種元素的空間分布及來源受外界干擾明顯；而其它4種元素的變異系數在10%～30%之間，為中等變異強度，反映其受人為活動影響相對較小.另有研究表明[9]，街塵中重金屬含量與城市人口密度和經濟發展程度呈正相關.從表1中也可看出，與經濟發達的大中城市（如：北京[10]、南京[11]、昆明[12]）等相比，宿州市街塵中重金屬含量較低.

表1 宿州市街塵重金屬含量（mg/kg）

2.2 不同功能區街塵重金屬分布特征

將宿州市各不同功能區街塵重金屬的平均含量繪制如圖2所示.由表2可知，各功能區街塵重金屬含量差異明顯，其中Cu在車站附近街塵中含量最高，達47mg/kg，而在居民區街塵中含量最低，僅為24mg/kg；Zn和Pb的含量以商業區為最高，分別為319和66mg/kg，其次為車站附近，為215和54mg/kg，而以居民區和文教休憩區為最低；Cr、Mn和V的含量最高值均出現在工業區，分別為125、453和98mg/kg，而最低值則出現在居民區和車站附近.從總體來看，各功能區街塵重金屬含量分布主要集中在工業活動和交通運輸密集的商業區、工業區和車站附近，而在影響較小的居民區和文教休憩區的相對較低.

圖2 各功能區街塵重金屬含量

2.3 街塵中重金屬污染的來源分析

2.3.1 街塵中重金屬的相關性分析

為了解重金屬元素之間的相互關系，利用SPSS17.0統計分析軟件對街塵中6種重金屬含量進行了相關分析，計算出相應的Pearson相關系數（見表2）.由表2可以看出，Mn和V表現出極顯著的相關性，相關系數為0.891，且它們的平均含量均低于安徽省土壤背景值，說明宿州市街塵中的這兩種重金屬元素具有相似的環境地球化學特性，同源可能性較大；Zn、Cu、Pb三者相關性較為顯著，相關系 數 分 別 為 0.440(Zn-Cu)、0.565(Zn-Pb)、0.615(Cu-Pb)，三者在街塵中的含量均超出安徽省土壤背景值，分別是背景值的3.3、1.7、1.91倍，表現出較高的一致性，說明三者有著相似的污染來源；而Cr和其它元素的相關性均不明顯.

表2 街塵重金屬的相關性分析

2.3.2 街塵中重金屬的來源分析

城市街塵重金屬受人為活動的干擾明顯.為了解宿州市街塵重金屬污染的主要來源，本文在相關性分析的基礎上，對宿州市街塵重金屬進行主成分分析以確定其具體污染源，得出主成分因子載荷矩陣（見表3）.從表3中可以看出，宿州市街塵重金屬污染主要受3個主因子控制，這3個主因子對總方差的貢獻率分別為35.0%，33.3%和17.7%，累積方差貢獻率為86.0%.由表3還可以看出，不同主因子上的系數各不相同，說明它們每組的來源各不相同.PC1中Mn和V的系數較大，說明第一主因子主要反映了Mn和V的來源信息，Mn和V是土壤重要元素，且其含量均低于土壤背景值，因此推測第一主因子的來源解釋為自然源，可能來自于周圍土壤；PC2中Zn、Cu和Pb的系數較大，有研究表明，汽車燃料的燃燒會產生大量的Pb[13]，而汽車潤滑油的使用、金屬部件及輪胎磨損則會導致大量含Cu、Zn的粉塵產生[14]，結合這三種元素的含量高值多出現在人流、車流量多的商業區及車站附近，因此推斷第二主因子代表了交通污染源；PC3中Cr的載荷系數較大，從Cr元素的空間分布來看，以工業區附近為高，如寶龍石化和熱電廠等附近，說明Cr可能來自于工業源，這與KARTAL等人[15,16]的研究報道相吻合.

表3 街塵重金屬的的主成分載荷矩陣

3 街塵重金屬污染風險評價

目前，國內外尚無統一的對于城市街塵中重金屬污染評價的標準和方法，本文采用較成熟的內梅羅指數法對研究區街塵中重金屬污染進行評價.內梅羅指數法不僅考慮了各種影響因子的平均污染狀況，同時又兼顧到污染最嚴重的因子，并且在加權過程中避免了權系數中主觀因素的影響，克服了平均值法各種污染物分擔的缺陷，是應用較多的一種多因子環境指數評價模型[17]，其計算公式為：

式中：Ci為污染物實測值；Si為污染物評價標準，本文選取安徽省土壤背景值[8]為評價標準.內梅羅污染指數評價標準[18]見表4.經計算各功能區街塵重金屬內梅羅污染指數，結果見表5.

表4 內梅羅污染指數評價分級標準

表5 不同功能區重金屬內梅羅污染指數

從表5可以看出，Mn、V的內梅羅污染指數平均值在0.7～1之間，說明Mn、V在警戒限之內，屬于尚清潔；Cu和Cr的內梅羅污染指數平均值在1～2之間，說明街塵中Cu和Cr元素屬于輕度污染；Pb的內梅羅污染指數平均值在2～3之間，說明街塵中Pb元素屬于中度污染；而Zn污染指數平均值大于3，說明宿州市街塵中已受到Zn的重度污染.從表中還可以看出，不同功能區的內梅羅污染指數各不相同，在商業區、工業區和車站附近人為活動比較強烈的地區，如Zn、Pb和Cr污染指數較高，說明這些重金屬元素受人為影響較大.

4 結論

4.1 宿州市街塵中 Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V 的平均含量分別是 34、206、51、109、381、79 mg/kg，其中Cu、Zn、Pb和Cr平均含量高于安徽省土壤背景值，分別是背景值的 1.4、3.3、1.9、1.6倍.各功能區街塵重金屬含量差別較大，街塵中6種重金屬元素中有3種在工業區含量最高，2種在商業區含量最高，居民區有4種元素含量最低.

4.2 對街塵中各重金屬進行了主成分分析，結果顯示，Mn和V可能來自當地的土壤，Zn、Cu和來源可能為交通污染，Cr主要來源于工業污染.

4.3 內梅羅污染指數表明，Mn、V在警戒限內，屬于尚清潔；Cu和Cr屬于輕度污染；Pb屬于中度污染；Zn屬于重度污染.

〔1〕謝宏芳,方鳳滿,王海東.城市街道灰塵重金屬污染研究進展[J].環境污染與防治,2010,32(5):78-81.

〔2〕Day.J.P,Hart.M,Robinson.Lead in urban street dust[J].Nature.1975,253:343-345.

〔3〕SEZGIN N,OZCAN H K,DEMIRG,etal.Determination of heavy metal concentrations in street dusts in Istanbul E-5 highway[J].Environment International,2003,29(7).

〔4〕LI Xiangdong,POON C S,LIU P S.Heavy metal contamination of urban soils and street dusts in Hong Kong[J].Applied Geochemistry,2001,16(11):1361-1368.

〔5〕常靜,劉敏,侯立軍,等.城市地表灰塵的概念、污染特征與環境效應[J].應用生態學報,2008,18(5):1153-1158.

〔6〕張菊,鄧煥廣,陳振樓,等.上海市區街道灰塵重金屬污染研究[J].土壤通報,2007,38(4):727-731.

〔7〕鄭小康,李春暉,黃國和,等.保定城區地表灰塵污染物分布特征及健康風險評價[J].環境科學學報,2009,29(10):2195-2202.

〔8〕中國環境監測總站.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環境科學出版社，1990.330-382.

〔9〕李崇,李法云,等.沈陽市街道灰塵中重金屬的空間分布特征研究[J].生態環境，2008,17(2):560-564.

〔10〕劉春華,岑況.北京市街道灰塵的化學成分及其可能來源[J].環境科學學報,2007,27(7):1181-1188.

〔11〕張云,張宇峰,等,南京不同功能區街道路面積塵重金屬污染評價與源分析[J].環境科學研究,2010,23(11):1376-1381.

〔12〕梁濤,史正濤,等.昆明市街道灰塵重金屬污染及潛在生態風險評價[J].熱帶地理,2011,31(2):164-170.

〔13〕U X,PoonC.Liu P S.Heavymetal contamination ofurban soils and street dusts in Hong Kong[J].Applied Geo-chemistry,2001,16:79-90.

〔14〕陳景輝,盧新衛,翟萌.西安城市路邊土壤重金屬來源與潛在風險 [J].應用生態學報,2011,22(7)：1810-1816.

〔15〕KARTAL S，AYDN Z，TOKALIOGLU S.Multivariate analysis of the data and speciation of heavy metals in street dust samples from theOrganized IndustrialDistrictin Kayseri(Turkey) [J].AtmosEnviron，2006，40:2797-2805.

〔16〕ZHANG M K，WANG H.Concentrations and chemical forms of potentially toxic metals in road-deposited sediments from different zones of Hangzhou，China[J].Journal of Environmental Sciences，2009，21(5):625-631.

〔17〕周國華,劉占元.區域土壤環境地球化學研究[J].物探與化探,2003,27(3):223-226.

〔18〕國家環境保護總局.HJ/T166—2004土壤環境監測技術規范[S].北京中國環境科學出版社，2005.

X522

A

1673-260X（2012）03-0110-04

安徽省高等學校省級自然科學重點項目(KJ2011A261)、宿州學院一般科學研究項目(2011yyb08)、安徽省高等學校省級自然科學一般項目(KJ2012Z398)和安徽省測繪信息實驗中心(教高2008(4)24)聯合資助