蚌埠市地表灰塵重金屬污染特征及潛在生態風險

朱蘭保，盛 蒂，戚曉明，趙曉芳

（蚌埠學院 化學與環境工程系，安徽 蚌埠233030）

地表灰塵主要是指附著、淀積于人工鋪地（道路、橋面、街道、廣場）及地面附著物、建筑物的裸露面上，未被固化黏結，且易于被地表徑流、雨水及大氣帶動、運移和飄浮的粒徑小于20目（＜0.840mm）的固體顆粒物［1］。由于人類活動的影響，地表灰塵中累積了大量有毒有害物質，如重金屬、多環芳烴、多氯聯苯等［2－3］。重金屬元素的難降解性和持久性，使其成為危害環境系統和人類健康的重要環境污染物之一［4］。隨著人們對城市環境質量及身體健康關注度的提高，地表灰塵重金屬污染逐漸成為國內外研究的熱點問題。相關研究人員對城市地表灰塵重金屬污染物的含量、來源、健康風險及其環境效應進行了較為廣泛的研究［5－6］，暴露風險評價［7］、潛在生態危害評價［8］、內梅羅綜合污染指數評價［9］、地累積指數評價［10］等都得到了普遍的應用，對于城市地表灰塵中重金屬的分布特征、賦存形態、粒徑效應以及來源和影響因素的研究［11－12］也取得了一定的進展。國內外的研究結果表明，交通、工業以及城市建設等人類活動對城市灰塵中重金屬的含量影響很大，灰塵中的重金屬可通過呼吸、吞食和皮膚接觸等途徑進入人體，對人體特別是兒童健康造成危害。兒童血鉛含量高對其智力、感覺系統發育和學習成績的影響存在“劑量—效應”關系［13］。其他重金屬元素如Zn，Cu，Cd等，過度暴露同樣會阻礙兒童和成人對事物的認知、導致輕度癡呆等中樞神經系統紊亂等癥狀。相比國外而言，中國對城市地表灰塵重金屬的研究起步較晚，且大部分的研究都針對上海、北京、沈陽、重慶等大城市，而關于蚌埠地區的研究還是空白。本文分析了蚌埠市地表灰塵中Zn，Cu，Pb，Cd和Mn等5種重金屬元素的含量水平和分布特征，并用地累積指數法和潛在生態危害指數法對其污染狀況和潛在生態危害程度進行了評價，為從源頭上有效控制城市徑流污染具有指導性意義，也為當地居民健康防護、生態城市建設規劃與環境管理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

蚌埠市位于安徽省北部，轄6區3縣，是皖北中心城市。市區位于北緯33°01′—32°49′和東經117°31′—117°11′，占地面積610.55km2，2012年全市常住人口110.2萬人。屬亞熱帶季風氣候和溫帶季風氣候的交界地帶，雨量充沛，四季分明。蚌埠市是安徽省重要的綜合性工業基地，擁有機械、化工、醫藥、電子、建材等行業齊備的工業體系。

1.2 樣品采集與預處理

2012年10月，分別在蚌埠市區的文教區、居民區、商業區、公園綠地區、工業區、交通區6個功能區，每個功能區布設3～5個采樣站點，每個采樣站點采集3個平行樣品，每個樣品50g左右，并充分混合代表該站點樣品，共計采集了21個地表灰塵樣品。采樣時，天氣晴朗保持在1周以上，用聚乙烯細毛刷和塑料鏟子清掃收集地面灰塵樣品，將所采集的樣品裝入聚乙烯塑料自封袋中密封保存，在自封袋上記下采樣時間、地點標號，并記錄周圍的環境狀況。將所采集的樣品帶回實驗室，攤平在干凈的塑料薄膜上，置于陰涼處、室溫自然風干，樣品風干后用瑪瑙研缽研磨，過100目尼龍篩，備用。

1.3 樣品分析與質量控制

樣品經 HNO3—HF—HClO4消解［14］處理后，采用電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICP—AES）測定其Zn，Cu，Pb，Cd，Mn的質量濃度。重金屬含量測定均由空白樣和加標回收樣進行質量控制，隨機抽取3份樣品進行高、中、低含量的加標回收試驗，加標回收率均在90%～106%；隨機抽取3份樣品分別進行6份平行樣的測定，其相對標準偏差均＜5%。實驗所使用的試劑均為優級純，用水均為超純水，所用的器皿均在10%的硝酸中浸泡24h以上。

1.4 地累積指數重金屬污染評價方法

采用地累積指數（Igeo）法［15］對蚌埠市地表灰塵重金屬污染程度進行評價。地累積指數是德國海德堡大學沉積物研究所的Muller提出的一種研究水環境沉積物中重金屬污染的指標，目前也應用于城市地表灰塵重金屬污染的研究［10］。Igeo的計算式為：

式 中：Cn——樣 品 重 金 屬 含 量 實 測 值 （mg／kg）；Bn——元素背景值（mg／kg），本研究選擇安徽省土壤環境背景值［16］作為參比值；k——修正系數（取值為1.5），以考慮成巖作用可能會引起背景值的變動。地累積指數與重金屬污染程度分級的關系見參考文獻［10］。

1.5 潛在生態危害指數評價方法

潛在生態危害指數（RI）［17］評價方法是瑞典科學家Hakanson于1980年建立的一套應用沉積學原理評價重金屬污染及生態危害的方法。該方法的優勢在于從重金屬的生物毒性角度出發，能夠反映多種污染物的綜合影響，并以定量的方式劃分出潛在生態危害程度。計算方法如下：

2 結果與討論

2.1 地表灰塵中不同重金屬元素含量分析

從表1可知，蚌埠市地表灰塵中Zn，Cu，Pb，Cd，Mn這5種重金屬含量的平均值分別為254.29，85.64，72.39，2.31和535.86mg／kg。與安徽省土壤元素背景值相比，蚌埠市地表灰塵中5種重金屬元素平均含量均超出背景值，Cd平均含量是背景值的23.8倍；Cu為背景值的4.2倍；Zn為背景值的4.1倍；Pb為背景值的2.7倍；Mn與背景值相當。從樣品的重金屬含量超標率來看，除Mn元素的超標率為66.67%以外，其他4種重金屬元素超標率均為100%，表明蚌埠市地表灰塵重金屬污染已相當嚴重。

通過計算變異系數［19］可知，蚌埠市地表灰塵中重金屬Pb，Cd，Cu，Mn，Zn元素的變異系數依次為：43.47%，38.98%，30.15%，20.27%，19.05%，Pb，Cd，Cu屬于強變異，Mn，Zn為中等變異。說明蚌埠市地表灰塵中重金屬含量的空間分布差異較大，來源受外界干擾明顯。

表1 蚌埠市地表灰塵重金屬含量范圍和平均值

2.2 蚌埠市地表灰塵重金屬相關性分析

地表灰塵中的重金屬主要來源于土壤母質、大氣沉降等自然源，汽車尾氣、輪胎磨損及工業排污等人為源?；覊m又極易被揚起，所以其分布與它的擴散源關系密切。研究城市灰塵中重金屬含量的相關性，有利于推測其來源是否相同。一般情況下，如果重金屬含量有顯著的相關性，那么它們出自同一污染源的可能性較大，否則來源可能不止一個。在自然環境中，單個重金屬污染雖有發生，但更多的是幾種金屬元素的復合污染。為探討蚌埠市地表灰塵中重金屬的主要來源，利用SPSS 16.0軟件對灰塵中各重金屬含量作了Pearson相關系數分析，結果如表2所示。

表2 蚌埠市重金屬含量之間的相關性

由表2可知，Zn和Pb，Zn和Cu的相關系數分別為0.728和0.659，它們之間存在極顯著的相關性，而且Cu，Zn，Pb三者在地表灰塵中的含量均超出安徽省土壤環境背景值，分別為背景值的4.2，4.1，2.7倍，表現出較高的一致性，說明它們三者來自相同污染源的概率較大；Cu和Pb，Cu和 Mn、Cd和 Mn之間相關性較強，說明它們有著相似的污染來源；Cd除與Mn相關外，與其他3種重金屬元素的相關性均不明顯，而且Cd含量為安徽省土壤環境背景值的23.8倍，說明蚌埠市地表灰塵中Cd的來源有一定的獨特性。

2.3 蚌埠市重金屬地積累指數污染評價

蚌埠市各功能區地表灰塵中重金屬元素的地質累積指數見表3。根據地累積指數與污染程度分級關系，從各重金屬元素的Igeo平均值來看，地表灰塵中重金屬元素存在不同程度的污染。Cd元素的地積累指數最大，平均值為3.85，為偏重污染，其中Cd在交通區為重污染；Zn和Cu次之，地積累指數平均值分別為1.46和1.45，均為偏中度污染，其中Cu在公園綠地為輕度污染；再次是Pb元素，地積累指數平均值為0.87，屬于輕度污染，其中Pb在工業區為偏中度污染；Mn元素的地累積指數最小，平均值為負0.59，在所有功能區Igeo值都小于0，沒有引起污染，處于清潔水平。

從各功能區的Igeo平均值來看，本文所研究的6個功能區均屬于偏中度污染，但地累積指數從大到小依次為：工業區＞商業區＞交通區＞文教區＞居民區＞公園綠地；工業區、商業區和交通區污染程度相對較為嚴重，文教區和居民區居中，公園綠地相對較輕。

表3 蚌埠市地表灰塵中重金屬的地累積指數Igeo

2.4 蚌埠市重金屬潛在生態危害評價

2.4.1 潛在生態危害水平 根據公式（2）—（4），計算出蚌埠市地表灰塵在所有采樣點中單個重金屬的潛在生態危害指數（）及5種重金屬的綜合潛在生態危害指數（RI）（見表4）。

表4 蚌埠市地表灰塵重金屬潛在生態風險程度

從表4可知，蚌埠市地表灰塵中單個重金屬在研究區域上的潛在生態危害指數（）大小順序為：Cd（714.43）＞Cu（20.99）＞Pb（13.61）＞Zn（4.10）＞Mn（1.01）。Cd元素的潛在危害指數（）最高，平均值高達714.43，而且其在所有采樣點均超出強生態危害水平，這與Cd污染較重以及Cd的毒性系數較大有關。重金屬Zn，Cu，Pb，Mn單一污染程度較低，在所有采樣點均屬于輕微生態危害。5種重金屬的綜合潛在生態危害指數（RI）平均值為754.14，表明蚌埠市地表灰塵處于很強生態危害水平。

2.4.2 重金屬潛在生態危害空間分布 為了解蚌埠市地表灰塵重金屬污染程度的空間分布情況，根據各功能區地表灰塵中重金屬元素含量的平均值，計算了不同功能區地表灰塵各重金屬的平均潛在生態危害指數，結果如表5所示。

表5 蚌埠市不同功能區地表灰塵各重金屬的平均潛在生態危害指數

從表5可以看出，蚌埠市不同功能區的5種重金屬綜合潛在生態危害指數（RI）值依次為：交通區（1 107.49）＞商業區（732.09）＞居民區（731.26）＞工業區（711.71）＞文教區（555.52）＞公園綠地區（457.76）。對比評價標準可知，交通區、商業區、居民區和工業區屬于很強生態危害程度，文教區和公園綠地區處于強生態危害水平。對不同功能區中各種重金屬含量分析可知，文教區中安徽財大西校地表灰塵中各種重金屬含量最高，蚌埠醫學院灰塵各重金屬含量均比安徽財經大學東校區高。這與安徽財經大學西校區地處蚌埠市老城區，人口和機動車流動量大有關；蚌埠醫學院和安徽財大東校雖然都位于蚌埠市大學城新區，但蚌埠醫學院緊鄰蚌埠火車南站，各種污染因子出現的幾率相對較高。居民區中和順家園地表灰塵中重金屬含量均比其他居民區大，這與它的地理位置有很大的關系，和順家園小區處于商業地段，而且在所調查的小區當中是建成時間最早、居住人口最多的小區，導致重金屬富集明顯。商業區中寶龍廣場地表灰塵重金屬含量除Cd，Mn外，Zn，Cu，Pb含量明顯低于百貨大樓和光彩大市場，可能是與這3個商業街中寶龍廣場位于新城區、建成時間最短，人口流動量較小，而百貨大樓位于老城區，光彩大市場人口、機動車流動量大有關。公園綠地中南山兒童公園中重金屬Zn，Cu，Pb含量高于其他公園，Cd，Mn的含量介于張公山公園和龍子湖公園之間。工業區地表灰塵中Zn，Pb最高含量出現在電力總公司，Cu，Cd，Mn最高含量出現在晶菱機床有限公司，豐原集團除Mn外，其他各重金屬含量最低。交通區地表灰塵中Zn，Pb最高含量在勝利路，Cu，Cd最高含量在涂山路，Mn在勝利路和涂山路中富集最多。另外，在去除重金屬Cd以后，本文所研究的6個功能區均表現為輕微生態危害水平。究其原因，這主要是由于蚌埠市地表灰塵中Cd含量嚴重超標所致?？傮w上來說，蚌埠市地表灰塵重金屬的生態環境較好，但存在Cd元素的極強潛在生態危害。

3 結論

（1）蚌埠市地表灰塵中Zn，Cu，Pb，Cd，Mn的平均含量分別是254.29，85.64，72.39，2.31，535.86mg／kg，均超出安徽省土壤背景值。在所有采樣點中除Mn元素的超標率為66.67%外，其他4種重金屬元素超標率均為100%。

（2）地累積指數法評價結果顯示，Cd元素為偏重污染；Zn和Cu均為偏中度污染；Pb屬于輕度污染；Mn處于清潔水平。所研究的6個功能區均屬于偏中度污染。

（3）單個重金屬在研究區域上的潛在生態危害指數（Eir）大小順序為：Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞Mn。Cd元素污染最嚴重，在所有采樣點均超出強生態危害水平，其他4種重金屬元素均屬于輕微生態危害。

（4）蚌埠市不同功能區地表灰塵5種重金屬綜合潛在生態危害指數（RI）依次為：交通區＞商業區＞居民區＞工業區＞文教區＞公園綠地區。交通區、商業區、居民區和工業區屬于很強生態危害程度，文教區和公園綠地區處于強生態危害水平。在去除重金屬Cd以后，6個功能區均表現為輕微生態危害水平。

（5）總體上來說，蚌埠市地表灰塵重金屬的生態環境較好，但存在Cd元素的極強潛在生態危害。

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