應用地質累積指數評價鞍山市秋季PM2.5中元素的污染狀況

李金

鞍山市環境監測中心站，遼寧 鞍山 114001

?

應用地質累積指數評價鞍山市秋季PM2.5中元素的污染狀況

李金

鞍山市環境監測中心站，遼寧 鞍山 114001

2014年秋季對鞍山市區6個監測點分別進行了PM2.5樣品采集，用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)及電感耦合等離子原子發射光譜法(ICP-OES)分析PM2.5中Na、K、Cd、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Pb、Al、Mg、Ca、Fe、Ba、As等16種元素的濃度，通過地質累積指數、相關分析方法分析了鞍山市秋季PM2.5中16種元素的污染狀況。結果表明：鞍山市秋季PM2.5中Pb、Cd、C、As 4種元素在各監測點間最大值與最小值之比大于2，差別較大，其中As元素在監測點間最大值與最小值之比達12.19；Na、K、V、Mn、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Ba 12種元素最大值與最小值之比小于2，差別較小。地質累積指數結果顯示：Cd、Zn、Pb、As元素處于嚴重污染，其污染主要來源于鋼鐵冶煉、煤質燃燒和汽車尾氣及輪胎磨損。相關性分析結果顯示：Cd與Zn、Pb、Cu來自同一污染源。

PM2.5；地質累積指數；鞍山市；元素分布

PM2.5(細顆粒物)指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物。其能較長時間懸浮于空氣中，且濃度越高空氣污染越嚴重；雖然PM2.5在地球大氣成分中濃度很小，但對空氣質量和能見度等有重要的影響。PM2.5具有粒徑小、面積大、活性強、易附帶有毒有害物(如重金屬、微生物等)，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠等特征，對人體健康和大氣環境質量的影響較大。

鞍山市位于遼寧省遼東半島中部，是中國較大的鋼鐵工業生產基地，同時也是以煤為主要能源的重工業、揚塵-煤煙型污染城市。隨著社會經濟的發展、人口的增加及工業化和城市化進程的推進，城市煤及其他能源的消耗量仍在增加[1]。據2015年鞍山市環境質量報告書統計顯示：2015年鞍山市區環境空氣質量優良天數為233 d；非采暖期首要污染物以PM2.5、O3為主；采暖期首要污染物以PM2.5為主。

目前，針對PM2.5的研究主要有空氣質量指數(AQI)法、富集因子分析法和化學質量平衡法等。筆者以2014年10月鞍山市6個典型環境空氣監測點中PM2.5為研究對象，用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)及電感耦合等離子原子發射光譜法(ICP-OES)分析PM2.5中16種元素的濃度水平，并用地質累積指數對其污染狀況進行評價，以期為治理鞍山市大氣顆粒物污染提供指導，為城市環境空氣質量改善措施的制定提供科學依據。

1 評價方法

地質累積指數(Igeo)是20世紀60年代后期在歐洲發展起來的廣泛用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標。目前已被應用于土壤中元素的污染評價，道路揚塵重金屬污染研究以及顆粒物中元素的污染分析[2]。

地質累積指數通常稱為Müller指數[3-4]，其不僅考慮了自然地質過程造成的背景值的影響，而且充分注意了人為活動對重金屬污染的影響。因此，該指數不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，還可以判別人為活動對環境的影響，是區分人為活動影響的重要參數。地質累積指數的計算式為：

Igeo=log2(CnkBn)

(1)

式中：Cn為元素n在PM2.5中的濃度，mgkg；Bn為沉積物或土壤中該元素的背景值，mgkg；k為考慮各地巖石差異可能會引起背景值變動的調整系數(一般取值為1.5)。

在地質累積指數研究中，通常采用Müller分級標準[5]，共分為0～6級，表示污染程度由無污染至嚴重污染；最高級(6級)的元素濃度可能是地球化學背景值的幾百倍[6]。地質累積指數與污染程度分級見表1[7]。

表1 地質累積指數與污染程度分級[7]Table 1 The geoaccumulation index and the corresponding contamination degree

2 樣品采集和分析

2.1 樣品采集

鞍山市地處中緯度的松遼平原的東南部邊緣，屬于暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明。鞍山市秋季天高氣爽，雨量驟減，氣溫急降。根據鞍山市氣象條件、地勢及污染源(被四大露天開采礦區所包圍)特點，選取6個常規監測點(明達新區、太陽城、鐵西三道街、鞍鋼、太平、高新)進行采樣監測(圖1)。所選監測點位于鞍山市城區，遠離交通，涵蓋鞍山市居住區、工業區，是鞍山市環境空氣自動監測子站監測點位，可代表鞍山市區環境空氣質量現狀。采樣儀器為青島恒遠公司生產的中流量顆粒物采樣器，用聚丙烯濾膜采集環境空氣中PM2.5樣品；采樣時間為2014年10月13—25日，每天連續24 h監測采樣，14 d共采集84個樣品。

監測點：1—明達新區；2—太陽城；3—鐵西三道街；4—鞍鋼；5—太平；6—高新。圖1 常規監測點Fig.1 Conventional monitoring points

2.2 樣品分析

使用美國Agilent公司的Agilent 7500a型ICP-MS分析Na、K、Cd、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Pb、As 11種元素：前處理用熱酸提取樣品，利用霧化器將待分析樣品溶液霧化處理，經由去溶劑、分解、原子化離子化等反應，用四級桿質量分析儀將各特定質荷比分離，進行元素的定性及定量測定。用ICP-OES測定Al、Mg、Ca、Fe、Ba 5種元素：樣品進行前處理，經低溫碳化、灰化后進行霧化處理，將所形成含待測分析元素的樣品送至等離子炬管中，進行元素的定性及定量分析。

3 結果與分析

3.1 PM2.5中元素濃度分析

監測期鞍山市6個監測點PM2.5中各元素濃度見表2。從表2可以看出，6個監測點PM2.5中Na、K、V、Mn、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Ba元素各監測點間變化不大，最大值與最小值的比為1.32～1.69；Pb、Cd、Cr元素監測點間變化較大，最大值與最小值的比為2.17～3.22；As元素各監測點間變化較為特別，監測點6(高新)濃度最大，監測點3(鐵西三道街)濃度最小，其他監測點之間變化不大。K、Al、Ca、Fe 4種元素濃度較高，各點位最大值與最小值的比均在1以上。其中，監測點1(明達新區)的Fe、Mg元素濃度最大，監測點5(太平)的K、Na、Zn元素濃度最大，監測點6的Al、Pb、As元素濃度最大，監測點2(太陽城)的Ca元素濃度最大。各監測點Cd、V、Cr、Ni、Cu、Ba元素濃度相對較小。

表2 鞍山市6個監測點PM2.5中各元素濃度Table 2 The mass percent of elements in PM2.5 in Anshan

監測點：1—明達新區；2—太陽城；3—鐵西三道街；4—鞍鋼；5—太平；6—高新。

注：各監測點數據為2014年10月13—25日各監測點連續14 d監測數據的平均值。

從表2可以看出，Cd、Cr、Pb、As 4種元素在各監測點間變化較大，其中，As元素最大與最小值比達12.19，其與鞍山市工業生產煤炭消耗量大，污染源分布復雜，秋季供暖燃煤、燃油開始增多有直接關系。Na、V、Mn、Ni、Cu、Zn、Mg、Ba元素各點位間元素濃度變化較小，其與鞍山市是以鋼鐵冶煉為支柱產業有關：鞍鋼主廠區占城市規模的50%以上，建城區周邊被露天礦區包圍，監測點6以北有齊大山礦區，以南有大孤山礦區；監測點2西南方向有東鞍山礦區；監測點1位于東鞍山礦區與大孤山礦區之間。同時由于近幾年城市汽車占有量的增加，機動車尾氣排放量加大對各元素濃度也有一定影響[8]。

3.2 地質累積指數評價

在應用地質累積指數法評價重金屬污染時，應選擇與沉積物有顯著聯系的地球化學背景值，由此而進行的污染狀況分析才更能反映實時污染程度[9]。為此，研究選取遼寧省A層土壤(0～20 cm表層土)各元素中位值，作為該次樣品分析的污染元素背景值[10](表3)。

根據表2和表3數據利用式(1)對鞍山市PM2.5中載帶元素的地質累積指數進行計算，其結果及污染級別見表4。

表3 元素的地球化學背景值[10]Table 3 The background values of elements

表4 鞍山市6個監測點PM2.5中元素的地質累積指數及污染級別Table 4 Geoaccumulation index and pollution level of elements in PM2.5 of all monitoring points in Anshan City

監測點：1—明達新區；2—太陽城；3—鐵西三道街；4—鞍鋼；5—太平；6—高新。

有研究表明，Cd元素主要來源為鋼鐵冶煉等的金屬冶煉活動產生的冶煉塵，As是典型的燃煤元素[11-12]；Zn、Ni元素主要來源為燃煤塵以及垃圾廢棄物燃燒排放[13-14]；汽車尾氣和輪胎磨損主要排放Zn、Cr、Ni、Cu、Cd[15]；Pb元素在PM2.5中來源廣泛，其中機動車尾氣排放與燃煤排放是其主要的2種來源方式[16]。從表4可以看出：1)鞍山市6個監測點的Cd、Zn、Pb元素地質累積指數為5.108 9～8.218 1，屬于嚴重污染；As元素地質累積指數為2.575 3～6.185 8，屬于中度污染～嚴重污染，包含了4個污染級別；Cu元素地質累積指數為1.812 4～ 2.372 2，屬于偏中度污染～中度污染；Na、Al、Fe、Cr、Mn、Ni、Mg、Ca、Ba、K、V元素的地質累積指數小于0，屬于無污染級別。2)監測點1和4的Cd、Zn、Pb為嚴重污染，As為偏重度污染，Cu為偏中度污染；監測點6的Cd、Zn、Pb、As為嚴重污染，Cu為中度污染，Cr為輕度污染；監測點3的Cd、Zn、Pb為嚴重污染，As為中度污染，Cu為偏中度污染；監測點2的Cd、Zn、Pb為嚴重污染，As為重度污染，Ca為輕度污染；監測點5的Cd、Zn、Pb為嚴重污染，As為重度污染，Cu為中度污染，Ni、Ca為輕度污染。3)鞍山市6個監測點同種元素的地質累積指數變化較小，污染級別比較相近，不同元素在各點位間的地質累積指數變化較大，污染級別處于輕度污染～嚴重污染。鞍山市秋季PM2.5中Cd元素地質累積指數最大，污染最為嚴重。

利用地質累積指數對鞍山市PM2.5中載帶元素計算結果表明，Pb、Cd、Zn、As等元素污染嚴重，其與鞍山市的污染源分布情況及地理特征、氣候特點比較符合，說明地質累積指數可較直觀地體現鞍山市城市環境空氣質量狀況。

3.3 相關性分析

利用SPSS 20.0統計分析軟件對鞍山市秋季PM2.5中元素的濃度進行Spearman相關性分析(表5)，進一步驗證鞍山市PM2.5中污染元素的主要來源。由表5可以看出，PM2.5中Cd、Zn、Pb、Cu、Ni、Ca、As元素間相關系數為0.086～0.943。

表5 鞍山市夏季PM2.5中中度污染及以上 元素的Spearman相關系數Table 5 The Spearman correlationships of Moderately contaminated elements and above in PM2.5 in Anshan during autumn

注：*代表置信度(雙測)為0.05時，相關性顯著；**代表置信度(雙測)為0.01時，相關性顯著。

Cd與Zn、Pb和Cu的相關系數分別是0.600、0.886和0.829，Zn與Ni和Cu的相關系數為0.943和0.829，Pb與As和Cu的相關系數為0.600和0.714，As與Ca的相關系數為0.943，Ni與Ca和Cu的相關系數為0.714，都存在明顯的相關性。通過分析可以推斷，Cd與Zn、Pb、Cu 4種元素很可能來自同一污染源，主要來源可能是鋼鐵冶煉過程中產生的冶煉塵及燃煤過程中產生的燃煤塵；Zn、Ni、As的來源不僅是燃煤塵，汽車尾氣排放及輪胎磨損過程也會有所貢獻。Ca元素與Cd、Zn、Pb、Cu元素相關性不顯著，但與Ni、As元素相關性顯著，可以推測Ca來源可能為二次揚塵或建筑水泥塵。

4 結論

(1)鞍山市秋季PM2.5載帶元素以Al、Ca、Fe、K等為主。Na、K、V、Mn、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Ba 12種元素各監測點間最大值與最小值的比差異較小；Pb、Cd、Cr、As 4種元素各監測點間最大值與最小值的比差異較大；As元素最大值與最小值的比差異最大，為12.19。

(2)鞍山市秋季PM2.5中Cd、Zn、Pb 3種元素處于嚴重污染級別，其中，Cd元素地質累積指數值最大，污染最為嚴重；Na和Al元素處于中度污染級別；As元素在各監測點間污染級別變化較大，處于中度污染到嚴重污染；其他元素污染級別較接近，污染級別相對較低。

(3)鞍山市秋季各監測點PM2.5中，單一元素污染級別基本一致，同監測點不同元素污染級別相差較大。說明鞍山市作為以鋼鐵為經濟支柱的城市，相應的鋼鐵冶煉活動也帶動了交通運輸的發展和燃煤活動的增加，其礦山開采、金屬冶煉過程產生的主要元素污染物對鞍山市區環境空氣質量帶來的巨大影響，需引起一定重視。

(4)鞍山市秋季PM2.5各元素相關性分析結果顯示：Cr與Zn、Pb、Cu存在顯著的相關性，4種元素極有可能與鋼鐵冶煉過程中產生的冶煉塵及燃煤過程中產生的燃煤塵有關；Ca與Cd、Zn、Pb、Cu元素的相關性不顯著，與Ni和As有顯著相關性，其可能是由城市揚塵或建筑水泥塵產生。

[1] 張江華,趙阿寧,王仲復,等.內梅羅指數和地質累積指數在土壤重金屬評價中的差異探討[J].環保與分析,2010(8):45-46.

[2] 姬亞芹,朱坦,馮銀廠,等.應用地質積累指數分析城市顆粒物源解析土壤風沙塵的污染[J].農業環境科學學報,2006,26(4):949-953. JI Y Q,ZHU T,FENG Y C,et al.Pollution analysis of soil dusts of source apportionment using geoaccumulation index(Igeo)in China[J].Journal of Agro-Environment Science,2006,26(4):949-953.

[3] MüLLER G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geojournal,1969(2):108-118.

[4] FORSTNER U,MULLER G.Concentrations of heavy metals and polycyclic aromatic hycarbons in river sediments：geochemical background,mankg influence and environmental impact[J].Geojournal,1981(5):417-432.

[5] MüLLER G.Die schwermetallbelastung der sedimente desneckars undseiner nebenflusse:eine bestandsaugnahme[J].Chemiker Zeitung,1981,105(6):157-164.

[6] LOSKA K,CEBULA J,PELCZAR J,et al.Use of enrichment,and contamination factors together with geoaccumulation indexes to evaluate the content of Cd,Cu,and Ni in the Rybnik Water Reservoir in Poland[J].Water Air and Soil Pollution,1997,93(1234):347-365.

[7] 劉海婷,于瑞蓮,胡恭任,等.泉州市街道灰塵重金屬污染評價[J].礦物巖石,2010,30(3):116-120. LIU H T,YU R L,HU G R,et al.Assessment of pollution by heavy metal street dust in the Quanzhou city[J].Journal of Mineral Petrol,2010,30(3):116-120.

[8] 焦姣,張雷波,姬亞芹.應用地質累積指數評價撫順市PM2.5中元素的污染[J].環境污染與防治,2012,6(6):66-70. JIAO J,ZHANG L B,JI Y Q.Applying the geoaccumulation index to evaluate element pollution of PM2.5in Fushun[J].Environmental Pollution & Control,2012,6(6):66-70.

[9] 劉敬勇,常向陽,涂湘林,等.廣東某硫酸廢渣堆渣場周圍土壤鉈污染的地累積指數評價[J].土壤通報,2010,41(5):1231-1232. LIU J Y,CHANG X Y,TU X L,et al.Applying the index geoaccumulation to assessment of soil thallium pollution in soil around a thallium-containing slag pile site near a sulphuric acid plant in Guangdong province[J].Chinese Journal of Soil Science,2010,41(5):1231-1232.

[10] 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.

[11] 李友平,劉慧芳,周洪,等.成都市PM2.5中有毒重金屬污染特征及健康風險評價[J].中國環境科學,2015,35(7):2225-2232. LI Y P,LIU H F,ZHOU H,et al.Contamination characteristics and health risk assessment of toxic heavy metals in PM2.5in Chengdu[J].China Environmental Science,2015,35(7):2225-2232.

[12] 王晴晴,譚吉華,馬永亮,等.佛山市冬季PM2.5中重金屬元素的污染特征[J].中國環境科學.2012,32(8):1384-1391. WANG Q Q,TAN J H,MA Y L,et al.Characteristics of heavy metals in PM2.5during winter in Foshan city[J].China Environmental Science,2012,32(8):1384-1391.

[13] 郭璇華,高瑞英,黃瑞毅,等.大氣顆粒物中無機元素特性的研究[J].環境科學與技術,2006,29(6):49-51. GUO X H,GAO R Y,HUANG R Y,et al.Investigating properties of inorganic elements in atmospheric aerosols by ICP-MS[J].Environmental Science & Technology,2006,29(6):49-51.

[14] TIAN H Z,LU L,CHENG K,et al.Anthropogenic atmospheric nickel emissions and its distribution characteristics in China[J].Science of the Total Environment,2012,417:148-157.

[15] HUANG S,TU J,LIU H,et al.Multivariate analysis of trace element concentrations in atmospheric deposition in the Yangtze River Delta,East China[J].Atmospheric Environment,2009,43(36):5781-5790.

[16] 余家燕,劉芮伶,翟崇治,等.重慶城區PM2.5中金屬濃度及其來源[J].中國環境監測,2014,30(3):37-42. YU J Y,LIU R L,ZHAI C Z,et al.Automated multi-metals monitor PM2.5metalssource analysis[J].Environmental Monitoring in China,2014,30(3):37-42. ○

Applying of geoaccumulation index to evaluate elements pollution in PM2.5in Anshan during autumn

LI Jin

Anshan Environmental Monitoring Center, Anshan 114004, China

The PM2.5samples were collected at 6 monitoring sites in Anshan during autumn in 2014. The concentrations of 16 elements (Na, K, Cd, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Pb, Al, Mg, Ca, Fe, Ba, As) in the samples were determined by ICP-OES and ICP-MS methods. The pollution status of the 16 elements was studied by Geoaccumulation Index and correlation analysis. The results showed that through the comparison of concentrations of elements from PM2.5samples at different monitoring sites, the ratios of maximum to minimum values for Pb, Cd, C, As in PM2.5were more than 2, the difference was greater, and especially the ration for As was up to 12.19. The ratios of maximum to minimum values for Na, K, V, Mn, Ni, Cu, Zn, Al, Mg, Ca, Fe, Ba were less than 2, exhibiting smaller difference. The results of Geoaccumulation Index indicated that the elements of Cd, Zn, Pb, As, mainly from iron and steel smelting, vehicles and tire-wear, were extremely contaminated. The relevance results showed that Cd,Zn,Pb,Cu might be from the same types of sources.

PM2.5; geoaccumulation index; Anshan; element distribution

2016-05-20

李金(1984—)，男，工程師，碩士，主要從事環境監測研究，87212408@qq.com

X701

1674-991X(2017)01-0046-06

10.3969j.issn.1674-991X.2017.01.007

李金.應用地質累積指數評價鞍山市秋季PM2.5中元素的污染狀況[J].環境工程技術學報,2017,7(1):46-51.

LI J.Applying of geoaccumulation index to evaluate elements pollution in PM2.5in Anshan during autumn[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(1):46-51.