西安市汽車站地表灰塵中重金屬的污染評價及其來源識別

田東凡, 盧新衛, 景一鳴, 張 蒙, 羅 潤

(陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710119)

西安市汽車站地表灰塵中重金屬的污染評價及其來源識別

田東凡, 盧新衛, 景一鳴, 張 蒙, 羅 潤

(陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710119)

[目的] 研究西安市長途汽車站地表灰塵中重金屬的主要成分、可能來源及其污染水平,為改善汽車站內及周邊環境現狀提供科學依據。[方法] 利用X-Ray熒光光譜儀對西安市內20個具有代表性的汽車站地表灰塵中Cu,Mn,Ni,Pb,V和Zn的元素含量進行分析,采用地積累指數法及潛在生態風險指數法評價灰塵重金屬的污染水平及環境風險,利用主成分分析。聚類分析等方法來研究城市汽車站地表灰塵中重金屬的主要成分及其可能來源。[結果] Cu,Pb,Zn均在不同程度上超過陜西省土壤背景值,其含量的平均值分別為36.3,107.7,113.5 mg/kg。地積累指數法評價表明,除Pb為中度污染以外,其余元素均為無污染;潛在生態風險指數法表明,西安汽車站地表灰塵中的重金屬元素處于中等污染水平,具有中等潛在生態風險。[結論] Cu,Mn和Ni主要來自于自然源和交通源,Pb和Zn主要來自汽車尾氣的排放及零部件的磨損,V則主要來自于自然源。

汽車站; 地表灰塵; 重金屬; 多元統計分析; 潛在生態風險指數

文獻參數： 田東凡，盧新衛，景一鳴，等.西安市汽車站地表灰塵中重金屬的污染評價及其來源識別[J].水土保持通報，2017,37(1)：034-038.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.006； Tian Dongfan, Lu Xinwei, Jing Yiming, et al. Assessment of heavy metal pollution and source identification in surface dust at urban coach stations in Xi’an City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：034-038.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.006

城市灰塵主要是指附著、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，未被固化粘結，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(<0.840 mm) 的固體顆粒物[1]。灰塵中常常積累了大量對人體有毒有害的物質(如重金屬、多環芳烴等)[2-4]，其在風力、降水、機動車和人群活動等條件影響下，可重新發生移動，也可通過呼吸道直接進入人體內，對生態環境以及居民身體健康造成嚴重危害。

由于汽車的大量普及，城市的大規模發展以及第二產業的飛速發展，產生了一系列有毒有害的污染物，重金屬污染尤為嚴重[5-6]。自1975年Day等[7]開始研究城市灰塵以來，世界各地相繼開展了一系列的城市灰塵污染研究，涉及到灰塵中重金屬的含量、形態、來源及健康風險等內容。重金屬因具有持久性和難降解性，被稱為“化學定時炸彈”[8]。由于其累積效應明顯，重金屬的環境危害較大。

隨著中國城市化水平的不斷提高，城市地表灰塵的來源變得越來越復雜多樣，其主要來源之一即為機動車排放[9]。由此可見交通是城市地表灰塵中重金屬的重要來源，汽車尾氣中含有大量的重金屬，而汽車站是人們密集活動的重要場所之一，因此，汽車站及其周邊的地表灰塵中的重金屬可以對人體健康產生不良影響。目前，中國重金屬的研究多涉及道路街塵[10-11]、工業灰塵[12]、休息娛樂場所灰塵[13]等，但對城市汽車站地表灰塵中重金屬的研究較少。西安市是中國16個特大城市之一，城市發展快，人口密度大，交通流量大，車站數量較多。本文擬選取西安市內20個具有代表性的長途汽車站，采樣并分析其地表灰塵中重金屬Cu,Mn,Ni,Pb,V和Zn的元素含量，利用地積累污染指數法、潛在生態風險指數法對其進行環境風險評價，利用主成分分析、聚類分析等方法研究其地表灰塵中重金屬的主要成分及其可能來源，旨在為改善汽車站內及周邊環境現狀提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

根據西安城市交通區分布和人口流動狀況，在全市范圍內選擇了20個長途汽車站，分別為高陵客運站、藍田縣汽車站、紡織城客運站、臨潼汽車站、閻良長途客運站、周至汽車站、周至尚村客運站、長安區客運站、水司客運站、引鎮客運站、戶縣汽車站、戶縣汽車北站、戶縣汽車南站、威遠客運站、三府灣客運站、城西客運站、城北客運站、城南客運站、西安汽車站、西安長途客運站。在每個汽車站隨機采集3～5個位點的地表灰塵(總量不少于500 g)，采樣在至少連續7 d為晴天后進行，以確保樣品的代表性。利用塑料刷和塑料鏟子采集灰塵，并用聚乙烯塑料袋密封包裝。

將采集好的街塵樣品帶回實驗室，使其在通風、避光、室溫的條件下自然風干1～2周，過10目(2 mm)的尼龍篩，去除砂礫、石子、植物根莖等外來可見雜物，然后將樣品分成2份，其中一份過20目篩子(0.9 mm)后裝袋并做好標記，用于測量基本理化指標；另一份取約10 g，用于測定重金屬的全量。

1.2 樣品分析與質量控制

稱取4 g處理后的樣品，放入磨具內，將其撥平，用硼酸將周圍填滿，使用半自動壓樣機(YYJ-60型，長春光機研究所)于30 t壓力下壓制成以硼酸襯底鑲邊的圓片狀待測物品，用X-Ray熒光光譜儀(PW2403，荷蘭帕納科儀器公司)測定樣品中的Cu,Mn,Ni,Pb,V和Zn的含量。在分析過程中，采用GSS1標準物質進行質量控制，將其誤差控制在5%以內。

1.3 評價方法

目前，國內外尚無統一的城市灰塵重金屬污染風險評價的標準方法，本文采用地積累污染指數法和潛在生態風險指數法對西安汽車站地表灰塵進行污染和生態風險評價，評價指標為Cu,Mn,Ni,Pb,V和Zn。

1.3.1 地積累污染指數法 地積累污染指數法是由德國海德堡大學沉積物研究所的Müller于1969年提出[14]，現廣泛應用于街塵中重金屬含量的評價。其公式為：

IGeo=log2〔Ci/(k×Bi)〕

(1)

式中：IGeo——地積累污染指數；Ci——汽車站地表灰塵中重金屬含量的實測值(mg/kg)；Bi——所測元素的背景值，本文選取陜西省土壤背景值；k——常數，k=1.5。地積累污染指數可劃為7個等級，即：0—6級(表1)[15]。

1.3.2 潛在生態風險指數法 潛在生態風險指數法是由瑞典學者Lars H?kanson在1980年提出，用于評價重金屬污染及生態風險性的一種方法[16]。其計算公式為：

(2)

表1 地積累污染指數分級

(3)

式中:Cd——重金屬污染指數。

(4)

(5)

式中:ER——綜合重金屬元素潛在生態風險系數。

重金屬污染評價指標及其污染程度具體數值如表2所示。

表2 潛在生態風險指數分級

2 結果與分析

2.1 西安市汽車站地表灰塵中重金屬濃度水平

西安市汽車站地表灰塵中重金屬含量測試統計結果見表3。由表3可見，西安汽車站地表灰塵中Cu,Pb,Zn,V,Mn和Ni的平均含量分別為36.3,107.7,113.5,46.8,296.2和23.2 mg/kg。與陜西省土壤背景值相比，Cu,Pb和Zn,的平均含量均超過陜西土壤背景值，而Mn,Ni和V的平均含量均低于陜西土壤背景值。Cu,Pb,Zn和Ni的變異系數(標準差/平均值)較大，表明各汽車站地表灰塵中這4種元素的含量差異大。同時，在所調查的灰塵樣品中，Cu,Pb,Zn和Ni含量超過陜西土壤背景值的樣品分別占到75%,100%,75%和15%。Cu,Pb,Zn這3種元素的平均值分別是陜西省土壤重金屬背景值的1.37,5.03,1.64倍，說明這3種元素在西安汽車站地表灰塵中存在一定程度的積累，其中以Pb的積累最為嚴重。

表3 西安城市汽車站地表灰塵重金屬含量

已有研究表明，福州市公交樞紐站地表灰塵中的重金屬Cu,Pb,Zn,Mn,Ni的含量分別為138.96,112.73,113.4,670.93,23.2 mg/kg，浙江省城市汽車站地表灰塵中重金屬Cu,Pb,Zn，Mn,Ni的含量分別為172.8,287.1,424.0,788,54.4 mg/kg。與福州市相比，Pb和Ni的含量兩者相似，但Cu,Zn,Mn的含量西安市遠低于福州市；與浙江省相比，該5種元素的平均含量西安市均遠低于浙江省。

2.2 西安市汽車站地表灰塵中重金屬元素的多元分析

2.2.1 相關性分析 利用SPSS 19.0統計軟件對西安市汽車站地表灰塵中重金屬的含量進行統計分析，從表4可見，在置信水平為0.01水平下，Cu-Ni,Mn-Ni,Pb-Zn的相關系數較高，呈顯著正相關；在置信水平為0.05水平下，Cu-Zn的相關系數較高，呈顯著正相關。

一般情況下Mn被看作是自然來源的特征元素，Cu-Ni和Mn-Ni之間相關系數較高，推測Mn,Ni這2種重金屬主要受自然母質——全新世近期黃土的影響[18]。而西安市汽車站地表灰塵中Cu,Pb,Zn的含量與陜西省土壤背景值相比顯著超標，推測這3種元素可能有相似的來源，且主要受人類活動的影響。

表4 西安市汽車站地表灰塵重金屬含量的皮爾遜相關系數矩陣

注: **表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關; *表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

2.2.2 主成分分析 運用正交旋轉法對西安汽車站地表灰塵中的重金屬元素進行主成分分析，根據分析結果，西安市汽車站地表灰塵中的前5個因子的累計解釋總方差為85.753%，各重金屬元素在5因子上的載荷如表5所示。

如表5和圖1所示，第1個主成分的貢獻率為34.523%，Mn,Ni和Cu在第1主成分上有較高的正載荷，分別為0.872,0.837和0.695；第2個主成分的貢獻率為30.386%，Pb和Zn在第2主成分上有較高的正載荷，為0.939和0.801；第3個主成分的貢獻率為20.844%，V在第3主成分上有較高的正載荷，為0.953。

表5 西安市汽車站地表灰塵中重金屬 含量主成分分析的旋轉成分矩陣

金屬元素主成分123變量共同度Cu0.6950.442-0.4530.883Mn0.872-0.1770.2670.863Ni0.8370.2700.1540.798Pb-0.0720.9390.1380.905V0.2180.0390.9530.957Zn0.2740.801-0.1530.739特征值2.0711.8231.251—解釋總方差/%34.52330.38620.844—累計解釋總方差/%34.52364.90985.753—

注:提取方法為主成分法；旋轉法為具有 Kaiser 標準化的正交旋轉法；旋轉在6 次迭代后收斂。

2.2.3 聚類分析 對西安市汽車站地表灰塵中的重金屬元素進行聚類分析，聚類樹狀圖(圖1)形象地反映了元素間的遠近程度，可以幫助我們更好地了解不同重金屬元素之間的親疏關系。從圖1可知，Cu,Mn,Ni為第1類，Pb和Zn為第2類，V為第3類。聚類分析結果與因子分析結果吻合。

2.2.4 來源分析 汽車站地表灰塵的化學組成成分不僅與當地交通狀況有關，也受當地工業、生活等污染因素的影響[19]，上述分析結果表明，第Ⅰ主成分中Cu,Mn,Ni有較高的正載荷，Mn和Ni的平均含量均低于陜西省土壤重金屬背景值，Cu的最小值也小于陜西省土壤重金屬背景值，且Mn是成土母質的重要組成成分，故第Ⅰ主成分可能反映了地球化學成分的影響。Ni的最大值出現在城西客運站附近，為55mg/kg,是陜西省土壤重金屬背景值的1.9倍，位于西安地鐵1號線的出口附近，周邊人流密度大，商販眾多，車流密集，所以Ni還與交通污染有一定關系，有研究表明，Ni主要來自汽車制動器襯片及其他零件[20]。Cu的主要來源之一即為交通污染，特別是汽車等金屬零部件的磨損[21]，所以，Cu,Mn和Ni主要來自于自然源和交通源。

圖1 基于平均聯接(組內)的聚類分析

Cu,Pb和Zn元素的含量均顯著高于陜西省土壤重金屬背景值，說明西安市汽車站地表灰塵中這些重金屬的狀況已不再受當地土壤控制，而是存在人為的污染源，并以Pb和Zn的含量最高，污染最為嚴重。陜西土壤背景值中Pb和Zn的含量分別為21.4,69.4mg/kg，而Pb和Zn測量的平均值分別是背景值的5.03和1.64倍。又根據相關分析和主成分分析可知，Pb和Zn有共同的污染來源。汽車尾氣的排放以及磨損的橡膠輪胎和剎車里襯，產生的重金屬會吸附在地表顆粒物中[20,22]。Amato等[23]在對巴塞羅那<10 μm的地表顆粒物的進行分析時發現，重金屬來源由剎車里襯貢獻27%，礦物燃燒貢獻37%，尾氣排放貢獻20%，輪胎磨損則貢獻16%。李海燕等[24]認為，交通活動對地表灰塵重金屬含量與分布的影響主要表現在交通流量及車輛行駛速度和變速頻率上。結合汽車站的實際情況和采樣點周邊的環境狀況分析可知，汽車尾氣排放、零部件損耗以及車輛經常的剎車及停車等是造成Pb和Zn排放超標的主要原因，且Zn和Pb的地表吸附量與交通流量有正相關關系[25]。V的平均含量低于陜西省土壤重金屬背景值，故推測V的主要來源即為自然源。

2.3 西安市汽車站地表灰塵中重金屬元素的環境風險分析

2.3.1 基于地積累污染指數法的評價 圖2是以陜西省土壤重金屬背景值為評價參比，基于地積累污染指數法，由重金屬元素的平均值所計算出的西安市汽車站地表灰塵中重金屬污染的評價結果。

圖2 地積累污染指數法評價結果

由圖2知，西安市汽車站地表灰塵中重金屬污染水平為:Pb>Cu>Zn>Ni>V>Mn，其中Cu,Zn,Ni,V,Mn均為無污染，而Pb則為偏中度污染。由Paniand等的研究可知，同一道路，在其車輛經常減速、剎車以及停車的區域，顆粒物的積累量和重金屬的含量都會受到相應的影響，特別是會導致Pb的富集。

2.3.2 基于潛在生態風險指數法的評價 由表6可以看出，西安市汽車站地表灰塵中重金屬元素多項污染系數的平均值為10.40，屬于中等污染；潛在生態風險指數的平均值為41.21，屬于中等風險。不同重金屬元素的單項污染系數從大到小的順序為:Zn>Cu>Pb>Ni>V>Mn，單項潛在生態風險系數從大到小的順序為:Zn>Cu>Ni>Pb>V>Mn。

評價結果顯示，在單項污染系數指標下，Zn的污染等級為較重，Cu和Pb為中等，Ni,V和Mn均為低污染等級。在潛在生態風險指數指標下，Zn的風險等級為強，其余元素均為輕微風險等級。

表6 西安市汽車站地表灰塵中重金屬

3 結 論

(1) 重金屬元素含量分析表明,西安市汽車站地表灰塵中Cu,Pb,Zn,V,Mn,Ni含量的平均值分別為36.3,107.7,113.5,46.8,296.2,23.2 mg/kg,其中Cu,Pb,Zn這3種元素的平均值分別是陜西省土壤重金屬背景值的1.37,5.03,1.64倍,V和Mn的含量均未超標。

(2) 根據多元統計分析結果,西安市汽車站地表灰塵中的Cu,Mn和Ni主要來自于自然源和交通源,Pb和Zn主要來自汽車尾氣的排放及零部件的磨損,V則主要來自于自然源。

(3) 地積累污染指數法評價表明,西安市汽車站地表灰塵中重金屬的污染水平為:Pb>Cu>Zn>Ni>V>Mn,其中Cu,Zn,Ni,V,Mn均為無污染,而Pb則為中度污染。

(4) 潛在生態風險指數法評價表明,西安市汽車站地表灰塵中的重金屬元素處于中等污染水平,具有中等潛在生態風險。Zn的污染等級為較重,Cu和Pb為中等,Ni,V和Mn均為低污染等級;Zn的潛在風險等級為強,其余元素均為輕微風險等級。

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Assessment of Heavy Metal Pollution and Source Identification in Surface Dust at Urban Coach Stations in Xi’an City

TIAN Dongfan, LU Xinwei, JING Yiming, ZHANG Meng, LUO Run

(CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710119,China)

[Objective] The objective of the study is to investigate heavy metal pollution and possible sources of heavy metals in surface dust in coach stations of Xi’an City, in order to provide support for improving the environment in coach stations of Xi’an City. [Methods] Dust samples were collected from 20 representative coach stations in Xi’an City and the concentrations of Cu, Mn, Ni, Pb, V, and Zn were measured by X-Ray fluorescence spectroscopy. Pollution level and environmental risk of heavy metals in the dust were assessed using the geo-accumulation pollution index and the potentially ecological risk index, respectively. Correlation coefficient analysis, principal component analysis and cluster analysis were used to identify the possible sources of these heavy metals. [Results] The mean content of Cu, Pb and Zn in the dust was 36.3, 107.7 and 113.5 mg/kg, respectively, which were significantly higher than their background values in soil in Shaanxi. The geo-accumulation index results indicated that the pollution level of Pb was medium, while other heavy metal pollution belonged to low-level. The potentially ecological risk index showed that the surface dust from coach stations was moderately polluted, and have medium ecological risk. [Conclusion] Source identification results suggest that Cu, Mn and Ni in the surface dust mainly came from nature and traffic, Pb and Zn mainly came from automobile exhaust emissions and worn-out parts, and V mainly came from the nature.

coach station; surface dust; heavy metal; multivariate statistical analysis; potentially ecological risk index.

2016-04-25

2016-06-13

國家自然科學基金項目“冶煉焦電工業區重金屬與PAHs污染特征及人群健康風險研究”(41271510); 大學生創新創業訓練計劃項目(cx15041)

田東凡(1995—),女(漢族),山東省青島市人,本科生,環境科學專業。E-mail:673854139@qq.com。

盧新衛(1968—),男(漢族),陜西省藍田縣人,博士,教授,主要從事環境污染與修復。環境評價與治理方面研究。E-mail:luxinwei@snnu.edu.cn。

A

1000-288X(2017)01-0034-05

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