重慶主城街道灰塵及其浸提物中氮、磷和有機(jī)物的分布特征分析

楊宗霖，李章平

(1.西南大學(xué)附屬中學(xué)，重慶 400715；2.西南大學(xué)圖書館，重慶 400716)

重慶主城街道灰塵及其浸提物中氮、磷和有機(jī)物的分布特征分析

楊宗霖1，李章平2

(1.西南大學(xué)附屬中學(xué)，重慶 400715；2.西南大學(xué)圖書館，重慶 400716)

在重慶市主城區(qū)工業(yè)、商貿(mào)、交通、文教、居民、旅游、農(nóng)業(yè)等7個功能節(jié)點(diǎn)，采集了40個街道灰塵樣品中，分析了其氮、磷、有機(jī)物含量及其粒徑分配，并通過純水浸提與酸雨浸提，評估了街道灰塵中氮、磷和溶解有機(jī)物的溶出風(fēng)險。結(jié)果表明，重慶市主城區(qū)街道灰塵中氮、磷、有機(jī)物含量分別為1.28 g/kg、1.69 g/kg和46.98 g/kg，并均呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間變異，表現(xiàn)為旅游點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>居民點(diǎn)>文教點(diǎn)>農(nóng)業(yè)點(diǎn)>交通點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)。氮、磷、有機(jī)物大多數(shù)分配在0～0.25 mm粒級中，其中以氮分配最多，其分配比例大小順序為工業(yè)點(diǎn)>居民點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>交通點(diǎn)>文教點(diǎn)>旅游點(diǎn)>農(nóng)業(yè)點(diǎn)。氮、磷和溶解有機(jī)物的酸雨浸提量均高于純水浸提量，以浸提率為考察指標(biāo)，各節(jié)點(diǎn)的溶出風(fēng)險依次為農(nóng)業(yè)點(diǎn)>交通點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)>文教點(diǎn)>旅游點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>居民點(diǎn)。

街道灰塵；氮；磷；有機(jī)物；風(fēng)險

針對城市街道灰塵的研究至今已有30多年的歷史，但大多數(shù)研究的關(guān)注點(diǎn)集中在灰塵重金屬、持久性有機(jī)污染物，而較少涉及易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的氮、磷、有機(jī)物[1-2]。作為我國西南重鎮(zhèn)的重慶市，在城鄉(xiāng)統(tǒng)籌與城市化建設(shè)的浪潮中，城市建設(shè)突飛猛進(jìn)，隨之而來的街道不透水地面迅速增加，灰塵導(dǎo)致的城市地表徑流風(fēng)險驟增，對三峽水庫水質(zhì)構(gòu)成了極大的潛在威脅。國內(nèi)相繼有成都[3-6]、邯鄲[7]、重慶[8-11]、上海[12-15]、烏魯木齊[13]、杭州[16]、保定[17]、蕪湖[18]、合肥[19]等城市開展了街道灰塵氮、磷、有機(jī)物的研究。街道灰塵是城市生態(tài)環(huán)境的重要細(xì)胞之一，其中氮、磷、有機(jī)物等是城市地表徑流的主要污染物，調(diào)查街道灰塵中氮、磷、有機(jī)物的含量水平及其影響因素，是控制城市地表徑流的主要措施之一。本文根據(jù)城市不同土地利用類型，將重慶市主城9區(qū)按照首要功能劃分為工業(yè)、商貿(mào)、交通、文教、居民、旅游、農(nóng)業(yè)等7個功能節(jié)點(diǎn)，分別采集街道灰塵樣品，研究街道灰塵氮、磷、有機(jī)物的空間分布格局，并通過浸提試驗探討其溶出風(fēng)險，為制定城市街道灰塵與地表徑流污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣品采集

按工業(yè)、商貿(mào)、交通、文教、居民、旅游、農(nóng)業(yè)等7個功能點(diǎn)位，在重慶市主城區(qū)二環(huán)線以內(nèi)40個城市節(jié)點(diǎn)(見表1)，在至少連晴3d后的無風(fēng)下午，選取街道兩旁不透水路面邊緣3～5 m處，每處5～10 m2，用細(xì)毛刷和塑料鏟采集500 g左右街道灰塵。在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，去雜，分別過2.0 mm、1.0 mm、0.5 mm、0.25 mm篩。

1.2 浸提處理

取5 g樣品放入離心管中，分別加入30 mL超純水或模擬酸雨，以180 rpm往復(fù)振蕩3 h，以4 000 rpm離心15 min，取上清液，重復(fù)2次，混合均勻，分別作為純水浸提樣和酸雨浸提樣。

1.3 樣品測試

氮采用半微量凱式法測定，磷采用鉬銻抗分光光度法，有機(jī)物、溶解有機(jī)物采用重鉻酸鉀氧化法[20]。

表1 重慶市主城區(qū)街道灰塵采樣點(diǎn)布設(shè)

2 結(jié)果與討論

2.1 重慶市街道灰塵氮、磷、有機(jī)物的污染特征

2.1.1 街道灰塵氮、磷、有機(jī)物的空間分布差異

統(tǒng)計分析重慶市主城區(qū)40個街道灰塵的氮、磷、有機(jī)物含量(見表2)，發(fā)現(xiàn)重慶市街道灰塵氮、磷、有機(jī)物含量有較大的差異，其平均值分別為1.28 g/kg、1.69 g/kg和46.98 g/kg，變化范圍分別為0.34～6.49 g/kg、0.83～4.15 g/kg、10.43～119.60 g/kg。與全國其他城市比較，重慶市街道灰塵的氮低于保定、蕪湖、合肥，而高于上海與烏魯木齊；磷低于成都、杭州，而高于上海、保定、蕪湖、合肥等；有機(jī)物則高于其他城市，與成都較為接近。表明西部地區(qū)重慶、成都的街道灰塵有機(jī)物、磷都處于較高水平，潛在風(fēng)險較大。

表2 重慶及部分城市街道灰塵中氮、磷、有機(jī)物含量的比較

重慶市街道灰塵氮、磷、有機(jī)物的變異系數(shù)分別為83.35%、35.27%和53.63%。根據(jù)變異系數(shù)分級的參考文獻(xiàn)[21-22]，小于等于10%為弱變異，10%～30%為中等變異，大于30%為強(qiáng)變異。因此重慶市街道灰塵氮、磷、有機(jī)物全部呈現(xiàn)強(qiáng)變異，說明其來源受外界干擾很大，空間變異很強(qiáng)，這種強(qiáng)變異很大程度上是交通、工業(yè)、建筑等強(qiáng)烈人為活動空間分布不均造成的結(jié)果。

不同功能節(jié)點(diǎn)氮、磷、有機(jī)物的分布基本呈現(xiàn)旅游點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>居民點(diǎn)>文教點(diǎn)>交通點(diǎn)>農(nóng)業(yè)點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)(見圖1)，與重慶市2007年結(jié)果較為一致[10-11]。這是因為旅游點(diǎn)植被豐富，地表擾動少，氮、磷、有機(jī)物積累多；商貿(mào)點(diǎn)人員流動大，街邊飲食攤點(diǎn)多，生活垃圾排放的氮、磷、有機(jī)物較多[19]。而本次采樣中的工業(yè)點(diǎn)大多為新開發(fā)區(qū)，地表擾動大，氮、磷、有機(jī)物積累少，這與合肥市研究結(jié)果基本一致[19]。

圖1 不同節(jié)點(diǎn)氮、磷、有機(jī)物含量差異Fig.1 The differences of N,P,organic matter content in different functional sites

2.1.2 街道灰塵氮、磷、有機(jī)物的粒徑效應(yīng)

為了比較各級粒徑顆粒中氮、磷、有機(jī)物的負(fù)荷大小，首先測定了0～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～2.0 mm等4種粒徑的氮、磷、有機(jī)物，然后按下式各粒徑顆粒對氮、磷、有機(jī)物賦存量的分配比例(即貢獻(xiàn)率)公式，即：

分配比例=(某粒徑的質(zhì)量比×該粒徑的營養(yǎng)物含量)/∑(某粒徑的質(zhì)量比×該粒徑的營養(yǎng)物含量)×100

(1)

由此計算各功能節(jié)點(diǎn)街道灰塵的氮、磷、有機(jī)物賦存量分配比例(見表3)，發(fā)現(xiàn)均以0～0.25mm粒徑的分配量占絕對優(yōu)勢。街道地表物的粒徑越細(xì)，對氮、磷、有機(jī)物的貢獻(xiàn)率越高。細(xì)粒徑的街道地表物很容易隨水和大氣漂移，因此，它們是地表徑流中氮、磷、COD和大氣顆粒物中氮、磷、有機(jī)物的主要來源之一。

從圖2可以看出，氮、磷、有機(jī)物大絕大多數(shù)分配在小于0.25mm粒級中，且又以分配最多，余下依次為P和有機(jī)物。從圖3仍可以得到類似結(jié)論，在小于0.25mm粒級中，分配比例大小順序為工業(yè)點(diǎn)>居民點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>交通點(diǎn)>文教點(diǎn)>旅游點(diǎn)>農(nóng)業(yè)點(diǎn)，這與一般重金屬粒徑分配不太一致，說明物質(zhì)類型(有毒物質(zhì)重金屬與營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷、有機(jī)物)不同，其粒級效應(yīng)也不同[1]。

表3 街道灰塵中氮、磷與有機(jī)物含量的粒徑分配

圖2 街道灰塵中氮、磷、有機(jī)物的質(zhì)量粒徑分配Fig.2 The mass distribution of N,P,OM in different granular street dust

圖3 不同節(jié)點(diǎn)氮、磷、有機(jī)物的質(zhì)量粒徑分配Fig.3 The mass size distribution of N,P,OM in different functional sites

2.2 重慶市街道灰塵氮、磷、有機(jī)物的溶出風(fēng)險

由于街道灰塵是城市徑流污染的主要來源之一，因此有必要研究重慶地區(qū)街道灰塵因降雨造成的氮、磷、溶解有機(jī)物的徑流風(fēng)險特征。本文通過純水和酸雨兩種浸提方法，模擬研究街道灰塵氮、磷、有機(jī)物與浸出液氮、磷、溶解有機(jī)物的關(guān)系，旨在分析灰塵氮、磷、有機(jī)物對徑流的潛在環(huán)境風(fēng)險。從浸提量結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)(見表4)，氮、磷、有機(jī)物在酸雨條件下，浸提量均高于純水，兩者差距越大，則溶出污染風(fēng)險越大，而重慶市屬于酸雨區(qū)域之一，由灰塵帶來的溶出風(fēng)險應(yīng)予以重視。所有浸提量的變異系數(shù)均大于30%，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間變異，說明可溶性氮、磷、有機(jī)物與其來源有密切的關(guān)系。

進(jìn)一步比較各功能節(jié)點(diǎn)浸提量(見表5)，發(fā)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)都是在酸雨浸提條件下的浸提量高于純水，鑒于重慶地區(qū)屬于酸雨區(qū)，在此僅討論酸雨浸提。氮的酸雨浸提量排序為農(nóng)業(yè)點(diǎn)>文教點(diǎn)>旅游點(diǎn)>交通點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>居民點(diǎn)，磷為旅游點(diǎn)>居民點(diǎn)>文教點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>交通點(diǎn)>農(nóng)業(yè)點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)，溶解有機(jī)物為旅游點(diǎn)>文教點(diǎn)>居民點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>交通點(diǎn)≈農(nóng)業(yè)點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)，磷和溶解有機(jī)物的浸提量順序較為相似，說明磷與有機(jī)物有一定相關(guān)性。

為了討論城市街道灰塵的溶出風(fēng)險，提出浸提率概念，即：

浸提率(%)=浸提量/灰塵中含量×100%

(2)

由此計算出氮、磷、有機(jī)物在不同浸提條件下的浸提率(見表4)，同浸提量一樣，氮、磷、有機(jī)物的浸提率也是在酸雨條件下大于純水。

進(jìn)一步比較各功能點(diǎn)浸提率(見表5)，發(fā)現(xiàn)所有功能點(diǎn)都是在酸雨提條件下的浸提率高于純水。氮酸雨浸提率由高至低的功能點(diǎn)排序為農(nóng)業(yè)點(diǎn)>交通點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)>文教點(diǎn)>旅游點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>居民點(diǎn)，磷為旅游點(diǎn)>居民點(diǎn)>文教點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>農(nóng)業(yè)點(diǎn)>交通點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)，有機(jī)物為居民點(diǎn)>文教點(diǎn)>旅游點(diǎn)>交通點(diǎn)>農(nóng)業(yè)點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)，這個順序與浸提量順序并不完全一致。

比較氮、磷、有機(jī)物的浸提率(見圖4)，可以進(jìn)一步描述各功能點(diǎn)的溶出風(fēng)險，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險最高的屬于農(nóng)業(yè)點(diǎn)，以下依次為交通點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)>文教點(diǎn)>旅游點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>居民點(diǎn)。

表4 街道灰塵中氮、磷、有機(jī)物浸提的統(tǒng)計參數(shù)

表5 不同功能節(jié)點(diǎn)的灰塵氮、磷、有機(jī)物浸提

圖4 不同節(jié)點(diǎn)氮、磷、溶解有機(jī)物的的平均浸提率Fig.4 The average extraction rate of N,P,DOM in different functional sites

3 結(jié)論與討論

重慶市街道灰塵氮、磷、有機(jī)物含量分別為1.28、1.69、46.98 g/kg，且均呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間變異。不同功能點(diǎn)氮、磷、有機(jī)物賦存量分布趨勢為旅游點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>居民點(diǎn)>文教點(diǎn)>農(nóng)業(yè)點(diǎn)>交通點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)。

氮、磷、有機(jī)物等大多數(shù)分配在0～0.25 mm粒級中，其中又以氮分配最多；在<0.25 mm粒級中，分配比例大小順序為工業(yè)點(diǎn)>居民點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>交通點(diǎn)>文教點(diǎn)>旅游點(diǎn)>農(nóng)業(yè)點(diǎn)。

氮、磷、有機(jī)物的酸雨浸提量均高于純水浸提量，對于酸雨嚴(yán)重區(qū)域之一的重慶市而言，更應(yīng)關(guān)注由灰塵帶來的潛在徑流污染風(fēng)險。以浸提率為考察指標(biāo)，各功能點(diǎn)的溶出風(fēng)險依次為農(nóng)業(yè)點(diǎn)>交通點(diǎn)>工業(yè)點(diǎn)>文教點(diǎn)>旅游點(diǎn)>商貿(mào)點(diǎn)>居民點(diǎn)。

[1] 李章平. 重慶市主城街道灰塵的污染與風(fēng)險特征研究[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2012.

[2] 雷蕾, 陳玉成, 李章平,等. 我國城市街道灰塵中重金屬的成分分析[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2012, 12(2): 124- 129.

[3] 陳西平. 成都市街道地表物中的有機(jī)碳[J]. 重慶環(huán)境科學(xué), 1990, 12(6): 38- 40.

[4] 陳西平, 施為光, 文行秀, 等. 成都市街道地表物中的氮磷淋洗量及分布特征[J]. 甘肅環(huán)境研究與監(jiān)測, 1993, 6(1): 17- 20.

[5] 甘玉華. 成都市街道地表物有機(jī)污染的調(diào)查[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 1991, 4(3): 56- 59.

[6] 施為光. 街道地表物的累積與污染特征——以成都市為例[J]. 環(huán)境科學(xué), 1991, 12(3): 18- 23.

[7] 張洪建, 杜振川, 李增學(xué), 等. 邯鄲市區(qū)落塵中部分有害成分分析[J]. 河北建筑科技學(xué)院學(xué)報, 2002, 19(1): 1- 4.

[8] 李章平. 重慶市主城區(qū)地表重金屬的污染特征[D]. 重慶: 西南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2005.

[9] 李章平, 陳玉成, 楊學(xué)春, 等. 重慶市主城區(qū)街道地表物中重金屬的污染特征[J]. 水土保持學(xué)報, 2006, 20(1): 114- 116, 138.

[10] 王學(xué)良. 重慶市主城區(qū)街道灰塵的污染分析研究[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2008.

[11] 朱旻航, 王學(xué)良, 陳玉成. 重慶市主城區(qū)街道灰塵中氮、磷污染研究[J]. 環(huán)境化學(xué), 2009, 28(2): 306- 308.

[12] 蔣海燕. 上海城市土壤、地表灰塵環(huán)境特征分析及其管理體系研究[D]. 上海: 華東師范大學(xué), 2005.

[13] 劉玉燕. 城市土壤、灰塵營養(yǎng)鹽與重金屬分布及機(jī)制探討——以烏魯木齊市與上海市為例[D]. 上海: 華東師范大學(xué), 2005.

[14] 張菊, 鄧煥廣, 陳振樓, 許世遠(yuǎn). 小城鎮(zhèn)街道灰塵中氮磷含量研究[J]. 云南地理環(huán)境研究, 2007, 19(2): 17- 21.

[15] 張菊, 鄧煥廣, 王東啟, 陳振樓, 許世遠(yuǎn), 姚春霞. 上海郊區(qū)小城鎮(zhèn)街道灰塵理化性質(zhì)及重金屬時空分布特征[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2011, 20(6): 705- 710.

[16] 張慧敏, 章明奎. 杭州不同功能區(qū)道路灰塵中污染物的分布和有效性[J]. 廣東微量元素科學(xué), 2007, 14(12): 14- 17.

[17] 鄭小康, 李春暉, 黃國和, 楊志峰, 龐愛萍, 呂瑩. 保定城區(qū)地表灰塵污染物分布特征及健康風(fēng)險評價[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2009, 29(10): 2195- 2202.

[18] 黃春海, 方鳳滿, 王翔, 王海東. 蕪湖市地表灰塵的理化性質(zhì)及對病毒吸附的影響[J]. 廣東微量元素科學(xué), 2010, 17(11): 39- 45.

[19] 李如忠, 周愛佳, 童芳, 李峰, 錢家忠. 合肥城區(qū)地表灰塵氮磷形態(tài)分布及生物有效性[J]. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(4): 1159- 1167.

[20] 皮廣潔, 農(nóng)業(yè)資源環(huán)境監(jiān)測原理與方法[M]. 成都: 成都科技大學(xué)出版社, 1998.

[21] 王曉云. 鄭州市地面灰塵重金屬季節(jié)變化及健康風(fēng)險分析[D]. 鄭州: 河南大學(xué)碩士論文, 2011.

[22] 代勇, 李章平, 李燕燕, 楊志敏, 陳玉成. 重慶市主城區(qū)街道灰塵重金屬的污染特征分析[J]. 環(huán)境化學(xué), 2015, 34(1): 188- 189.

Analysis on Distribution Characteristics of Nitrogen, Phosphorus and Organic Matter in Street Dust and its Extracts within Core Zone of Chongqing

YANG Zong-lin1, LI Zhang-ping2

(1.High School Affiliated to Southwest University, Chongqing 400715, China; 2.College of Resources & Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China)

In the seven functional areas of industry, commerce, transportation, education, residential, tourism, and agriculture in Chongqing, 40 street dust samples were collected to analyzed the N, P, organic matter content and particle size distribution. Through water extraction and acid rain leaching, this paper assessed the leaching risk of N, P, and DOM in streets dust. The results showed that nitrogen, phosphorus and organic matter content were 1.28 g/kg, 1.69 g/kg and 46.98 g/kg respectively in street dust of Chongqing, and detected strong spatial variability, as tourism>commercial>residential>education>agricultural>transportation > industrial. N, P, and most organic matter were distributed in the 0～0.25 mm particles, the nitrogen distribution ratio was the highest, and the order was industrial>residential>commercial>transportation>education>tourism>agricultural. The acid rain leaching amount of N, P, and DOM was higher than that of water leaching amount. For the extraction rate, the order of dissolution risk in each site was agricultural>transportation>industrial>tourism>commercial>residential.

street dust; nitrogen; phosphorus; organic matter; risk

2017-02-19

西南大學(xué)博士基金項目(100112)

楊宗霖(2000—)，男，重慶人，E-mail:1124759266@qq.com

李章平(1968—)，女，副研究館員，博士，研究方向為環(huán)境生態(tài)學(xué)，E-mail：853346112@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.02.021

X511

A

2095-6444(2017)02-0084-06