西安市臨潼區地表顆粒物重金屬分布特征及生態風險評價

田華，楊柳，夏紫頓，寧世雄，魏超

西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054

隨著中國經濟的持續高速發展，城市化與工業化進程日益加快。化學用品的大量使用，使含有重金屬的各種污染物不斷地增加，特別是工業開采、冶煉、加工到最后的使用過程產生的大量重金屬及其化合物，將以各種形態儲存于生態系統中，給人類生活帶來影響（鄭志俠等，2013）。城市中的重金屬污染主要以地表顆粒物為載體，在外力作用下容易產生“揚起—沉降—揚起”的交替循環過程（方鳳滿等，2011）。此外，顆粒物在空氣中會發生反應，生成更嚴重的二次污染物；細小顆粒物極易通過呼吸系統和皮膚接觸等途徑在人體富集；顆粒物中的污染物會隨地表徑流遷移進入城市水體，最終進入食物鏈進行遷移、富集（劉振東等，2013），因此對城市地表顆粒物的研究受到學術界的廣泛關注。

Manno（2006）等對西西里市不同功能區、不同形態和不同粒徑地表顆粒物中的重金屬進行了研究，結果表明道路塵埃樣品含有金屬元素，主要來源于車輛交通和附近的工廠。常仕鐳等（2014）對成都市地表灰塵重金屬污染分布特征進行研究，結果表明Pb、Zn、Cu、Ni、Cr、Cd的平均質量分數分別為成都市土壤背景值的1.18～77.57倍，其中Cd的超標倍數大于 10，污染極強且富集在顆粒物中。范佳民等（2014）對淮南市城區地表灰塵重金屬分布特征及生態風險評價進行研究，得出不同功能區Cd潛在生態危害指數較大，處于強生態危害（Ⅲ級）水平，交通區和工業區潛在生態危害水平最高。李一蒙等（2015）對開封城市土壤重金屬污染及潛在生態風險評價結果表明，大部分土壤發生了重金屬污染，Cd是最主要的潛在生態風險因子，其來源與化肥廠煙塵、污灌區表層土壤空氣流動、交通運輸和燃煤等人類活動有關。劉德鴻等（2012）對洛陽市不同功能區道路灰塵重金屬污染進行研究，結果表明各功能區道路灰塵中重金屬含量和污染水平存在較大差異，不同功能區灰塵重金屬綜合潛在生態危害指數 RI表現為工業區＞城市綠地＞商業區＞居民區＞城市主干道＞城鄉結合部，減少工業污染和交通污染是降低道路灰塵中重金屬污染和風險的主要措施。

西安市臨潼區位于陜西省西安市東部，屬國家5A級景區，被稱為“中國石榴之鄉”和牛奶生產強區。隨著交通運輸和旅游業的發展，該區地表顆粒物日益增多。本研究以西安市臨潼區為研究區，通過對不同功能區地表顆粒物樣品的采集與分析，探討了不同功能區地表顆粒物重金屬的分布特征，并采用潛在生態危害指數法對臨潼區地表顆粒物重金屬的生態風險進行評價，以期為西安市臨潼區居民健康提供保障，并為生態城市建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析測試

為了研究西安市臨潼區地表顆粒物中重金屬的空間分布特征和健康風險水平，根據城市的規劃布局、人類活動及交通流量，將臨潼區劃分為工業區、商業區、居民區、交通區、旅游休閑區5個不同類型功能區。在連續7 d以上沒有降雨的2016年4月20日（晴朗無風），用毛刷和塑料鏟進行道路灰塵樣品的采集。研究范圍基本覆蓋臨潼區的主要功能區，每個功能區選擇3個采樣點，每個樣點采用梅花布點法分別取5個平行樣品，共75組樣品，每組樣品質量在300～500 g之間。采樣點分布如圖1所示。

將采集的樣品風干、研磨，過100目尼龍篩后于4 ℃下密封保存。準確稱取0.2000 g經過預處理的樣品于消解罐中，采用HF-HNO3-HCl- H2O2全分解式微波消解體系消解樣品。經ETHOSA微波消解儀消解后，用2% HNO3定容，采用火焰原子吸收光譜儀（A3，北京普析）測定重金屬元素（Pb、Cu、Cd、Cr）的質量分數。為確保測試結果的準確性，加入國家土壤標準物質GSS-3進行質量控制，并且每10組樣品做1組平行樣（重復3次）。保證平行樣品中標準偏差小于 10%，質控樣品測定值達到國家規定的精密度要求（范佳民等，2014）。

1.2 數據分析

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Location of sampling sites

表1 ，RI與污染程度間的關系Table1 Relationship of RI,and pollution level

表1 ，RI與污染程度間的關系Table1 Relationship of RI,and pollution level

r i E RI 危害程度Damage level＜40 ＜150 輕微生態危害 Mild ecological hazard (Ⅰ)40＜80 150＜300 中等生態危害 Moderate ecological hazard (Ⅱ)80＜160 300＜600 強生態危害 Strong ecological hazard (Ⅲ)160＜320 ≥600 很強生態危害 Stronger ecological hazards (Ⅳ)≥320 - 極強生態危害 Extremely strong ecological hazard (Ⅴ)

地表顆粒物重金屬含量數據采用Excel 2010和OriginPro 8.5等軟件進行統計分析和制圖。

1.3 潛在生態風險評價方法

目前重金屬污染評價方法主要包括地累積指數法、內梅羅綜合污染指數法、沉積物富集系數法、健康風險評價方法、潛在生態風險指數法等。其中，潛在生態風險指數法由瑞典科學家 Hakanson于1980年提出，是根據重金屬性質及其在環境中的行為特點，主要針對沉積物和土壤中重金屬污染的一種評價方法（徐爭啟等，2008），也是目前評價顆粒物和沉積物中重金屬潛在生態風險的常用方法之一。此方法在土壤重金屬含量的基礎上結合了重金屬的環境效應、生態效應及毒理學，并運用具有可比性的等價指數分級法，更加直觀地對研究物中的重金屬進行全面的分析和評價。它不僅可以反映單一重金屬的潛在生態危害，還可以反映出多種重金屬在環境中的綜合生態危害水平（徐玉霞等，2013），其計算公式如下：

（3）

式中，為地表層顆粒物中重金屬i的濃度實測值為計算所需的參比值，選擇陜西省土壤環境背景值作為參比值。按照 Hakanson制定的重金屬毒性系數為評價依據，其中 Cr、Cu、Pb和 Cd的值分別取 2、5、5、30（徐爭啟等，2008）。重金屬污染生態危害系數和生態危害指數分級標準見表1。

2 結果與討論

2.1 臨潼區地表顆粒物重金屬分布特征

2.1.1 臨潼區地表顆粒物重金屬的質量分數

由表2可知，4種重金屬均存在不同程度的超標，平均質量分數表現為Pb＞Cr＞Cu＞Cd。其中Cd超標最嚴重，超標倍數達到中國土壤元素背景值的19.07倍，是西安市表層土壤背景值的 20.56倍。Pb、Cu、Cr平均質量分數分別是西安市表層土壤背景值的12.08、4.31、1.33 倍，是中國土壤背景值的9.94、4.08、1.37倍。

變異系數是表示樣品變異程度大小的重要尺度，它能反映樣品中重金屬是來自自然環境還是人為活動的影響。當變異系數CV＞0.10時為弱變異，0.10≤CV≤0.30為中等變異，CV＞0.30為強變異。變異系數越大，說明受人為活動的干擾越大（陳莉等，2011）。由表2可知，4種重金屬平均變異程度表現為 Pb＞Cd＞Cr＞Cu，其中 Pb、Cd、Cr的變異系數均大于0.5，表明這3種重金屬均為強變異，Cu的變異系數為0.30，為中等變異。以上結果表明，臨潼區地表顆粒物中已經出現重金屬富集現象，其中Cd的富集程度最嚴重。Pb、Cd、Cr由于受人類活動影響其空間變異性較大，Cu的變異系數較小，說明Cu在研究區的空間分異性相對其他 3種重金屬不顯著。Daniela（2002）在對土壤重金屬的來源研究中發現城市地表土壤重金屬主要來源于“三廢”污染、交通污染、生活垃圾污染、農業化學物質投入等方面。臨潼區作為國家5A級旅游景區，旅游業和交通運輸業發達，旅游觀光車輛多，人流量大，可能是導致顆粒物重金屬富集的主要原因（李海燕等，2014）。

表2 西安市臨潼區不同功能區地表顆粒物重金屬含量分布Table2 The concentration of heavy metals in road sediments in different land use areas of lintong district, Xi'an

2.1.2 不同功能區重金屬分布特征

由圖2可知，不同功能區4種重金屬的污染現狀表現為：Pb在工業區（551.3 mg?kg-1）和商業區（323.4 mg?kg-1）明顯高于其他三區，表現出較強的空間異質性，說明臨潼區 Pb污染受人為活動影響較大；Cd在交通區（3.5 mg?kg-1）和工業區（2.37 mg?kg-1）的質量分數較高；除工業區（136.4 mg?kg-1）外，Cu在其他 4個功能區的平均質量分數差異較小，分布相對均勻；Cr平均質量分數表現為交通區＞工業區＞商業區＞居民區＞休閑區，交通區重金屬Cr（145.65 mg?kg-1）的平均質量分數最高，這與范佳民等（2014）對淮南市地表灰塵重金屬的研究結果一致。以上結果表明，不同功能區的重金屬污染具有一定的差異性，工業區、交通區和商業區地表顆粒物重金屬污染最為嚴重。由于受工業生產排放的煙塵、飛灰、工業垃圾等的影響，工業區內顆粒物吸附的重金屬含量較高。臨潼區商業區較集中，人流量大，商品種類繁多，高樓大廈密集，生活垃圾和廢棄物多，建筑設施風化、脫落和腐蝕可能是吸附有重金屬的顆粒物的重要來源（李海燕等，2014）。

圖2 西安市臨潼區不同功能區地表顆粒物重金屬的含量柱狀圖Fig.2 Box plots of heavy metals concentrations in road sediments in different land use areas of Lintong district, Xi'an

2.2 臨潼區地表顆粒物重金屬潛在風險評價

2.2.1 臨潼區地表顆粒物重金屬潛在生態風險

以陜西省土壤背景值作為參比，由式（1）、（2）、（3）可得西安市臨潼區地表顆粒物中單個重金屬的潛在生態危害指數、單個重金屬的平均潛在生態危害指數以及4種重金屬的潛在生態危害指數，結果如表3所示。

表3 西安市臨潼區地表顆粒物重金屬潛在生態風險評價結果Table3 The results of potential ecological risk assessment of Heavy Metals in road sediments of Lintong District, Xi'an

由表 3可知，臨潼區各功能區平均污染程度處于極強生態危害等級，4種重金屬平均潛在生態危害指數為 Cd＞Cu＞Pb＞Cr。Pb、Cu、Cr 3 種重金屬潛在生態危害指數最小值均為輕微等級；Pb的潛在生態危害指數最大值是中等等級；Cu和 Cr的潛在生態危害指數最大值為輕微等級；Cd的潛在生態危害指數最高，其中最大值為1166.67，屬于極強等級，最小值為 283.33，屬于很強等級。以上結果表明，研究區Cd的富集程度較嚴重，由于Cd本身的生態危害系數較高，所以Cd為西安市臨潼區最主要的生態風險因子。李海燕等（2014）在對城市地表顆粒物中重金屬的研究中指出Cd主要來源剎車里襯和制動片的磨損、尾氣排放、工業廢氣和垃圾焚燒，而且臨潼區Cd的平均潛在生態危害指數極差，為 883.34，表明不同功能區 Cd含量分布離散不均勻，也進一步說明了Cd富集與人類活動密切相關。

由式（1）（2）（3）可得西安市臨潼區不同功能區內單個重金屬的潛在生態危害指數與綜合潛在生態危害指數RI如表4所示。

表4 西安市臨潼區不同功能區潛在生態風險評價結果Table4 Levels of heavy metals in the probability of potential ecological risk in different land use areas of Lintong District, Xi'an

由表4可知，各功能區以Cd的潛在生態危害系數最大，除旅游休閑區處于很強生態危害水平外，其他功能區都處于極強生態危害水平，這與Cd的毒性系數相對較大且各功能區Cd的污染富集程度高相一致。對于其他 3種重金屬，除工業區 Pb處于中等生態危害水平，其他功能區皆處于輕微生態危害水平。因此，Cd是西安市臨潼區地表顆粒物重金屬污染的主要因素，其對臨潼區地表顆粒物的潛在生態危害貢獻最大。由4種重金屬的復合生態危害指數可知，研究區處于強生態危害水平，工業區和交通區的潛在生態危害相對較高。

3 結論

（1）西安市臨潼區地表顆粒物重金屬平均質量分數均高于西安市土壤背景值和中國土壤背景值，其中Cd污染最嚴重。

（2）臨潼區各功能區地表顆粒物Cu、Pb污染特征表現為工業區＞商業區＞交通區＞居民區＞休閑區；Cr、Cd表現為交通區＞工業區＞商業區＞居民區＞休閑區。其中，交通區和工業區地表顆粒物重金屬污染最嚴重。

（3）4種重金屬的平均潛在生態危害系數表現為Cd＞Cu＞Pb＞Cr，其中Cd生態風險危害最大。不同功能區內Cd的單一重金屬的潛在生態危害系數最大，在各功能區中皆處于較強的生態危害水平，是臨潼區重金屬污染防治的重點。

（4）由各功能區重金屬生態危害指數可知，各功能區生態危害水平均處于強生態危害等級（Ⅲ級），交通區和工業區潛在生態危害水平最高。

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