煤礦區(qū)PM2.5、PM10中重金屬的污染水平及綜合風(fēng)險評價

蘭建林，朱雪凝，劉躍斌，靳曉洋，牛紅亞, ，樊景森, *

1.河北工程大學(xué)//地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué)//河北省煤炭資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的快速推進(jìn)，各地的工業(yè)化、城市化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程，資源能源消耗持續(xù)增加，排放了大量的氣態(tài)污染物和顆粒態(tài)污染物，已經(jīng)引起了城市區(qū)域性空氣污染問題的出現(xiàn)。氣溶膠成為影響大氣環(huán)境質(zhì)量的重要污染物（陳良富等，2011），氣溶膠中的重金屬元素含量不但反映了大氣環(huán)境質(zhì)量，也是評價健康效應(yīng)的重要參數(shù)（靳曉洋，2018）。PM2.5等細(xì)粒子容易富集空氣中的有毒重金屬，隨著人類呼吸作用進(jìn)入人體并積累，對人類健康產(chǎn)生危害（Chen et al.，2017）。金屬元素通過在水圈、大氣圈、巖石圈、生物圈循環(huán)，因其具有生物累積性、持久性和毒性，對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生威脅（Cheng，2003；Deforest et al.，2007；Nabulo et al.，2010）。這引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究主要針對PM2.5中重金屬的來源分析（Tao et al.，2017；鄭權(quán)等，2018）、污染特征（林海鵬等，2012）以及生態(tài)、健康風(fēng)險評價（Hu et al.，2012；Agarwal et al.，2017；Kamani et al.，2017）。研究地點主要針對較大城市，如蘭州、南京、北京（Yang et al.，2015）、天津（Chen et al.，2015）等，諸如中小城市以及工礦區(qū)城市的研究相對較少。而中國城市數(shù)量、規(guī)模的增長依托資源的消耗以及興起的工礦業(yè)城市。中國以煤炭為主的生產(chǎn)基地分布范圍廣，數(shù)量眾多，均面臨著嚴(yán)重的大氣顆粒物污染問題。

峰峰礦區(qū)隸屬河北省邯鄲市，位于河北省南部（36°20′—36°34′N，114°3′—114°16′E），地處晉、冀、豫三省交界，太行山東麓南段，是中國主要的能源基地?；钴S的煤礦開采和煤炭運輸會造成大量的灰塵；大量煤炭資源的開發(fā)與利用勢必會對礦區(qū)大氣污染產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時也會對礦區(qū)附近城市的大氣污染有一定的貢獻(xiàn)（樊景森等，2009；Song et al.，2016）。煉焦、鋼鐵加工、建材、陶瓷四大工業(yè)產(chǎn)業(yè)，因粗放的經(jīng)濟(jì)增長方式給礦區(qū)大氣環(huán)境帶來了負(fù)面影響。礦業(yè)城市以重工業(yè)、重污染而影響環(huán)境質(zhì)量，其中，污染物排放復(fù)雜、強(qiáng)度大；特殊的地理位置不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致峰峰礦區(qū)大氣污染形勢嚴(yán)峻（Zoller et al.，1974；Wei et al.，2014）。本文主要針對典型工礦區(qū)城市，擬通過對采樣期間PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度水平及其來源進(jìn)行分析，并采用綜合污染指數(shù)和健康風(fēng)險評價對PM2.5和PM10中重金屬元素進(jìn)行污染水平和健康風(fēng)險評價，為量化煤礦區(qū)顆粒物中重金屬元素對生態(tài)及人群的危害提供實用信息，并對當(dāng)?shù)仡w粒物污染的防治具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣點設(shè)置在峰峰礦區(qū)某酒店樓頂，距地面約20 m，東臨滏陽河，西側(cè)為居民生活區(qū)，附近沒有明顯工業(yè)區(qū)和局地污染源。采樣時間為2017年2月6—13日，2017年4月23—28日，2017年8月2—9日和2017年10月23—30日。根據(jù)采樣時間分為冬、春、夏、秋4個季節(jié)，以期獲得全面、有代表性的顆粒物樣品進(jìn)行研究分析，其中顆粒物PM10冬季未采樣。采樣期間無雨雪天氣，同時使用Kestrel 5500氣象儀記錄風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓等氣象參數(shù)。

選用KB-120F型中流量采樣器，采集PM2.5和PM10顆粒物。采樣濾膜為Φ90 mm的石英濾膜。采用連續(xù)采集方法，每11小時更換1次濾膜，白天為08:00—19:00，夜間為20:00至次日07:00，共采集48個PM2.5樣品和38個PM10樣品。每個季度采樣預(yù)留1張空白膜，用于修正樣品數(shù)據(jù)，以保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。采樣前將鋁箔紙包好的濾膜置于馬弗爐中550 ℃焙燒5.5 h以消除本底碳和有機(jī)物的影響。使用十萬分之一的電子天平稱質(zhì)量，稱質(zhì)量前后兩次相差小于5 μg取平均值。采樣期間，每更換一次空白濾膜均用無水乙醇擦洗采樣器切割頭、鑷子和濾膜夾。更換濾膜保證濾膜不得損壞、褶皺、污染。采樣后將樣品直接放置于-4 ℃的冰箱中存放直至分析，分析前恒濕恒溫箱平衡24 h，及時稱質(zhì)量后備用。

1.2 樣品處理及重金屬檢測與分析

在實驗室內(nèi)將樣品進(jìn)行前期處理，使用陶瓷剪刀將1/4濾膜樣品剪成條狀放入聚四氟乙烯坩堝中，加入5 mL稀王水（量取3體積HCL、1體積HNO3混勻，與20體積高純水混勻）和1滴HF，蓋好蓋子，在恒溫電熱板上120 ℃加熱2 h，然后升溫至130 ℃，開蓋，蒸至恰無溶液，再準(zhǔn)確加入2% HCL10 mL，蓋好蓋子，于電熱板回流20 min，取下，直接倒入聚氯乙烯比色管，無須定容，與標(biāo)準(zhǔn)溶液靜待測定。金屬元素的測定使用美國安捷倫7500型電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）。測定的主要元素為Sc、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sn、Pb和Bi，其檢出限分別為0.000 1、0.001 7、0.016 8、0.009 4、0.000 4、0.009 1、0.026、0.114 4、0.014 3、0.000 3、0.001 1、0.005 4、0.000 1 μg·m-3。

ICP-MS儀器的工作參數(shù)為儀器全自動優(yōu)化調(diào)協(xié)給出，滿足儀器使用標(biāo)準(zhǔn)要求的靈敏度、背景值、穩(wěn)定性等各項參數(shù)。根據(jù)DZ/T0223-2001電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS）分析方法通則測試樣品，對所有濾膜樣品進(jìn)行了溶解與測定的平行分析；同時，實驗過程中取同等批次等量空白濾膜進(jìn)行空白對照實驗，結(jié)果從試驗樣品中扣除空白。每批樣品隨機(jī)選擇1個樣品進(jìn)行3次平行實驗，并做1個空白膜平行實驗，所測元素的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 富集因子

元素富集因子（EF）可定量反映元素在大氣顆粒物中的富集程度，是用來分析和判斷人為源和自然源對大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)水平（Duce et al.，1975；Wang et al.，2017；喬寶文等，2017），EF的計算公式為：

式中，Ci為所研究元素i的濃度；Cn為參比元素的濃度，本研究選取Sc（熊秋林等，2018）作為參比元素。本研究中的Cn背景元素濃度用各元素在河北省A層土壤中的背景值表示（國家環(huán)境保護(hù)局，1990），重金屬元素富集因子＞10，說明該元素主要為人為源，反之則為自然源（王新等，2016）。

1.3.2 大氣重金屬綜合評價法

參考并改進(jìn)熊秋林對大氣降塵綜合污染狀況的計算方法，對峰峰礦區(qū)大氣中幾種主要重金屬進(jìn)行綜合污染指數(shù)計算，其計算公式如下：

式中，PIi均為歸一化系數(shù)，PI1表征重金屬含量與背景值比值的歸一化系數(shù)，PI1＞0.15表示社會經(jīng)濟(jì)活動對降塵重金屬影響顯著；PI2表征大氣重金屬地累積指數(shù)（張鵬巖等，2017；帕麗達(dá)·牙合甫等，2016；Praveena et al.，2007）的歸一化系數(shù)，PI2＞0.15表示降塵重金屬的污染顯著；PI3表征大氣重金屬潛在風(fēng)險指數(shù)（徐爭啟等，2008；Hakanso，1980；王宗爽等，2009）的歸一化指數(shù)，PI3＞0.15表示重金屬的潛在生態(tài)危害顯著。當(dāng)重金屬的IPI.dhm＞0.5，則該元素為大氣中顯著污染因子。

1.3.3 重金屬健康風(fēng)險評價

本研究采用US EPA暴露模型對PM2.5中重金屬經(jīng)呼吸途徑進(jìn)入人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險進(jìn)行評價。依據(jù)國際癌癥研究中心數(shù)據(jù)庫，污染物可分為致癌物與非致癌物，則評價結(jié)果分致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險。致癌物需要計算終生日均暴露劑量（LADD），非致癌物需要計算日均暴露劑量；不同重金屬對不同人群的暴露劑量計算公式為：

式中，c為重金屬質(zhì)量濃度，mg·m-3；IR為呼吸速率，m3·d-1（王宗爽等，2009）；EF為暴露系數(shù)，d·a-1；ED為暴露持續(xù)時間，a；AT為平均暴露時間，d（中華人民共和國國務(wù)院新聞辦公室，2012）；BW為體質(zhì)量，kg（國家體育總局，2015）。相關(guān)參數(shù)見表1。

本文致癌重金屬為Cr、As、Ni、Cd、Co、Pb，非致癌重金屬為Zn、Mn、Mn、Sb，因不同研究者考量不同，本次研究對Pb進(jìn)行致癌與非致癌雙重評價，以期獲得普適性。計算單一致癌重金屬元素暴露的致癌風(fēng)險（ILCR）和非致癌重金屬元素暴露的非致癌風(fēng)險（HQ）見公式（4）、（5）：

式中，SF為致癌斜率因子[mg/(kg·d)]-1；RfD為日參考劑量[mg·(kg·d)]；ILCR的可接受范圍為10-6—10-4；當(dāng)ILCR＜10-6時（邢瓊予等，2019），該元素危險性不大；當(dāng)10-6≤ILCR≤10-4時，則存在致癌風(fēng)險；當(dāng)ILCR＞10-4，該元素致癌風(fēng)險較大，應(yīng)采取必要的風(fēng)險管理措施。若HQ大于1，存在危險度；小于1，則不具備危險度。RfD和SF取值參考US EPA推薦值以及中國相關(guān)研究成果（符小晴等，2018；USEPA，1989；胡子梅等，2013；張洛紅等，2017），相應(yīng)取值參見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣顆粒物中重金屬的濃度水平

采樣期間，峰峰礦區(qū)PM2.5和PM10年均質(zhì)量濃度分別為106.5、140 μg·m-3，PM2.5和PM10中13種重金屬元素年均質(zhì)量濃度分別為426.03、563.95 ng·m-3（見表3、4）。13種元素分別占PM2.5和PM10濃度的0.4%和0.4%。與黃石市（虎彩嬌等，2018）相比，元素占比偏低，但所測元素年均濃度差別不大，則表明峰峰礦區(qū)PM2.5和PM10污染較黃石市偏大。對照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）中規(guī)定的污染物濃度限值（環(huán)境空氣質(zhì)量，2012），PM2.5和PM10年均濃度均超過國家二級污染物濃度限值，其中PM2.5超標(biāo)3倍，PM10超標(biāo)2倍。其中元素含量的季節(jié)性差異明顯，冬、春季元素含量大于夏、秋季。

PM2.5中13種重金屬元素質(zhì)量濃度總和為20 735.40 ng·m-3，質(zhì)量濃度從高到低依次為Zn、Pb、Mn、Cr、Cu、As、V、Sn、Sc、Bi、Ni、Cd和Co，其中Zn、Pb、Mn、Cr、Cu分別占元素總和的42.53%、18.31%、11.76%、7.83%、6.30%。共計元素總量的86.74%。峰峰礦區(qū)采樣期間Cd、Pb元素均未超標(biāo)，As超標(biāo)2倍。依據(jù)大氣顆粒物Cr(Ⅵ)和總Cr平均比值（0.13）進(jìn)行估算（崔井龍等，2016），估算得到PM2.5中Cr(Ⅵ)的濃度為4.40 ng·m-3，其超標(biāo)176倍。PM10中重金屬質(zhì)量濃度總和為21 962.91 ng·m-3。其中Zn、Mn、Pb、Cr和Cu濃度較高，分別占元素總和的41.46%、19.61%、15.87%、7.32%、4.13%。5種元素共計占總量的88.38%。對比峰峰礦區(qū)采樣期間Cd、Pb元素均未超標(biāo)，As超標(biāo)2.5倍。估算得到PM10中Cr(Ⅵ)的濃度為5.36 ng·m-3，其超標(biāo)214.6倍，可知峰峰礦區(qū)As、Cr重金屬元素污染形勢嚴(yán)峻。變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值，消除了測量尺度和量綱的影響，可用于衡量各觀測值變異程度的一個統(tǒng)計量。變異系數(shù)使得PM2.5和PM10中重金屬元素分布表現(xiàn)出更強(qiáng)的分異性。通過計算PM2.5/PM10的比值，掌握不同元素的粒徑分布。由表5可知，Zn、Pb、Cr、Cu、As、V、Sn、Sc、Bi、Ni和Cd在PM2.5中所占比重均超過60%，表明這些元素主要存在于細(xì)顆粒物中，Mn和Co在PM2.5中所占比重均小于40%，Mn和Co主要存在于粗顆粒物中。Pb、Cu、As、Sc和Bi主要存在于細(xì)顆粒物中，Ni主要存在于粗顆粒物。

表1 不同人群各暴露量參數(shù)值Table 1 Parameters of Exposure in Different Populations

表2 致癌與非致癌評價相關(guān)參數(shù)Table 2 parameters related to carcinogenic and non-carcinogenic evaluation

表3 PM2.5中重金屬元素的質(zhì)量濃度Table 3 Mass contentrations of heavy Metals in PM2.5

表4 PM10中重金屬元素的質(zhì)量濃度Table 4 Mass contentrations of heavy Metals in PM10

如表6所示，與沿海城市相比，峰峰礦區(qū)大氣PM2.5中Zn濃度顯著低于上海（Wang et al.，2013）、廣州以及香港（Lee et al.，2007）；與京津冀各城市相比，峰峰礦區(qū)Zn濃度較北京市（劉建偉等，2018）、石家莊市（閆麗娜等，2019）偏低；V、As較天津市（張晶，2019）、石家莊市顯著偏低，Pb、Mn、Cu各元素濃度均低于石家莊市。其中Cr含量除天津市最高，分別是上海市的1.9、3.8倍，廣州市、北京市、石家莊市、香港的2、7.7、1.07、6.77倍?？傮w而言，峰峰礦區(qū)大氣中的重金屬含量偏低，但應(yīng)對Cr的污染引起重視。

表5 PM2.5與PM10中重金屬元素的比值Table 5 The ratio of heavy element in PM2.5 and PM10 %

表6 峰峰礦區(qū)與國內(nèi)主要城市PM10和PM2.5中元素質(zhì)量濃度年均值Table 6 Annual mean of element concentration in PM10 and PM2.5 in Fengfeng Mining area and main cities in China ng·m-3

2.2 PM2.5和PM10中重金屬綜合污染評價

本文依據(jù)構(gòu)建公式對煤礦區(qū)PM2.5和PM10中Zn、Mn、Pb、Cr、Cu、As、Ni、Cd和Co等9種重金屬綜合污染評價，依次計算了9種重金屬含量與背景值比值（Bi）的歸一化系數(shù)、地累積指數(shù)（Igeo）的歸一化系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（Eir）的歸一化系數(shù)以及煤礦區(qū)PM2.5和PM10中9種重金屬的綜合污染系數(shù)（IPI.dhm）分別如表7和表8。

由表7可知，煤礦區(qū)PM2.5中Cd的背景歸一化系數(shù)PI1為1，表明Cd是受社會經(jīng)濟(jì)活動影響極強(qiáng)的重金屬，其中Pb的值接近0.15，不能忽視社會經(jīng)濟(jì)對Pb的影響；地累積指數(shù)的歸一化系數(shù)（PI2）排序為Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cr＞Ni＞Mn＞Co，其中Cd、Pb、Zn、Cu、As、Cr、Ni的值均大于0.15，是該區(qū)污染程度較高的金屬，其中Cd、Pb、Zn、Cu的值大于或等于0.5，對該區(qū)大氣污染貢獻(xiàn)極高；潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的歸一化系數(shù)（PI3）的排序為Cd＞Pb＞Cu=As＞Zn=Cr=Ni=Mn=Co。除Cd外的PI3的值均不超0.05，Cd是該區(qū)潛在生態(tài)危害極高的重金屬，Pb、Cu、As也存在一定的潛在生態(tài)危害；綜合污染指數(shù)（IPI.dhm）排序為Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cr＞Ni＞Mn＞ Co。3指標(biāo)綜合評定結(jié)果顯示，大氣中Cd、Pb、Zn和Cu綜合污染指數(shù)分別為3、0.84、0.7和0.55，是當(dāng)?shù)卮髿獾娘@著污染因子（IPI.dhm＞0.5），Cd是峰峰礦區(qū)首要污染元素。

表8顯示，煤礦區(qū)PM10中Cd的背景歸一化系數(shù)PI1為1，表明Cd是受社會經(jīng)濟(jì)活動影響極強(qiáng)的重金屬，其中Pb的值為0.1，不能忽視社會經(jīng)濟(jì)對Pb的影響；地累積指數(shù)的歸一化系數(shù)（PI2）排序為Cd＞Pb＞Zn=Cu=As＞Cr＞Ni＞Mn＞Co，其中Cd、Pb、Zn、Cu、As、Cr的值均大于0.15，是該區(qū)污染程度較高的金屬，其中Cd、Pb、Zn的值大于0.5，對該區(qū)大氣污染貢獻(xiàn)極高；潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的歸一化系數(shù)（PI3）的排序為Cd＞Pb＞As＞Cu=Zn=Cr=Ni=Mn=Co。除Cd外的PI3的值均不超0.05，Cd是該區(qū)潛在生態(tài)危害極高的重金屬，Pb、As也存在一定的潛在生態(tài)危害；綜合污染指數(shù)（IPI.dhm）排序為Cd＞Pb＞Zn＞As＞Cu＞ Cr＞Ni＞Mn＞Co。3指標(biāo)綜合評定結(jié)果顯示，大氣中Cd、Pb和Zn綜合污染指數(shù)分別為3、0.71、0.61，是當(dāng)?shù)卮髿獾娘@著污染因子（IPI.dhm＞0.5），Cd是峰峰礦區(qū)首要污染元素。PM10數(shù)據(jù)為非采暖期，所以峰峰礦區(qū)大氣污染嚴(yán)峻。

2.3 重金屬健康風(fēng)險評價

礦區(qū)PM2.5和PM10中9種重金屬對不同人群的致癌與非致癌風(fēng)險見圖1和圖2。經(jīng)分析可知，觀測期間PM2.5中Cr、As、Cd和Pb對該礦區(qū)人群有致癌風(fēng)險，且致癌風(fēng)險老年男＞老年女＞成年男＞成年女＞兒童男＞兒童女，其中Cr對成年人、老年人的致癌評價結(jié)果顯著大于1×10-4，具有較高的致癌風(fēng)險。As的致癌風(fēng)險較Cr小，但不能忽視其長期作用。Cd、Pb對兒童無致癌風(fēng)險，對成年人、老年人有不同程度的致癌風(fēng)險。Ni、Co的致癌風(fēng)險小于1×10-6，其危險性不大。PM10中Cr、As、Cd、Pb、Ni、Co對成年人、老年人均具有致癌風(fēng)險。除兒童（女）外，Cr的風(fēng)險值均大于1×10-4，具有高的致癌風(fēng)險。Ni、Co對兒童無致癌風(fēng)險，但不能忽視幾種金屬元素的綜合致癌風(fēng)險。通過不同年齡段的性別差異的比較可知，金屬元素對男性的致癌風(fēng)險均大于女性，可能與人群戶外活動時間有關(guān)?？傮w而言，重金屬元素的致癌風(fēng)險與人群的年齡呈正相關(guān)，年齡越大，致癌風(fēng)險越大；不同年齡段的致癌風(fēng)險表現(xiàn)為男性大于女性。非致癌風(fēng)險在不同人群中表現(xiàn)為兒童＞成年人＞老年人。在顆粒物PM2.5和PM10中，5種金屬元素的非致癌風(fēng)險均小于1，表明該地區(qū)不存在非致癌風(fēng)險。

表7 PM2.5重金屬污染水平Table 7 Pollution levels of heavy metals in PM2.5

表8 PM10重金屬污染水平Table 8 Pollution levels of heavy metals in PM10

圖1 PM2.5重金屬元素對不同人群的風(fēng)險值Fig.1 PM2.5 risk values of heavy metal elements to different population

圖2 PM10重金屬元素對不同人群的風(fēng)險值Fig.2 PM10 risk values of heavy metal elements for different population

與中國其他地區(qū)的研究對比發(fā)現(xiàn)：天津市市區(qū)和市郊細(xì)顆粒物中重金屬的致癌風(fēng)險性的范圍是3.40×10-8—9.11×10-6（馮利紅等，2018），邯鄲市顆粒物載帶金屬元素的致癌風(fēng)險范圍是1.41×10-8—9.62×10-7（張城瑜等，2018），說明這些研究中顆粒物中重金屬的致癌風(fēng)險較低。相比之下，該煤礦區(qū)顆粒物載帶金屬的致癌風(fēng)險偏高，且Cr對該研究區(qū)人群已產(chǎn)生致癌風(fēng)險，對老年人造成的風(fēng)險最大。

2.4 重金屬污染源分析

圖3展示了峰峰礦區(qū)PM2.5和PM10樣品中13種金屬元素的富集情況?？梢钥闯觯宸宓V區(qū)PM2.5和PM10中元素富集情況一致。其中元素Cd、Bi的EF值大于10，富集情況明顯，主要是人為污染源。元素V、Cr、Mn、Co和Ni的EF值介于0—1之間，主要來自于地殼物質(zhì)，Cu、Zn、As、Sn和Pb的值介于1—10，受自然和人為因素共同影響，PM10中金屬元素的富集程度較PM2.5高。

計算了不同重金屬元素的相關(guān)系數(shù)，并判定其來源是否有聯(lián)系。結(jié)果顯示，As與Cd相關(guān)系數(shù)為0.415，在0.01水平上顯著相關(guān)，表明兩種元素可能具有同源性；Co與Cu、Sn、Pb和Bi之間呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)較大（r＞0.7，見表9）。

圖3 PM2.5、PM10中重金屬元素的富集系數(shù)Fig.3 Enrichment coefficient of heavy metal elements in PM2.5, PM10

為進(jìn)一步了解峰峰礦區(qū)中金屬元素的來源，利用主成分分析獲得4種主要污染源（見表10），4個主成分因子累計解釋總方差的77.69%，表明四類污染源可以有效解釋PM2.5中金屬元素的來源。因子1解釋了總方差的45.45%，其中載荷較高的元素達(dá)6個，分別為Co、Cu、Zn、Sn、Pb、Bi。其中Cu和Zn主要來源于機(jī)動車的尾氣排放、輪胎等車輛部件的磨損（Tian et al.，2015），Sn、Bi用于合金工業(yè)的生產(chǎn)，Zn和Pb是民用燃煤排放PM2.5中最主要的重金屬成分（張銀曉等，2018），其他載荷元素如V、Cr、Mn富集因子小于1，主要受自然因素以及礦山開采揚塵的影響，因此成分1反映了復(fù)合污染源的影響。成分2中As和Cd的載荷較高，與相關(guān)性顯示一致，表示兩者同源，As是燃煤排放的特征元素（王明仕等，2017），據(jù)此判斷因子2反映燃煤排放。因子3解釋了總方差的10.67%，Cr多來源于鋼鐵、燃煤等工業(yè)活動，峰峰礦區(qū)擁有大型焦煤廠、鋼鐵廠，所以因子3主要反映工業(yè)活動的影響。因子4占總方差的7.68%，As的載荷最大，As因其本身的化學(xué)毒性，與其化合物被運用在農(nóng)藥、除草劑、殺蟲劑，因此推斷因子4反映農(nóng)業(yè)活動的影響。

表9 13種金屬元素的相關(guān)性Table 9 Correlation of 13 metal elements

表10 峰峰礦區(qū)大氣中金屬元素的方差旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 10 Variance rotation factor load matrix of metallic elements in the atmosphere of Fengfeng mining area

3 結(jié)論

（1）采樣期間，峰峰礦區(qū)PM2.5和PM10年均質(zhì)量濃度分別為106.5、140 μg·m-3，該區(qū)大氣污染嚴(yán)重。PM2.5和PM10中13種重金屬元素質(zhì)量濃度總和分別為20 735.40、21 962.91 ng·m-3。Zn、Pb、Cr、Cu、As、V、Sn、Sc、Bi、Ni和Cd這些元素主要存在于細(xì)顆粒物中，Mn和Co元素主要存在于粗顆粒物中。

（2）礦區(qū)PM2.5和PM10綜合污染指數(shù)（IPI.dhm）評定結(jié)果顯示，大氣中Cd、Pb和Zn是當(dāng)?shù)卮髿獾娘@著污染因子（IPI.dhm＞0.5），Cd是峰峰礦區(qū)首要污染元素。

（3）礦區(qū)PM2.5和PM10中8種重金屬對不同人群的致癌風(fēng)險表現(xiàn)為老年男＞老年女＞成年男＞成年女＞兒童男＞兒童女，Cr具有高的致癌風(fēng)險。重金屬元素的致癌風(fēng)險與人群的年齡呈正相關(guān)，年齡越大，致癌風(fēng)險越大；不同年齡段的致癌風(fēng)險表現(xiàn)為男性大于女性。該區(qū)不存在非致癌風(fēng)險，但是兒童的非致癌風(fēng)險較成年人、老年人大。

（4）峰峰礦區(qū)大氣顆粒物中元素的來源受機(jī)動車尾氣排放、燃煤排放、工業(yè)活動以及農(nóng)業(yè)活動的影響。

致謝：感謝所有為本研究提出建議和意見的教授；感謝審稿人對稿件提出的寶貴意見！