邯鄲市冬季大氣PM2.5 中金屬元素空間污染特征及生態風險評價

武振曉,閆珊珊,薛凡利,劉召策,吳 馨,楊 旗,胡 偉,岳 亮,樊景森,牛紅亞

1.河北工程大學,河北省資源勘測研究重點實驗室,河北 邯鄲 056038

2.天津大學地球系統科學學院表層地球系統科學研究院,天津 300072

3.河北省邯鄲市環境監測中心,河北 邯鄲 056001

細顆粒物(PM2.5)是大氣組成成分之一,含有大量有毒有害物質,具有潛在的生態環境破壞和人體健康損害風險。 近年來,大氣顆粒物及其組成成分研究成為全球大氣環境研究領域的熱點[1]。 研究表明,PM2.5攜帶的金屬元素可在環境中不斷遷移、轉化,對土壤和水體造成污染,被植物吸收利用后,可通過食物鏈進入人體,因其極難降解且具有生物毒性,可在體內不斷累積,導致人體機能永久性損傷甚至死亡[2-5]。 如直接暴露在高濃度的大氣顆粒物中,其所含金屬元素會對人體免疫系統和呼吸系統造成損害[6-7]。 目前,國內關于大氣顆粒物及其所含金屬元素污染特征的研究主要針對北京、天津、西安等地區[8-13],對于中小型城市的研究相對較少。 在大氣污染普遍存在于各個地區的背景下,工業城市因污染源復雜且人類活動對大氣環境的影響更大,會造成更為嚴重的生態和健康危害。 因此,對于中小型重工業城市大氣污染問題,應當給予更多的關注。

邯鄲市是河北省省轄市,是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一。 此外,邯鄲是華北地區重要的交通樞紐,而且工業發達,是重要的產煤煉鋼城市。 復雜的自然地理條件和較強的人為活動影響使得該地區成為全國大氣污染嚴重城市之一[14]。 針對邯鄲市PM2.5及其所含金屬元素的研究,不僅對本地空氣質量改善有重大意義,而且關系到京津冀地區大氣環境治理問題。 邯鄲市冬季大氣污染最為嚴重,且不同功能區的污染程度存在一定差別。 因此,本文通過采集2017 年冬季邯鄲市各功能區大氣PM2.5樣品,對樣品中金屬元素的含量、空間污染特征、污染來源及潛在生態風險進行研究,以期進一步完善區域大氣顆粒物基礎數據,并為該地區大氣中金屬元素污染的預防和治理提供有效的參考信息。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本次實驗根據研究目的選擇了不同的功能區(工業區、工業生活區、教學區和交通區),依據功能區特點和大小確定采樣點,且采樣點均設置在周圍沒有建筑物遮擋的空曠地帶[14],能較好地代表邯鄲市各個功能區的污染狀況。 利用大氣PM2.5采樣器(青島金仕達,KB-120F;青島眾瑞,ZR-3930D;武漢天虹,TH-1000)采集大氣PM2.5樣品至石英濾膜。 采樣前,將所有儀器集中清洗、調試及對比,有效降低由儀器所造成的系統誤差。樣品采集時間為2017 年1 月2 日—1 月11 日,采樣期內出現了不同污染狀況的天氣(清潔天,PM2.5≤75 μg/m3;輕/中 度 污 染 天,75 ＜PM2.5≤150 μg/m3;重污染天,PM2.5＞150 μg/m3),采樣數據能較好地代表邯鄲市該季節的大氣污染狀況。每日18:00—次日17:30 采集工業區、工業生活區和交通區PM2.5樣品,每日08:00—19:30、20:00—次日07:30 采集教學區PM2.5樣品。 同時,為消除濾膜在運輸過程中及暴露在空氣中可能受到的污染,1 月12 日在4 個功能區均加采一個空白樣品進行對照實驗[15-16]。 工業區、工業生活區和交通區各采集11 個樣品,教學區共采集20 個樣品。 采樣前,將濾膜放置于馬弗爐中焙燒5.5 h 以去除雜質(如有機物等),然后放置在25 ℃恒溫箱(濕度為30%)中儲存,直至采樣前將其取出;采樣后,將濾膜放置在-18 ℃冰箱中密封保存[17],直至進行樣品分析前將其取出。 采樣前后的濾膜均需使用電子天平稱重,每張濾膜至少稱重兩次,且保證兩次稱重誤差不超過0.04 mg,然后利用差值法計算得出濾膜上采集到的PM2.5的質量。

1.2 樣品分析

分析前,使用陶瓷剪刀將濾膜剪碎倒入消解罐,然后加入6 mL 濃硝酸、2 mL 雙氧水、2 mL 氫氟酸,置于烘箱150 ℃消解10 h。 待消解罐溫度冷卻至45 ℃時,開蓋加入0.5 mL 高氯酸,再將消解罐移至電熱板,溫度設定為180 ～200 ℃,進行趕酸。 等到消解罐中的溶液只有黃豆粒大小時,取出消解罐,自然冷卻,然后向消解罐中加入0.5 mL 濃硝酸,用移液槍把消解罐中的溶液移到容量瓶中,加入去離子水定容至10 mL[1]。 使用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定PM2.5中11 種金屬元素(V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、As、Cd、Ba、Bi)的含量。 為確保實驗結果的準確性,采用空白膜進行對照。 實驗結果顯示,空白濾膜中的元素本底值低于儀器檢出限,對實驗結果幾乎不存在影響。

1.3 評價方法

1.3.1 富集因子法

富集因子法是常用以表示大氣顆粒物中元素的富集程度,判斷和評價顆粒物中元素污染程度的方法。 富集系數越大,說明污染程度越高;富集系數越小,說明污染程度越低。 計算公式如下:

式中:EF 表示富集系數;Ci為金屬元素i 的含量,mg/kg;Cn為參比元素n 的含量,mg/kg。 元素富集程度與污染分級如表1 所示[18]。

表1 元素富集程度與污染分級表Table 1 Elements enrichment and pollution classification

一般選擇地殼或土壤中含量豐富、與其他元素相關性較強且化學性質穩定的元素作為參比元素,如Si、Al、Fe 和Mn 等[19]。 本文選取Mn 作為參比元素,其元素背景值參考《中國土壤元素背景值基本統計量及其特征》[20]。

1.3.2 金屬元素多元統計分析

為識別PM2.5中金屬元素的來源,利用SPSS 22. 0 軟件對PM2.5中金屬元素的含量數據進行主成分分析(PCA)和聚類分析(CA),兩種統計方法在各項研究中均已得到廣泛應用[1,10,21]。 主成分分析的原理是在損失較少數據信息的基礎上,利用數據之間的相關性,把多個變量合并劃分為少數幾個新的綜合指標,通過降維處理技術大幅提高數據的分析效率。 本研究使用最大方差旋轉和Kaiser 標準化對樣品中的金屬元素進行主成分分析。 聚類分析是根據所得樣品中金屬元素的含量數據及金屬元素性質上的差別,對其進行分組歸類,進一步驗證主成分分析的結果[10]。 本研究采用離差平方和法和Euclidean 距離法對研究數據進行聚類分析。

在進行主成分分析和聚類分析的基礎上,采用絕對主成分得分-多元線性回歸模型(APCSMLR)定量模擬各個污染源對邯鄲市大氣中不同金屬元素的貢獻率。 其主要過程是將大氣中實測得到的每種金屬元素分別作為因變量,將所有非標準化的主成分因子得分作為自變量,進行多元線性回歸,然后通過回歸系數得出每種金屬元素污染來源的貢獻值[22-24]。

1.3.3 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數通常被用來反映某一特定環境中單個污染物和多種污染物的綜合影響。 本研究采用瑞典科學家HAKANSON 提出的潛在生態風險指數法,評價金屬元素對生態系統的潛在風險[11]。 因部分金屬元素毒性系數參考值缺失,本文僅對Cr、Ni、Cu、As 和Cd 5 種元素進行潛在生態風險評估。 計算公式為

式中:Ci為樣品中金屬i 的含量,mg/kg;Co為金屬i 的背景值,本研究采用中國土壤元素背景值[20],mg/kg;Ei為單個金屬元素的生態風險指數;Ti為金屬i 的毒性系數,Cr、Ni、Cu、As、Cd 的毒性系數分別為2、5、5、10、30;RI 為各金屬元素Ei之和。 潛在生態風險等級劃分如表2 所示[18,25]。

表2 潛在生態風險評價指標分級Table 2 Grading of potential ecological risk assessment indicators

2 結果與討論

2.1 PM2.5 質量濃度分析

采樣期間,邯鄲市各采樣點PM2.5含量特征如圖1 所示。 工業區、工業生活區、教學區、交通區PM2.5日平均濃度分別為(170±60)、(176±64)、(149±74)、(184±92) μg/m3,是我國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)二級標準限值(日均值75 μg/m3)的1.90 ～2.50 倍[21]。 其中,交通區污染天數(輕/中度污染天和重污染天)占比高達80%,其他功能區污染天數占比均為70%。 該數據表明,邯鄲市2017 年冬季采樣期整個區域的空氣質量狀況較差。 與我國典型城市冬季PM2.5濃度水平相比,邯鄲市PM2.5質量濃度略低于西安市,但明顯高于吉林市[26]、南昌市[27]、北京市[28]、南京市[29]、淄博市[1]、上海市[30]等地區,說明邯鄲市冬季采樣期PM2.5污染較為嚴重。 邯鄲市冬季采樣期PM2.5濃度超標的原因主要有兩個:一是氣象條件的影響。 邯鄲市冬季主要受冬季風的影響,靜穩天氣較多,且風速小、風頻低,不利于污染物的擴散。 二是采暖季的影響。 煤炭等化石燃料使用量的增大導致PM2.5的排放量增加,使得空氣污染較為嚴重[14-15,31-32]。盡管邯鄲市已采取多種措施,如機動車限行、依法關停部分污染企業、加強道路綠化等,但是冬季空氣污染依然較為嚴重。 相關部門應當根據該地區污染狀況,制定更為積極有效的環境管理政策,從而進一步改善邯鄲市大氣污染現狀。 金屬元素是PM2.5的重要組成部分,因此,對PM2.5中金屬元素的含量和來源開展分析研究,是控制PM2.5中金屬元素的排放,改良邯鄲市大氣中金屬元素污染現狀的有效途徑[18]。

圖1 采樣期間各功能區PM2.5 質量濃度Fig.1 Mass concentration of PM2.5 in different functional areas during sampling period

2.2 各功能區金屬元素污染特征差異性評價

2.2.1 金屬元素在不同功能區含量的變化特征

采樣期間,邯鄲市PM2.5中的金屬元素在4個功能區的分布特征如圖2 所示。 從圖2 可以得知,不同金屬元素的質量濃度在各個采樣點存在一定差別。

圖2 采樣期間各功能區PM2.5 中金屬元素的質量濃度Fig.2 Mass concentration of metal elements in PM2.5 in different functional areas during sampling period

采樣期間,工業區各金屬元素質量濃度介于0.002 ～1.670 μg/m3,金屬元素質量濃度排序為Fe＞Mn＞As＞Ba＞Cr＞Cu＞Ni＞Cd＞Bi＞V＞Co,11 種金屬元素總的質量濃度為2.34 μg/m3,占PM2.5質量濃度的1.38%;工業生活區各金屬元素質量濃度范圍為0.002 ～2.100 μg/m3,各金屬元素含量排序為Fe＞Mn＞As＞Cr＞Ba＞Cu＞Ni＞Cd＞Bi＞V＞Co,11 種金屬元素質量濃度之和為2.75 μg/m3,占PM2.5質量濃度的1.56%;教學區各金屬元素質量濃度介于0.001 ～0.680 μg/m3,排序為Fe＞As＞Mn＞Ba＞Cr＞Cu＞Ni＞V＞Bi＞Cd＞Co,11 種金屬元素總的質量濃度為1.30 μg/m3,占PM2.5質量濃度的0.87%;交通區各金屬元素質量濃度范圍為0.002 ～1.280 μg/m3,排序為Fe＞Cr＞As＞Mn＞Ba＞Cu＞Ni＞Cd＞Bi＞V＞Co,11 種金屬元素總的質量濃度為1.89 μg/m3,占PM2.5質量濃度的1.03%。此結果表明,工業區、工業生活區和交通區大氣PM2.5中金屬元素的含量高于教學區。

在計算金屬元素質量濃度的基礎上,對11 種金屬元素在不同功能區的變異系數進行了分析。變異系數可以反映金屬元素在不同環境中的異質性,元素的變異值越大,說明其在不同采樣點的分布越離散,即可能存在高污染功能區[10,33]。 邯鄲市大氣PM2.5中金屬元素的變異值由大到小依次為Fe(0.37)、As(0.33)、Cr(0.27)、Cd(0.25)、Mn(0.24)、Cu(0.23)、Co(0.18)、V(0.16)、Ni(0.15)、Ba(0.14)、Bi(0.13)。 Co、V、Ni、Ba 和Bi的變異系數均小于0.20,屬于低變異元素;Cr、Cd、Mn 和Cu 的變異值介于0.20 ～0.30,為中等變異度;Fe 和As 的變異系數均大于0.30,屬于高度變異元素。

邯鄲市大氣PM2.5金屬元素變異系數計算結果表明,Bi、Ba、Ni、V 和Co 在各功能區的含量差異較小,剩余6 種元素表現為中高等變異度。 其中,Cu 和Fe 在教學區的質量濃度顯著低于其他功能區;Mn 和Cd 在教學區的含量較低,在工業區和工業生活區的含量較高;Cr 在教學區的含量低,在交通區的含量高;As 在教學區的質量濃度遠高于其他功能區。 該結果表明,教學區為Fe、Cr、Cd、Mn 和Cu 元素的低值區,同時還是As 元素的突出高值污染區。 不同功能區金屬元素含量的差別可能與人類活動的影響程度有關。 與教學區相比,其他3 個功能區的交通流量大、工業活動密集程度高,使得局地空氣中某些金屬元素的含量較高。 As 元素的主要來源是煤炭的燃燒。 教學區As 元素質量濃度明顯高于其他功能區,可能是由于教學區附近存在大量小型飯店和街頭燒烤攤點,其使用的煤炭大多未經加工處理,且沒有任何廢氣凈化處理設施。 燃煤產生的廢氣及其攜帶的As 元素大量排放到空氣中[34],造成教學區As元素含量較高。

2.2.2 不同功能區金屬元素富集程度的變化特征

PM2.5中的金屬元素在邯鄲市各功能區的富集系數如表3 所示。 金屬元素的富集系數可反映其在空氣中的富集程度,富集系數越高,說明富集程度越高。 污染級別用數值0 ～5 表示,數值越高,表示該金屬元素的污染級別越高[18]。

表3 顯示,V 和Co 在各個功能區的富集系數均小于1,即4 個功能區的V、Co 元素不存在富集,污染級別為0;Ba 在教學區的富集系數為1.23,存在輕度富集,在其他功能區均小于1,說明邯鄲市大氣中Ba 元素造成的空氣污染級別較低;Ni 在不同功能區的富集系數均介于2 ～5,存在中度富集,污染級別為2;Cr 和Cu 在4 個功能區的富集系數均介于5 ～20,為重度富集,污染級別為3;As 在工業區和工業生活區的富集系數介于20 ～40,為嚴重富集,在教學區和交通區的富集系數遠大于40,為極重富集,說明邯鄲市As 元素污染嚴重,尤其是教學區的富集系數高達129.23,污染程度極高;Fe、Cd、Bi 在4 個功能區的富集系數均大于40,富集程度為極重,污染級別為5,但與其他3 個功能區相比,教學區Fe 和Cd 元素的富集系數相對較低,即在整個區域Fe 和Cd 污染極重的背景下,教學區的污染程度相對較輕。

表3 各功能區不同金屬元素的富集系數Table 3 Enrichment factor of the metal elements in different functional areas

2.3 金屬元素來源的識別及貢獻率計算

2.3.1 金屬元素的來源解析

為探究邯鄲市2017 年冬季采樣期PM2.5中金屬元素的主要來源,本研究結合相關參考文獻,對PM2.5中金屬元素的來源展開分析[35-37],并通過主成分分析法和聚類分析法對V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、As、Cd、Ba 和Bi 共11 種元素的來源進行判別。 邯鄲市大氣PM2.5中金屬元素的主成分分析結果見表4。 由表4 可知,經過最大方差旋轉后,提取3 個特征值大于1 的主因子,即主因子1(4.43)、主因子2(2.91)和主因子3(1.20),3 個因子的累計方差貢獻率為77.67%。 主因子1中,Cr、Mn、Fe、Cu、Cd 和Ba 的載荷值較大,方差貢獻率為40.26%;主因子2 中,V、Co 和Bi 的載荷值較大,方差貢獻率為26.48%;主因子3 主要由Ni 和As 兩種元素構成,Ba 的載荷值在主因子3 中也較大,該因子的方差貢獻率為10.93%。圖3 為邯鄲市PM2.5中金屬元素的聚類分析結果。 由圖3 可知,邯鄲市PM2.5中的金屬元素可被 分 為 V-Co-Bi、 Mn-Fe-Cu-Cr-Cd-Ba 和 Ni-As 3 類,與主成分分析結果一致。

表4 三大主成分對邯鄲市PM2.5 中金屬元素的解釋總方差Table 4 Total variance explained of three principal components of metal elements in PM2.5 in Handan City

第一組元素Cr、Mn、Fe、Cu、Cd 和Ba 在主成分分析中被歸為同一主成分,在聚類分析中也被歸為同一類,說明邯鄲市PM2.5中的Cr、Mn、Fe、Cu、Cd 和Ba 元素具有相同或者相似的來源。 相關研究表明,Fe 是鋼鐵制造中的主要材料,其冶煉過程會向空氣中釋放大量的Fe 元素[37];Cr 和Mn 可作為工業活動(冶煉、采礦等)排放的指示元素[13];Cu、Ba 通常被用于軸承、輪胎及剎車片等的制造,極易通過磨損作用進入空氣[33];Cd 與礦區煤炭開采活動密切相關,且煤矸石堆的風化過程也會釋放一定量的Cd[33]。 因此,主因子1的來源為工業源。

第二組元素V、Co 和Bi 屬于同一主成分,結合聚類分析結果可知,邯鄲市大氣中V、Co 和Bi的來源具有一致性。 V、Co 受人類活動的影響較小,其主要來源可能是自然源(土壤塵等)[10]。 關于Bi 元素的研究相對較少。 本研究中,Bi 與Co之間的相關系數高達0.95,且主成分分析與聚類分析均將兩者分為同一組,說明這兩種元素的來源具有高度一致性。 因此,可以推斷主因子2 主要代表自然源。

第三組元素Ni 和As 在主成分分析中為同一因子所含元素,且在聚類分析中被劃分為同一類,Ba 元素在因子3 中也具有一定的載荷值,說明邯鄲市大氣中的Ni 和As 兩種元素同源,且該來源可能是空氣中Ba 元素的來源之一。 As 是煤炭燃燒的標識性元素[34];Ba 是燃油和汽車尾氣排放的元素之一,此外,汽車制動過程中剎車片、輪胎和軸承的磨損均可造成Ni 和Ba 元素的釋放[10,33]。 因此,主因子3 代表的是化石燃料的燃燒和交通運輸活動混合來源。

圖3 PM2.5 中金屬元素聚類分析結果Fig.3 Cluster analysis of metal elements in PM2.5

2.3.2 不同污染源貢獻率的計算

基于主成分分析結果,運用APCS-MLR 解析3 種主要污染源對邯鄲市PM2.5中不同金屬元素的貢獻率(表5)。 對比各金屬元素質量濃度模擬均值與實測均值的比值可見,除Fe 元素外,其他元素均介于0.80 ～1.20,說明除Fe 元素外,其他金屬元素的模擬值與實測值的擬合度較高。 此外,11 種金屬元素的實測值與模擬值之間的相關系數(r)均大于0.85,進一步說明該模型的回歸擬合準確度很高。 表5 中,主成分分析所得3 個主因子對V、Mn、Fe、Co、Cu、Cd、Ba 和Bi 8 種金屬元素的貢獻率之和均為100%,但對Cr、Ni 和As的貢獻率之和均小于100%,表明還存在其他污染源對Cr、Ni 和As 在大氣中的含量產生影響。

由表5 可知, 在邯鄲市, 自然源貢獻了95.81%的V 和93.92%的Co,化石燃料的燃燒和交通運輸活動對V、Co 的貢獻率分別為4.19%、6.08%;工業活動貢獻了80%以上的Mn、Fe、Cu和Cd,自然源對Mn、Fe、Cu、Cd 的貢獻率分別為1.29%、 15.32%、 1.37%、 12.92%, 此 外, 還 有10.00%的 Mn、3.45% 的 Fe、12.91% 的 Cu 和0.39%的Cd 元素來自化石燃料的燃燒及交通源;Ba 的主要來源是工業活動,工業源對Ba 的貢獻為67.83%,化石燃料的燃燒及交通運輸活動對其含量的影響也較大,貢獻率為32.17%;自然源是Bi 的主要來源,貢獻率為97.08%,工業活動、化石燃料的燃燒及交通運輸活動對其含量的影響均較小,貢獻率之和為2.92%;工業活動貢獻了74.81%的Cr 和5.48%的As,化石燃料的燃燒及交通運輸活動對Cr、As 的貢獻率分別為16.35%、81.43%,此外,還有8.84%的Cr 和13.09%的As為未知來源;工業活動、自然源、化石燃料的燃燒和交通源對Ni 的貢獻率分別為10.42%、3.25%、73.87%,此外,還有12.46%的Ni 來源未知。

通過對邯鄲市大氣中金屬元素的來源進行分析可知,污染源的貢獻率從大到小依次是工業源、自然源、化石燃料的燃燒及交通源。 金屬元素的來源較為復雜,且不同來源對各金屬元素的貢獻率存在較大差別,Cr、Ni 和As 存在未知污染源。

表5 不同來源對各金屬元素的貢獻率、模擬均值與實測均值比值及相關系數Table 5 Source apportionments and ratios of estimated mean value to measured mean value of metal elements using APCS-MLR

2.4 潛在生態風險評估

邯鄲市大氣PM2.5中Cr、Ni、Cu、As 和Cd 的潛在生態風險指數及風險程度分級見表6。 Cr 和Ni 在4 個功能區的潛在生態風險指數均小于40,潛在生態風險程度為輕微;Cu 在工業區的潛在生態風險指數大于80,潛在生態風險程度為強,在其他3 個功能區均介于40 ～80,潛在生態風險程度為中等;As 和Cd 在4 個功能區的潛在生態風險指數均遠大于320,潛在生態風險程度為極強,且As 在教學區的潛在生態風險指數遠高于其他功能區。 此外,4 個功能區各金屬元素潛在生態風險指數之和介于9 144 ～14 986,均遠超過600,說明5 種元素在整個邯鄲市的總生態風險很高。但與其他3 個功能區相比,教學區潛在生態風險指數的總和(9 144)較低,說明教學區PM2.5中金屬元素的潛在生態風險程度相對較低。 將本研究結果與北京市城區[9]、天津市取暖期[8]PM2.5中金屬元素生態風險評價結果進行對比(表6)。 結果顯示,邯鄲市Cu 的生態風險指數略低;邯鄲市教學區Ni 的潛在生態風險指數略高于北京市城區;邯鄲市Cr 和As 的潛在生態風險遠高于北京市和天津市;邯鄲市Cd 的生態風險遠高于天津市,且除教學區外,邯鄲市其他功能區Cd 的生態風險指數也高于北京市。 邯鄲市4 個功能區總生態風險指數均高于北京市(8 235),表明應當高度重視邯鄲市PM2.5中金屬元素的潛在生態風險。

表6 PM2.5 中金屬元素的潛在生態風險指數及風險程度Table 6 Potential ecological risk factors and risk degree of metal elements in PM2.5

圖4 是各個功能區PM2.5中5 種金屬元素對各個采樣點總潛在生態風險的相對貢獻率。 由圖4 可知,Cd 和As 的相對貢獻率較大。 Cd 在工業生活區的相對貢獻率最大(94%),在教學區的相對貢獻率最小(84%);As 在教學區的相對貢獻率最大(15%),在工業生活區的相對貢獻率最小(4%)。 Cd 和As 的相對貢獻率高,一方面是由于這兩種金屬元素的毒性系數較高。 另一方面,金屬元素的形態不同,所引起的生態風險程度也不同。 相關研究表明,Cd 在大氣顆粒物中主要以酸提取態存在[38],因此,Cd 的生物可吸收利用性較強,在生態系統中易富集,對生態系統造成的潛在風險最高。 邯鄲市Cd 和As 的潛在生態風險貢獻率較高,該結果與趙珍麗等[18]關于東莞市大氣顆粒物的研究結果一致。

圖4 各功能區PM2.5 中金屬元素對各個采樣點位潛在生態風險的相對貢獻率Fig.4 Relative contribution rate of metals to potential ecological risk of each sampling site in PM2.5 in different functional area

總之,邯鄲市大氣PM2.5中的金屬元素存在較高的潛在生態風險,應當根據其來源從源頭上控制金屬元素的排放量,并積極采取科學有效的預防措施,以減少金屬元素對生態系統的危害,確保大氣系統的安全。

3 結論

1)2017 年冬季采樣期間,邯鄲市各功能區PM2.5日均濃度均遠超過《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)二級標準限值(75 μg/m3),超標天數比例可達70%以上。

2)教學區各金屬元素質量濃度的總和小于其他3 個功能區。 同時,教學區是Cr、Cd、Mn、Cu、Fe 元素的低值區,但也是As 元素的突出高值污染區。 Bi、Ba、Ni、V 和Co 元素的含量在各功能區無顯著差異。

3)V、Co 和Ba 元素在邯鄲市各功能區的富集系數較低,污染程度較輕;其余8 種元素均存在一定程度的富集,尤其是As、Fe、Cd 和Bi 在各個功能區的富集系數均大于20,造成的大氣污染程度較為嚴重。

4)邯鄲市大氣PM2.5中金屬元素的主要來源包括工業源、自然源、化石燃料的燃燒及交通運輸源。 工業源是Cr、Mn、Fe、Cu、Cd 和Ba 的主要貢獻源;自然源主要貢獻了V、Co 和Bi 元素;化石燃料的燃燒及交通運輸源是Ni 和As 元素的主要來源,同時也貢獻了一定量的Ba 元素。

5)邯鄲市PM2.5中金屬元素的總生態風險很高。 As 和Cd 在4 個功能區的生態風險程度為極強,且對總生態風險的相對貢獻率較高;Cu 的生態風險程度為中等到強;Cr 和Ni 在4 個功能區的生態風險相對較低。