克拉瑪依市地表灰塵重金屬污染及潛在生態風險評估

阿迪萊·伊斯馬伊力，麥麥提吐爾遜·艾則孜,2,*，阿里木江·卡斯木，楊秀云

1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054 2. 新疆師范大學新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，烏魯木齊 830054

地表灰塵(surface dust)是附著、淀積于人工鋪地(道路、橋面、街道和廣場等)及地面附著物、建筑物的裸露面上，未被固化粘結，且易于在風力、水力和重力作用下，反復飄浮、再淀積于地面，直接或間接暴露在灰塵中的固體顆粒物[1-2]。鑒于地表灰塵所處環境界面的特殊性及重要的源匯效應，地表灰塵重金屬污染及其潛在生態風險評估已成為眾多學者關注的城市生態環境問題之一[1-4]。隨著區域城市化、工業化發展，城市地表灰塵中具有生物毒性的重金屬元素產生的生態環境效應越來越突出，對城市生態環境帶來危害[5-6]。國內外學者研究了不同城市地表灰塵、道路揚塵重金屬污染的潛在風險，結果表明，在城市工業生產、交通運輸、生活排放和市政建設等人類活動的影響下，城市地表灰塵重金屬含量均超出相應的土壤環境背景值，不同的重金屬元素在不同城市地表灰塵中呈現出不同的積累特征，不同城市地表灰塵重金屬污染程度與污染風險差異較大[7-11]。城市地表灰塵中研究較多的為Cd、Cr、Cu、Pb、As和Hg等元素，由于生物毒性較強，這些元素在城市地表灰塵中的富集具有重要的環境指示意義和較大的環境危害[12]。

克拉瑪依市是我國典型的石油城市之一，以原油和天然氣開采、原油加工以及煉制行業為支柱產業，成為獨特的石油石化生產區[13-14]。石油生產、加工過程產生的污染物隨工業“三廢”進入大氣、水和土壤系統，在人類活動和自然作用下飄浮淀積于地表，并對周邊生態環境造成危害[15]。近年來，國內學者對我國不同城市地表灰塵重金屬污染風險評估方面開展了不少研究工作[10-12]，并取得了重要研究成果，但對于我國西北干旱區綠洲城市，其地表灰塵重金屬污染風險評估方面缺乏較全面、系統的研究。克拉瑪依市作為典型石油城市，有必要評價其地表灰塵重金屬污染風險。基于此，從新疆克拉瑪依市克拉瑪依區采集52個地表灰塵樣品，分析其中Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6種重金屬元素含量，基于地理信息系統(GIS)技術與地質統計學理論，采用內梅羅綜合污染指數(NPI)、潛在生態風險指數(RI)和生態風險預警指數(IER)，對地表灰塵重金屬污染及生態風險進行評價，為提高城市環境質量以及改善人居環境提供科學依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區概況

克拉瑪依市位于準噶爾盆地西部，天山北麓北部，加依爾山東南部，東瀕古爾班通古特沙漠。克拉瑪依市氣候屬于溫帶大陸性干旱氣候，多年平均氣溫8.1 ℃，極端最高氣溫46.2 ℃，多年平均降水量108.9 mm，多年平均蒸發量約3 000 mm[16]。大風是該區主要的災害天氣之一，主要出現在春、夏和秋三季，大部分風速均<5 m·s-1[17]。受地理位置和降水稀少的影響，克拉瑪依市全境以戈壁荒漠為主，土壤質量低劣，區域原位土壤主要為棕鈣土、荒漠灰鈣土和灰棕色荒漠土。

克拉瑪依市是我國重要的石油石化基地和新疆重點建設的新型工業化城市，石油天然氣油層淺、儲量大，原油質地優良。克拉瑪依市2019年末總人口為462 347人(不含轄區內兵團人口)，其中，克拉瑪依區300 723人，占全市總人口的65.04%。2019年，全市生產總值972.9億元，第一、第二和第三產業結構比例為1.78∶68.83∶29.39。克拉瑪依市共轄4個市轄區，分別是克拉瑪依區、獨山子區、白堿灘區和烏爾禾區。本文研究區(采樣區)為克拉瑪依區主城區，地理位置介于45°31'～45°39'N和84°49'～84°57'E，總面積53 km2(圖1)。

圖1 研究區位置及采樣點分布圖Fig. 1 The location of the study area and sampling points

1.2 樣品采集與測定

2018年9月無降水期，在風速均<5 m·s-1的條件下，從克拉瑪依區采集了52個地表灰塵樣品。采樣點均分布在研究區內不透水的瀝青、水泥面以及人行道上。根據克拉瑪依區面積與實際情況，在每個設定好的地表灰塵采樣區范圍內用毛刷等非金屬類工具取樣，除掉樣品中小石子等雜物，裝入聚乙烯密封袋。同時，利用手持全球定位系統(GPS)記錄每一個采樣點的經緯度信息并記錄采樣點周圍的環境情況。將所采集的樣品裝入自封袋帶回實驗室后，在避光室溫條件下自然風干，剔除礫石毛發等外來物質，研磨過100目篩后備用。所有地表灰塵樣品委托新疆維吾爾自治區分析測試研究院測定Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6種元素的含量。測定過程中按國家土壤標準參比物質(GSS-12)和重復樣進行質量控制，各元素回收率均在允許范圍內。元素含量檢測執行標準如表1所示。

表1 重金屬含量檢測執行標準Table 1 Execution standard for heavy metal content detection

1.3 內梅羅綜合污染指數法

以新疆土壤背景值[22]作為參比值，采用單因子污染指數(Pi)法和內梅羅綜合污染指數(NPI)[23]評價地表灰塵重金屬污染水平。其計算公式為：

Pi=ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi為重金屬i的污染指數；ci為重金屬i的實測濃度；Si為參比值；NPI為綜合污染指數；Pimax為最大污染指數；Piave為平均污染指數。Pi和NPI的污染風險分級標準如表2所示。

表2 Pi和NPI污染等級劃分Table 2 Classification of pollution degree of Pi and NPI

1.4 潛在生態風險

1.4.1 潛在生態風險指數法

H?kanson[24]提出的潛在生態風險指數(RI)法是從重金屬的生物毒性角度出發，能夠反映單個重金屬元素的污染水平，也能表達所有重金屬元素的綜合效應。其計算公式為：

(3)

1.4.2 生態風險預警指數法

采用Rapant和Kordik[26]提出的生態風險預警指數(IER)，對地表灰塵重金屬污染生態風險進行預警評估。

(4)

式中：IER為生態風險預警指數，IERi為第i種重金屬生態風險指數，Pi為重金屬i的污染指數。RI和IER的污染風險等級劃分如表3所示。

表3 RI和IER的等級劃分Table 3 Classification of risk degree of RI and IER

2 結果(Results)

2.1 地表灰塵重金屬含量

從克拉瑪依區地表灰塵重金屬含量分析結果(表4)可知，克拉瑪依區地表灰塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg等元素含量變化范圍分別為9.03～107.0、0.05～4.10、32.0～94.70、16.90～186.0、12.70～51.30和0～0.16 mg·kg-1。As、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg含量平均值分別為18.12、0.21、48.81、39.92、23.98和0.05 mg·kg-1。研究區地表灰塵中As、Cd、Cu、Pb和Hg等元素平均含量分別為新疆土壤背景值的1.61倍、1.75倍、1.50倍、1.23倍和2.94倍。Cr含量平均值低于新疆土壤背景值，但Cr含量最大值等于新疆土壤背景值的1.92倍。

表4 克拉瑪依區地表灰塵中重金屬含量統計(n=52)Table 4 Statistic of heavy metal concentrations of surface dusts in Karamay District (n=52)

研究區地表灰塵中As、Cd、Cu和Hg等元素含量的變異系數(CV)分別為0.76、2.74、0.67和0.75，呈現強變異(CV>0.50)[22]，表明這4種元素含量可能受到某些局部污染源的影響。地表灰塵中Cr和Pb含量的CV分別為0.20和0.35，呈現中等變異，表明這2種元素含量受外界的影響較小。偏度系數(SK)是用來幫助判斷數據序列分布規律性的指標，取值通常在-3～3之間，其絕對值越大，表明偏斜程度越大。當分布呈右偏態時，SK>0，稱正偏態；當分布為左偏態時，SK<0，稱負偏態；峰度系數是表征概率密度分布曲線在平均值處峰值高低的特征數[27]。地表灰塵中As、Cd和Cu元素的偏度系數和峰度系數較高，表明研究區地表灰塵中3種元素處于較高的積累狀況。

我國不同城市地表灰塵重金屬元素含量對比分析結果如表5所示，由表5可知，從對比的10個城市地表灰塵中6種元素含量平均值來看，克拉瑪依區地表灰塵中Hg、Cd、Pb和Cr等4種元素含量平均值均小于對比分析的其他10座城市。

表5 我國不同城市地表灰塵重金屬含量對比Table 5 Comparison of heavy metal concentrations of surface dust in different cities in China (mg·kg-1)

大體上，克拉瑪依區地表灰塵中As含量平均值小于北京和重慶，但大于石家莊、西安、烏魯木齊和庫爾勒。地表灰塵中As元素平均含量的最大值出現在重慶市，達到261.3 mg·kg-1，為克拉瑪依區的14.44倍；地表灰塵中Cd元素平均含量最大值出現在重慶市，達到5.02 mg·kg-1，為克拉瑪依區的23.90倍；地表灰塵中Cr元素平均含量最大值出現在北京市，達到167 mg·kg-1，為克拉瑪依區的3.42倍；Cu元素平均含量的最大值出現在成都市，達到100.0 mg·kg-1，為克拉瑪依區的2.51倍； Pb元素平均含量最大值出現在宜興市，達到263.3 mg·kg-1，為克拉瑪依區的11.02倍；Hg元素平均含量最大值出現在宜興市與烏魯木齊市，均達到0.14 mg·kg-1，均為克拉瑪依區的2.80倍。以上分析可以看出，克拉瑪依區地表灰塵中重金屬富集水平相對較低。

2.2 地表灰塵重金屬污染特征

由表6可知，克拉瑪依區地表灰塵中6種重金屬元素的單項污染指數(Pi)平均值依次為Hg(2.90)、Cd(1.78)、As(1.62)、Cu(1.50)、Pb(1.24)和Cr(0.99)。

表6 克拉瑪依區地表灰塵重金屬生態風險Table 6 Ecological risk of heavy metals in surface dust in Karamay District

地表灰塵中各元素平均值在輕微污染及以上，Hg元素污染比較嚴重，處于中度污染水平，As、Cu、Cd和Pb等4種元素處于輕度污染水平，Cr元素處于輕微污染水平；其中，Hg元素單項污染指數屬于中度污染的樣點占樣點總數的23.08%，As、Cu、Cd和Pb的單項污染指數屬于輕度污染的樣點分別占樣點總數的76.92%、55.77%、21.15%和59.62%，Cr屬于輕微污染的樣點占樣點總數的53.84%。研究區地表灰塵中6種重金屬元素的NPI介于0.94～24.64間，平均值為3.07，處于重度污染水平，其中，達到中度和重度污染的樣點分別占樣點總數的21.15%和30.76%。從結果來看，克拉瑪依區地表灰塵中大部分重金屬元素受人類活動的影響大，Hg元素是最主要的污染因子。

2.3 地表灰塵重金屬污染的空間分布格局

基于GIS技術與地質統計分析法，利用ArcGIS10.3軟件繪制了克拉瑪依區地表灰塵中6種重金屬元素的Pi和NPI值空間分布格局圖(圖2)。

由圖2可知，地表灰塵中Hg元素是污染程度和污染面積最大的元素，從研究區西北部到東南部依次出現中度、輕度和輕微污染。地表灰塵中Cd元素是污染程度和污染面積第二大元素，Cd元素在研究區西北部和西南部出現污染高值區，呈現為中度污染，其他區域主要是輕微污染和無污染，其中，無污染面積較廣。地表灰塵中As元素是污染程度和污染面積第三大元素，As元素在研究區西北部呈現小范圍的重度、中度污染區域以外，其他區域均為輕度污染。地表灰塵中Cu元素在研究區西北部呈現輕度污染，其他區域呈現輕微污染和無污染，輕度污染面積較廣。相關研究表明，城市地表灰塵中Hg元素來源復雜，是城市環境中主要的人為源元素，主要受化石燃料燃燒、電子工業以及生活垃圾的影響[37-38]。此外，結合研究區實際情況，研究區西北部為主要的工業區及老城區，建筑較密集，人類活動也較頻繁。相關研究中提到克拉瑪依市過渡季室外主導風向平均風速為5.6 m·s-1，主導風向為西北風[17]。可以看出，西北風可能是研究區西北部地表灰塵中Hg元素污染相對較高的原因之一。地表灰塵中Cu和As元素含量與交通排放和日常生活來源相關[39-41]。機動車剎車塊及其他零件的磨損、尾氣的排放等交通活動也是地表灰塵Cu和Hg元素來源之一[42]。以上分析可以看出，研究區地表灰塵中As、Cu和Hg等元素污染分布格局主要受到研究區工業生產、交通運輸、日常生活和商業活動的影響。蔣炳言等[43]的研究表明，城市地表灰塵中Cd元素來源極其復雜，其主要來源為建筑物涂層脫落和墻面維修、多源大氣排放、電鍍金屬腐蝕以及城市綠地中長期使用含Cd肥料等。地表灰塵中Pb元素在研究區東南部呈現無污染以外，其他區域均為輕微污染。Cr元素在研究區西北部呈現輕微污染，其他區域均為無污染。從Pb和Cr的污染水平與污染分布格局可以看出，研究區道路積塵中這2種元素污染分布主要受到城市土壤成土母質等自然因子的影響。從地表灰塵中重金屬元素NPI的空間分布格局來看，NPI空間分布格局呈現了明顯的水平地帶性分布格局。

圖2 研究區地表灰塵重金屬Pi和NPI空間分布格局Fig. 2 Spatial distribution of Pi and NPI of heavy metals in surface dust in the study area

2.4 地表灰塵重金屬污染的潛在生態風險評價

以新疆土壤背景值作參比值，計算得到克拉瑪依區地表灰塵重金屬元素在各樣點的單項潛在生態風險指數(E)及RI，并根據潛在生態風險分級標準進行了生態風險評價。由表7可知，地表灰塵重金屬元素E的平均值從大到小依次為：Hg(115.5)、Cd(53.50)、As(16.18)、Cu(7.48)、Pb(6.18)和Cr(1.98)。研究區地表灰塵中重金屬As、Pb、Cr和Cu等元素的潛在生態風險指數平均值<40，處于輕微風險水平。Hg元素的潛在生態風險程度極高，變幅為10.12～364.71之間，生態風險平均值為115.95，處于較強生態風險水平。Cd元素的潛在生態風險程度也較高，變幅為12.25～1 025之間，其生態風險指數平均值為53.50，屬于中等生態風險。可以看出，Hg和Cd是研究區最主要的生態風險因子。研究區RI變幅為54.89～1 117.33之間，綜合潛在生態風險指數的平均值為201.27，處于中等生態風險。其中，RI處于輕微、中等、較強和很強生態風險的樣點數分別占總樣點數的48.08%、36.54%、13.46%和1.92%。

表7 研究區地表灰塵重金屬潛在生態風險指數Table 7 The potential ecological risk index of heavy metals in surface dust in the study area

2.5 地表灰塵重金屬污染的潛在生態風險空間分布格局

克拉瑪依區地表灰塵中重金屬E和RI的空間分布格圖如圖3所示。由圖3可知，各元素E空間分布格局與各元素Pi空間變異格局同步。研究區地表灰塵中As、Pb、Cr和Cu生態風險指數的空間分布格局比較相似，生態風險指數從研究區西北部向東南部呈現逐漸減少趨勢；Hg是克拉瑪依區地表灰塵中生態風險最高的元素，在研究區中部(市中心)生態風險指數高，呈現為很強風險，東南部為城市擴展區域，呈現中等風險，其他區域均呈現較強風險。地表灰塵中Cd生態風險指數高值區出現在研究區西北和西南住宅區，呈現很強風險和較強風險，其他區域均呈現輕微風險。這說明，Hg和Cd在研究區地表灰塵重金屬潛在生態風險中是主要生態風險因子。

圖3 重金屬元素單項生態風險指數(E)空間分布Fig. 3 Spatial distribution of single ecological risk index (E) of heavy metals

由圖4可知，從研究區RI的空間分布格局來看，在研究區西北部和西南部生態風險指數高，呈現較強風險和很強風險，東南部生態風險指數低，呈現輕微風險，其他區域均呈現中等風險和輕微風險。整體來看，研究區地表灰塵中重金屬RI值空間分布格局呈現了明顯的水平地帶性分布格局。這與NPI值空間分布格局基本一致。

圖4 重金屬元素RI空間分布Fig. 4 Spatial distribution of RI of heavy metals

2.6 地表灰塵重金屬污染的生態風險預警

生態風險預警評價源于生態風險評價，它更強調對生態系統可能存在風險的警示研究[44]。按照Rapant和Kordik[26]給出的生態風險劃分標準，對克拉瑪依區地表灰塵重金屬污染引起的生態風險危害進行預警評估。由表8可知，地表灰塵中Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6種元素IER的平均值為1.899、0.783、0.618、0.236、-0.010和0.495。其中，Hg處于輕警，Cd、Pb、Cu和As等4種元素處于預警，Cr處于無警。研究區IER的變幅為-1.632～35.038之間，平均值為4.021，屬于中警。按照Rapant和Kordik[26]給出的生態風險劃分標準，處于無警、預警、輕警、中警和重警的樣點數分別占樣點總數的21.15%、19.23%、13.46%、19.23%和26.92%。

表8 研究區地表灰塵重金屬生態風險預警Table 8 Ecological risk index of heavy metals in surface dust in the study area

從IER的空間分布格局來看(圖5)，從研究區西北部向東南部呈現逐漸減少趨勢，依次呈現為重警、中警、輕警、預警和無警。生態風險預警高值區主要分布于研究區西北部，中部(市中心)和西南部其污染較嚴重，呈現較明顯的地帶性分布規律。

圖5 研究區地表灰塵重金屬污染生態風險預警評估Fig. 5 Ecological risk warning assessment of heavy metals of surface dust in study area

3 討論(Discussion)

城市地表灰塵中重金屬元素通過各生態系統間的循環威脅生態系統安全，并通過不同途徑進入人體，其在體內過量蓄積對人體健康產生危害[10-11]。本研究發現，克拉瑪依區地表灰塵中As、Cd、Cu、Pb和Hg元素的含量較高，這些元素含量平均值超出新疆土壤背景值。其中，Hg的污染比較嚴重，表現為中度污染。從重金屬元素污染指數空間分布格局來看，地表灰塵中Hg元素也是克拉瑪依區地表灰塵中污染程度和污染面積最大的元素。由于本研究中的Hg元素是生物毒性相應系數最大的元素，對區域生態環境產生的潛在生態風險也會較高[6,8]。Cd元素為污染程度和污染面積第二大元素，在研究區西北部和西南部出現污染高值區，呈現為中度污染。在相關研究中，孫宗斌等[45]和范佳民等[46]等分別對天津市和淮南市城區地表灰塵重金屬污染和生態風險進行研究，發現地表灰塵中Cd元素污染程度較嚴重，生態風險水平較高。從本研究潛在生態風險評價來看，Hg生態風險指數平均值表現為較強生態風險，Hg元素的生態風險預警指數也處于輕警態勢，是研究區地表灰塵中潛在生態風險最高的元素，是主要的生態風險因子。Hg元素是城市環境中主要的人為源元素，來源較復雜，主要來自化石燃料燃燒、電子工業、造紙工業和醫藥工業的污染排放及

生活垃圾[47]。這些人為源重金屬粉塵和垃圾通過干濕沉降或堆放可影響地表灰塵重金屬富集，從而對周邊區域生態環境產生潛在危害。

近年來，雖然國內外學者采用H?kanson[24]提出的潛在生態風險指數法進行了不同城市地表灰塵、道路灰塵重金屬污染的潛在生態風險評估，但在評價的各環節均存在一定的局限性和不確定性。在地表灰塵重金屬污染風險評價中，重金屬元素的生物有效性和各化學形態含量不可忽略，直接采用重金屬元素全量，而不考慮其生物有效性和各化學形態含量，在估算潛在風險時會出現增加風險的情況。此外，城市地表灰塵重金屬污染的潛在生態風險評價過程中沒有統一的參比值，本研究以新疆土壤環境背景值作為參比值，估算了克拉瑪依區地表灰塵重金屬污染的生態風險，從而導致風險評價結果偏高。因此，制定一個適合我國實際的城市地表灰塵重金屬污染的潛在生態風險評估參比值將是生態風險評價研究的重點。

綜上所述，克拉瑪依區地表灰塵中As、Cd、Cu、Pb和Hg含量平均值分別為新疆土壤背景值的1.61倍、1.75倍、1.50倍、1.23倍和2.94倍。研究區地表灰塵中Hg處于中度污染，Cd、As、Cu和Pb處于輕度污染，Cr處于輕微污染水平。研究區地表灰塵中重金屬元素含量與污染水平高值區分布于研究區西北部。研究區地表灰塵中Hg處于較強水平，Cd處于中等水平，As、Cu、Pb和Cr處于輕微風險水平。RI平均值為201.27，處于中等生態風險。從生態風險預警指數來看，Hg處于輕警，Cd、Pb、Cu和As等元素處于預警，Cr處于無警態勢。研究區生態風險預警指數平均值為4.021，呈現中警態勢。研究區地表灰塵中重金屬元素潛在生態風險較高的區域主要分布于研究區西北部，RI和IER值從研究區西北部向東南部呈現逐漸減少趨勢。