2022年朔州PM2.5中重金屬污染特征分析與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

摘 要：目的 研究大氣中重金屬的污染特征，并評(píng)估 重金屬對(duì)人體健康的影響，為采取針對(duì)性措施提供支持依據(jù)。 方法 于2022 年 1 月 1 日—12 月 31 日采用PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)超級(jí)站對(duì)朔州市PM2.5中 21 種重金屬元素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)富集因子法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法，分析了大氣重金屬的污染特征、富集程度和潛在風(fēng)險(xiǎn)狀況。結(jié)果 Zn、Pb、Sb、Sn、Se和Cd的EF值均大于100，為高度富集甚至超富集水平，說(shuō)明這些元素受人為因素影響較大。 朔州市PM2.5中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小依次為：Cd＞Se＞Pb＞Cu＞Ni＞Zn＞V＞Cr＞Mn＞Ti；Cd和Se表現(xiàn)出較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)潛力，其中Cd元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大。

關(guān)鍵詞：P M2.5重金屬污染富集因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：X513

Pollution CharacteristicAnalysisand Potential Ecological Risk Assessmentof Heavy Metal in PM2.5 in Shuozhou in 2022

GAOFan g1JIAJun2TIAN Yuanyuan1

1.School of Materials Engineering， Shanxi College of Technology;2. Shanxi Shuozhou Ecological Environment Monitoring Center， Shuozhou，Shanxi Province，030600 China

Abstract：Objective To study the pollution characteristics of heavy metal in the atmosphere and evaluate its impact on human health， soas to providea supporting basis for takingtargeted measures. MethodA PM2.5automatic monitoring super stationwas used to monitor 21 heavy metal elements in PM2.5 in Shuozhou from January 1 to December 31in 2022，and bythe enrichment factor method and potential ecological risk assessment method， the pollution characteristics， enrichment degree and potential risk status of atmospheric heavy metal were analyzed. ResultThe EF value of Zn， Pb， Sb， Sn， Se and Cd was all greater than 100， with high enrichment or even super enrichment levels， indicating that these elements were greatly influenced by human factors. The potential ecological risk of heavy metal in PM2.5 in Shuozhou was as follows： Cd>Se>Pb>Cu>Ni>Zn>V>Cr>Mn>Ti， Cd and Se exhibited high ecological risk potential， and the Cd element had the highest ecological risk.

Key Words：PM2.5;Heavy metal pollution;Enrichment factor;Potentialecological risk assessment

大氣細(xì)顆粒物PM2.5不僅是衡量我國(guó)空氣質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)，也是威脅人類健康的危險(xiǎn)因素之一。重金屬元素作為PM2.5中重要組分之一，具有富集性強(qiáng)、毒性高和降解難等特點(diǎn)，它不僅以大氣細(xì)顆粒物為載體進(jìn)入人體， 進(jìn)而對(duì)人體機(jī)能造成損傷，甚至增加患癌的風(fēng)險(xiǎn)[1]。另外，重金屬元素可以通過(guò)植物葉片和樹皮堆在環(huán)境中累積，或被土壤中的根系吸收，從而產(chǎn)生潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[ 2]。

目前，我國(guó)重金屬的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要集中在顆粒物污染嚴(yán)重和工業(yè)排放量比較大的地區(qū)[3-4]，且研究的內(nèi)容主要集中在Cd、Cu、Pb、Zn這４種元素的濃度水平、富集程度和主要來(lái)源上 [5]，對(duì)重金屬的富集程度和潛在生態(tài)效應(yīng)的研究較少。

朔州市位于山西省北部，是一座以煤炭工業(yè)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)支柱產(chǎn)業(yè)之一的地級(jí)城市，污染物排放體量相對(duì)較小。本研究以朔州市為研究區(qū)域，以朔州市 PM2.5中的21種金屬元素（Ca、Al、Fe、K、Ba、Ti、Zn、Co、Mn、Mo、Pb、V、Te、Sn、Ni、Cu、Cr、Ga、Hg、Sb、Cd）作為研究對(duì)象，研究其富集程度并對(duì)來(lái)源進(jìn)行分析， 利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法分析重金屬的潛在生態(tài)危害性。旨在為對(duì)防治大氣顆粒物中重金屬元素的富集和生態(tài)影響提供科學(xué)依據(jù)；同時(shí)，也為其他非工業(yè)化城市針對(duì)PM2.5中重金屬的污染特性分析和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供借鑒。

1材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

采用PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)超級(jí)站儀于平朔生活區(qū)平朔生活服務(wù)公司（東經(jīng)112.4399，北緯39.3522，），在2022年1月1日—12月31日不間斷實(shí)時(shí)采樣。該采樣點(diǎn)位于中心偏東南方位，距離地面15m。屬于交通和居民的混合區(qū)，采樣點(diǎn)位周圍無(wú)明顯污染源，能夠代表朔州市空氣質(zhì)量狀況。

1.2 研究方法

1.2.1富集因子法

自然源和人為源是大氣重金屬的兩大來(lái)源，自然源主要是土壤沙塵和巖石風(fēng)化，而人為源涉及工業(yè)粉塵、礦山開采和汽車尾氣等[6]。富集因子法（EF法）是對(duì)大氣顆粒物中重金屬元素的富集程度進(jìn)行定量評(píng)估以判斷其來(lái)源的方法。計(jì)算公式如下：

EF=（（C_i/C_ref ） _PM2.5）/（（C_i/C_ref ） _soil ） （1）

式（1）中：Ci為研究元素i的質(zhì)量濃度，單位為μg/m3；Cref被記作選定的參比元素的質(zhì)量濃度，單位為μg/m3。（Ci/Cref）PM2.5為PM2.5樣品中研究元素與參比元素之比；（Ci/Cref）soil為土壤樣品中研究元素與參比元素之比。參比元素一般選擇地殼或土壤中含量豐富、穩(wěn)定的元素，如Al、Fe和Si。本文選取我國(guó)土壤（A層）Al元素的背景值[7]為參考元素分析朔州市重金屬元素的富集特征。

EF為富集系數(shù)，數(shù)值越大，反映出人為活動(dòng)對(duì)重金屬的影響程度越大。重金屬元素的富集因子若小于10，則認(rèn)為該元素在環(huán)境中的富集水平較低或幾乎無(wú)富集；富集因子在10～100之間時(shí)，則表明重金屬元素的來(lái)源是一個(gè)混合體，既有自然地殼源，也有人為源，而后者是主要的污染物，表現(xiàn)為中度富集；當(dāng)富集因子若大于100時(shí)，表明重金屬在環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了高度富集或超富集，這主要是由人為源引起的。

2.2.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法

高富集的重金屬在環(huán)境中不僅破壞生態(tài)系統(tǒng)，還對(duì)動(dòng)植物和人類產(chǎn)生了毒害[8]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法被大量使用來(lái)評(píng)估重金屬污染引起的環(huán)境影響MT5znFMZpTBgTy7uv32b4Q==[9]，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）也用以衡量顆粒物中重金屬的污染水平[1，3，4]。計(jì)算公式為：

Ei r=Ti r×（Ci/Ci soil） （2）

RI=∑_（i=1）^m?E_r^i （3）

式（2）、式（3）中，Ei r為第i種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Ti r為第i種金屬的毒性響應(yīng)因子；Ci為研究元素的濃度；Ci soil為研究元素在土壤背景中的濃度，單位為μg/m3；本文使用了國(guó)家環(huán)境保護(hù)局與中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站[7]中推薦的毒性響應(yīng)因子數(shù)值：Cd、Mo、As、Pb、Ni、Cu、Ni、V、Cr、Zn、Se的毒性響應(yīng)因子分別為30、18、10、5、5、5、5、2、2、1和1。 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)和等級(jí)劃分如表1所示[1]。

2結(jié)果與討論

2.1PM2.5中重金屬濃度水平

2022年朔州市PM2.5中元素濃度大小排序?yàn)椋篊a＞Al＞Fe＞K＞Ba＞Ti＞Zn＞Co＞Mn＞Mo＞Pb＞V＞Te＞Sn＞Ni＞Cu＞Cr＞Ga＞Hg＞Sb＞Cd（見表2），累計(jì)濃度達(dá)到2.72μg·m-3。其中，地殼元素（Al、K、Ca、Fe）的濃度為2.45μg·m-3，其他元素的濃度占比相對(duì)較小，說(shuō)明地殼元素是PM2.5無(wú)機(jī)元素的主要組成部分。微量元素中Ba、Ti和Zn占比較高，分別占18.35%、16.85%和12.73%，Ba和Ti主要受電廠廠區(qū)礦物塵等自然源影響比較大，Zn主要來(lái)源于工業(yè)過(guò)程釋放或汽車制動(dòng)板磨損和輪胎摩擦。

2.2 富集因子分析

2022年朔州市PM2.5中各元素的富集因子計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可知 ，朔州市PM2.5中Ca、Ti、Fe、Mn和K的EF值介于1～10之間，表現(xiàn)為輕度富集，說(shuō)明它們主要源于地殼等自然來(lái)源。Cu、Ni、V、Cr和Ga的EF值處于10～100范圍，表現(xiàn)為中度富集，說(shuō)明它們的源是混合源，其中人為源占主要地位。Zn、Pb、Sb、Sn、Cd和Se的EF值分別為113.72、138.14、219.26、592.01、1793.98和2466.72，均超過(guò)100，說(shuō)明它們達(dá)到了高度富集更甚至超富集狀態(tài)，意味著人為源對(duì)它們產(chǎn)生了顯著影響。Zn可能來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的釋放，也可能來(lái)源于汽車制動(dòng)片的磨損及輪胎摩擦過(guò)程；Sb、Sn和Pb通常被認(rèn)為是生物質(zhì)燃燒及燃煤的標(biāo)志性元素；Cd和Se多來(lái)自化石燃料的燃燒和工業(yè)冶金；由此可以說(shuō)明，朔州市重金屬的富集來(lái)源主要與燃煤以及工業(yè)生產(chǎn)有 關(guān)。

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

PM2.5含有多種有毒有害重金屬，它們不僅有毒有害，還可能具有持久毒性，對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。針對(duì)Zn、Pb、Mn、Cu、Cr、Ti、V、Cd、Ni和Se10種有毒重金屬元素進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。由 表中可以看出朔州市2022年P(guān)M2.5中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小為：Cd＞Se＞Pb＞Cu＞Ni＞Zn＞V＞Cr＞Mn＞Ti；Cd和Se的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均超過(guò)320，顯示出極高的風(fēng)險(xiǎn)水平，其中，Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，Ei r為7177，對(duì)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)到93.03%，這與其高毒性系數(shù)和生物可吸收性有關(guān)，使得它在生態(tài)系統(tǒng)中容易積累，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成較高潛在風(fēng)險(xiǎn) [9]。另外，Pb的Ei r為92，表現(xiàn)為較高潛在風(fēng)險(xiǎn)；Cu和Ni的Ei r值均為44，表現(xiàn)為中等潛在風(fēng)險(xiǎn)；Zn、V、Cr、Mn和Ti的Ei r值均小于40，表現(xiàn)為低潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)環(huán)境影響小。

朔州的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI高達(dá)7714，遠(yuǎn)高于1200的界限，這表明朔州市的重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極高，需要重點(diǎn)關(guān)注。

3結(jié)論

（1）朔州市PM2.5中21種金屬累計(jì)濃度達(dá)到2.72μg·m-3，其中，地殼元素（Al、K、Ca、Fe）的濃度為2.45μg·m-3，其他元素的濃度占比相對(duì)較小，說(shuō)明地殼元素是PM2.5無(wú)機(jī)元素的主要組成部分。微量元素中Ba、Ti和Zn占比較高，分別占18.35%、16.85%和12.73%。

（2）朔州市PM2.5中Ca、Ti、Fe、K和Mn的EF值介于1～10之間，為輕度富集水平，說(shuō)明這些元素主要來(lái)源于自然。Cu、Ni、V、Ga和Cr的EF在10-100之間，富集水平達(dá)到中度，表明這些元素的來(lái)源是混合源，其中人為源是主要的污染源。Zn、Pb、Sb、Sn、Cd和Se的EF值分別為113.72、138.14、219.26、592.01、1793.98和2466.72，富集因子均超過(guò)100，達(dá)到高度富集甚至超富集水平，表明它們的來(lái)源是人為源。

（3）朔州市PM2.5中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小依次為：Cd＞Se＞Pb＞Cu＞Ni＞Zn＞V＞Cr＞Mn＞Ti；Cd和Se的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均超過(guò)320，顯示出極高的風(fēng)險(xiǎn)水平，其中Cd元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大 ，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值為7177；Pb的Ei r值為92，表現(xiàn)為較高潛在風(fēng)險(xiǎn)；Cu和Ni的Ei r值均為44，表現(xiàn)為中等潛在風(fēng)險(xiǎn)；Zn、V、Cr、Mn和Ti的Ei r值均小于40，表現(xiàn)為低潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)環(huán)境構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)較小。

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