宿州市街塵重金屬污染特征、來源及風險評價

許東升，李 琦，黃淑玲

（宿州學院 地球科學與工程學院，安徽 宿州 234000）

宿州市街塵重金屬污染特征、來源及風險評價

許東升，李 琦，黃淑玲

（宿州學院 地球科學與工程學院，安徽 宿州 234000）

以宿州市不同功能區(qū)（商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、居民區(qū)、車站附近、和文教休憩區(qū)）的街道路面灰塵為研究對象，利用X-RF熒光光譜對Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V等元素進行了分析，采用主成分分析法探討了重金屬可能的污染源，通過內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價重金屬污染水平.結(jié)果顯示，污染可能來自三個方面：Mn和V可能來自當?shù)氐耐寥溃珻u、Pb和Zn來源可能為交通污染，Cr主要來源于工業(yè)污染；而評價結(jié)果表明，Mn、V在警戒限之內(nèi)，屬于尚清潔；Cu屬于輕度污染；Pb和Cr屬于中度污染；Zn為重度污染.不同功能區(qū)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)各不相同，如商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和車站附近的Zn、Pb和Cr污染指數(shù)較高.

宿州市；街道路面灰塵；重金屬；風險評價

城市街道灰塵是城市環(huán)境的重要污染源.它的顆粒物能夠吸附大量的有害物質(zhì)，在一定的外動力作用下再次揚起，通過呼吸道和皮膚進入人體，從而對人體健康造成嚴重危害.在所富集的眾多污染物中，重金屬由于具有持久性、隱匿性和不可降解性等特點，在城市街道灰塵中的累積具有更為重要的環(huán)境指示意義和較大的環(huán)境污染危害[1].有關(guān)街塵重金屬污染的研究起始于20世紀70年代，Dayetall在《Nature》雜志上首先提出了“城市街道灰塵”的名稱，并進行了街塵中鉛污染的探討[2]，隨后國外學者在城市街塵的積累分布、粒徑效應及其生物有效性等方面開展了一系列的研究工作[3,4].而國內(nèi)方面的相關(guān)研究起步較晚，早期主要關(guān)注于街塵重金屬的污染特征及空間分異規(guī)律，近年來，許多學者也在街塵重金屬污染來源及風險評價等方面進行了相關(guān)探討[5-7]，而有關(guān)宿州市街塵污染的研究仍處于空白.

宿州市位于安徽省北部，黃淮平原南端，市區(qū)面積2868km2，市區(qū)人口170×104.境內(nèi)平原廣袤，交通便利，是貫通華東、華南、華中、華北地區(qū)的重要交通樞紐.近年來，隨著經(jīng)濟建設和城市化進程的加快，宿州市工業(yè)，尤其是煤炭工業(yè)發(fā)展迅速，而商業(yè)、建筑業(yè)、交通業(yè)也得到了較快發(fā)展（據(jù)統(tǒng)計，截至到2008年，宿州市轄區(qū)內(nèi)擁有汽車量已增至47025輛），使得城市環(huán)境生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯.本文通過對宿州市街塵的采樣分析，首先探討了街塵中重金屬的含量及污染空間分布特征，在此基礎上，結(jié)合相關(guān)分析和主成分分析方法，對街塵中重金屬元素進行了來源解析，最后，利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對街塵重金屬污染程度進行了評價，以期為宿州市街塵重金屬污染與環(huán)境質(zhì)量控制提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣品采集和處理

根據(jù)宿州市不同功能區(qū)劃分，分別選擇城市商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、居民區(qū)、文教休憩區(qū)以及車站附近的主干道路面進行街塵樣品采集，每類功能區(qū)設置采樣點4～6個，采樣點布設見圖1.采樣于2011年10月進行，天氣條件為晴朗無風，在每個采樣點采用3～4處地面街塵樣品混合，每處采樣半徑為1m，用塑料刷和塑料簸箕收集.每個樣品重約400g，共采集23個街塵樣品.

樣品使用自封袋密封后帶回實驗室，首先放置室內(nèi)陰涼處自然風干1～2周，并剔除植物殘余及雜物，經(jīng)研磨后過100目不銹鋼篩保存待測.

1.2 實驗分析方法

稱取過篩后待測樣品4g，經(jīng)30t壓力機壓片，在安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心使用X-RF熒光光譜儀（型號Explorer 9000SDD，美國伊諾斯(Innov-X System)公司）測定樣品中重金屬含量，同時利用國家標樣（GBW07307）進行校準，測試相對標準偏差（RSD）小于10%.

圖1 采樣點布設圖

2 結(jié)果與分析

2.1 街塵中重金屬元素的含量

宿州市街塵中重金屬元素含量如表1所示.由表 1 可知，重金屬元素 Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V 的含量范圍分別是 20～52、121～538、38～75、67～221、270～499和52～115mg/kg，平均含量分別為34、206、51、109、381 和 79mg/kg，其中 Cu、Zn、Pb 和 Cr的平均含量均高于安徽省土壤背景值[8]，分別是背景值的1.7、3.3、1.9和1.6倍，而Mn和V的平均含量則低于安徽省土壤背景值.從各元素的變異系數(shù)來看，Zn和Cr的空間變異系數(shù)分別為45.57%和32.81%，屬于強變異，說明這兩種元素的空間分布及來源受外界干擾明顯；而其它4種元素的變異系數(shù)在10%～30%之間，為中等變異強度，反映其受人為活動影響相對較小.另有研究表明[9]，街塵中重金屬含量與城市人口密度和經(jīng)濟發(fā)展程度呈正相關(guān).從表1中也可看出，與經(jīng)濟發(fā)達的大中城市（如：北京[10]、南京[11]、昆明[12]）等相比，宿州市街塵中重金屬含量較低.

表1 宿州市街塵重金屬含量（mg/kg）

2.2 不同功能區(qū)街塵重金屬分布特征

將宿州市各不同功能區(qū)街塵重金屬的平均含量繪制如圖2所示.由表2可知，各功能區(qū)街塵重金屬含量差異明顯，其中Cu在車站附近街塵中含量最高，達47mg/kg，而在居民區(qū)街塵中含量最低，僅為24mg/kg；Zn和Pb的含量以商業(yè)區(qū)為最高，分別為319和66mg/kg，其次為車站附近，為215和54mg/kg，而以居民區(qū)和文教休憩區(qū)為最低；Cr、Mn和V的含量最高值均出現(xiàn)在工業(yè)區(qū)，分別為125、453和98mg/kg，而最低值則出現(xiàn)在居民區(qū)和車站附近.從總體來看，各功能區(qū)街塵重金屬含量分布主要集中在工業(yè)活動和交通運輸密集的商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和車站附近，而在影響較小的居民區(qū)和文教休憩區(qū)的相對較低.

圖2 各功能區(qū)街塵重金屬含量

2.3 街塵中重金屬污染的來源分析

2.3.1 街塵中重金屬的相關(guān)性分析

為了解重金屬元素之間的相互關(guān)系，利用SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件對街塵中6種重金屬含量進行了相關(guān)分析，計算出相應的Pearson相關(guān)系數(shù)（見表2）.由表2可以看出，Mn和V表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.891，且它們的平均含量均低于安徽省土壤背景值，說明宿州市街塵中的這兩種重金屬元素具有相似的環(huán)境地球化學特性，同源可能性較大；Zn、Cu、Pb三者相關(guān)性較為顯著，相關(guān)系 數(shù) 分 別 為 0.440(Zn-Cu)、0.565(Zn-Pb)、0.615(Cu-Pb)，三者在街塵中的含量均超出安徽省土壤背景值，分別是背景值的3.3、1.7、1.91倍，表現(xiàn)出較高的一致性，說明三者有著相似的污染來源；而Cr和其它元素的相關(guān)性均不明顯.

表2 街塵重金屬的相關(guān)性分析

2.3.2 街塵中重金屬的來源分析

城市街塵重金屬受人為活動的干擾明顯.為了解宿州市街塵重金屬污染的主要來源，本文在相關(guān)性分析的基礎上，對宿州市街塵重金屬進行主成分分析以確定其具體污染源，得出主成分因子載荷矩陣（見表3）.從表3中可以看出，宿州市街塵重金屬污染主要受3個主因子控制，這3個主因子對總方差的貢獻率分別為35.0%，33.3%和17.7%，累積方差貢獻率為86.0%.由表3還可以看出，不同主因子上的系數(shù)各不相同，說明它們每組的來源各不相同.PC1中Mn和V的系數(shù)較大，說明第一主因子主要反映了Mn和V的來源信息，Mn和V是土壤重要元素，且其含量均低于土壤背景值，因此推測第一主因子的來源解釋為自然源，可能來自于周圍土壤；PC2中Zn、Cu和Pb的系數(shù)較大，有研究表明，汽車燃料的燃燒會產(chǎn)生大量的Pb[13]，而汽車潤滑油的使用、金屬部件及輪胎磨損則會導致大量含Cu、Zn的粉塵產(chǎn)生[14]，結(jié)合這三種元素的含量高值多出現(xiàn)在人流、車流量多的商業(yè)區(qū)及車站附近，因此推斷第二主因子代表了交通污染源；PC3中Cr的載荷系數(shù)較大，從Cr元素的空間分布來看，以工業(yè)區(qū)附近為高，如寶龍石化和熱電廠等附近，說明Cr可能來自于工業(yè)源，這與KARTAL等人[15,16]的研究報道相吻合.

表3 街塵重金屬的的主成分載荷矩陣

3 街塵重金屬污染風險評價

目前，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的對于城市街塵中重金屬污染評價的標準和方法，本文采用較成熟的內(nèi)梅羅指數(shù)法對研究區(qū)街塵中重金屬污染進行評價.內(nèi)梅羅指數(shù)法不僅考慮了各種影響因子的平均污染狀況，同時又兼顧到污染最嚴重的因子，并且在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，克服了平均值法各種污染物分擔的缺陷，是應用較多的一種多因子環(huán)境指數(shù)評價模型[17]，其計算公式為：

式中：Ci為污染物實測值；Si為污染物評價標準，本文選取安徽省土壤背景值[8]為評價標準.內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價標準[18]見表4.經(jīng)計算各功能區(qū)街塵重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)，結(jié)果見表5.

表4 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價分級標準

表5 不同功能區(qū)重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)

從表5可以看出，Mn、V的內(nèi)梅羅污染指數(shù)平均值在0.7～1之間，說明Mn、V在警戒限之內(nèi)，屬于尚清潔；Cu和Cr的內(nèi)梅羅污染指數(shù)平均值在1～2之間，說明街塵中Cu和Cr元素屬于輕度污染；Pb的內(nèi)梅羅污染指數(shù)平均值在2～3之間，說明街塵中Pb元素屬于中度污染；而Zn污染指數(shù)平均值大于3，說明宿州市街塵中已受到Zn的重度污染.從表中還可以看出，不同功能區(qū)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)各不相同，在商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和車站附近人為活動比較強烈的地區(qū)，如Zn、Pb和Cr污染指數(shù)較高，說明這些重金屬元素受人為影響較大.

4 結(jié)論

4.1 宿州市街塵中 Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V 的平均含量分別是 34、206、51、109、381、79 mg/kg，其中Cu、Zn、Pb和Cr平均含量高于安徽省土壤背景值，分別是背景值的 1.4、3.3、1.9、1.6倍.各功能區(qū)街塵重金屬含量差別較大，街塵中6種重金屬元素中有3種在工業(yè)區(qū)含量最高，2種在商業(yè)區(qū)含量最高，居民區(qū)有4種元素含量最低.

4.2 對街塵中各重金屬進行了主成分分析，結(jié)果顯示，Mn和V可能來自當?shù)氐耐寥?，Zn、Cu和來源可能為交通污染，Cr主要來源于工業(yè)污染.

4.3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)表明，Mn、V在警戒限內(nèi)，屬于尚清潔；Cu和Cr屬于輕度污染；Pb屬于中度污染；Zn屬于重度污染.

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X522

A

1673-260X（2012）03-0110-04

安徽省高等學校省級自然科學重點項目(KJ2011A261)、宿州學院一般科學研究項目(2011yyb08)、安徽省高等學校省級自然科學一般項目(KJ2012Z398)和安徽省測繪信息實驗中心(教高2008(4)24)聯(lián)合資助