烏魯木齊市大氣降塵中重金屬的分布特征

張克磊 朱建雯 魏 疆

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052;2.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046)

降塵是大氣中粒徑大于10μm，因重力和降雨，在短時間內(nèi)沉降到地面或建筑物表面的顆粒物［1］。大氣降塵不僅對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生物理侵害，更重要的是產(chǎn)生化學危害，并可產(chǎn)生二次污染［2］，因此越來越多的學者研究經(jīng)呼吸系統(tǒng)進入的重金屬及其對健康的影響。近年來發(fā)達國家［3-5］和亞洲部分地區(qū)［6］在大氣重金屬沉降方面的研究較多，國內(nèi)研究相對較少。以往研究表明大氣降塵來源具有多樣性，包括土壤風沙塵、燃煤塵、交通塵等［7-8］。雖然少量重金屬(如Cu、Zn)對人體沒有毒害影響，但某些重金屬(如Pb、Cd)即使少量也會對人體有嚴重的影響［9］。劉夢瀟［10］在烏魯木齊市近年來大氣降塵變化規(guī)律及趨勢一文中指出烏魯木齊市的降塵量呈現(xiàn)下降的趨勢，但是烏魯木齊市的降塵仍然超標嚴重。劉玉燕［11］等人對烏魯木齊市地表灰塵中的重金屬研究結果表明，烏市地表灰塵中重金屬的含量均很高。王亞宇［12］研究了烏魯木齊市土壤重金屬空間分布及行道樹對重金屬的富集特征，結果表明烏魯木齊市土壤中重金屬主要來源于工業(yè)、交通、城市垃圾、城市污水污泥以及冬季燃煤的影響。針對大氣降塵中重金屬對人體健康的危害及烏魯木齊市未進行大氣降塵特征調(diào)查研究的現(xiàn)狀，于2012年3月至4月，在烏魯木齊城區(qū)采用重量收集法收集5個區(qū)域的大氣降塵樣品，分析不同區(qū)域大氣降塵中重金屬的分布特征。利用地積類指數(shù)法，討論了大氣降塵中的重金屬污染程度。為全面了解烏魯木齊市的空氣質(zhì)量狀況和該市的大氣污染治理以及城市規(guī)劃提供決策參考。

1 研究方法

1.1 采樣點的布置

根據(jù)城市功能區(qū)的劃分，在不同的功能區(qū)共布置了5個環(huán)境監(jiān)測點(圖1)，分別在商業(yè)區(qū)(人流量大，商業(yè)活動比較頻繁)、居民區(qū)(位于南湖片區(qū)，已建成的商住小區(qū)為主)、文化區(qū)(以教學區(qū)為主，周邊有集中供熱鍋爐)、米東區(qū)(小工業(yè)布局較多，屬于工業(yè)區(qū))、郊區(qū)(以農(nóng)田為主，零星分布著個別小工廠)。

圖1 烏魯木齊市環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測定位

1.2 樣品的采集與分析

采用重量收集，將聚丙烯材料的桶型集塵缸置于距離地面約15米高的空曠的樓頂。桶內(nèi)加入定量的乙二醇，用來防止動植物尸體的腐爛以及冬天防凍，采樣時間為30±2天。

將降塵缸中的樣品轉移到500ml的燒杯中，用蒸餾水將降塵缸中的沉降物全部洗出來，并用不銹鋼鑷子將燒杯內(nèi)的雜物取出來用蒸餾水進行沖洗。將燒杯轉移到電熱板上，把溫度調(diào)到400℃，待燒杯中的溶液還剩10～20ml時再將燒杯從電熱板上取下，待冷卻，將燒杯中的液體轉移到事先已恒重(在105℃條件下)好的瓷缸鍋中，把缸鍋轉移到電熱板上面繼續(xù)加熱，直到缸鍋中的水分完全蒸發(fā)掉，將坩堝中的顆粒物轉移到塑料封口袋中并將塑料封口袋放入恒溫箱備用。

稱取0.1g的沉降物，放入事先已用1%的硝酸泡過的聚四氯乙烯試管中，加入適量的蒸餾水(將試管壁上的顆粒物沖到試管底部，以便消解)，然后加入8mlHNO3+2mlHF+1mlHCLO4，并將小漏斗蓋在試管口上(以免液體濺出)。將試管轉移到溫度為250℃的消煮爐上進行消煮，直到液體變?yōu)闊o色。將試管從消煮爐上取出，待試管冷卻，然后把試管內(nèi)的無色液體轉移到100ml的容量瓶中定容，把定容好的液體轉移到用1%的硝酸浸泡過的塑料瓶內(nèi)備用。

用ICP—AES(電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜)測樣品中的重金屬含量。

1.3 數(shù)據(jù)的處理

相關數(shù)據(jù)利用EXECL軟件進行分析和處理，利用ArcGIS軟件制作重金屬污染分布圖。

這里采用地積累指數(shù)評價烏魯木齊市大氣降塵中重金屬的污染程度。地積累指數(shù)(Geoaccumula-tion Index)最早由德國海德堡大學沉積物研究所Muller(1969)提出，是一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標，被廣泛應用于研究現(xiàn)代沉積物、土壤中重金屬的污染評價。地積累指數(shù)的計算公式為Igeo=log2(Cn/Bn)，式中Cn表示元素n在沉積物中的含量(mg/kg)，Bn表示沉積物中該元素的地球化學背景值，地積累指數(shù)的分級［13］標準如表1所示。

表1 地積類指數(shù)法分級

2 結果

2.1 大氣降塵中不同功能區(qū)重金屬的空間分布及含量分析

不同區(qū)域內(nèi)降塵中的重金屬分布如圖2所示。由于不同區(qū)域的人類活動、工業(yè)企業(yè)分布、交通情況等均不相同，因此，不同區(qū)域的大氣污染程度也會有所差異。通過利用ArcGIS軟件進行分析，可以發(fā)現(xiàn)重金屬中濃度最高的是Zn元素，Cd元素的含量最低。從圖中可以看出元素Cd、As在米東區(qū)的污染程度比他功能區(qū)的更嚴重，Mn在居民區(qū)的含量比較高，其他區(qū)域基本變化很小，而Ni和As的濃度在各個功能區(qū)含量基本相等。Cr元素含量最高的是郊區(qū)，商業(yè)區(qū)和居民區(qū)Cr元素的含量基本相同并處于中間位置，文化區(qū)和米東區(qū)較低。Cu、Pb元素在商業(yè)區(qū)、文化區(qū)、居民區(qū)的含量明顯高于其在米東區(qū)和郊區(qū)的含量。烏魯木齊市大氣降塵中重金屬的空間分布為商業(yè)區(qū)＞米東區(qū)＞居民區(qū)＞文化區(qū)＞郊區(qū)的這一分布特征，大氣降塵中重金屬含量高低依次為Zn＞Mn＞As＞Ni＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd。這說明交通源是造成重金屬含量升高的主要原因，是本市重要的污染源，而工業(yè)塵是本市空氣的第二污染源。商業(yè)區(qū)流動人口和車輛停泊較多，因此，降塵中重金屬的含量要稍高于其他區(qū)域。居民區(qū)和文化區(qū)由于受到周邊其它功能區(qū)的影響，與郊區(qū)比較，重金屬的含量較高。

2.2 大氣降塵重金屬富集程度

試驗分析得出烏魯木齊市大氣降塵中Ni、Mn、As元素的含量范圍變化較小，濃度分別為土壤背景值［14-15］的4.1、0.4、0.19 倍，且變異系數(shù)較小(表2)。降塵中重金屬元素Cr、Cu、Zn、Cd、Pb含量范圍變化較大，均表現(xiàn)出不同程度的富集。元素富集程度由高到低依次As＞Cd＞Zn＞Ni＞Pb＞Cu＞Cr＞Mn。

通過地積類指數(shù)計算得出烏魯木齊各功能區(qū)大氣降塵中重金屬元素的地積類指數(shù)如圖3所示。

由圖3可以看出重金屬元素Mn的地積類指數(shù)值小于0，說明烏魯木齊大氣降塵中的Mn沒有受到污染。元素Cr、Cu在各功能區(qū)的地積類指數(shù)值都在0～1之間，表明該元素受到了輕微的污染，除郊區(qū)Cu元素Igeo＜0，說明該元素在郊區(qū)沒有收到污染。元素Ni、Pb的地積類指數(shù)值在1～2之間，該元素的污染程度為中等污染。元素Zn、Cd的Igeo在2～3之間，且文化區(qū)、商業(yè)區(qū)、居民的Igeo明顯接近于3，則說明該區(qū)的污染程度比其他2個區(qū)的嚴重，Cd元素在米東區(qū)的Igeo大于3，表明Cd元素在米東區(qū)的污染程度相對其他功能區(qū)更加嚴重。元素As的Igeo在3～4之間，且更接近于4，屬于重污染。

2.3 分析與討論

由于城市不同區(qū)域人類活動、產(chǎn)業(yè)分布、交通情況等存在著差異性，導致各功能區(qū)間降塵中重金屬濃度的差異，說明不同區(qū)域間大氣污染程度存在不同。

大氣污染物是伴隨著烏魯木齊市經(jīng)濟社會的發(fā)展而產(chǎn)生的，然而經(jīng)濟社會發(fā)展中能源消耗所排放的污染物是造成大氣污染物濃度增加的主要原因。但產(chǎn)業(yè)結構和社會生活在城市區(qū)域內(nèi)分布不均勢必造成能源消耗和污染物排放的不均衡特性［16］，所以烏魯木齊的大氣沉降中重金屬的空間分布總體表現(xiàn)為商業(yè)區(qū)＞米東區(qū)＞居民區(qū)＞文化區(qū)＞郊區(qū)。造成這一分布的主要原因是，商業(yè)區(qū)處于繁華地段，持續(xù)的車流量使得二次揚塵污染加重，同時汽車的尾氣對大氣污染物的來源也有一定的影響。米東區(qū)是正在建設中的工業(yè)區(qū)，工業(yè)區(qū)三廢的排放是造成空氣污染的主要原因。居民區(qū)和文化區(qū)降塵量較少，這得益于烏魯木齊在過去的大氣污染治理中采取的集中供暖、熱電聯(lián)產(chǎn)以及加大大型除塵設施有關［17］。

圖2 烏魯木齊市不同功能區(qū)大氣降塵中重金屬元素分布

表2 烏魯木齊市大氣降塵中重金屬的含量

圖3 不同功能區(qū)重金屬元素的地積類指數(shù)

烏魯木齊的春季還處在采暖期，能源的消耗量比較大，尤其是煤的燃燒必然會對大氣降塵中重金屬的來源產(chǎn)生一定影響，最明顯的就是元素As［18］。烏魯木齊大氣降塵中重金屬As的含量已明顯超出當?shù)赝寥辣尘爸担f明As的來源明顯的受到了人為因素的影響，地積類指數(shù)也說明烏魯木齊市大氣降塵中重金屬元素As的污染最嚴重。由相關分析［19］得出 Pb、Ni、Cu、Zn與 As有相同的來源，所以Pb、Ni、Cu、Zn的來源受到了燃煤的影響。

伴隨著城市化進程的發(fā)展，烏魯木齊機動車的數(shù)量隨之迅速增加，機動車尾氣的排放以及城市建筑活動和城市生活垃圾的燃燒必然會對大氣環(huán)境造成一定的危害。研究認為汽車尾氣，冶金化工，垃圾燃燒，建筑等人類活動向大氣輸送Pb［20］。由相關分析得出大氣降塵中Pb、Ni、Cu、Zn、As的來源不僅與燃煤有關還與汽車尾氣，垃圾燃燒，建筑等人類活動排放有關。

3 結論

通過對烏魯木齊市大氣降塵重金屬元素含量分布特征的研究，可以得出以下結論:

第一，烏魯木齊市大氣春季降塵中重金屬的含量高低依次為Zn＞Mn＞As＞Ni＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd。

第二，不同功能區(qū)降塵中 Pb、Cd、Cu、Zn、As、Cr、Ni、Mn的濃度有顯著差異，其高低排序為:商業(yè)區(qū)＞工業(yè)區(qū)區(qū)＞居民區(qū)＞文化區(qū)＞郊區(qū)。這說明機動車尾氣排放和工業(yè)污染物排放對烏魯木齊市城區(qū)降塵中重金屬含量有著一定的貢獻。

第三，烏魯木齊大氣降塵中除元素Mn之外，其他的重金屬元素都受到了不同程度的污染，其中元素As受到重污染，Zn、Cd受到中等污染，Ni、Pb、Cr、Cu受到了輕微污染。

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