蚌埠市地表灰塵重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險

朱蘭保，盛 蒂，戚曉明，趙曉芳

（蚌埠學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程系，安徽 蚌埠233030）

地表灰塵主要是指附著、淀積于人工鋪地（道路、橋面、街道、廣場）及地面附著物、建筑物的裸露面上，未被固化黏結(jié)，且易于被地表徑流、雨水及大氣帶動、運移和飄浮的粒徑小于20目（＜0.840mm）的固體顆粒物［1］。由于人類活動的影響，地表灰塵中累積了大量有毒有害物質(zhì)，如重金屬、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等［2－3］。重金屬元素的難降解性和持久性，使其成為危害環(huán)境系統(tǒng)和人類健康的重要環(huán)境污染物之一［4］。隨著人們對城市環(huán)境質(zhì)量及身體健康關(guān)注度的提高，地表灰塵重金屬污染逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點問題。相關(guān)研究人員對城市地表灰塵重金屬污染物的含量、來源、健康風(fēng)險及其環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了較為廣泛的研究［5－6］，暴露風(fēng)險評價［7］、潛在生態(tài)危害評價［8］、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價［9］、地累積指數(shù)評價［10］等都得到了普遍的應(yīng)用，對于城市地表灰塵中重金屬的分布特征、賦存形態(tài)、粒徑效應(yīng)以及來源和影響因素的研究［11－12］也取得了一定的進(jìn)展。國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，交通、工業(yè)以及城市建設(shè)等人類活動對城市灰塵中重金屬的含量影響很大，灰塵中的重金屬可通過呼吸、吞食和皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體，對人體特別是兒童健康造成危害。兒童血鉛含量高對其智力、感覺系統(tǒng)發(fā)育和學(xué)習(xí)成績的影響存在“劑量—效應(yīng)”關(guān)系［13］。其他重金屬元素如Zn，Cu，Cd等，過度暴露同樣會阻礙兒童和成人對事物的認(rèn)知、導(dǎo)致輕度癡呆等中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂等癥狀。相比國外而言，中國對城市地表灰塵重金屬的研究起步較晚，且大部分的研究都針對上海、北京、沈陽、重慶等大城市，而關(guān)于蚌埠地區(qū)的研究還是空白。本文分析了蚌埠市地表灰塵中Zn，Cu，Pb，Cd和Mn等5種重金屬元素的含量水平和分布特征，并用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對其污染狀況和潛在生態(tài)危害程度進(jìn)行了評價，為從源頭上有效控制城市徑流污染具有指導(dǎo)性意義，也為當(dāng)?shù)鼐用窠】捣雷o(hù)、生態(tài)城市建設(shè)規(guī)劃與環(huán)境管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

蚌埠市位于安徽省北部，轄6區(qū)3縣，是皖北中心城市。市區(qū)位于北緯33°01′—32°49′和東經(jīng)117°31′—117°11′，占地面積610.55km2，2012年全市常住人口110.2萬人。屬亞熱帶季風(fēng)氣候和溫帶季風(fēng)氣候的交界地帶，雨量充沛，四季分明。蚌埠市是安徽省重要的綜合性工業(yè)基地，擁有機(jī)械、化工、醫(yī)藥、電子、建材等行業(yè)齊備的工業(yè)體系。

1.2 樣品采集與預(yù)處理

2012年10月，分別在蚌埠市區(qū)的文教區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、公園綠地區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)6個功能區(qū)，每個功能區(qū)布設(shè)3～5個采樣站點，每個采樣站點采集3個平行樣品，每個樣品50g左右，并充分混合代表該站點樣品，共計采集了21個地表灰塵樣品。采樣時，天氣晴朗保持在1周以上，用聚乙烯細(xì)毛刷和塑料鏟子清掃收集地面灰塵樣品，將所采集的樣品裝入聚乙烯塑料自封袋中密封保存，在自封袋上記下采樣時間、地點標(biāo)號，并記錄周圍的環(huán)境狀況。將所采集的樣品帶回實驗室，攤平在干凈的塑料薄膜上，置于陰涼處、室溫自然風(fēng)干，樣品風(fēng)干后用瑪瑙研缽研磨，過100目尼龍篩，備用。

1.3 樣品分析與質(zhì)量控制

樣品經(jīng) HNO3—HF—HClO4消解［14］處理后，采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP—AES）測定其Zn，Cu，Pb，Cd，Mn的質(zhì)量濃度。重金屬含量測定均由空白樣和加標(biāo)回收樣進(jìn)行質(zhì)量控制，隨機(jī)抽取3份樣品進(jìn)行高、中、低含量的加標(biāo)回收試驗，加標(biāo)回收率均在90%～106%；隨機(jī)抽取3份樣品分別進(jìn)行6份平行樣的測定，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均＜5%。實驗所使用的試劑均為優(yōu)級純，用水均為超純水，所用的器皿均在10%的硝酸中浸泡24h以上。

1.4 地累積指數(shù)重金屬污染評價方法

采用地累積指數(shù)（Igeo）法［15］對蚌埠市地表灰塵重金屬污染程度進(jìn)行評價。地累積指數(shù)是德國海德堡大學(xué)沉積物研究所的Muller提出的一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的指標(biāo)，目前也應(yīng)用于城市地表灰塵重金屬污染的研究［10］。Igeo的計算式為：

式 中：Cn——樣 品 重 金 屬 含 量 實 測 值 （mg／kg）；Bn——元素背景值（mg／kg），本研究選擇安徽省土壤環(huán)境背景值［16］作為參比值；k——修正系數(shù)（取值為1.5），以考慮成巖作用可能會引起背景值的變動。地累積指數(shù)與重金屬污染程度分級的關(guān)系見參考文獻(xiàn)［10］。

1.5 潛在生態(tài)危害指數(shù)評價方法

潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）［17］評價方法是瑞典科學(xué)家Hakanson于1980年建立的一套應(yīng)用沉積學(xué)原理評價重金屬污染及生態(tài)危害的方法。該方法的優(yōu)勢在于從重金屬的生物毒性角度出發(fā)，能夠反映多種污染物的綜合影響，并以定量的方式劃分出潛在生態(tài)危害程度。計算方法如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 地表灰塵中不同重金屬元素含量分析

從表1可知，蚌埠市地表灰塵中Zn，Cu，Pb，Cd，Mn這5種重金屬含量的平均值分別為254.29，85.64，72.39，2.31和535.86mg／kg。與安徽省土壤元素背景值相比，蚌埠市地表灰塵中5種重金屬元素平均含量均超出背景值，Cd平均含量是背景值的23.8倍；Cu為背景值的4.2倍；Zn為背景值的4.1倍；Pb為背景值的2.7倍；Mn與背景值相當(dāng)。從樣品的重金屬含量超標(biāo)率來看，除Mn元素的超標(biāo)率為66.67%以外，其他4種重金屬元素超標(biāo)率均為100%，表明蚌埠市地表灰塵重金屬污染已相當(dāng)嚴(yán)重。

通過計算變異系數(shù)［19］可知，蚌埠市地表灰塵中重金屬Pb，Cd，Cu，Mn，Zn元素的變異系數(shù)依次為：43.47%，38.98%，30.15%，20.27%，19.05%，Pb，Cd，Cu屬于強變異，Mn，Zn為中等變異。說明蚌埠市地表灰塵中重金屬含量的空間分布差異較大，來源受外界干擾明顯。

表1 蚌埠市地表灰塵重金屬含量范圍和平均值

2.2 蚌埠市地表灰塵重金屬相關(guān)性分析

地表灰塵中的重金屬主要來源于土壤母質(zhì)、大氣沉降等自然源，汽車尾氣、輪胎磨損及工業(yè)排污等人為源?；覊m又極易被揚起，所以其分布與它的擴(kuò)散源關(guān)系密切。研究城市灰塵中重金屬含量的相關(guān)性，有利于推測其來源是否相同。一般情況下，如果重金屬含量有顯著的相關(guān)性，那么它們出自同一污染源的可能性較大，否則來源可能不止一個。在自然環(huán)境中，單個重金屬污染雖有發(fā)生，但更多的是幾種金屬元素的復(fù)合污染。為探討蚌埠市地表灰塵中重金屬的主要來源，利用SPSS 16.0軟件對灰塵中各重金屬含量作了Pearson相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)果如表2所示。

表2 蚌埠市重金屬含量之間的相關(guān)性

由表2可知，Zn和Pb，Zn和Cu的相關(guān)系數(shù)分別為0.728和0.659，它們之間存在極顯著的相關(guān)性，而且Cu，Zn，Pb三者在地表灰塵中的含量均超出安徽省土壤環(huán)境背景值，分別為背景值的4.2，4.1，2.7倍，表現(xiàn)出較高的一致性，說明它們?nèi)邅碜韵嗤廴驹吹母怕瘦^大；Cu和Pb，Cu和 Mn、Cd和 Mn之間相關(guān)性較強，說明它們有著相似的污染來源；Cd除與Mn相關(guān)外，與其他3種重金屬元素的相關(guān)性均不明顯，而且Cd含量為安徽省土壤環(huán)境背景值的23.8倍，說明蚌埠市地表灰塵中Cd的來源有一定的獨特性。

2.3 蚌埠市重金屬地積累指數(shù)污染評價

蚌埠市各功能區(qū)地表灰塵中重金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)見表3。根據(jù)地累積指數(shù)與污染程度分級關(guān)系，從各重金屬元素的Igeo平均值來看，地表灰塵中重金屬元素存在不同程度的污染。Cd元素的地積累指數(shù)最大，平均值為3.85，為偏重污染，其中Cd在交通區(qū)為重污染；Zn和Cu次之，地積累指數(shù)平均值分別為1.46和1.45，均為偏中度污染，其中Cu在公園綠地為輕度污染；再次是Pb元素，地積累指數(shù)平均值為0.87，屬于輕度污染，其中Pb在工業(yè)區(qū)為偏中度污染；Mn元素的地累積指數(shù)最小，平均值為負(fù)0.59，在所有功能區(qū)Igeo值都小于0，沒有引起污染，處于清潔水平。

從各功能區(qū)的Igeo平均值來看，本文所研究的6個功能區(qū)均屬于偏中度污染，但地累積指數(shù)從大到小依次為：工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞交通區(qū)＞文教區(qū)＞居民區(qū)＞公園綠地；工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和交通區(qū)污染程度相對較為嚴(yán)重，文教區(qū)和居民區(qū)居中，公園綠地相對較輕。

表3 蚌埠市地表灰塵中重金屬的地累積指數(shù)Igeo

2.4 蚌埠市重金屬潛在生態(tài)危害評價

2.4.1 潛在生態(tài)危害水平 根據(jù)公式（2）—（4），計算出蚌埠市地表灰塵在所有采樣點中單個重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（）及5種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）（見表4）。

表4 蚌埠市地表灰塵重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險程度

從表4可知，蚌埠市地表灰塵中單個重金屬在研究區(qū)域上的潛在生態(tài)危害指數(shù)（）大小順序為：Cd（714.43）＞Cu（20.99）＞Pb（13.61）＞Zn（4.10）＞Mn（1.01）。Cd元素的潛在危害指數(shù)（）最高，平均值高達(dá)714.43，而且其在所有采樣點均超出強生態(tài)危害水平，這與Cd污染較重以及Cd的毒性系數(shù)較大有關(guān)。重金屬Zn，Cu，Pb，Mn單一污染程度較低，在所有采樣點均屬于輕微生態(tài)危害。5種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）平均值為754.14，表明蚌埠市地表灰塵處于很強生態(tài)危害水平。

2.4.2 重金屬潛在生態(tài)危害空間分布 為了解蚌埠市地表灰塵重金屬污染程度的空間分布情況，根據(jù)各功能區(qū)地表灰塵中重金屬元素含量的平均值，計算了不同功能區(qū)地表灰塵各重金屬的平均潛在生態(tài)危害指數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 蚌埠市不同功能區(qū)地表灰塵各重金屬的平均潛在生態(tài)危害指數(shù)

從表5可以看出，蚌埠市不同功能區(qū)的5種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）值依次為：交通區(qū)（1 107.49）＞商業(yè)區(qū)（732.09）＞居民區(qū)（731.26）＞工業(yè)區(qū)（711.71）＞文教區(qū)（555.52）＞公園綠地區(qū)（457.76）。對比評價標(biāo)準(zhǔn)可知，交通區(qū)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)和工業(yè)區(qū)屬于很強生態(tài)危害程度，文教區(qū)和公園綠地區(qū)處于強生態(tài)危害水平。對不同功能區(qū)中各種重金屬含量分析可知，文教區(qū)中安徽財大西校地表灰塵中各種重金屬含量最高，蚌埠醫(yī)學(xué)院灰塵各重金屬含量均比安徽財經(jīng)大學(xué)東校區(qū)高。這與安徽財經(jīng)大學(xué)西校區(qū)地處蚌埠市老城區(qū)，人口和機(jī)動車流動量大有關(guān)；蚌埠醫(yī)學(xué)院和安徽財大東校雖然都位于蚌埠市大學(xué)城新區(qū)，但蚌埠醫(yī)學(xué)院緊鄰蚌埠火車南站，各種污染因子出現(xiàn)的幾率相對較高。居民區(qū)中和順家園地表灰塵中重金屬含量均比其他居民區(qū)大，這與它的地理位置有很大的關(guān)系，和順家園小區(qū)處于商業(yè)地段，而且在所調(diào)查的小區(qū)當(dāng)中是建成時間最早、居住人口最多的小區(qū)，導(dǎo)致重金屬富集明顯。商業(yè)區(qū)中寶龍廣場地表灰塵重金屬含量除Cd，Mn外，Zn，Cu，Pb含量明顯低于百貨大樓和光彩大市場，可能是與這3個商業(yè)街中寶龍廣場位于新城區(qū)、建成時間最短，人口流動量較小，而百貨大樓位于老城區(qū)，光彩大市場人口、機(jī)動車流動量大有關(guān)。公園綠地中南山兒童公園中重金屬Zn，Cu，Pb含量高于其他公園，Cd，Mn的含量介于張公山公園和龍子湖公園之間。工業(yè)區(qū)地表灰塵中Zn，Pb最高含量出現(xiàn)在電力總公司，Cu，Cd，Mn最高含量出現(xiàn)在晶菱機(jī)床有限公司，豐原集團(tuán)除Mn外，其他各重金屬含量最低。交通區(qū)地表灰塵中Zn，Pb最高含量在勝利路，Cu，Cd最高含量在涂山路，Mn在勝利路和涂山路中富集最多。另外，在去除重金屬Cd以后，本文所研究的6個功能區(qū)均表現(xiàn)為輕微生態(tài)危害水平。究其原因，這主要是由于蚌埠市地表灰塵中Cd含量嚴(yán)重超標(biāo)所致?？傮w上來說，蚌埠市地表灰塵重金屬的生態(tài)環(huán)境較好，但存在Cd元素的極強潛在生態(tài)危害。

3 結(jié)論

（1）蚌埠市地表灰塵中Zn，Cu，Pb，Cd，Mn的平均含量分別是254.29，85.64，72.39，2.31，535.86mg／kg，均超出安徽省土壤背景值。在所有采樣點中除Mn元素的超標(biāo)率為66.67%外，其他4種重金屬元素超標(biāo)率均為100%。

（2）地累積指數(shù)法評價結(jié)果顯示，Cd元素為偏重污染；Zn和Cu均為偏中度污染；Pb屬于輕度污染；Mn處于清潔水平。所研究的6個功能區(qū)均屬于偏中度污染。

（3）單個重金屬在研究區(qū)域上的潛在生態(tài)危害指數(shù)（Eir）大小順序為：Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞Mn。Cd元素污染最嚴(yán)重，在所有采樣點均超出強生態(tài)危害水平，其他4種重金屬元素均屬于輕微生態(tài)危害。

（4）蚌埠市不同功能區(qū)地表灰塵5種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）依次為：交通區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞文教區(qū)＞公園綠地區(qū)。交通區(qū)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)和工業(yè)區(qū)屬于很強生態(tài)危害程度，文教區(qū)和公園綠地區(qū)處于強生態(tài)危害水平。在去除重金屬Cd以后，6個功能區(qū)均表現(xiàn)為輕微生態(tài)危害水平。

（5）總體上來說，蚌埠市地表灰塵重金屬的生態(tài)環(huán)境較好，但存在Cd元素的極強潛在生態(tài)危害。

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