南昌市秋季大氣PM2.5中金屬元素污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

樊孝俊，徐義邦，趙 陽

1.南昌市環(huán)境監(jiān)測站，江西 南昌 330038

2.南昌市環(huán)境保護(hù)局，江西 南昌 330038

南昌市秋季大氣PM2.5中金屬元素污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

樊孝俊1，徐義邦1，趙 陽2

1.南昌市環(huán)境監(jiān)測站，江西 南昌 330038

2.南昌市環(huán)境保護(hù)局，江西 南昌 330038

2013年秋季采集了南昌市6個(gè)不同功能區(qū)的大氣PM2.5樣品，分析了PM2.5含量及其中18種金屬元素的含量。結(jié)果表明：采樣期間南昌市大氣PM2.5平均質(zhì)量濃度均在《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)日平均濃度限值二級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(75 μg/m3)的范圍內(nèi)。PM2.5中多數(shù)金屬元素的含量水平低于中國內(nèi)地城市，而與香港和國外城市相比則偏高。分別采用富集因子法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評價(jià)。富集因子法表明Zn、Pb、Hg、Cu等元素富集程度較高，Cd富集程度極高，人為源顯著；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法表明Pb、Hg、Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為極強(qiáng)，南昌市總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為極強(qiáng)，2種方法的評價(jià)結(jié)果較為一致。

南昌市；PM2.5；金屬元素；富集因子；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

近年來，大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)的來源解析成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)[1-3]，因其不僅對空氣質(zhì)量有重要影響，且粒徑越小越容易隨呼吸通過鼻纖毛進(jìn)入血液或沉積在肺部，嚴(yán)重危害人體健康。美國北卡羅來納大學(xué)環(huán)境科學(xué)院與國家環(huán)境保護(hù)局研究人員在《環(huán)境研究通訊》發(fā)布研究報(bào)告稱，全球每年約210 萬人死于大氣中PM2.5等懸浮顆粒物濃度上升對人體肺部造成的損害。自1990年美國通過清潔空氣法修正案并確定187種有害空氣污染物起，國外已逐步開始重視空氣中有害微量元素的污染，尤其是世界衛(wèi)生組織(WHO) 公布空氣質(zhì)量導(dǎo)則確定主要有害微量元素的指導(dǎo)值后，各國先后加強(qiáng)了對空氣重金屬的監(jiān)管和控制。中國新頒布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)將Pb列入常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)，而將Cd、Hg、As和Cr(Ⅵ)列入附錄A的參考指標(biāo)，尚沒有對大氣中的有害微量金屬元素開展常規(guī)監(jiān)測[4]。因此，研究城市大氣PM2.5中金屬元素的污染特征，并開展相應(yīng)的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，對于保護(hù)公眾健康和有關(guān)部門制定切實(shí)可行的防治措施都有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。通過測定南昌市不同區(qū)域PM2.5含量，分析其中金屬元素污染水平，并進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，為進(jìn)一步防治大氣污染、保護(hù)公眾健康和減少經(jīng)濟(jì)損失提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

以南昌市環(huán)境空氣質(zhì)量國控點(diǎn)為依托，在南昌市區(qū)布設(shè)6個(gè)采樣點(diǎn)位(其中武術(shù)學(xué)校為對照點(diǎn))，詳見圖1。于2013年9月13—25日，連續(xù)性同步采樣，單日采樣時(shí)間滿足樣品分析檢出限要求，且避免濾膜負(fù)荷過載，一般為20 h，共采集10 d，60組樣品(雨天不采樣)。采樣儀器為TH-150AII智能中流量采樣器，氣流流速為(100±1)L/min，選用90 mm聚丙烯濾膜。

圖1 南昌市PM2.5采樣點(diǎn)位示意圖

用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)[5]測定Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Ba、Co、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Cd、Pb的含量；用原子熒光光譜法[6]測定As、Hg的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 采樣期間PM2.5質(zhì)量濃度空間分布特征

采樣期間大氣PM2.5的質(zhì)量濃度如表1所示。所有采樣點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度均值都在《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級日均質(zhì)量濃度限值(75 μg/m3)范圍內(nèi)。

表1 采樣期間南昌市PM2.5質(zhì)量濃度

由表1可見，京東鎮(zhèn)政府采樣點(diǎn)的PM2.5平均質(zhì)量濃度最高，有3個(gè)樣品超標(biāo)，樣品超標(biāo)率達(dá)30%，該采樣點(diǎn)距離方大特鋼科技股份有限公司較近，交通、工業(yè)污染源排放的PM2.5較多；省外辦采樣點(diǎn)的PM2.5平均質(zhì)量濃度也較高，樣品超標(biāo)率也達(dá)30%，可能是受附近佑民寺燒香的影響；石化和林科所均只有1個(gè)樣品超標(biāo)，樣品超標(biāo)率為10%；建工學(xué)校和武術(shù)學(xué)校均無超標(biāo)樣品。

2.2 PM2.5中金屬元素含量水平

表2列出了南昌市和國內(nèi)外一些城市PM2.5及有關(guān)金屬元素的平均質(zhì)量濃度。

表2 南昌市PM2.5及金屬元素質(zhì)量濃度與其他城市比較 μg/m3

注：“—”表示無相關(guān)值。

由表2可見，南昌市PM2.5中金屬元素平均含量順序?yàn)镃a>Al>K>Fe>Na>Mg>Ba>Zn>Pb>Mn>Ti> Cr>Cu>V>As>Co>Cd>Hg。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中規(guī)定的金屬元素參考濃度限值，南昌市大氣PM2.5中Pb、Hg和Cd含量在所有采樣點(diǎn)均未超標(biāo)，而As含量在所有采樣點(diǎn)的超標(biāo)樣品率均高于50%。就As而言，僅韓國首爾滿足WHO標(biāo)準(zhǔn)要求，成都、北京、南京和天津均超標(biāo)，這突顯了中國主要城市大氣As 超標(biāo)的普遍現(xiàn)象。

不同城市大氣顆粒物中重金屬元素質(zhì)量濃度存在較大差異，這可能與各城市能源結(jié)構(gòu)、氣候特征及工業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)。與國內(nèi)城市(除香港外)相比，南昌市大部分金屬元素含量普遍較低，但Zn的含量是南京市的22倍左右，Co的含量是北京市和成都市的6倍。與香港和國外城市相比，南昌市金屬元素含量水平均較高。

2.3 PM2.5中金屬元素污染程度評價(jià)

研究雖獲取了南昌市大氣PM2.5中18種微量元素，但僅重點(diǎn)討論其中Cu、Mn、Pb、As、Cr、Cd、Co、Ti、V、Zn和Hg等11種元素，采用富集因子法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對污染程度進(jìn)行評價(jià)。

2.3.1 富集因子法

富集因子是反映人類活動對自然環(huán)境擾動程度的重要指標(biāo)，通過樣品中金屬元素的實(shí)測值與金屬元素背景值含量對比，計(jì)算金屬元素的富集程度，以判斷人為源對樣品中金屬元素含量的貢獻(xiàn)水平，其計(jì)算公式為

(1)

式中：EF為富集因子，Ci和Cr分別為PM2.5中待測金屬元素i和參比金屬元素r的濃度，Xi和Xr分別為元素i和參比元素r的土壤背景濃度。目前研究多采用Al、Fe和Ti作為參比元素，而通過計(jì)算得出Ti的變異系數(shù)較小，且與其余金屬元素的相關(guān)性較好，因此選取Ti作為參比元素。若元素EF值<10，可以認(rèn)為該金屬元素主要由土壤或巖石風(fēng)化形成的塵埃進(jìn)入大氣形成的，相對于地殼而言沒有富集；若EF值增大到10～1×104，則表明元素主要受到人類活動影響[14]。

南昌市大氣PM2.5中各金屬元素的富集因子見表3。

表3 南昌市PM2.5中金屬元素的富集因子

由表3可見，富集因子排序?yàn)镃d>Zn>Pb>Hg>Cu>Cr>As>Co>Mn>V。V、Cr、Mn、As、Co的富集因子范圍為10.9～61.1，說明這些金屬元素既有自然來源也有人為來源；Zn、Pb、Cu、Hg的富集因子范圍為108.4～530.2，表明這些金屬元素受到明顯的人為污染；Cd的富集因子值非常高，達(dá)到1 018.5，表明該元素的主要來源與人為排放密切相關(guān)。研究區(qū)Pb、Cd的富集因子大于對照點(diǎn)，說明市區(qū)受到一定的Pb、Cd污染；對照點(diǎn)As、Co和Hg的富集因子大于研究區(qū)，表明在對照點(diǎn)周圍可能存在As、Co和Hg重金屬污染源，具體原因還有待進(jìn)一步深入研究。

As作為燃煤的代表性元素，各種煤中As含量范圍為3～ 45 mg/kg，燃燒后產(chǎn)生大量含As 化合物易成為微粒進(jìn)入空氣，從而使As 含量較高。近年來，盡管含鉛汽油被禁止使用，但汽車尾氣仍然是大氣中Pb含量的來源之一，煤燃燒產(chǎn)生的工業(yè)廢氣也成為大氣Pb污染的重要來源。燃煤是大氣中Cd的重要來源，汽車輪胎和剎車片磨損、潤滑油也是大氣中Cd的重要來源，這是導(dǎo)致南昌市大氣PM2.5中Cd富集較高的原因。截至2013年底，南昌市機(jī)動車保有量超過63萬輛，機(jī)動車污染不僅成為影響該地區(qū)空氣質(zhì)量的重要因素，而且還是多數(shù)有害微量元素的主要來源。

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson提出的沉積物評價(jià)方法。該方法引入毒性響應(yīng)系數(shù)，將重金屬的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系起來，使評價(jià)更側(cè)重于毒理方面，對其潛在的生態(tài)危害進(jìn)行評價(jià)。該方法被廣泛應(yīng)用于土壤、水生生物和水體沉積物中重金屬元素的污染評價(jià)。計(jì)算公式為

(2)

式中：RI為采樣點(diǎn)多種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Eri為元素i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，Tri為元素i的毒性系數(shù)，Cri為元素i的污染系數(shù)，Ci為元素i的實(shí)測濃度值，Xi為元素i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度等級劃分見表4。

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)分級

胡恭任等[16-17]認(rèn)為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法不僅可用于評價(jià)土壤及河流沉積物重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，同樣可用于評價(jià)大氣降塵、大氣顆粒物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但目前還未制定出針對城市生態(tài)環(huán)境的大氣降塵、大氣顆粒物重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)，這方面研究還有待進(jìn)一步完善。目前已經(jīng)有部分文獻(xiàn)[8，18]將潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法用于大氣顆粒物重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。研究參照文獻(xiàn)，選擇江西省土壤背景值為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對南昌市大氣顆粒物中的金屬元素進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

表5為各種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。

表5 南昌市PM2.5中金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度

注：“—”表示無相應(yīng)值。

由表5可以看出，南昌市PM2.5中Ti、Mn、V、Cr等元素的生態(tài)危害程度為輕微，Co元素為中等，Zn、Cu、As元素為強(qiáng)，Pb、Hg、Cd為極強(qiáng)；對照點(diǎn)的Pb、Hg、Cd、Zn、Cu的生態(tài)危害程度均小于研究區(qū)域。南昌市總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為極強(qiáng)，與文獻(xiàn)報(bào)道的廈門市[17]、蘭州市[18]、天津市[8]結(jié)果較為類似。其中Cd、Hg元素對南昌市RI貢獻(xiàn)最大，分別占南昌市RI的72.2%和17.8%，盡管Cd、Hg濃度較低，但由于Cd、Hg元素土壤背景值較低(分別為0.108、0.084 μg/g)，并且具有很高的毒性系數(shù)(分別為30、40)，因而生態(tài)危害程度極強(qiáng)。南昌市各重金屬元素的生態(tài)危害程度排序?yàn)镃d> Hg>Pb>As>Cu>Zn>Co>Cr>V>Mn>Ti。

3 結(jié)論

1)南昌市6個(gè)采樣點(diǎn)在采樣期間大氣PM2.5平均質(zhì)量濃度均在《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)日均質(zhì)量濃度限值二級標(biāo)準(zhǔn)(75 μg/m3)規(guī)定的范圍內(nèi)。

2)南昌市秋季大氣PM2.5中金屬元素的平均含量排序?yàn)镃a>Al>K>Fe>Na>Mg>Ba>Zn>Pb>Mn> Ti>Cr>Cu>V>As>Co>Cd>Hg。與中國內(nèi)地城市相比，南昌市大氣PM2.5中金屬元素含量大多處于較低水平，與香港和國外城市相比，南昌市大氣PM2.5中大多數(shù)金屬元素濃度值偏高。

3)富集因子法表明南昌市大氣PM2.5中Cd、Zn、Pb、Hg、Cu等元素富集程度較高，人為源顯著；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法表明Pb、Hg、Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為極強(qiáng)，南昌市總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為極強(qiáng)，2種方法的評價(jià)結(jié)果較為一致。南昌市大氣PM2.5中Pb、Hg、Cd等金屬元素的污染應(yīng)引起相關(guān)部門的重視，密切注意，加強(qiáng)防控和治理。

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The Pollution Characteristics and Potential Ecological Risk of Heavy Metals in PM2.5in Autumn in Nanchang

FAN Xiaojun1,XU Yibang1,ZHAO Yang2

1.Nanchang Environmental Monitoring Station,Nanchang 330038,China

2.Nanchang Environmental Protection Bureau,Nanchang 330038,China

During Autumn in 2013，PM2.5samples were collected in six different functional zones in Nanchang. The PM2.5content and eighteen kinds of metal elements content in PM2.5were studied. It is shown that the average content of PM2.5during autumn in Nanchang was under theAmbientAirQualityStandards(GB 3095—2012),which daily average limit of secondary standard was 75 μg/m3. Compared with the domestic and international cities,most elements in atmospheric levels of PM2.5were lower than other domestic mainland cities,and higher than Hong Kong and foreign cities. And the pollution status was evaluated with enrichment factors and Hakanson potential ecological risk index,respectively. The results showed that the enrichment factor values of Zn,Pb,Hg and Cu was high,Cd was extremely high,suggesting that these elements were closely related primarily to anhropogenic emissions. The potential ecological risk of Pb,Hg and Cd was extremely strong,the whole potential ecological risk of Nanchang city was very strong. The evaluation results of the two methods is consistent.

Nanchang;PM2.5;metal elements;enrichment factors;the method of potential ecological risk index

2015-04-17;

2015-05-07

江西省環(huán)保科技項(xiàng)目(JXHBKJ2012-1)

樊孝俊(1978-)，男，江西南昌人，學(xué)士，工程師。

X823

A

1002-6002(2016)02- 0026- 05