吉首市主要住宅區(qū)灰塵重金屬污染及其潛在生態(tài)風險評價

辛建峰(惠州市環(huán)保局惠城區(qū)分局環(huán)境監(jiān)測站，廣東 惠州 516001)

吉首市主要住宅區(qū)灰塵重金屬污染及其潛在生態(tài)風險評價

辛建峰
(惠州市環(huán)保局惠城區(qū)分局環(huán)境監(jiān)測站，廣東 惠州 516001)

通過對吉首市主要住宅區(qū)灰塵重金屬含量的調查，發(fā)現(xiàn)其主要住宅區(qū)灰塵重金屬Pb、Zn、Cu、Cr、Cd 和Mn含量的平均值分別為296.253 mg/kg、128.253 mg/kg、146.013 mg/kg、114.472 mg/kg、34.257 mg/kg 和396.729 mg/kg，同吉首市土壤環(huán)境背景值相比，分別為背景值的68.99倍、71.29倍、109.78倍、10.46倍、110.68倍和52.82倍，均處于較高的積累水平。重金屬在空間上的分布特征表現(xiàn)為：市中心、火車站和乾州灰塵重金屬含量均高于砂子坳；通過分析判定住宅區(qū)灰塵中較高的重金屬含量可能主要源于交通和工業(yè)造成的污染。運用潛在生態(tài)危害指數法來評價吉首市主要住宅區(qū)灰塵重金屬污染狀況，發(fā)現(xiàn)單種重金屬造成的潛在生態(tài)危害表現(xiàn)為: Cd > Cu > Pb > Zn > Cr；住宅區(qū)灰塵重金屬潛在生態(tài)危害達到一個相當高的水平，在所調查的住宅區(qū)中，幾乎所有的住宅區(qū)灰塵重金屬生態(tài)危害都達到了極高的水平。

灰塵；重金屬；潛在生態(tài)危害指數；生態(tài)風險評價

1 前言

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，大量的重金屬污染物通過不同的途徑進入環(huán)境，尤其是大氣環(huán)境，進而引起大氣環(huán)境質量嚴重惡化，其中灰塵重金屬污染極為嚴重[1-2]。近年來，對居民住宅區(qū)灰塵重金屬污染的研究逐漸成為熱點，城市灰塵中的重金屬有多種來源，主要源于建筑工地、裸露地表、交通工具尾氣、工業(yè)“三廢”及各種沉降在路面上的氣溶膠粒子、路面及交通工具的磨損等，在一定的外力條件下較易再次揚起，從而通過呼吸道和皮膚被人體吸收或直接攝入，在體內被消化、吸收，產生累積，對人體健康產生危害[2-3]；另一方面，城市灰塵在降水作用下進入河道，對水體環(huán)境造成了直接的污染[4-5]。

近年來，隨著吉首市工業(yè)的快速發(fā)展，大批企業(yè)、工廠進入城區(qū)，有些位于居民住宅區(qū)旁，甚至在其內。住宅區(qū)是城市居民主要的生活休憩場所，與人們的日常生活緊密相關。當前國內外學者對重金屬污染的特點及污染評價進行了大量的研究，但有關區(qū)域空間變異及其分布特征和風險評價的報道較少[2-7]。到目前為止，針對吉首市主要住宅區(qū)灰塵重金屬污染的詳細研究鮮見報道，因此，研究吉首市主要住宅區(qū)灰塵中重金屬的污染狀況對于城市生態(tài)環(huán)境和居民的身體健康都具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

吉首市地處湖南省西部邊陲，座落在湘、鄂、黔、渝交接地武陵山區(qū)腹地，是湘西土家族苗族自治州首府，總面積15km2，人口總數40萬，地形地貌以中低山、低山為主，市區(qū)位于山谷之間，工廠、交通和人口比較擁擠，空氣對流不順暢。

2.2 樣點的選取與樣品的采集

本文選取吉首市具有代表意義的住宅區(qū)作為采樣點(分4個區(qū)，共25個點)，見圖1及表1。 采樣工作在2016年5月初完成，采樣時間在晴朗的中午。在每個住宅區(qū)附近采用梅花型布點法選取5個點，用塑料鏟和毛刷掃取表面灰塵若干，然后用四分法組成一個混合樣品，共得25個樣品，樣品采集后放入聚乙烯塑料袋中密封后，帶回實驗室保存[1,5]。同時，采集位于吉首市比較潔凈的德夯風景區(qū)土壤點樣品，作為土壤背景樣品。測定的重金屬有Pb、Zn、Cu、Cr、Cd 和Mn。

圖1 采樣點分布示意

表1 采樣區(qū)域點位分布

2.3 儀器與試劑

(1)主要儀器：電熱恒溫干燥箱，火焰原子吸收分光光度計(TAS—990 AFG)及相應的空心陰極燈，聚四氟乙烯坩堝(50 mL)，恒溫電熱板等。

(2) 試劑：實驗用水均為超純水，實驗用酸有：HCl，HNO3，HClO4，HF(均為分析純)；幾種重金屬(Pb、Zn、Cu、Cr、Cd、Mn)的標準儲備液(1000 mg/L，購自國家鋼鐵材料測試中心)。

2.4 樣品預處理

將采集的預處理的樣品中礫石、雜草等雜物通過篩分剔除，以玻璃器皿盛裝，置烘箱中，于105 ℃烘干1 h以上，以木錘搗碎、研細，過150目尼龍網篩，保存過篩的樣品于塑料袋中備用。

2.5 樣品的消解

采用國際上通用的酸硝化法(HCl - HNO3- HClO4- HF)進行消解。準確稱取土壤樣品1.0000 g，置于聚四氟乙烯坩堝內，用去離子水潤濕，先加10 mL的HCl，加熱近干，冷卻后，加入HNO310 mL，HClO44mL，HF 10mL，置于電熱板上加蓋加熱消解。低溫加熱約4～5 h至棕黃色刺鼻的濃煙冒盡，待消解完成后，開蓋趕酸。當坩堝中內溶物呈粘稠狀時，停止加熱，加入少量HNO3溶液，溫熱溶解殘渣，待冷卻后，轉移至25 mL容量瓶或比色管中，以去離子水定容至標線，搖勻靜置過夜。以上操作均在通風櫥中進行。

2.6 樣品中重金屬的測定

用火焰原子吸收分光光度法測定，重金屬標準溶液的濃度為1000 mg/L，用50 mL的容量瓶配制系列標準使用液(8個濃度梯度，表2)，用5%(v/v)鹽酸稀釋定容，或(1+49)硝酸稀釋定容。

2.7 樣品中重金屬含量的計算

樣品中重金屬含量的計算采用公式：

C=c*v/m

C—樣品中重金屬的濃度，μg/g;

c—所測定消解液的濃度，μg/g;

v—定容時溶液的體積，mL;

m—消解的樣品的質量，g。

土壤中重金屬污染濃度參考標準見表3。

表2 系列標準曲線 單位：mg/L

注：定容體積為50mL。

表3 土壤重金屬污染物國家標準值及背景值含量 單位：mg/kg

2.8 重金屬潛在生態(tài)風險評價方法

潛在生態(tài)風險評價基于元素豐度和釋放能力的原則，評價假設一系列前提條件：①元素豐度響應，即潛在生態(tài)風險指數(RI)隨灰塵中重金屬污染程度加重而增加；②多污染物協(xié)同效應，即灰塵的重金屬生態(tài)危害具有加和性，多種金屬污染的潛在生態(tài)風險更大，銅、鋅、鉛、鎘、鉻和錳是優(yōu)先考慮對象；③各重金屬元素的毒性響應具有差異，生物毒性強的金屬對RI具有較高權重[8-9]。

潛在生態(tài)危害指數法是一種應用較為廣泛的重金屬污染評價方法之一，它結合生物毒理、環(huán)境化學及生態(tài)學等方面的內容，以定量的方法區(qū)分重金屬元素的潛在生態(tài)危害程度[8-10]，因此本文選擇Hakanson建立的潛在生態(tài)危害指數法[9]來評價吉首市主要住宅區(qū)灰塵重金屬的污染狀況，其具體的評價方法如下：

(1)

(2)

Zn = 1 < Cr = 2 < Cu = Pb = 5 < Cd = 30

(3)灰塵中多種重金屬潛在生態(tài)危害指數RI值的確定：

(3)

3 結果分析與討論

3.1 住宅區(qū)灰塵重金屬含量

吉首市主要住宅區(qū)灰塵中6種重金屬含量的分析結果表明，各種重金屬空間分布差異較大，是灰塵中重金屬來源的復雜性所決定的。從各區(qū)域統(tǒng)計情況來看，市中心Pb含量最高，為407.256 mg/kg，砂子坳含量最低，為135.303 mg/kg，Cu的含量以火車站274.1 mg/kg為最高，Cd的含量乾州和市中心為高，為41.262 mg/kg和39.465 mg/kg，Mn和Zn的含量各區(qū)比較接近。

主要住宅區(qū)灰塵重金屬含量與德夯土壤背景值的比較如圖2，發(fā)現(xiàn)各種重金屬元素的含量均遠超出背景值，尤其以Pb、Zn、Cu、Cd 和Mn元素最為顯著，分別超出背景值的68.99倍、71.29倍、109.78倍、110.68倍和52.82倍，Cr元素超出背景值相對較小，為背景值的10.46倍。通過與德夯土壤背景值的對比，重金屬元素在吉首市主要住宅區(qū)灰塵中積累已達到相當嚴重的程度。

圖2 住宅區(qū)灰塵重金屬含量平均值與德夯土壤背景值對比

3.2 灰塵重金屬的空間分布特征及來源判斷

從圖3中可以看出，市中心、火車站和乾州灰塵重金屬含量均高于砂子坳，尤其以Pb、Zn、Cr 和Cu元素最為明顯。重金屬含量空間上的差異受工業(yè)活動的影響，市區(qū)灰塵重金屬一是來自于交通，二是來自于工業(yè)生產活動。市中心、火車站和乾州除了接受來自于交通所產生的污染，因其更接近一些大型的工廠區(qū)，如湘泉酒廠、州燃料公司和建筑工地等，同砂子坳相比，更容易接受來自于工業(yè)活動所產生的污染。調查發(fā)現(xiàn)， 市中心、火車站和乾州附近有多處降塵高濃度中心存在，因此分析得出，工業(yè)污染造成了市中心、火車站和乾州灰塵重金屬含量較砂子坳高。

圖3 住宅區(qū)灰塵重金屬含量比較

通過計算，各重金屬含量間的相關系數見表4，各重金屬元素含量間除Pb-Mn、Cu-Cr、Cu-Cd、Cu-Mn 和Cr-Mn，其余各重金屬間都存在較顯著的相關性， 說明這幾種重金屬元素在接受外界污染時可能存在一定的相似性[10-12]，同時又說明住宅區(qū)灰塵在接受外來污染時存在的復雜性。

*相關系數在0.05概率水平上顯著

4 灰塵重金屬污染潛在生態(tài)風險評價

本文根據所分析污染物的數量及各污染物的毒性相應系數所占比率進行轉換， 對RI值的范圍進行了相應調整[1,10,13]，調整后的具體數值及分級如表5。

對吉首市25個主要住宅區(qū)灰塵重金屬污染評價的統(tǒng)計結果如表6所示，從單種重金屬的生態(tài)危害程度來看，所有住宅區(qū)灰塵中Cr的生態(tài)危害均處于較低水平；絕大多數的住宅區(qū)灰塵Pb和Cu處于生態(tài)危害的較高水平以上[13-14]；在統(tǒng)計的25個主要住宅區(qū)中幾乎所有住宅區(qū)灰塵中Cd均處于極高水平，生態(tài)危害都達到最高。從重金屬的潛在生態(tài)危害評價結果來看，在所有住宅區(qū)中，生態(tài)危害都為極高。因此，從總體上來看，吉首市主要住宅區(qū)灰塵重金屬的潛在生態(tài)危害達到了一個相當高水平，應當引起政府和學術界的共同關注。

表5 重金屬污染潛在生態(tài)危害指數與污染程度的劃分標準

表6 住宅區(qū)灰塵重金屬污染評價結果

5 結論

(1)吉首市主要住宅區(qū)灰塵重金屬Pb、Zn、Cu、Cr 、Cd 和Mn 含量的平均值分別為296.253 mg/kg、128.253 mg/kg、146.013 mg/kg、114.472 mg/kg、34.257 mg/kg 和396.729 mg/kg，均遠遠超出吉首市土壤環(huán)境背景值。定量確定吉首市主要住宅區(qū)重金屬污染物的污染指數和綜合污染指數的范圍，得出重金屬在吉首市市中心和乾州為較高污染，火車站為中等污染。

(2)分析和討論結果表明，引起住宅區(qū)灰塵中重金屬污染的主要原因是礦場的作業(yè)、工業(yè)生產和交通設施排放的尾氣。對于吉首市主要住宅區(qū)的重金屬污染，一方面要加強礦場開發(fā)、工業(yè)生產和車輛尾氣的嚴格管理，減少外源性污染物的排放；另一方面要改善內源性環(huán)境，清除污染沉積物，以控制河流和土壤沉積物中重金屬向大氣中釋放，避免形成二次污染；重金屬含量的空間分布特征表現(xiàn)為：市中心、火車站和乾州灰塵重金屬含量均高于砂子坳。

(3)運用潛在生態(tài)危害指數法評價住宅區(qū)灰塵單種重金屬生態(tài)危害程度為：Cd > Cu > Pb > Zn > Cr；灰塵中重金屬造成的潛在生態(tài)危害， 在吉首市25個主要住宅區(qū)中，生態(tài)危害都為極高。

(4)依據分析和評價結果，總體來說各重金屬污染都極為嚴重，造成較大的影響。隨著工廠和交通量的持續(xù)增大，住宅區(qū)灰塵重金屬污染會日趨嚴重。有關部門應采取措施合理規(guī)劃工業(yè)區(qū)，同時控制交通流量。監(jiān)控住宅區(qū)灰塵中重金屬元素的分布， 防止對居民區(qū)的進一步污染，以維持住宅區(qū)的干凈環(huán)境系統(tǒng)。

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Heavy metal pollution and the ecological risk in dust of main residential district of Jishou City

Xin Jianfeng
(Huicheng District Environmental Monitoring Stationin Huizhou Ctiy of Guangdong Province, Huizhou 516001, China)

Heavy metal in dust from the main residential districts of Jishou city was studied and found at a high level of accumulation.The contents of Pb, Zn, Cu, Cr, Cd and Mn in the dust were 296.253 mg/kg, 128.253 mg/kg, 146.013 mg/kg ,114.47 mg/kg, 34.257 mg/ kg and 396.729 mg/kg respectively, which were 68.99 times, 71.29 times, 109.78 times, 10.46 times, 110.68 times and 52.82 times of the background value. Heavy metal in the city center, railway station and Qianzhou was higher than that in the Shazi Ao, indicating that the heavy metal content in the dust of the residential area may be mainly due to pollution caused by traffic and industry. The potential ecological hazards caused by single heavy metal were ranked as follows: Cd> Cu> Pb> Zn> Cr; the potential ecological hazards of heavy metals in the surveyed residential areas of Jishou city reached a considerable high level.

dust; heavy metal; potential ecological risk index; ecology risk assessment

2017-03-30； 2017-07-28修回

辛建峰(1984-)，男，碩士，中級工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測及生態(tài)保護工作。E-mail：307134019@qq.com

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