西安市臨潼區(qū)地表顆粒物重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

田華，楊柳，夏紫頓，寧世雄，魏超

西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，城市化與工業(yè)化進(jìn)程日益加快?；瘜W(xué)用品的大量使用，使含有重金屬的各種污染物不斷地增加，特別是工業(yè)開采、冶煉、加工到最后的使用過程產(chǎn)生的大量重金屬及其化合物，將以各種形態(tài)儲(chǔ)存于生態(tài)系統(tǒng)中，給人類生活帶來影響（鄭志俠等，2013）。城市中的重金屬污染主要以地表顆粒物為載體，在外力作用下容易產(chǎn)生“揚(yáng)起—沉降—揚(yáng)起”的交替循環(huán)過程（方鳳滿等，2011）。此外，顆粒物在空氣中會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成更嚴(yán)重的二次污染物；細(xì)小顆粒物極易通過呼吸系統(tǒng)和皮膚接觸等途徑在人體富集；顆粒物中的污染物會(huì)隨地表徑流遷移進(jìn)入城市水體，最終進(jìn)入食物鏈進(jìn)行遷移、富集（劉振東等，2013），因此對(duì)城市地表顆粒物的研究受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

Manno（2006）等對(duì)西西里市不同功能區(qū)、不同形態(tài)和不同粒徑地表顆粒物中的重金屬進(jìn)行了研究，結(jié)果表明道路塵埃樣品含有金屬元素，主要來源于車輛交通和附近的工廠。常仕鐳等（2014）對(duì)成都市地表灰塵重金屬污染分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明Pb、Zn、Cu、Ni、Cr、Cd的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為成都市土壤背景值的1.18～77.57倍，其中Cd的超標(biāo)倍數(shù)大于 10，污染極強(qiáng)且富集在顆粒物中。范佳民等（2014）對(duì)淮南市城區(qū)地表灰塵重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，得出不同功能區(qū)Cd潛在生態(tài)危害指數(shù)較大，處于強(qiáng)生態(tài)危害（Ⅲ級(jí)）水平，交通區(qū)和工業(yè)區(qū)潛在生態(tài)危害水平最高。李一蒙等（2015）對(duì)開封城市土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，大部分土壤發(fā)生了重金屬污染，Cd是最主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子，其來源與化肥廠煙塵、污灌區(qū)表層土壤空氣流動(dòng)、交通運(yùn)輸和燃煤等人類活動(dòng)有關(guān)。劉德鴻等（2012）對(duì)洛陽市不同功能區(qū)道路灰塵重金屬污染進(jìn)行研究，結(jié)果表明各功能區(qū)道路灰塵中重金屬含量和污染水平存在較大差異，不同功能區(qū)灰塵重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù) RI表現(xiàn)為工業(yè)區(qū)＞城市綠地＞商業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞城市主干道＞城鄉(xiāng)結(jié)合部，減少工業(yè)污染和交通污染是降低道路灰塵中重金屬污染和風(fēng)險(xiǎn)的主要措施。

西安市臨潼區(qū)位于陜西省西安市東部，屬國(guó)家5A級(jí)景區(qū)，被稱為“中國(guó)石榴之鄉(xiāng)”和牛奶生產(chǎn)強(qiáng)區(qū)。隨著交通運(yùn)輸和旅游業(yè)的發(fā)展，該區(qū)地表顆粒物日益增多。本研究以西安市臨潼區(qū)為研究區(qū)，通過對(duì)不同功能區(qū)地表顆粒物樣品的采集與分析，探討了不同功能區(qū)地表顆粒物重金屬的分布特征，并采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)臨潼區(qū)地表顆粒物重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為西安市臨潼區(qū)居民健康提供保障，并為生態(tài)城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析測(cè)試

為了研究西安市臨潼區(qū)地表顆粒物中重金屬的空間分布特征和健康風(fēng)險(xiǎn)水平，根據(jù)城市的規(guī)劃布局、人類活動(dòng)及交通流量，將臨潼區(qū)劃分為工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、交通區(qū)、旅游休閑區(qū)5個(gè)不同類型功能區(qū)。在連續(xù)7 d以上沒有降雨的2016年4月20日（晴朗無風(fēng)），用毛刷和塑料鏟進(jìn)行道路灰塵樣品的采集。研究范圍基本覆蓋臨潼區(qū)的主要功能區(qū)，每個(gè)功能區(qū)選擇3個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)采用梅花布點(diǎn)法分別取5個(gè)平行樣品，共75組樣品，每組樣品質(zhì)量在300～500 g之間。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

將采集的樣品風(fēng)干、研磨，過100目尼龍篩后于4 ℃下密封保存。準(zhǔn)確稱取0.2000 g經(jīng)過預(yù)處理的樣品于消解罐中，采用HF-HNO3-HCl- H2O2全分解式微波消解體系消解樣品。經(jīng)ETHOSA微波消解儀消解后，用2% HNO3定容，采用火焰原子吸收光譜儀（A3，北京普析）測(cè)定重金屬元素（Pb、Cu、Cd、Cr）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，加入國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-3進(jìn)行質(zhì)量控制，并且每10組樣品做1組平行樣（重復(fù)3次）。保證平行樣品中標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 10%，質(zhì)控樣品測(cè)定值達(dá)到國(guó)家規(guī)定的精密度要求（范佳民等，2014）。

1.2 數(shù)據(jù)分析

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of sampling sites

表1 ，RI與污染程度間的關(guān)系Table1 Relationship of RI,and pollution level

表1 ，RI與污染程度間的關(guān)系Table1 Relationship of RI,and pollution level

r i E RI 危害程度Damage level＜40 ＜150 輕微生態(tài)危害 Mild ecological hazard (Ⅰ)40＜80 150＜300 中等生態(tài)危害 Moderate ecological hazard (Ⅱ)80＜160 300＜600 強(qiáng)生態(tài)危害 Strong ecological hazard (Ⅲ)160＜320 ≥600 很強(qiáng)生態(tài)危害 Stronger ecological hazards (Ⅳ)≥320 - 極強(qiáng)生態(tài)危害 Extremely strong ecological hazard (Ⅴ)

地表顆粒物重金屬含量數(shù)據(jù)采用Excel 2010和OriginPro 8.5等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

1.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

目前重金屬污染評(píng)價(jià)方法主要包括地累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、沉積物富集系數(shù)法、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法等。其中，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法由瑞典科學(xué)家 Hakanson于1980年提出，是根據(jù)重金屬性質(zhì)及其在環(huán)境中的行為特點(diǎn)，主要針對(duì)沉積物和土壤中重金屬污染的一種評(píng)價(jià)方法（徐爭(zhēng)啟等，2008），也是目前評(píng)價(jià)顆粒物和沉積物中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的常用方法之一。此方法在土壤重金屬含量的基礎(chǔ)上結(jié)合了重金屬的環(huán)境效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)及毒理學(xué)，并運(yùn)用具有可比性的等價(jià)指數(shù)分級(jí)法，更加直觀地對(duì)研究物中的重金屬進(jìn)行全面的分析和評(píng)價(jià)。它不僅可以反映單一重金屬的潛在生態(tài)危害，還可以反映出多種重金屬在環(huán)境中的綜合生態(tài)危害水平（徐玉霞等，2013），其計(jì)算公式如下：

（3）

式中，為地表層顆粒物中重金屬i的濃度實(shí)測(cè)值為計(jì)算所需的參比值，選擇陜西省土壤環(huán)境背景值作為參比值。按照 Hakanson制定的重金屬毒性系數(shù)為評(píng)價(jià)依據(jù)，其中 Cr、Cu、Pb和 Cd的值分別取 2、5、5、30（徐爭(zhēng)啟等，2008）。重金屬污染生態(tài)危害系數(shù)和生態(tài)危害指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 臨潼區(qū)地表顆粒物重金屬分布特征

2.1.1 臨潼區(qū)地表顆粒物重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表2可知，4種重金屬均存在不同程度的超標(biāo)，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為Pb＞Cr＞Cu＞Cd。其中Cd超標(biāo)最嚴(yán)重，超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到中國(guó)土壤元素背景值的19.07倍，是西安市表層土壤背景值的 20.56倍。Pb、Cu、Cr平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是西安市表層土壤背景值的12.08、4.31、1.33 倍，是中國(guó)土壤背景值的9.94、4.08、1.37倍。

變異系數(shù)是表示樣品變異程度大小的重要尺度，它能反映樣品中重金屬是來自自然環(huán)境還是人為活動(dòng)的影響。當(dāng)變異系數(shù)CV＞0.10時(shí)為弱變異，0.10≤CV≤0.30為中等變異，CV＞0.30為強(qiáng)變異。變異系數(shù)越大，說明受人為活動(dòng)的干擾越大（陳莉等，2011）。由表2可知，4種重金屬平均變異程度表現(xiàn)為 Pb＞Cd＞Cr＞Cu，其中 Pb、Cd、Cr的變異系數(shù)均大于0.5，表明這3種重金屬均為強(qiáng)變異，Cu的變異系數(shù)為0.30，為中等變異。以上結(jié)果表明，臨潼區(qū)地表顆粒物中已經(jīng)出現(xiàn)重金屬富集現(xiàn)象，其中Cd的富集程度最嚴(yán)重。Pb、Cd、Cr由于受人類活動(dòng)影響其空間變異性較大，Cu的變異系數(shù)較小，說明Cu在研究區(qū)的空間分異性相對(duì)其他 3種重金屬不顯著。Daniela（2002）在對(duì)土壤重金屬的來源研究中發(fā)現(xiàn)城市地表土壤重金屬主要來源于“三廢”污染、交通污染、生活垃圾污染、農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)投入等方面。臨潼區(qū)作為國(guó)家5A級(jí)旅游景區(qū)，旅游業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)達(dá)，旅游觀光車輛多，人流量大，可能是導(dǎo)致顆粒物重金屬富集的主要原因（李海燕等，2014）。

表2 西安市臨潼區(qū)不同功能區(qū)地表顆粒物重金屬含量分布Table2 The concentration of heavy metals in road sediments in different land use areas of lintong district, Xi'an

2.1.2 不同功能區(qū)重金屬分布特征

由圖2可知，不同功能區(qū)4種重金屬的污染現(xiàn)狀表現(xiàn)為：Pb在工業(yè)區(qū)（551.3 mg?kg-1）和商業(yè)區(qū)（323.4 mg?kg-1）明顯高于其他三區(qū)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，說明臨潼區(qū) Pb污染受人為活動(dòng)影響較大；Cd在交通區(qū)（3.5 mg?kg-1）和工業(yè)區(qū)（2.37 mg?kg-1）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；除工業(yè)區(qū)（136.4 mg?kg-1）外，Cu在其他 4個(gè)功能區(qū)的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較小，分布相對(duì)均勻；Cr平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為交通區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞休閑區(qū)，交通區(qū)重金屬Cr（145.65 mg?kg-1）的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，這與范佳民等（2014）對(duì)淮南市地表灰塵重金屬的研究結(jié)果一致。以上結(jié)果表明，不同功能區(qū)的重金屬污染具有一定的差異性，工業(yè)區(qū)、交通區(qū)和商業(yè)區(qū)地表顆粒物重金屬污染最為嚴(yán)重。由于受工業(yè)生產(chǎn)排放的煙塵、飛灰、工業(yè)垃圾等的影響，工業(yè)區(qū)內(nèi)顆粒物吸附的重金屬含量較高。臨潼區(qū)商業(yè)區(qū)較集中，人流量大，商品種類繁多，高樓大廈密集，生活垃圾和廢棄物多，建筑設(shè)施風(fēng)化、脫落和腐蝕可能是吸附有重金屬的顆粒物的重要來源（李海燕等，2014）。

圖2 西安市臨潼區(qū)不同功能區(qū)地表顆粒物重金屬的含量柱狀圖Fig.2 Box plots of heavy metals concentrations in road sediments in different land use areas of Lintong district, Xi'an

2.2 臨潼區(qū)地表顆粒物重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 臨潼區(qū)地表顆粒物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

以陜西省土壤背景值作為參比，由式（1）、（2）、（3）可得西安市臨潼區(qū)地表顆粒物中單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)、單個(gè)重金屬的平均潛在生態(tài)危害指數(shù)以及4種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 西安市臨潼區(qū)地表顆粒物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Table3 The results of potential ecological risk assessment of Heavy Metals in road sediments of Lintong District, Xi'an

由表 3可知，臨潼區(qū)各功能區(qū)平均污染程度處于極強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)，4種重金屬平均潛在生態(tài)危害指數(shù)為 Cd＞Cu＞Pb＞Cr。Pb、Cu、Cr 3 種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)最小值均為輕微等級(jí)；Pb的潛在生態(tài)危害指數(shù)最大值是中等等級(jí)；Cu和 Cr的潛在生態(tài)危害指數(shù)最大值為輕微等級(jí)；Cd的潛在生態(tài)危害指數(shù)最高，其中最大值為1166.67，屬于極強(qiáng)等級(jí)，最小值為 283.33，屬于很強(qiáng)等級(jí)。以上結(jié)果表明，研究區(qū)Cd的富集程度較嚴(yán)重，由于Cd本身的生態(tài)危害系數(shù)較高，所以Cd為西安市臨潼區(qū)最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。李海燕等（2014）在對(duì)城市地表顆粒物中重金屬的研究中指出Cd主要來源剎車?yán)镆r和制動(dòng)片的磨損、尾氣排放、工業(yè)廢氣和垃圾焚燒，而且臨潼區(qū)Cd的平均潛在生態(tài)危害指數(shù)極差，為 883.34，表明不同功能區(qū) Cd含量分布離散不均勻，也進(jìn)一步說明了Cd富集與人類活動(dòng)密切相關(guān)。

由式（1）（2）（3）可得西安市臨潼區(qū)不同功能區(qū)內(nèi)單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)與綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI如表4所示。

表4 西安市臨潼區(qū)不同功能區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Table4 Levels of heavy metals in the probability of potential ecological risk in different land use areas of Lintong District, Xi'an

由表4可知，各功能區(qū)以Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)最大，除旅游休閑區(qū)處于很強(qiáng)生態(tài)危害水平外，其他功能區(qū)都處于極強(qiáng)生態(tài)危害水平，這與Cd的毒性系數(shù)相對(duì)較大且各功能區(qū)Cd的污染富集程度高相一致。對(duì)于其他 3種重金屬，除工業(yè)區(qū) Pb處于中等生態(tài)危害水平，其他功能區(qū)皆處于輕微生態(tài)危害水平。因此，Cd是西安市臨潼區(qū)地表顆粒物重金屬污染的主要因素，其對(duì)臨潼區(qū)地表顆粒物的潛在生態(tài)危害貢獻(xiàn)最大。由4種重金屬的復(fù)合生態(tài)危害指數(shù)可知，研究區(qū)處于強(qiáng)生態(tài)危害水平，工業(yè)區(qū)和交通區(qū)的潛在生態(tài)危害相對(duì)較高。

3 結(jié)論

（1）西安市臨潼區(qū)地表顆粒物重金屬平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于西安市土壤背景值和中國(guó)土壤背景值，其中Cd污染最嚴(yán)重。

（2）臨潼區(qū)各功能區(qū)地表顆粒物Cu、Pb污染特征表現(xiàn)為工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞交通區(qū)＞居民區(qū)＞休閑區(qū)；Cr、Cd表現(xiàn)為交通區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞休閑區(qū)。其中，交通區(qū)和工業(yè)區(qū)地表顆粒物重金屬污染最嚴(yán)重。

（3）4種重金屬的平均潛在生態(tài)危害系數(shù)表現(xiàn)為Cd＞Cu＞Pb＞Cr，其中Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害最大。不同功能區(qū)內(nèi)Cd的單一重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)最大，在各功能區(qū)中皆處于較強(qiáng)的生態(tài)危害水平，是臨潼區(qū)重金屬污染防治的重點(diǎn)。

（4）由各功能區(qū)重金屬生態(tài)危害指數(shù)可知，各功能區(qū)生態(tài)危害水平均處于強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)（Ⅲ級(jí)），交通區(qū)和工業(yè)區(qū)潛在生態(tài)危害水平最高。

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