本溪市城市街道灰塵中重金屬污染特征及評價

王霄雯，李法云

（1.遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順113001；2.遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院，遼寧撫順113001）

城市街道聚集了大量灰塵顆粒物，城市街道灰塵作為污染源的同時也是有害重金屬的載體[1-3]。在自然背景及人為活動的影響下，街道灰塵中的重金屬形成城市生態(tài)環(huán)境的點源和面源污染[4-7]，一方面，在一定外動力作用下，城市街道灰塵重金屬極易在0～5 m高度范圍內(nèi)反復(fù)地揚起、沉降，通過呼吸及皮膚接觸被人體消化、吸收、累積[8]，另一方面，城市街道灰塵中的重金屬在降水的沖刷作用下進入城市水體系統(tǒng)。由于城市街道重金屬具有持續(xù)時間長、難降解、較大的毒性以及易在動植物體內(nèi)發(fā)生累積等特點，對生態(tài)環(huán)境和人類健康都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[9]。國內(nèi)外已有大量關(guān)于不同城市街道灰塵的研究，主要涉及城市區(qū)域街道灰塵的粒徑分布，城市街道灰塵中重金屬含量、分布特征、賦存形態(tài)、暴露量和暴露途徑，以及城市街道灰塵中重金屬健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險評價等各個方面[10-16]。盡管原子吸收法和電感耦合原子發(fā)射光譜法被認為是目前研究街道灰塵重金屬的主要有效方法，然而傳統(tǒng)的化學(xué)研究方法一般對樣品的破壞較大，并且分析過程耗時較長，成本較高。與傳統(tǒng)方法相比，便攜式X射線熒光光譜分析法具有更簡單、經(jīng)濟、快速、樣品用量小以及對樣品無破壞等諸多優(yōu)勢，但至今關(guān)于應(yīng)用X射線熒光光譜分析法進行街道灰塵中重金屬污染的研究卻鮮見報道。

本溪市作為中國北方老工業(yè)基地的典型重工業(yè)城市，自20世紀(jì)80年代開始，該市被稱為“衛(wèi)星上看不見的城市”[17]，其在工業(yè)生產(chǎn)、交通活動、城市建設(shè)、社會生活等方面與國內(nèi)城市存在差異，導(dǎo)致城市環(huán)境的重金屬污染特征有所不同。此外，已有研究表明，本溪城區(qū)太子河的河道沉積物已受到不同種重金屬的污染[18]。鑒于此，本文以本溪市不同類型功能區(qū)的街道灰塵為研究對象，嘗試采用便攜式X射線熒光光譜法分析街道灰塵中6種重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V 的含量水平和分布特征，并利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對其污染狀況進行評價，以期探討不同類型功能區(qū)活動對重金屬分布的影響，為進一步判定本溪城市不同功能區(qū)環(huán)境污染來源，為環(huán)境重金屬污染防治、環(huán)境質(zhì)量評價和城市規(guī)劃提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本溪市位于遼寧省東南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°34′～125°46′，北緯 40°49′～41°35′。本溪市管轄兩縣四區(qū)，即本溪滿族自治縣、桓仁滿族自治縣和平山區(qū)、明山區(qū)、溪湖區(qū)、南芬區(qū)。本溪屬于重工業(yè)城市，主要工業(yè)包括：黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)、黑色金屬礦采選業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)。同時，本溪市也是沈丹鐵路和丹阜高速公路的重要交通樞紐。根據(jù)本溪市政府網(wǎng)記載，截至2014年末，本溪市常住人口170.5萬人，機動車保有量10.67萬輛，建筑及城市發(fā)展迅速。境內(nèi)重巒疊嶂、連綿起伏、山多地少，具有“八山一水一分田”之說，這種地形不利于灰塵的擴散，但是有利于灰塵在該地區(qū)的累積，由于在版圖上呈啞鈴狀，受地形分布特點的限制，本溪市發(fā)展空間有限，致使城市人口及日?；顒用芗h(huán)境污染嚴(yán)重。

1.2 樣品采集與處理

2017年10月，選擇多日連續(xù)晴朗無風(fēng)的天氣，用車載吸塵器對本溪市（文教區(qū)為1-5號采樣點，商業(yè)區(qū)為6-8號采樣點，居民區(qū)為9-13號采樣點，工業(yè)區(qū)為14-17號采樣點，交通區(qū)為18-21號采樣點，混合區(qū)為22-25號采樣點）共25個采樣點的街道灰塵樣品進行采集，每個采樣點依據(jù)實際情況，選取均勻布點與功能區(qū)相結(jié)合的方法[19]。每個采樣點均由附近多個小樣品點混合而成約500 g，收集于干凈的聚四氟乙烯自封袋中，同時記錄編號、采樣時間、采樣地點、周圍環(huán)境情況等。樣品采集完帶回實驗室后，在室溫下自然風(fēng)干，先通過20目的尼龍篩，除去樹葉、煙頭、石子、毛發(fā)等雜質(zhì)，自封袋保留一部分作為初始樣品，另一部分繼續(xù)過100目的尼龍篩，篩下樣品用自封袋保存。本溪市街道灰塵采樣點分布見圖1。

圖1 本溪市街道灰塵采樣點

1.3 分析方法及質(zhì)量控制

應(yīng)用配有Au靶微型X射線激發(fā)源Niton XL3t GOLDD+型便攜式X射線熒光光譜儀（PXRF）將采集并處理好的樣品放入樣品杯中，夯實、壓平后置于儀器檢測臺上進行測試。儀器提前預(yù)熱20 min，測定時將PXRF探頭垂直對準(zhǔn)并接觸樣品表面，測定時間90 s，重復(fù)測定5次。各重金屬元素的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均小于10%。在分析過程中，利用土壤標(biāo)樣GSS1來進行質(zhì)量控制，相對誤差均在±10%之間。

1.4 評價方法

目前，對于街道灰塵重金屬污染環(huán)境風(fēng)險評價國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法，鑒于潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法考慮了重金屬元素毒性，遷移轉(zhuǎn)化特征和評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?，以及重金屬區(qū)域背景值差異，消除了區(qū)域差異和異源污染的影響，本文采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對本溪市街道灰塵重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V進行污染和生態(tài)風(fēng)險評價。

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是瑞典學(xué)者L.Hakanson[20]應(yīng)用沉積學(xué)原理建立的一套評價重金屬污染以及生態(tài)風(fēng)險性的方法，其計算公式為：

（1）重金屬元素污染系數(shù)：

表1 重金屬元素土壤背景值和毒性響應(yīng)系數(shù)

（2）重金屬污染指數(shù)：

（3）重金屬元素i的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)：

街道灰塵中多種重金屬元素的總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)ERI等于所有重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)的總和，計算公式為：

重金屬污染評價指標(biāo)及污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險程度的關(guān)系見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬元素含量及空間分布特征

表3為本溪市同其他城市街塵中重金屬元素質(zhì)量分數(shù)的比較結(jié)果。從表3可以看出，本溪市街道灰塵中重金屬 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均質(zhì)量分數(shù) 分 別 為 71.0、77.9、76.5、437.8、123.4、630.2 mg/kg，分別是本溪市土壤環(huán)境背景值的3.4、3.1、0.9、5.5、2.0、1.0倍。

表2 重金屬污染評價指標(biāo)及污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險程度的關(guān)系

表3 本溪市同其他城市街塵中重金屬元素質(zhì)量分數(shù)的比較結(jié)果mg/kg

從表3還可以看出，本溪市街道灰塵中Cu、Pb的質(zhì)量分數(shù)高于北京市、淮南市，低于上海市、南京市、宣威市、蕪湖市、沈陽市、葫蘆島市、寶雞市、臨沂市；V的質(zhì)量分數(shù)高于南京市、淮南市，低于宣威市；Zn、Cr的質(zhì)量分數(shù)高于北京市、淮南市、蕪湖市（Zn的質(zhì)量分數(shù)高于沈陽市、臨沂市），低于上海市、南京市、宣威市、葫蘆島市、寶雞市；Mn的質(zhì)量分數(shù)高于北京市，低于蕪湖市、寶雞市、臨沂市。由此可見，本溪市街道灰塵中重金屬元素的質(zhì)量分數(shù)處于國內(nèi)中等水平。

圖2為本溪市街道灰塵中重金屬元素在不同功能區(qū)的質(zhì)量分數(shù)。從圖2可以看出，文教區(qū)街道灰塵中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均質(zhì)量分數(shù)分別為 102.0、71.1、95.5、354.2、144.8、674.4 mg/kg，分別是土壤背景值的 4.8、2.8、1.0、4.4、2.3、1.0倍；商業(yè)區(qū)街道灰塵中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均質(zhì) 量 分 數(shù) 分 別 為 57.6、76.9、85.3、375.2、77.2、550.5 mg/kg，分別是土壤背景值的 2.7、3.1、0.9、4.7、1.2、0.8倍；居民區(qū)街道灰塵中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn 的平均質(zhì)量分數(shù)分別為 84.7、99.2、63.3、372.8、142.8、599.8 mg/kg，分別是土壤背景值的4.0、4.0、0.7、4.6、2.3、0.9倍；工業(yè)區(qū)街道灰塵中Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均質(zhì)量分數(shù)分別為70.8、99.5、77.8、1 040.3、154.3、740.3 mg/kg，分別是土壤背景值的 3.3、4.0、0.8、13.0、2.5、1.1倍；混合區(qū)街道灰塵中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均質(zhì)量分數(shù)分別為 45.0、41.2、69.7、216.1、115.9、559.1 mg/kg，分別 是 土 壤 背景值 的 2.1、1.6、0.7、2.7、1.8、0.8倍；交通區(qū)街道灰塵中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均質(zhì)量分數(shù)分別是 51.5、75.5、67.8、289.6、83.3、633.5 mg/kg，分別是土壤背景值的 2.4、3.0、0.7、3.6、1.3、1.0倍。

圖2 本溪市街道灰塵重金屬元素不同功能區(qū)中的含量

在各功能區(qū)中V、Mn質(zhì)量分數(shù)低于本溪土壤背景值外，其他均高于本溪土壤背景值。圖2表明，Pb、Zn、Cr、Mn質(zhì)量分數(shù)在工業(yè)區(qū)最高，Cu、V質(zhì)量分數(shù)在文教區(qū)最高，Cu、Pb、Zn質(zhì)量分數(shù)在混合區(qū)最低，Cr、Mn質(zhì)量分數(shù)在商業(yè)區(qū)最低，V質(zhì)量分數(shù)在居民區(qū)最低。這個研究結(jié)果與王利軍等[30]、郭金停[31]的街道灰塵中重金屬主要累積在工業(yè)區(qū)的研究結(jié)果基本一致，但與除工業(yè)區(qū)外易于在商業(yè)區(qū)、交通區(qū)等累積的結(jié)果存在差異?？赡茉蚴潜鞠I(yè)企業(yè)主要是鋼鐵制造、有色金屬加工等，而文教區(qū)又臨近本溪市多家藥廠，導(dǎo)致易在工業(yè)區(qū)及文教區(qū)發(fā)生累積。

2.2 基于潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法的評價

以本溪土壤環(huán)境背景值為評價參比，基于潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法的本溪市街道重金屬污染評價結(jié)果見表4。由表4可知，街道灰塵中重金屬元素在文教區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)污染指數(shù)Cd分別是16.7、16.7、25.0，屬于重污染程度，在商業(yè)區(qū)、混合區(qū)、交通區(qū)污染指數(shù)Cd分別是 13.6、10.1、12.3，屬于中等污染程度。

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）本溪市街道灰塵中重金屬 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn 的平均質(zhì)量分數(shù)分別為 71.0、77.9、76.5、437.8、123.4、630.2 mg/kg，分別是本溪市土壤環(huán)境背景值的 3.4、3.1、0.9、5.5、2.0、1.0倍。本溪市街道灰塵中除重金屬V、Mn質(zhì)量分數(shù)接近本溪土壤環(huán)境背景值外，其余4種重金屬元素均得到了不同程度的累積。其中，重金屬Cu質(zhì)量分數(shù)在文教區(qū)最高，重金屬Zn、Pb、Cr質(zhì)量分數(shù)在工業(yè)區(qū)最高。

（2）文教區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)達到重污染水平，商業(yè)區(qū)、混合區(qū)、交通區(qū)達到中等污染水平；Cu、Pb、Zn、V、Cr、Mn在 6個功能區(qū)中均屬于低潛在生態(tài)危害。由此可見，街道灰塵重金屬污染對本溪市生態(tài)環(huán)境和居民身體健康具有一定程度的影響。