引用本文
赵西强, 王增辉, 王存龙, 代杰瑞, 刘华峰, 季顺乐. 济南市近地表大气降尘元素地球化学特征及污染评价[J]. 物探与化探, 2016,40(1): 154-159.
ZHAO Xi-Qiang, WANG Zeng-Hui, WANG Cun-Long, DAI Jie-Rui, LIU Hua-Feng, JI Shun-Le. Geochemical characteristics and pollution assessment of near-surface atmospheric dust in Jinan[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(1): 154-159.
Doi:10.11720/wtyht.2016.1.27  
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济南市近地表大气降尘元素地球化学特征及污染评价
赵西强, 王增辉, 王存龙, 代杰瑞, 刘华峰, 季顺乐
山东省地质调查院,山东 济南 250013

作者简介: 赵西强(1980-),男,高级工程师,地球化学专业,现从事生态地球化学调查及评价工作。E-mail:xiqiangzh@163.com

收稿日期: 2015-03-18
基金: 国土资源地质大调查项目(1212010310306)
摘要

为查明济南市近地表大气降尘中元素的含量特征及污染来源,评价环境质量,在济南市城区范围内采集400件大气降尘样品。分析结果表明:大气降尘中As、F、Ni的平均含量分别为9.5×10-6、512×10-6、26.0×10-6,略低于济南市城市土壤背景值;而Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Zn、CaO含量均值分别为0.33×10-6、101×10-6、191×10-9、38.0×10-6、0.79×10-6、119.0×10-6、13.31%,明显高于城市土壤背景值。相关分析和主成分分析结果说明,大气降尘中Cd、Pb、Zn、Se可能来源于燃煤,Cr、Ni来源于土壤粉尘,CaO、As来源于建筑尘, F主要来源于汽车尾气排放,Hg则受燃煤、冶炼及交通等因素影响。大气降尘中重金属Cd、Pb、Zn、Cr、Ni、As、Hg地累积指数变化范围分别为-2.46~4.53、-1.81~2.75、-2.02~3.48、-2.38~3.48、-2.95~1.96、-3.45~2.58及-3.04~6.87,污染程度排序依次为Hg>Cd>Zn>Pb>Cr>As>Ni。

关键词: 近地表大气降尘; 地球化学特征; 主成分分析; 重金属; 污染评价
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)01-0154-06 doi: 10.11720/wtyht.2016.1.27
Geochemical characteristics and pollution assessment of near-surface atmospheric dust in Jinan
ZHAO Xi-Qiang, WANG Zeng-Hui, WANG Cun-Long, DAI Jie-Rui, LIU Hua-Feng, JI Shun-Le
Shandong Institute of Geological Survey, Jinan 250013, China
Abstract

In order to investigate the geochemical characteristics of elements and evaluate the pollution condition of heavy metals, the authors collected 400 samples of near-surface atmospheric dust in Jinan City. The analyical result shows that the concentrations of As, F, Ni elements from atmospheric dust with average values of 9.5×10-6, 512×10-6, 26.0×10-6 are lower than their background values of urban soil in Jinan respectively, while Cd, Cr, Hg, Pb, Se, Zn and CaO concentrations which are 0.33×10-6, 101×10-6, 191×10-9, 38.0×10-6, 0.79×10-6, 119.0×10-6 and 13.31% respectively are higher than their corresponding background values. Correlation analysis and principle component analysis(PCA) indicate that Cd, Pb, Zn and Se might be derived from coal combustion, Cr and Ni from soil, Cao and As from construction dust, and F from vehicle emissions; Hg is mainly controlled by anthropogenic sources comprising combustion, industrial steel and traffic activities. The values of geoaccumulation index of Cd, Pb, Zn, Cr, Ni, As, Hg in atmospheric dust vary in the range of -2.46~4.53, -1.81~2.75, -2.02~3.48, -2.38~3.48, -2.95~1.96, -3.45~2.58 and -3.04~6.87, respectively, and the pollution level of heavy metals is in order of Hg>Cd>Zn>Pb>Cr>As>Ni.

Keyword: near-surface atmospheric dust; geochemical characteristics; principal component analysis; heavy metals; pollution assessment

近地表大气降尘是在人为和自然作用下沉降于城市地面及地面附着物、建筑物的裸露面上(离地面1.5 m)的固体颗粒物, 是大气尘埃和地表尘土的混合物[1, 2]。随着城市化和工业化的快速发展, 燃煤、冶炼及汽车尾气等人为源成为大气降尘中有毒有害元素的主要来源。大气降尘中化学元素的特征是衡量大气环境质量的重要指标, 大气降尘也是地表土壤化学元素(如重金属)的重要来源[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]。因此, 研究大气降尘元素组成特征及空间分布, 厘清降尘的主要污染物来源, 对城市污染防控、环境治理及保障人类健康具有重要意义。

对大气降尘化学元素组成及源解析的研究, 国外开展的较早。MORSELLI等[12]评估博洛尼亚大气重金属干湿沉降对当地污染的影响负载, 探讨重金属元素的可能来源。AI-Rajhi等[13]研究发现沙特阿拉伯Riyadh 市室内降尘和室外街道降尘中重金属的含量主要来源于汽车尾气排放。Anju D K[14]在印度Delhi 街道降尘的研究中认为, Cu、Cr和Ni主要来源于工业污染源, Pb和Cd主要来源于不同污染源所排放的废气, 而Zn 来源于工业和交通污染的混合源。近年来, 国内也逐步开展对大气降尘研究。黄顺生等[15]对南京市大气降尘重金属的分布及来源进行研究, 发现燃煤与汽车尾气排放是南京市大气降尘重金属的主要来源。蔡奎等[16]研究了石家庄市大气降尘重金属的来源, 认为交通和工业废气排放贡献最大。代杰瑞等[17]通过对济宁市近地表大气降尘元素的地球化学特征研究, 认为元素Cd、Pb、Zn、Se来源于燃煤, 而As、F、Cr、Ni主要来源于土壤粉尘的沉降(自然源)。

济南市是山东省省会和政治文化中心, 环渤海地区南翼和黄河中下游地区的中心城市。它南依泰山, 北跨黄河, 地势从北到南分为临黄带、山前平原带和丘陵山区带, 属于暖温带大陆性季风气候, 年平均气温13.6℃, 年平均降雨量614 mm。近年来, 随着城市经济社会飞速发展, 机动车保有量急剧增加, 燃煤、工业粉尘及交通道路扬尘对城市大气空气质量影响严重。目前, 不少研究者对济南市土壤环境质量、大气干湿沉降及大气环境质量进行了研究评价[18, 19, 20, 21], 而对城区近地表大气降尘中元素地球化学特征及污染状况的研究鲜有报道。笔者在对济南市近地表大气降尘中元素地球化学特征研究的基础上, 利用相关分析、主成分分析对大气降尘的可能来源进行探讨, 并利用地累积指数对降尘中的重金属污染进行评价。

1 材料与方法
1.1 样品采集

按照区域生态地球化学评价技术要求[22], 大气降尘样品采用网格(1:5万地形图)布样法采集, 采样密度为1件/km2(图1)。采样主要选取中低位置的平顶房、居民楼窗户、线杆、树木、公交站牌等, 用毛刷扫集、干净塑料袋盛接降落的降尘, 采样时尽量避开直接污染源(如工业污染、民用燃煤、油漆等), 采用多点等量混合的方法, 采集质量大于100 g, 共采集样品400件。

图1 济南市近地表大气降尘样品采集点位分布

1.2 分析测试

降尘样品分析As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、Zn、F、Se、CaO等10 项指标。样品测试由国土资源部济南矿产资源监督检测中心完成, Ni、Zn、CaO等测定采用HF+HNO3+HClO4+王水消解, 等离子体发射光谱法分析; Pb、Cr等测定先把样品粉末在35 t压力下压制成片, 采用X射线荧光光谱法分析; As、Hg、Se 等测定采用1+1王水, 在沸水浴中进行消解后加入高锰酸钾和草酸进行氧化— 还原处理, 用原子荧光光谱法分析; Cd测定采用HF+HNO3+HClO4+王水消解, 加入基体改进剂, 用石墨炉原子吸收法分析; F测定是先把样品与NaOH在700 ℃下熔融, 用水提取, 加入离子强度调节剂, 直接用氟离子选择性电极在离子活度计上进行测定。分析质量通过加入标准样、密码样、监控样等进行监控, 分析结果显示10项指标分析精密度(Dr, s)在2.25%~9.66%之间, 准确度(Er)< 5%, 重复样分析合格率> 85%, 结果满足生态地球化学评价样品分析技术要求。

2 结果与讨论
2.1 大气降尘中元素含量特征

济南市近地表大气降尘中元素含量统计见表1。由表可见, 降尘中As、F、Ni平均含量分别为9.5× 10-6、512× 10-6、26.0× 10-6, 略低于济南市城市土壤背景值; 而Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Zn、CaO含量明显高于城市土壤背景值, 其平均值分别为0.33× 10-6、101× 10-6、191× 10-9、38.0× 10-6、0.79× 10-6、119.0× 10-6、13.31%。从富集系数来看, Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Zn、CaO表现出不同程度的富集, 其中Hg富集程度最高, 其平均含量为济南市城市土壤背景值(22× 10-9)的8.68倍, 富集程度最低的Cr, 其平均含量也达到了济南市城市土壤背景值(21× 10-6)的1.38倍, 元素富集程度顺序为Hg(8.68)> Se(7.9)> Cd(3)> CaO(2.87)> Zn(1.83)> Pb(1.81)> Cr(1.38), 说明大气降尘中这7种元素受到了不同程度的人为污染。

表1 济南市近地表大气降尘中元素统计参数
2.2 大气降尘中元素主成分分析

为分析大气降尘中元素之间的相互关系, 进一步确定其来源与控制因素, 通过SPSS软件对数据进行主成分分析, 得到初始因子负载矩阵。为更好地对元素组合因子进行分类, 对于污染地区应用经过旋转的负载矩阵来解释[24], 济南属严重污染城市, 因此需要求出其最终因子负载矩阵。将初始因子负载矩阵施行方差极大旋转, 得到旋转后的因子矩阵(表2)。由表2可见, 5个因子的累积贡献率达到72.11%, 因此选定了5个元素组合因子类型。

表2 济南市近地表大气降尘主成分分析结果

F1因子为Cd、Pb、Zn、Se, 在0.01水平上这4个元素显著相关。Se是燃煤指示元素[17, 25, 26], Zn、Pb也是燃煤释放元素[24, 27], 而Cd则与Zn、Pb、Se均呈显著正相关(表3), 表明这4个元素具有相同来源。因此, F1因子可以代表燃煤源, 贡献率为21.42%。

表3 近地表大气降尘中元素含量相关系数

F2因子为Cr、Ni, 贡献率为15.96%。大气降尘中Cr、Ni含量相对于城市土壤背景无明显富集, 推断其来自本地或邻近地区的土壤粉尘, 代表自然源。

F3因子为CaO、As, 推断主要来源于建筑尘。研究表明[28, 29, 30], CaO是建筑建材的标识性元素, 另外, CaO也是燃煤、土壤排放的元素之一。从元素相关性看, CaO与燃煤排放元素Cd、Pb、Zn相关性不明显, 与Se有一定相关性, 相关系数较小(0.209), 而As与Cd、Pb、Zn、Se均无明显相关性。因此燃煤不是CaO、As的主要来源, F3因子可能代表建筑尘, 贡献率为13.81%。

F4因子为F。F与燃煤元素(Cd、Pb、Zn、Se)、自然源元素(Cr、Ni)相关性均不显著, 说明燃煤、土壤粉尘并不是F的主要来源。庞绪贵等[20]研究认为济南大气干湿沉降中F来源于汽车尾气排放。综上推断, 近地表大气降尘中F亦来源于汽车尾气排放, 贡献率为11.08%。

F5因子为Hg, 该因子对大气降尘的贡献率为9.84%。Hg的富集系数高达8.68, 表明其受人为污染强烈。燃煤为Hg排放的主要来源, 冶炼、交通等也排放一定浓度的Hg[8, 9, 26]。从元素相关性看, Hg与燃煤元素Cd、Pb、Zn、Se在0.01水平显著相关, 但未同时出现在F1因子中, 说明Hg除受燃煤控制外, 还与冶炼、交通及人口密集区高等人为因素有关。鉴于以上原因, 认为F5因子为各因素综合作用的结果, 属综合污染因子。

2.3 大气降尘元素的空间分布

为进一步直观研究济南市大气降尘中元素的含量变化及空间分布, 利用MapGIS软件编制因子得分图(图2), 发现济南市不同区域降尘中重金属元素的含量差别较大。由图可见, F1因子(Cd、Pb、Zn、Se)高分值区与市区内企业分布极其吻合, 充分体现了与污染源空间分布的一致性, 尤其在热电厂、化工厂、机械厂及人口密集区等周围, 因子得分值远高于济南城区其他区域, 这显然与企业长期燃煤有关。F2因子(Cr、Ni)得分的空间分布总体差别不大, 但在城区北部化工厂、机械厂附近得分值较高, 这可能与城市土壤在该区域存在污染有关。F3因子(CaO、As)在城区北部、东部的得分高于其他区域, 这可能与济南市在该区域进行的大规模城市建设有关。

图2 大气降尘F1因子得分空间分布

降尘中F的高值区主要分布在汽车总站至天桥收费站沿线, 这与该地区较大的车流量及尾气排放有关。降尘中Hg高含量主要分布在城区二环内人口密集区, 另外, 在热电厂、钢厂及炼化厂等企业周围区域含量也较高。

2.4 大气降尘中重金属元素的污染评价

目前, 大气降尘中重金属的污染评价还缺乏相应的环境标准, 评价方法主要借鉴土壤或沉积物中重金属污染的评价方法, 如单因子污染评价、综合污染指数评价及地累积指数评价等。

地累积指数是评价沉积物中重金属污染程度的重要参数, 其不仅考虑了人为活动的影响, 还考虑了自然地质背景因素的影响, 被广泛应用于土壤重金属污染评价、街道灰尘及大气降尘重金属污染研究[31, 32]中。地累积指数Igeo的计算公式为

Igeo=log2Ci1.5Bi,

式中:Ci表示重金属的实测值, Bi为该元素的土壤背景值。重金属地累积指数污染程度分级见表4。

表4 重金属地累积指数污染程度分级

济南市近地表大气降尘中不同重金属地累积指数变化较大(表5)。Cd重金属地累积指数变化区间为-2.46~4.53, 平均值0.61, 其污染分级表明未污染样品所占比例为28.25%, 而轻度污染至严重— 极度污染所占样品比例分别为42.5%、20.25%、6.75%、1.5%及0.75%(图3), 说明大气降尘中Cd污染以轻度和中度污染为主。Pb地累积指数变化范围-1.81~2.75, 平均值0.05, 未污染样品所占比例为51.75%, 轻度污染、中度污染和中度— 严重污染所占样品的比例分别为 28.00%、8.75%及1.5%, 无严重以上程度的污染。Zn地累积指数变化范围为-2.02~3.48, 均值为 0.04, 无污染样品所占比例为53.5%, 轻度污染至严重污染样品所占比例分别为34.5%、10.5%、1.25%及0.25%, 以轻度污染和中度污染为主。Cr地累积指数变化范围为-2.38~3.48, 平均值-0.41, 无污染样品所占比例达78.0%, 轻度污染至严重污染样品所占比例分别为15.5%、5.25%、0.75%和 0.5%。Ni地累积指数变化范围-2.95~1.96, 平均值为-1.06, 未污染样品比例达到96.0%, 轻度污染和中度污染所占比例分别为3.0%、1.0%, 说明大气降尘中Ni污染不明显。As地累积指数变化区间为-3.45~2.58, 平均值为-0.74, 无污染样品所占比例为91.0%, 轻度污染、中度污染和中度— 严重污染样品所占比例分别为8.25%、0.25%及 0.5%。Hg地累积指数变化范围为-3.04~6.87, 平均值1.65, 无污染样品所占比例仅为13.0%, 轻度污染至极度污染样品所占比例分别为22.0%、26.5%、20.0%、11.75%、4.5%及2.25%, 说明大气降尘中Hg污染程度较重。

表5 济南市近地表大气降尘重金属地累积指数污染评价

图3 济南市大气降尘中重金属元素的污染特征

综上所述, 大气降尘中重金属污染程度排序为Hg> Cd> Zn> Pb> Cr> As> Ni。

3 结论

1) 近地表大气降尘中Cd、Pb、Se、Zn、Hg、CaO含量水平明显高于城市土壤背景值, 这显然与人为活动影响有关。

2) 近地表大气降尘中Cd、Pb、Zn、Se主要来源于燃煤, Cr、Ni主要来源于土壤粉尘, Cao、As来源于建筑尘, F来源于汽车尾气排放, Hg主要与燃煤、冶炼、交通及人口密集区高等人为因素有关。燃煤、汽车尾气排放及城市建设等人为源是济南市近地表大气降尘的主要污染来源。

3) 近地表大气降尘重金属地累积指数污染评价表明, Cr、Ni、As为轻度污染, Hg、Cd、Zn、Pb污染显著, 其中Hg、Cd受污染样品比例超过70%, Zn、Pb受污染样品比例接近50%。近地表大气降尘中重金属污染程度排序为Hg> Cd> Zn> Pb> Cr> As> Ni。

The authors have declared that no competing interests exist.

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