银川市大气降尘重金属污染状况评价

引用本文

刘志坚, 张琇. 银川市大气降尘重金属污染状况评价[J]. 物探与化探, 2017,41(2): 316-321.
LIU Zhi-Jian, ZHANG Xiu. Contamination status assessment of heavy metals from atmospheric dust falls in Yinchuan[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(2): 316-321. 复制到剪切板

Doi:10.11720/wtyht.2017.2.19
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银川市大气降尘重金属污染状况评价

刘志坚¹, 张琇²

1.宁夏国土资源调查监测院 ,宁夏银川 750002

2.北方民族大学生物科学与工程学院,宁夏银川 750021

作者简介: 刘志坚(1987-),男,硕士,工程师,主要从事环境地质、地球化学调查研究工作。Email:290167590@qq.com

收稿日期: 2016-04-19

基金: 宁夏自然科技基金项目(NZ14230)

摘要

分析了银川市教育区、居民区、工业区、混合区及商业区降尘中Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Mn及Cd的含量。运用地质积累指数法与潜在生态危害指数分别评价了重金属元素的污染程度及其生态危害程度。结果表明,城区内Pb明显高于土壤背景;Cr、Ni及Cd在混合区内的含量显著高于背景值;Mn在各功能区的含量与土壤背景相当。地质积累指数评价结果显示,Cu、Zn在整个采样周期内均达到中度污染。Pb、Cd在第三、四采样阶段为中度污染,Ni、Cr在第三采样阶段为轻度污染,Mn在整个采样周期内无实际污染。Cu、Pb、Cr、Zn、Ni及Mn的潜在生态危害指数均为轻微生态危害,而Cd在第三、四采集阶段内的潜在生态危害指数达到强生态危害;混合区的重金属综合潜在生态危害指数达到中等生态危害等级,其他功能区为轻微生态危害。

关键词: 近地表大气降尘; 重金属; 背景值; 地质积累指数; 潜在生态危害

中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)02-0316-06

Contamination status assessment of heavy metals from atmospheric dust falls in Yinchuan

LIU Zhi-Jian¹, ZHANG Xiu²

1.Ningxia Institute of Survey and Monitoring of Land and Resources, Yinchuan 750002, China

2.College of Life Science, North Universities of Nationalities, Yinchuan 750021, China

Abstract

The authors analyzed the content of Cu,Pb,Zn,Cr,Ni,Mn and Cd in near-surface atmospheric dust-falls in education area,residential area,industrial area,mixing zone and commercial zone in Yinchuan. By using the index of geoaccumulation and potential ecological risk index,the authors evaluated the pollution degree of heavy metals and the ecological hazards caused by them. The results showed that the content of Pb in the mixing zone, industrial area and commercial zone was obviously higher than the soil background. The content of Cr, Ni and Cd in the mixing zone was significantly higher than the background value; Mn content in soil background was the same in various functional areas. Index of Geoaccumulation shows that the pollution degree of heavy metals from high to low was Cu>Zn>Pb>Cd>Cr>Ni>Mn, with the highest being Cu and Zn, whose values reached moderate pollution in the whole sampling period. Pb and Cd reached moderate pollution in the third and fourth sampling periods, Ni and Cr reached moderate pollution in the third sampling period, and Mn didn't cause actual pollution in the whole sampling periods. Heavy metals in samples of dust-falls caused different levels of potential ecological hazards. The potential ecological risk index of Cu, Pb, Cr,Zn,Ni and Mn was slight, but that of Cd in the third and the fourth sampling periods reached strong ecological hazards. In all functional areas, only the mixing zone's potential ecological risk index of heavy metals reached moderate ecological hazard, and all other functional areas belonged to slight ecological hazard classes in each sampling period.

Keyword: near-surface atmospheric dust-falls; heavy metals; background values; index of geoaccumulation(Igeo); potential ecological risk index

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0 引言

大气降尘指存在于空气中的细小颗粒物, 在重力的作用下降落并且沉积于地表的物质, 是大气气溶胶的组成部分, 为无机非金属颗粒、金属颗粒和有机颗粒的不均匀混合体, 其粒径一般大于10 μ m, 其来源分为天然源和人为源^{[1, 2, 3]}。降尘本身即属于一种污染物质, 同时还可以将重金属元素束缚于颗粒表面, 成为重金属元素的迁移载体, 增强了元素的潜在生物有效性^[4], 通过风力携带以及地表径流进入环境中并且不断的积累在土壤— 植物系统中, 经过食物链富集后危害到人体健康^{[5, 6]}。

现阶段, 对大气降尘中重金属的分布特征、存在形式以及潜在的生态风险做了一定程度的研究。施泽明在对成都市大气降尘的研究中, 通过标准极限方法确定了近降尘中元素的“ 极限浓度” , 以低于“ 极限浓度” 值统计确定了As、Hg、Cd及Pb等的地球化学基线值^[7]; 崔邢涛采用相关分析和主成分分析的方法, 对降尘重金属元素来源进行解析^[8]; 李萍应用地积累指数法对兰州市大气将中Cu、Ni、Zn、Pb及Cr的平均生态危害进行了评价^[9]。在重金属来源研究方面, 一些学者立足于城市不同功能区的特点, 研究发现交通运输产生的尾气以及刹车片、轮胎等车辆金属部件的磨损会释放Cu、Pb、Zn, 而且路远发利用Pb同位素示踪发现城市土壤中的Pb主要是由汽车尾气排放所贡献; Cr、Ni主要来源于电镀、建筑涂料等; Cd的来源一般呈现出多样性, 包括冶炼废水、废渣, 电镀、电池、颜料、涂料等, 都会带来Cd的污染^{[13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]}。

目前, 银川市在区域上已经开展了土壤地球化学调查, 但是此前对于城市中大气降尘的研究还未有涉及。在探讨银川市大气降尘中重金属来源的过程中, 可以参考国内外的一些研究成果。本次研究工作首先计算银川市土壤地球化学背景值, 之后分别在春夏秋冬四个季节对银川市不同功能区进行人体平均呼吸高度(1.5 m左右)范围的降尘样品采集, 分析降尘中Cu、Pb、Zn、Cr、Ni及Mn的含量, 研究重金属含量的时空分布规律, 并对以上重金属元素的污染进行地积累指数评价, 对大气降尘重金属的健康风险进行评估, 最后讨论银川市近地表大气降尘中重金属来源、污染特征以及生态危害特点。

1 采样与样品前处理

采样点布设于银川市具有代表性的功能区, 主要为商业区、工业区、教育区、居民区以及混合区(商业、工业、住宅区混合), 每个功能区设置4个采样点。根据银川气候特点, 采样时间划分为4个阶段, 即2014年5、6、7月为第1采样阶段, 2014年8、9、10月为第2采样阶段, 2014年11、12、2015年1月为第3采样阶段, 2015年2、3、4月为第4采样阶段。共采集样品80件。

降尘样品在采集过程中, 以人体平均呼吸高度(大约1.5 m)为采样范围, 待积累一定时间后用毛刷扫集居民窗户、公用设备上的降尘, 利用洁净的白纸转移至塑封样品袋中, 之后进行编号封口。在采样过程中, 尽量避开直接污染源。每个样品由4个子样混合而成, 样品采集质量约100 g。在室内将采集的样品用200目尼龙筛进行筛取, 用四分法取出约 20 g装入塑料袋送样。样品前处理时, 将样品放入聚氯乙烯坩埚中, 加入氢氟酸、高氯酸消解。如果溶解不完全, 二次加入氢氟酸、高氯酸, 蒸干冒烟, 加盐酸、硝酸, 蒸至湿盐状, 之后用硝酸溶解, 定溶酸度控制在2%。测试采用电感耦合等离子发射光谱仪ICP-7000。

2 重金属含量分布特征

2.1 土壤背景及大气降尘中重金属元素含量特征

对2013年取得的300件银川盆地土壤地球化学样品原始测试数据进行特异值迭代剔除, 即剔除平均值加(减)两倍标准偏差之外的数据, 统计背景值、标准偏差以及变异系数, 统计结果见表1及图1。为了与土壤背景作对比, 不采用银川市强风季节采集的样品数据, 而选取8、9、10月即第2采样阶段的大气降尘样品数据做处理, 结果见表2。大气降尘中除了Ni及Cd两个元素的含量与土壤背景相当, 其他元素均显著高于土壤背景。相比于土壤样品, 大气降尘样品中重金属含量的标准偏差及变异系数明显较高, 表现出更强的分异性。

表1 银川盆地土壤样品重金属元素地球化学特征

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	图1 降尘重金属元素含量(左)、变异系数(右)与土壤背景值对比

表2 银川市区第2采样阶段大气降尘样品重金属元素地球化学特征

由表3可以看出, 各重金属元素在银川市不同功能区内的空间分布特征表现各异。Cu与Zn在各功能区的分布含量均明显高于银川市的土壤背景值; Pb在居民区与教育区内的含量与土壤背景值相当, 但在混合区、工业区与商业区内明显高于土壤背景; Cr、Ni及Cd总体上与土壤背景值相当甚至低于背景值, 但是在混合区内的含量高于背景值2.5~3倍, 说明这几个元素在混合区内明显富集; 总体上Mn与土壤背景相当。

表3 银川市各功能区大气降尘样品重金属元素平均含量10^-6

2.2 地质积累指数分析

地质累积指数(I_geo)不仅考虑了自然地质过程对地质背景值的影响, 而且也考虑了人为活动对重金属污染的贡献, 因此, 该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征, 而且可以判别人为活动对环境的影响, 可以作为区分人为活动影响的重要参数^[10]。地质积累指数的计算公式为

$\begin{matrix} I_{geo} = lo g_{2} [c_{i} / (k \times B_{i})], \end{matrix}$

式中:c_i表示实测重金属i的含量; B_i表示元素i的土壤背景值。重金属地质积累指数污染程度分级见表4。

表4 重金属地质积累指数污染程度分级表

分别计算大气降尘重金属元素地质积累指数, 所反映的污染特征见图2。4个采样阶段近地表大气降尘重金属平均含量地质积累指数及污染程度分级见表5、表6。

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	图2 银川市整个周期近地表大气降尘样品重金属污染特征

表5 银川市4个采样阶段内大气降尘重金属地质积累指数

表6 银川市4个采样阶段内大气降尘重金属污染程度分级

由图2可知, 在整个采样周期中, 各重金属元素污染程度从高到低依次为Cu> Zn> Pb> Cd> Cr> Ni> Mn。根据4个采样阶段的计算结果, 重金属表现出一定的变化特点, 而这种特点有明显的季节变化规律。Cu、Zn在4个采样阶段地质积累指数均达到1以上, 为中度污染; Ni、Cr在第3采样阶段地质积累指数大于0, 为轻度污染, 其他阶段均为无实际污染; Pb、Cd在第3、4采样阶段达到1以上, 为中度污染, 其他季度均为轻度污染; Mn在4个季度均为无实际污染。

3 生态风险评价

潜在生态风险指数法是瑞典学者 Hakanson^[11]于 1980 年从沉积学角度提出来的对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法, 评价方法以重金属性质及环境行为特点为依据, 反映某一特定环境中每种重金属污染物的影响和多种污染物的综合影响。本次研究就依照潜在生态风险指数法对本次大气降尘中分析的重金属元素进行风险评价。潜在生态危害指数计算方法如下:

单个金属污染系数( $\begin{matrix} C_{f}^{i} \end{matrix}$ ):

$\begin{matrix} C_{f}^{i} = C^{i} / C_{n}^{i}; \end{matrix}$

单个金属的潜在生态危害指数( $\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ ):

$\begin{matrix} E_{r}^{i} = T r^{i} \times C_{f}^{i}; \end{matrix}$

多种重金属综合潜在生态危害指数(RI):

$RI = \sum_{i}^{=} E_{i}$

式中, Cⁱ为表层沉积物重金属含量实测值; $\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}$ 为计算所需的参比值, 本研究中选择银川盆地土壤地球化学背景值做为参比值; Trⁱ为毒性系数, Hakanson在1980年提出的重金属毒性系数Trⁱ, 徐争启教授于2008年在Hakanson提出的金属毒性系数计算方法的基础之上, 增加计算了部分元素的毒性系数^[12], 笔者所涉及元素的Trⁱ计算结果见表7。 $\begin{matrix} C_{f}^{i} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ 及RI划分的不同生态危害水平见表8。

表7 重金属毒性系数Trⁱ

表8

\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}

、

\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}

、RI与污染程度关系

$\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}$ 与污染程度		$\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}$ 与污染程度		RI与污染程度
$\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}$ < 1	清洁Ⅰ	$\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ < 40	轻微生态危害	RI< 150	轻微生态危害
1≤ $\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}$ < 3	低污染Ⅱ	40≤ $\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ < 80	中等生态危害	150≤ RI< 300	中等生态危害
3≤ $\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}$ < 6	中污染Ⅲ	80≤ $\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ < 160	强生态危害	300≤ RI< 600	强生态危害
6≤ $\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}$ < 9	高污染Ⅳ	160≤ $\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ < 320	很强生态危害	RI> 600	很强生态危害
$\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}$ > 9	高污染Ⅴ	$\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ ≥ 320	极强生态危害

表8

\begin{matrix} C_{n}^{i} \end{matrix}

、

\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}

、RI与污染程度关系

银川市近地表大气降尘样品重金属污染系数及潜在生态危害指数计算结果见表9。结果显示, Cu在4个采样阶段的污染程度均达到中污染; Pb在第3、第4采样阶段的污染程度达到中污染, 而其他阶段为低污染; Cr在第3、第4采样阶段的污染程度为低污染, 其他阶段为清洁; Zn在第2至第4采样阶段的污染程度为中污染, 第1阶段为低污染; Ni在第3阶段为低污染, 其他阶段为清洁; Mn在4个阶段均为低污染; Cd在第3、第4阶段为中污染, 其他阶段为清洁。潜在生态危害指数数计算结果显示, 银川市近地表大气降尘中Cu、Pb、Cr、Zn、Ni及Mn的潜在生态危害指数均为轻微生态危害, 而Cd在第3、第4采集阶段内的生态危害指数达到强生态危害。

由此可见, 第3阶段采集的近地表大气降尘样品的重金属潜在生态危害指数相对最高, 在此进一步的分析第3阶段各个功能区的潜生态危害指数, 计算结果见表10。在第3采样阶段的降尘样品中, 混合区的重金属潜在生态危害指数相对最高, Cd的潜在生态危害指数达到最高的132.63, 为强生态危害。Cu及Ni的 $\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ 值分别为42.64、40.77, 达到中等生态危害。Pb虽然 $\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ 为30.87, 但在轻微生态危害这一等级中, 其指数为较高者。工业区内, Cu的 $\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ 值为47.53, 为中等生态危害。商业区中Cu的 $\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$ 值为42.64, 达到中等生态危害。

表9 银川市不同采样阶段大气降尘样品重金属污染系数及潜在生态危害指数

元素	评价系数	采样阶段
元素	评价系数	1	2	3	4
Cu	$\begin{matrix} C_{f}^{i} \end{matrix}$	3.87	4.03	4.40	4.38
	$\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$	19.37	20.16	22.02	21.92
Pb	$\begin{matrix} C_{f}^{i} \end{matrix}$	1.48	1.37	3.63	3.82
	$\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$	7.40	6.86	18.17	19.08
Cr	$\begin{matrix} C_{f}^{i} \end{matrix}$	0.95	0.89	2.23	1.23
	$\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$	1.89	1.77	4.46	2.45
Zn	$\begin{matrix} C_{f}^{i} \end{matrix}$	2.88	3.52	4.97	4.57
	$\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$	2.88	3.52	4.97	4.57
Ni	$\begin{matrix} C_{f}^{i} \end{matrix}$	0.65	0.34	1.73	0.68
	$\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$	3.26	1.71	8.65	3.38
Mn	$\begin{matrix} C_{f}^{i} \end{matrix}$	1.32	1.37	1.30	1.39
	$\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$	1.32	1.37	1.30	1.39
Cd	$\begin{matrix} C_{f}^{i} \end{matrix}$	0.11	0.11	4.53	3.68
	$\begin{matrix} E_{r}^{i} \end{matrix}$	3.16	3.16	135.79	110.53

表9 银川市不同采样阶段大气降尘样品重金属污染系数及潜在生态危害指数

表10 第3采样阶段大气降尘样品重金属潜在生态危害指数

最后, 计算不同功能区在整个采样周期的多种重金属综合潜在生态危害指数。计算结果显示, 混合区在第3采样阶段的RI值最高, 达到 157.46, 为唯一一个达到中等生态危害等级的功能区, 其他功能区在各个采样阶段的危害等级均为轻微生态危害。

表11 银川市不同功能区大气降尘重金属潜在生态危害指数

4 讨论

本次研究发现, 尽管银川市近地表大气降尘的重金属含量低于国内其他主要城市, 但由于部分元素显著高于本地土壤背景, 因此这些元素富集是由人为活动而造成的。时间上, 通过地质积累指数评价发现, Cu、Zn、Pb在全年为中度污染; Ni、Cr在第3采样阶段为轻度污染; Cd在3、4采样阶段为中度污染; Mn在整个周期内均为无实际污染。由此认为降尘中Cu、Zn、Pb很大程度上是来自人为活动, 而Ni、Cr、Cd既有自然源又有人为源; Mn由于未形成污染, 为自然来源。为了进一步的研究降尘中各重金属元素的来源, 利用SPSS19.0软件对数据进行因子分析, 提取了3个特征值大于1的因子, 得到的因子载荷矩阵见表12。这3个因子的累计贡献率达到86.985%。F1因子为Cu、Pb及Zn, 这几个元素在所有功能区内的含量显著高于土壤背景, 并且在混合区、商业区机动车辆密度较大的地段表现尤为显著, 而很多研究发现, 汽车产生的尾气以及刹车片、轮胎等车辆金属部件的磨损都会释放Cu、Pb、Zn, 因此F1因子与汽车活动有关; F2因子为Cd及Cr, 这两个元素分散程度远超其他元素, 在混合区内比较富集, 这一区域内由于工地建设、彩钢加工、高楼墙体粉刷以及电镀等活动相对较多, 因此Cd及Cr的富集与这一区域的生产、加工活动较为密切; F3因子为Mn及Ni, 这两个元素从上述评价的污染程度来看是相对最小的, 尤其Mn在大气降尘中的含量以及变异系数与土壤背景相当, 因此它们的来源主要是自然源。

表12 银川市大气降尘因子分析结果

5 结论

1) 在2014年8、9、10月所采集的近地表大气降尘样品中, Cu与Zn在各功能区的分布含量明显高于土壤背景值; Pb在混合区、工业区与商业区内明显高于土壤背景; Cr、Ni及Cd在混合区内的含量高于背景值2.5~3倍; Mn在各功能区的含量与土壤背景相当。

2) 银川市近地表大气降尘样品中, 各重金属元素污染程度从高到低依次为Cu> Zn> Pb> Cd> Cr> Ni> Mn。Cu、Zn在整个采样周期内均达到为中度污染; Pb、Cd在第3、4采样阶段为中度污染; Ni、Cr在第3采样阶段为轻度污染; 降尘样品中 Mn无实际污染。

3) 银川市近地表大气降尘中Cu、Pb、Cr、Zn、Ni及Mn的潜在生态危害指数均为轻微生态危害, 而Cd在第3、第4采集阶段内的生态危害指数达到强生态危害。

4) 银川市6个功能区中, 仅混合区的重金属综合潜在生态危害指数达到中等生态危害等级, 其他功能区在各个采样阶段的危害等级均为轻微生态危害。

5)基于因子分析解析降尘重金属元素的来源, 初步认为Cu、Pb、Zn主要来源于汽车尾气及零部件磨损物的排放; Cd及Cr主要来源于建筑及装饰工程活动释放; Mn及Ni在降尘中的含量与土壤背景相当, 主要为自然源。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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