宝鸡市不同功能区灰尘重金属污染特征与评价*

梁青芳1 杨宁宁1 高 煜1 张 军2

(1.陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室(宝鸡文理学院),陕西 宝鸡 721013; 2. 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室(长安大学),西安 710064)

摘要:采集宝鸡市不同功能区灰尘,用ICP-MS测定 Pb、Zn、Cu、Cr、Ni、Co、Cd、As 8 种重金属元素含量,采用生态风险指数法(RI)、污染负荷指数法(PLI)和GIS空间分析研究元素含量、污染水平及生态风险。结果表明:宝鸡市各功能区灰尘重金属含量水平总体偏高,Cd、Zn、Cu、As含量远超陕西省土壤背景值(1.30~34.79倍);工业区、交通区重金属含量明显高于其他功能区;不同功能区的RI值排序为交通区>工业区>文教区>住宅区>商业区,交通区和工业区RI值分别为698.96、680.01,生态风险达到很强级别;PLI值排序为工业区>交通区>文教区>商业区>住宅区,工业区和交通区处于中度污染水平,其余为轻度污染水平。宝鸡城区灰尘PLI zone为1.83,为轻度污染水平。RI值与PLI值的空间分布特征存在一致性,在任家湾火车站和市政府周围出现很强生态风险等级和中度污染水平。RI值在华城汽车产业园附近,PLI值在连天线东段也出现较高值。

关键词:功能区;灰尘;重金属;生态风险;宝鸡市

0 引 言

城市灰尘广泛分布于城市环境中,是多种污染物的运载体和反应床[1],尤其是重金属类污染物[2]。重金属依附于灰尘颗粒表面通过地-气相互作用参与大气循环、水循环,因其不可降解性和生物富集性,往往造成动植物生态安全风险,并最终危害人体健康。因此,灰尘重金属污染受到广泛关注。工业城市在金属冶炼、生产制造、交通运输等过程中产生的灰尘重金属含量高、危害大[3]。Kamani等[4]研究了德黑兰街道降尘重金属,结果表明Cd 具有最高的生态风险;钟萍等[5]对华中工业走廊灰尘重金属的研究表明,道路尘中重金属含量明显高于表层土壤;刘德鸿等[6]对工业城市洛阳灰尘重金属的研究表明其城市环境面临问题,Cd、Zn含量最高,污染最重。

有关工业城市不同功能区灰尘重金属污染差异的研究较少。不同功能区的土地利用、植被覆盖等状况不一,重金属含量与富集程度也不尽相同[7]。于瑞莲等[8]发现泉州市不同功能区大气降尘重金属生态危害程度顺序为工业区>商业区>交通繁忙区>居民区>农业区。宝鸡是中国西部工业重镇和交通要塞,也是关天经济区副中心城市[9-10]。前人对宝鸡市灰尘的研究[11-14]多聚焦于街尘或某区域灰尘,缺少覆盖全城的基础的最新数据,特别是对不同功能区灰尘重金属污染的研究较少。近几年,宝鸡市实施东移西扩战略,城区急剧扩张,土地利用强度增大[10],不同功能区内的灰尘重金属分布极有可能存在显著差异,对此展开深入研究尤为必要。

本文将以宝鸡市不同功能区灰尘为研究对象,采用ArcGIS10.2 布设采样点,利用潜在生态风险指数法、污染负荷指数法、GIS空间分析,研究不同功能区灰尘重金属含量、污染水平及生态风险,以期为宝鸡市环境监测与污染防控提供参考。

1 材料及方法

1.1 样品采集

根据土地利用方式[15]及实地调查,利用ArcGIS 10.2在宝鸡市不同功能区布设采样点55个(图1)。采集宝鸡市文教区灰尘样品9个、工业区(姜谭老工业区、陈仓科技工业园)11个、商业区(经一路、高新区)10个、住宅区11个、交通区14个。采样前1周天气晴好,按照网格法用塑料毛刷扫取灰尘样品,各样混合密封在聚乙烯样品袋中(重约50 g),编号、运回实验室待处理[2]

图1 研究区采样点分布
Fig.1 Sampling sites distribution in the study area

1.2 样品处理

去除灰尘样中的石块、树枝等杂物,烘干24 h(105±1 ℃),研磨、过100目筛。用电子天平准确称取0.1000 g,置于消解罐中,加入6 mL HNO3,静置30 min,加入2 mL HCl、2 mL H2O2,用微波消解仪(MDS-10,上海新仪)消解、电热板赶酸。用超纯水定容于50 mL 比色管中,过0.45 μm滤膜,用ICP-MS(NexION350X,PE,美国)测定重金属含量。实验过程中采用国家标准土壤样品(GSS-25)进行质量控制,元素回收率控制在92%~105%。每个样品测3次,各重金属元素RSD<10%。药剂均为优级纯。

1.3 评价方法

1.3.1 富集因子法

富集因子(enrichment factor,EF)可定量表示元素富集程度,EF值越高,说明其分布受人为活动影响越大。计算方法如下:

(1)

式中:Ci为重金属i的含量,mg/kg;Cref为参比元素的含量,mg/kg。

EF分级标准为:EF≤2,无或轻微富集;240,极强富集[16]

本研究结合宝鸡地区的地球化学特征[16-17],将Al (即Al2O3)作为首选参比元素。

1.3.2 潜在生态风险指数法与污染负荷指数法

本研究采用 Hakanson 提出的潜在生态风险指数法[18]进行生态风险评价分级,采用 Tomlinson 等提出的污染负荷指数 (pollution load index,PLI)[19]评价重金属污染水平,计算公式如下:

(2)

(3)

(4)

式中:分别代表单因子和综合潜在生态风险指数;为重金属的毒性系数 (各元素毒性系数为Pb=Cu=Ni=Co=5,Zn=1,Cr=2,Cd=30,As=10)分别表示重金属i的实测值和陕西省土壤背景值;PLI为污染负荷指数;PLI zone表示区域污染负荷指数。分级标准见表1。

1.4 数据处理

采样点布设、重金属元素RI值、PLI值的空间分析利用ArcGIS 10.2完成;采用SPSS 22.0进行数据正态检验。

表1 分级标准
Table 1 Criteria for classification

单因子潜在生态风险指数(Eir)风险等级综合潜在生态风险指数(RI)风险等级污染负荷指数PLI(PLI zone)污染等级Eir<40Ⅰ 轻度RI<150Ⅰ 轻微PLI(PLI zone)<1Ⅰ 无污染40≤Eir<80Ⅱ 中度150≤RI<300Ⅱ 中等1≤PLI(PLI zone)<2Ⅱ 轻度80≤Eir<160Ⅲ 较强300≤RI<600Ⅲ 较强2≤PLI(PLI zone)<3Ⅲ 中度160≤Eir<320Ⅳ 很强RI≥600Ⅳ 很强PLI(PLI zone)≥3Ⅳ 重度Eir≥320Ⅴ 极强

2 结果与讨论

2.1 重金属含量分析

宝鸡市不同功能区的重金属含量水平如图2所示。各功能区中,除Pb、Ni、Co外,其他元素含量水平都高于陕西省土壤背景值(1.25~34.79倍),具体元素含量差异表现为:商业区:Cd>Zn>Cu>As>Cr>Pb>Ni>Co;文教区、工业区、住宅区、交通区:Cd>Zn>Cu>As>Cr>Ni>Pb>Co。除Pb元素外,工业区各元素含量明显大于其他功能区,交通区Cu、Cr、Ni、Cd含量较高,商业区Pb、Zn、As含量较高。Pb、As含量在文教区较低,其余元素的低值均出现在住宅区。

Pb; Zn; Cu; Cr; Ni; Co; Cd; As。
图2 各功能区灰尘重金属含量均值
Fig.2 The average concentrations of heavy metals in different functional areas

富集因子结果显示(图3):Pb、Cr、Ni、Co元素属于无富集或轻微富集,Cu、As中度富集,Zn显著富集,Cd达到了强烈富集。Cd在工业区和交通区含量较高,说明该元素的累积受到工业生产和交通活动的极大影响。

图3 灰尘中的富集因子
Fig.3 Enrichment factors in dust

宝鸡市灰尘重金属含量均值与其他城市对比结果见表2,其中6种重金属元素含量高于旅游城市丽水[21],Zn、Cu、Ni、As高于典型农业城市许昌[22],Zn、Cu、Cd含量与工业城市Luanda[23]持平。与综合性城市西安[24]相比,宝鸡市灰尘中Zn、Cr、Cu偏高,尤其是Zn;但与重工业城市洛阳[6]和一线城市北京[25]相比普遍较低。值得注意的是,洛阳灰尘中Zn、Cr含量高于北京,且Cu持平。可见,工业城市与同等级其他城市相比具有Zn、Cr、Cu偏高的特点。除As以外,其他元素含量稳低于2011年[11]研究结果(下降1.67~3.34倍),Pb含量则显著降低。原因可能是:其一,ICP-MS与XRF检测方法有别,如ICP-MS的检出限较低,而XRF法可检测出含量在10 μg/g以上的所有金属元素;其二,《宝鸡市城市总体规划(2008—2020)》自2008年实施,部分企业转型、无铅汽油的推广和城市绿色交通均为此做出了一定贡献[10]

2.2 重金属潜在生态风险与污染水平

根据式(2)—(4),得出不同功能区灰尘重金属生态风险与污染特征见表3、表4。分析各元素值可知:As在工业区为中等生态风险等级,而Cd在各功能区均达到极强生态风险等级。由表4可知:宝鸡市各功能区的RI值排序为:交通区>工业区>文教区>住宅区>商业区,其中交通区和工业区达到很强生态风险等级。PLI值显示工业区、交通区处于中度污染水平;其余为轻度污染水平。宝鸡城区PLIzone为1.83,处于轻度污染水平。重金属含量与存在明显正相关,Cd在文教区、工业区、商业区、住宅区、交通区的值分别为517.04、604.99、462.99、475.14和636.54,分别占各功能区RI值的88.8%、88.9%、88.4%、89.9%和91.1%,说明Cd为灰尘重金属中重要的污染因子[26]

表2 宝鸡市与其他城市灰尘重金属均值含量对比
Table 2 Concentration comparison of heavy metals in dust from different cities mg/kg

元素PbZnCuCrNiCoCdAs本研究16.38330.8066.4276.0224.564.761.8333.29丽水[21]60.35106.4958.2064.8723.1045.62——许昌[22]41.90145.3035.4096.7018.509.00—7.80Luanda[23]351.00317.0042.0026.00——1.105.00西安[24]55.40128.8044.0022.3040.40———洛阳[6]176.041019.75240.94401.63——2.33—北京[25]143.60703.30242.70136.1061.0014.702.80—宝鸡[11]408.40715.10123.20126.7048.8015.905.5019.80

表3 单因子潜在生态风险指数
Table 3 Indexes of potential ecological risk of heavy metals by single factor

PbZnCuCrNiCoCdAs文教区范围0.09~8.450.70~8.094.78~43.260.45~3.792.79~6.511.14~3.2791.31~872.13.14~71.16均值1.994.6317.712.314.302.49517.0431.77等级ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅤⅠ工业区范围0.17~11.81.92~11.75.79~45.581.92~3.782.89~10.41.35~3.75105.66~1352.26.46~62.46均值3.355.3316.732.584.842.38604.9941.69等级ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅤⅡ商业区范围0.14~11.20.50~8.507.02~60.461.01~4.451.23~5.880.88~3.1463.09~1176.632.87~43.78均值4.945.2819.572.563.792.02462.9922.49等级ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅤⅠ住宅区范围0.21~8.911.87~6.224.70~24.541.38~3.012.30~5.521.49~2.80164.69~1421.85.30~69.63均值4.183.8410.022.253.662.13475.1427.24等级ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅤⅠ交通区范围0.25~11.53.28~10.24.25~22.031.36~7.982.41~8.001.23~3.51253.92~1513.45.48~67.84均值4.105.1413.692.664.622.32636.5429.89等级ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅤⅠ

表4 宝鸡市不同功能区重金属污染程度和生态风险等级
Table 4 Pollution levels and ecological risk levels in different functional areas in Baoji

功能区文教区工业区商业区住宅区交通区RI582.24680.01523.64528.46698.96风险等级ⅢⅣⅢⅢⅣPLI1.982.191.931.662.07污染程度ⅡⅢⅡⅡⅢ

2012年王利军[12]等的研究结果表明:宝鸡市街尘中重金属元素的污染水平和生态风险达到了严重程度,Pb、Zn、Cu、Cr、As为中等生态风险,Hg和Cd已达严重生态风险水平。可见,除Hg外,本研究的评价结果与前人结论具有一致性。虽Zn、Cu、Cr、Cd的含量都有所下降,但Cd仍具有强生态风险,这与Cd的毒性系数大有关。

2.3 空间分布特征

RI和PLI数据能较好地服从正态分布(表5),利用Kriging插值方法进行插值计算得图4。

表5 RI值与PLI值正态分布检验
Table 5 Normal distribution test on RI and PLI

项目偏度峰度K-S检验值分布类型RI1.062.090.12正态PLI-0.132.510.08正态

由图4可知:RI在市政府周围和华城汽车产业园周围出现很强生态风险等级,在金台区东北部、连霍高速东段和宝鸡市华为矿山机械公司附近出现较强风险等级。PLI在高新大道以北、市政府以西的代家湾周边、任家湾火车站和连天线东段(交通区)出现高值区,达到中度以上污染水平。市政府周围及任家湾火车站车流量大,金台区及陈仓区北部存在大量果蔬种植园,华为矿山机械公司和千河工业园(工业区)主要进行铆焊和耐火材料的制造,因此可推测化肥农药施用及工业污染物释放所含Cd、As,是导致生态风险指数上升的因素[27-28]。与张军等[13]研究结果相比,灰尘重金属的高风险中心出现东移趋势。从自然因素分析,宝鸡南、西、北三面环山,地形狭窄,且常年无大风,并不利于灰尘扩散;从人为因素看,宝鸡市渭滨区是国家“一五”和“三线”建设时期重点布局的工业要地,2007年宝鸡市政府迁至代家湾行政中心,大量的投资生产和商贸交通活动,将土壤重金属带入大气灰尘,是加速重金属元素累积的可能原因。另外,川陕路一带也出现了较强生态风险等级。宝鸡文理学院、东风路西段的大范围住宅区为中等生态风险等级和轻度污染水平。

图4 宝鸡市灰尘重金属元素RI、PLI空间分布
Fig.4 Spatial distribution of RI and PLI of heavy metals in dust in Baoji

3 结 论

1)宝鸡市各功能区灰尘重金属含量水平总体较高,其中Cd、Zn、Cu、As含量远超陕西省土壤背景值(1.30~34.79倍),比值差异表现为Cd>Zn>Cu>As>Cr>Pb/Ni>Co。除Pb以外,工业区各元素含量明显大于其他功能区。Pb、As含量在文教区较低,其余元素的低值均出现在住宅区。

2)宝鸡市各功能区的RI值排序为交通区>工业区>文教区>住宅区>商业区。其中,交通区和工业区指数分别为698.96、680.01,生态风险达到很强级别;文教区、商业区、住宅区为较强生态风险等级。PLI值排序为工业区>交通区>文教区>商业区>住宅区。其中工业区和交通区指数分别为2.19、2.07,处于中度污染水平;其余功能区为轻度污染水平。宝鸡城区灰尘PLI zone为1.83,处于轻度污染水平。

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CHARACTERISTICS AND ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN DUST OF DIFFERENT FUNCTIONAL AREAS IN BAOJI, CHINA

LIANG Qing-fang1, YANG Ning-ning1, GAO Yu1, ZHANG Jun1,2

(1. Shanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulation,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721013, China; 2. Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education,Chang′an University,Xi′an 710054, China)

Abstract: The contamination and ecological risk assessment in different functional areas dust of Baoji including Pb, Zn, Cu, Cr, Ni, Co, Cd, and As were analyzed by means of GIS analysis, the potential ecological risk index(RI) and pollution load index (PLI) respectively. It was found that the content of dust heavy metals especially Cd、Zn、Cu、As in all functional areas were several times higher than the background values of Shaanxi province(1.30~34.79). The heavy metal content in industrial area and traffic area were significantly higher than that in other functional areas. The order of RI values in different functional areas were industrial area, cultural and educational area, residential area and commercial area. The RI in traffic area and industrial area was 698.96 and 680.01, respectively. The PLI values were ranked as traffic area, cultural area, business area and residential area, while the industrial area and traffic area were at the moderate pollution level. The rest of the functional areas were at light pollution level. The dust PLI zone in Baoji was 1.83, which was at a slight pollution level. The spatial distribution characteristics of RI value and PLI value were consistent, and there was a strong ecological risk level and moderate pollution level around the municipal government and Renjiawan Railway Station. The higher value areas of RI and PLI also appeared in the areas near the Huacheng Automobile Industrial Park and the eastern section of Liantian Avenue respectively.

Keywords: functional areas; dust; heavy metals; ecological risk assessment; Baoji

DOI:10.13205/j.hjgc.201910037

*旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室项目(310829151140;310829151141);宝鸡市科技计划项目(2017JH2-25);陕西省地理学重点学科资助。

收稿日期:2019-02-27

第一作者:梁青芳(1992-),女,硕士研究生,主要研究方向为重金属污染控制。745108992@qq.com

通信作者:张军(1974-),男,博士,副教授,主要研究方向为重金属污染控制与风险评价。zhangjun1190@126.com