淮南市城区地表灰尘重金属分布特征及生态风险评价

生态环境学报2014,23(10):[e-mail]基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAC10B02)；国家自然科学基金项目(41373108)；煤矿生态环境保护国家工程实验室科技攻关项目(HKKY-JT-JS2012)；安徽省自然科学基金项目(1208085ME66)；安徽省教育厅重点基金项目(KJ2012A022)作者简介：范佳民（1989年生），男，硕士研究生，从事矿山生态环境与区域生态安全研究工作。E-mail:[e-mail]*通信作者：郑刘根(1972年生)，副教授，博士，主要从事环境科学与工程教学科研工作。E-mail：[e-mail]收稿日期：2014-09-01淮南市城区地表灰尘重金属分布特征及生态风险评价范佳民1，郑刘根1*，姜春露1，程桦1，陈永春21.安徽大学资源与环境工程学院矿山环境修复与湿地生态安全协同创新中心，安徽合肥230601；2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽淮南232001摘要：城市地表灰尘中重金属会对人体健康和生态环境产生危害，为研究城市中不同功能区地表灰尘重金属的含量和潜在生态危害水平，以典型煤炭资源型城市淮南市的地表灰尘为研究对象，采集工业区、商业区、交通区、文教区、居住区和公园绿地等6种功能用地共40个点位的地表灰尘。采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和DMA-80直接测汞仪测定Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的含量，分析其在不同功能区地表灰尘中的分布特征、相关性及可能的来源；并应用潜在生态危害指数法对重金属在不同功能区的潜在生态危害进行评价。结果表明：1）淮南市地表灰尘中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的平均质量分数分别是202.59、74.63、62.74、110.69、0.57、35.82、12.18、50.95和0.105mg·kg-1，其中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Hg的平均含量分别是淮南市土壤背景值的3.47、3.17、2.04、1.21、9.50、1.12、2.56倍，是中国土壤背景值的2.73、2.87、2.78、1.81、5.88、1.33、1.62倍。2）9种重金属中，Zn和V的含量在不同功能区分布相对均匀，其他重金属在不同功能区含量均表现出较明显的空间异质性。3）不同功能区中，Zn、Pb、Cu、Ni、Co、V、Hg的平均含量在工业区昀高，Cr和Cd的平均含量在交通区昀高。4）不同重金属的相关性表明，Zn、Pb、Cu、Cd、Ni等5种元素有同一来源，Co和V有同一来源。5）单项潜在生态危害系数大小为CdHgPbCuNiCoZnCrV。不同功能区9种重金属复合生态危害均处于强生态危害水平（300≤RI600），其中工业区和交通区潜在生态危害水平昀高。关键词：地表灰尘；重金属；分布特征；潜在生态风险评价；淮南市中图分类号：X14文献标志码：A文章编号：1674-5906（2014）10-1643-07引用格式：范佳民，郑刘根，姜春露，程桦，陈永春.淮南市城区地表灰尘重金属分布特征及生态风险评价[J].生态环境学报,2014,23(10):1643-1649.FANJiamin,ZHENGLiugen,JIANGChunlu,CHENGHua,CHENYongchun.DistributionandecologicalriskassessmentofheavymetalsinurbandustsofHuainancity[J].EcologyandEnvironmentalSciences,2014,23(10):1643-1649.城市是人类活动昀为强烈的地区，其环境受到人类活动的深刻影响，工业生产、城市建设、交通和居民活动等导致大气、土壤和城市地表灰尘中污染物大量富集。与城市土壤和大气颗粒物相比，城市地表灰尘是一种物质组成和来源更为复杂的环境介质，是城市非点源污染的主要来源（王兴明等，2012），也是威胁城市居民健康的重要潜在风险因素（唐荣莉等,2012）。一方面，地表灰尘在一定的外动力条件下容易扬起，通过呼吸和皮肤接触等途径被人体吸收，在人体内被消化、吸收、积累，从而对人体健康产生危害（张一修等，2012；Lu等，2014）；另一方面，地表灰尘在降水的冲刷作用下进入水循环系统，对城市水环境造成间接污染（Zhao等，2010；Crosby等，2014）。重金属是地表灰尘中广泛存在的环境物质，任何含量高的重金属都会对生物体产生威胁。地表灰尘在外动力作用下“扬起-沉降-扬起”往复交替循环过程中，成为重金属的重要迁移途径，从而对城市环境质量和人体健康造成危害，其风险日益受到学术界的关注（张一修等，2012；Lu等，2014）。唐荣莉等对北京市道路灰尘重金属研究发现，地表灰尘中重金属Cr含量略高于土壤背景值，Cu、Pb均值为背景值的2~3倍，Cd含量几乎超出背景值的5倍,说明地表灰尘受人类活动等外界干扰比较强烈（唐荣莉等，2012）。因此，开展地表灰尘重金属研究意义重大。淮南矿区被列为我国14个亿t煤生产基地、6个煤电一体化基地之一。煤炭的开采和运输过程产生的煤灰，以及燃煤电厂排放的飞灰是地表灰尘的重要来源，其中所含的重金属会对周边环境产生严重危害。目前，关于淮南市土壤、煤和矸石中重金属的研究较多（郑刘根等，2014；蔡峰等，2008；1644生态环境学报第23卷第10期（2014年10月）Sun等，2010），但有关淮南市地表灰尘中重金属污染方面的研究鲜有报道。因此，本研究主要对淮南市地表灰尘中重金属的分布特征进行研究，并采用潜在生态危害指数法对灰尘重金属的污染状况进行评价，以期为淮南市居民健康保护和生态城市建设提供科学依据。1材料与方法1.1研究区概况淮南市位于安徽省的中部偏北，淮河中游，东经116°21'21~117°11'59，北纬32°32'45~33°00'24。淮南地处亚热带与暖温带的过渡带，年平均气温15.3℃，全年无霜期224d，年平均降雨量937.2mL。淮南市缘煤而建，是一座典型的矿业城市。煤炭远景储量444亿t，探明储量153亿t。随着煤炭工业的快速发展，淮南电力工业突飞猛进，境内有田家庵、平圩、洛河三大火力发电厂。1.2样品采集为更好的研究淮南市地表灰尘重金属空间分布特征及其健康风险水平，根据产业布局、人类活动、交通流量等因素对研究区进行功能区划并布点。将研究区划分为工业区、商业区、交通区、文教区、居住区和公园绿地等六种主要类别，选择具有代表性的样品采样点位（共计40个），采集不透水地面灰尘（图1）。因为不透水地面灰尘容易随风及交通等活动的扰动再次扬起，对人体产生危害。地表灰尘样品采集是在连续七天不降雨的条件下进行。利用塑料毛刷和塑料铲子收集各点位不透水地面灰尘，并用自封袋保存。为获得测试分析所需的样品量，在每个样点的5~7m2范围内，利用梅花布点法采集5个点位的灰尘，并充分混合代表该点样品。同时记录采样点位经纬度和周边环境特征。1.3样品处理与分析测试将采集的样品置于实验室内自然风干，除去毛发、石头、香烟头等杂物，过20目尼龙筛以获得灰尘样品。用四分法获取10g左右的灰尘样品，放于玛瑙研钵内研磨，直到所有样品过100目塑料筛，得到测试重金属所需样品。灰尘样品中Hg测定使用DMA-80直接测汞仪（意大利Milestone），称取0.1g左右灰尘样品直接进样测定；其他重金属的测定采用盐酸-硝酸-氢氟酸消解体系，使用仪器为ETHOSOne微波消解仪（意大利Milestone,配MUT41消解罐及转子），利用美国Perkin-Elmer公司生产的电感耦合等离子体发射光谱仪Optima8000测定。为保证测试结果的准确性，测试过程中加入国家土壤标准物质GSS-3进行质量控制，并且平均每10个样品做1个平行样（重复做3次）。结果显示平行样中重金属相对标准偏差均小于10%，并且质控样测定值均达到国家规定的精密度要求。1.4统计分析灰尘重金属含量数据采用软件SPSS19.0和Origin8.5.1进行相关系数分析。1.5潜在生态风险评价方法单个重金属的污染系数（Cfi）：inifiCCC=（1）单个重金属的潜在生态危害系数（Eri）：ifirirCTE×=（2）多种重金属的潜在生态危害指数（RI）：RIiiiiirrfrinCETCTC==×=×（3）式中：Ci为重金属i的实测浓度；Cni为重金属i的评价参考值，选择淮南市土壤背景值作为参考值；Tri为重金属的毒性响应系数，被用来反映重金属的毒性水平以及生物对重金属的敏感程度，Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的毒性响应系数分别为1、5、5、2、30、5、5、2、40（Hakanson，1980;徐争启等，2008）。重金属污染潜在生态危害系数和生态危害指数分级标准列于表1。2结果与讨论2.1地表灰尘中重金属含量特征2.1.1地表灰尘中重金属含量淮南市区地表灰尘9种重金属含量统计结果见表2。由表2可以看出，地表灰尘中9种重金属的偏度系数都大于0，其中Zn、Cd、Ni、Co的分布接近正态分布，其他5种重金属的数据呈正偏态分布。地表灰尘中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的平均质量分数分别是202.59、74.63、62.74、110.69、0.57、35.82、12.18、50.95和0.105mg·kg-1,其中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Hg的平均含量分图1淮南市地表灰尘采样点分布图Fig.1ThelocationsofdustsamplingsitesofHuainancity,China范佳民等：淮南市城区地表灰尘重金属分布特征及生态风险评价1645别是淮南市土壤背景值的3.47、3.17、2.04、1.21、9.50、1.12、2.56倍，是中国土壤背景值的2.73、2.87、2.78、1.81、5.88、1.33、1.62倍，说明重金属已经出现一定程度的富集。灰尘中Cd的富集倍数明显高于其他重金属，可能与淮南市各大矿区煤及土壤Cd污染较为严重（王兴明等，2012；Tang等，2013）有关。变异系数是用来判断金属是来源于自然因素还是人为因素，也可以判断元素污染程度。变异系数越大，说明人为活动的干扰作用越强烈或污染越严重（张一修等，2011）。除Ni、Co、V变异系数较低外，其余重金属的变异系数均高于35%，变异系数较高的重金属是Pb和Cu，其余重金属的变异系数较为接近，均在45%左右。由此可知，淮南市地表灰尘重金属的含量受人类活动的干扰严重。与国内外一些城市相比，淮南市地表灰尘重金属污染相对较轻，重金属污染程度仅高于北京市和渥太华市。2.1.2不同功能区重金属含量分布图2表示重金属（Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg）在淮南市不同功能区的富集水平。由图2可知，不同功能区Zn和V的含量分布相对较为均匀，其他7种重金属平均含量在不同功能区均表现出较为明显的空间异质性。具体地说，Pb在工业区的平均含量昀高，其他功能区的含量则较为接近；对于Cu，各功能区的含量差异较为明显，并且在工业区的含量昀高；对于Cr，除在交通区的含量明显较高外，其他功能区的平均含量差异较小，张一修等对贵阳市区地表灰尘重金属进行过研究，也发现Cr在交通区的含量昀高（张一修等，2011）；表1Eri,RI与污染程度间的关系Table1RelationshipofEri,RIandpollutionlevel指数类型所处范围污染程度指数类型所处范围污染程度潜在生态危害系数（Eri）Eri40轻微生态危害潜在生态危害指数（RI）RI150轻微生态危害40≤Eri80中等生态危害150≤RI300中等生态危害80≤Eri160强生态危害300≤RI600强生态危害160≤