吉首市主要住宅区灰尘重金属污染及其潜在生态风险评价

辛建峰(惠州市环保局惠城区分局环境监测站，广东 惠州 516001)

吉首市主要住宅区灰尘重金属污染及其潜在生态风险评价

辛建峰
(惠州市环保局惠城区分局环境监测站，广东 惠州 516001)

通过对吉首市主要住宅区灰尘重金属含量的调查，发现其主要住宅区灰尘重金属Pb、Zn、Cu、Cr、Cd 和Mn含量的平均值分别为296.253 mg/kg、128.253 mg/kg、146.013 mg/kg、114.472 mg/kg、34.257 mg/kg 和396.729 mg/kg，同吉首市土壤环境背景值相比，分别为背景值的68.99倍、71.29倍、109.78倍、10.46倍、110.68倍和52.82倍，均处于较高的积累水平。重金属在空间上的分布特征表现为：市中心、火车站和乾州灰尘重金属含量均高于砂子坳；通过分析判定住宅区灰尘中较高的重金属含量可能主要源于交通和工业造成的污染。运用潜在生态危害指数法来评价吉首市主要住宅区灰尘重金属污染状况，发现单种重金属造成的潜在生态危害表现为: Cd > Cu > Pb > Zn > Cr；住宅区灰尘重金属潜在生态危害达到一个相当高的水平，在所调查的住宅区中，几乎所有的住宅区灰尘重金属生态危害都达到了极高的水平。

灰尘；重金属；潜在生态危害指数；生态风险评价

1 前言

随着科技的发展和人们生活水平的提高，大量的重金属污染物通过不同的途径进入环境，尤其是大气环境，进而引起大气环境质量严重恶化，其中灰尘重金属污染极为严重[1-2]。近年来，对居民住宅区灰尘重金属污染的研究逐渐成为热点，城市灰尘中的重金属有多种来源，主要源于建筑工地、裸露地表、交通工具尾气、工业“三废”及各种沉降在路面上的气溶胶粒子、路面及交通工具的磨损等，在一定的外力条件下较易再次扬起，从而通过呼吸道和皮肤被人体吸收或直接摄入，在体内被消化、吸收，产生累积，对人体健康产生危害[2-3]；另一方面，城市灰尘在降水作用下进入河道，对水体环境造成了直接的污染[4-5]。

近年来，随着吉首市工业的快速发展，大批企业、工厂进入城区，有些位于居民住宅区旁，甚至在其内。住宅区是城市居民主要的生活休憩场所，与人们的日常生活紧密相关。当前国内外学者对重金属污染的特点及污染评价进行了大量的研究，但有关区域空间变异及其分布特征和风险评价的报道较少[2-7]。到目前为止，针对吉首市主要住宅区灰尘重金属污染的详细研究鲜见报道，因此，研究吉首市主要住宅区灰尘中重金属的污染状况对于城市生态环境和居民的身体健康都具有重要意义。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

吉首市地处湖南省西部边陲，座落在湘、鄂、黔、渝交接地武陵山区腹地，是湘西土家族苗族自治州首府，总面积15km2，人口总数40万，地形地貌以中低山、低山为主，市区位于山谷之间，工厂、交通和人口比较拥挤，空气对流不顺畅。

2.2 样点的选取与样品的采集

本文选取吉首市具有代表意义的住宅区作为采样点(分4个区，共25个点)，见图1及表1。 采样工作在2016年5月初完成，采样时间在晴朗的中午。在每个住宅区附近采用梅花型布点法选取5个点，用塑料铲和毛刷扫取表面灰尘若干，然后用四分法组成一个混合样品，共得25个样品，样品采集后放入聚乙烯塑料袋中密封后，带回实验室保存[1,5]。同时，采集位于吉首市比较洁净的德夯风景区土壤点样品，作为土壤背景样品。测定的重金属有Pb、Zn、Cu、Cr、Cd 和Mn。

图1 采样点分布示意

表1 采样区域点位分布

2.3 仪器与试剂

(1)主要仪器：电热恒温干燥箱，火焰原子吸收分光光度计(TAS—990 AFG)及相应的空心阴极灯，聚四氟乙烯坩埚(50 mL)，恒温电热板等。

(2) 试剂：实验用水均为超纯水，实验用酸有：HCl，HNO3，HClO4，HF(均为分析纯)；几种重金属(Pb、Zn、Cu、Cr、Cd、Mn)的标准储备液(1000 mg/L，购自国家钢铁材料测试中心)。

2.4 样品预处理

将采集的预处理的样品中砾石、杂草等杂物通过筛分剔除，以玻璃器皿盛装，置烘箱中，于105 ℃烘干1 h以上，以木锤捣碎、研细，过150目尼龙网筛，保存过筛的样品于塑料袋中备用。

2.5 样品的消解

采用国际上通用的酸硝化法(HCl - HNO3- HClO4- HF)进行消解。准确称取土壤样品1.0000 g，置于聚四氟乙烯坩埚内，用去离子水润湿，先加10 mL的HCl，加热近干，冷却后，加入HNO310 mL，HClO44mL，HF 10mL，置于电热板上加盖加热消解。低温加热约4～5 h至棕黄色刺鼻的浓烟冒尽，待消解完成后，开盖赶酸。当坩埚中内溶物呈粘稠状时，停止加热，加入少量HNO3溶液，温热溶解残渣，待冷却后，转移至25 mL容量瓶或比色管中，以去离子水定容至标线，摇匀静置过夜。以上操作均在通风橱中进行。

2.6 样品中重金属的测定

用火焰原子吸收分光光度法测定，重金属标准溶液的浓度为1000 mg/L，用50 mL的容量瓶配制系列标准使用液(8个浓度梯度，表2)，用5%(v/v)盐酸稀释定容，或(1+49)硝酸稀释定容。

2.7 样品中重金属含量的计算

样品中重金属含量的计算采用公式：

C=c*v/m

C—样品中重金属的浓度，μg/g;

c—所测定消解液的浓度，μg/g;

v—定容时溶液的体积，mL;

m—消解的样品的质量，g。

土壤中重金属污染浓度参考标准见表3。

表2 系列标准曲线 单位：mg/L

注：定容体积为50mL。

表3 土壤重金属污染物国家标准值及背景值含量 单位：mg/kg

2.8 重金属潜在生态风险评价方法

潜在生态风险评价基于元素丰度和释放能力的原则，评价假设一系列前提条件：①元素丰度响应，即潜在生态风险指数(RI)随灰尘中重金属污染程度加重而增加；②多污染物协同效应，即灰尘的重金属生态危害具有加和性，多种金属污染的潜在生态风险更大，铜、锌、铅、镉、铬和锰是优先考虑对象；③各重金属元素的毒性响应具有差异，生物毒性强的金属对RI具有较高权重[8-9]。

潜在生态危害指数法是一种应用较为广泛的重金属污染评价方法之一，它结合生物毒理、环境化学及生态学等方面的内容，以定量的方法区分重金属元素的潜在生态危害程度[8-10]，因此本文选择Hakanson建立的潜在生态危害指数法[9]来评价吉首市主要住宅区灰尘重金属的污染状况，其具体的评价方法如下：

(1)

(2)

Zn = 1 < Cr = 2 < Cu = Pb = 5 < Cd = 30

(3)灰尘中多种重金属潜在生态危害指数RI值的确定：

(3)

3 结果分析与讨论

3.1 住宅区灰尘重金属含量

吉首市主要住宅区灰尘中6种重金属含量的分析结果表明，各种重金属空间分布差异较大，是灰尘中重金属来源的复杂性所决定的。从各区域统计情况来看，市中心Pb含量最高，为407.256 mg/kg，砂子坳含量最低，为135.303 mg/kg，Cu的含量以火车站274.1 mg/kg为最高，Cd的含量乾州和市中心为高，为41.262 mg/kg和39.465 mg/kg，Mn和Zn的含量各区比较接近。

主要住宅区灰尘重金属含量与德夯土壤背景值的比较如图2，发现各种重金属元素的含量均远超出背景值，尤其以Pb、Zn、Cu、Cd 和Mn元素最为显著，分别超出背景值的68.99倍、71.29倍、109.78倍、110.68倍和52.82倍，Cr元素超出背景值相对较小，为背景值的10.46倍。通过与德夯土壤背景值的对比，重金属元素在吉首市主要住宅区灰尘中积累已达到相当严重的程度。

图2 住宅区灰尘重金属含量平均值与德夯土壤背景值对比

3.2 灰尘重金属的空间分布特征及来源判断

从图3中可以看出，市中心、火车站和乾州灰尘重金属含量均高于砂子坳，尤其以Pb、Zn、Cr 和Cu元素最为明显。重金属含量空间上的差异受工业活动的影响，市区灰尘重金属一是来自于交通，二是来自于工业生产活动。市中心、火车站和乾州除了接受来自于交通所产生的污染，因其更接近一些大型的工厂区，如湘泉酒厂、州燃料公司和建筑工地等，同砂子坳相比，更容易接受来自于工业活动所产生的污染。调查发现， 市中心、火车站和乾州附近有多处降尘高浓度中心存在，因此分析得出，工业污染造成了市中心、火车站和乾州灰尘重金属含量较砂子坳高。

图3 住宅区灰尘重金属含量比较

通过计算，各重金属含量间的相关系数见表4，各重金属元素含量间除Pb-Mn、Cu-Cr、Cu-Cd、Cu-Mn 和Cr-Mn，其余各重金属间都存在较显著的相关性， 说明这几种重金属元素在接受外界污染时可能存在一定的相似性[10-12]，同时又说明住宅区灰尘在接受外来污染时存在的复杂性。

*相关系数在0.05概率水平上显著

4 灰尘重金属污染潜在生态风险评价

本文根据所分析污染物的数量及各污染物的毒性相应系数所占比率进行转换， 对RI值的范围进行了相应调整[1,10,13]，调整后的具体数值及分级如表5。

对吉首市25个主要住宅区灰尘重金属污染评价的统计结果如表6所示，从单种重金属的生态危害程度来看，所有住宅区灰尘中Cr的生态危害均处于较低水平；绝大多数的住宅区灰尘Pb和Cu处于生态危害的较高水平以上[13-14]；在统计的25个主要住宅区中几乎所有住宅区灰尘中Cd均处于极高水平，生态危害都达到最高。从重金属的潜在生态危害评价结果来看，在所有住宅区中，生态危害都为极高。因此，从总体上来看，吉首市主要住宅区灰尘重金属的潜在生态危害达到了一个相当高水平，应当引起政府和学术界的共同关注。

表5 重金属污染潜在生态危害指数与污染程度的划分标准

表6 住宅区灰尘重金属污染评价结果

5 结论

(1)吉首市主要住宅区灰尘重金属Pb、Zn、Cu、Cr 、Cd 和Mn 含量的平均值分别为296.253 mg/kg、128.253 mg/kg、146.013 mg/kg、114.472 mg/kg、34.257 mg/kg 和396.729 mg/kg，均远远超出吉首市土壤环境背景值。定量确定吉首市主要住宅区重金属污染物的污染指数和综合污染指数的范围，得出重金属在吉首市市中心和乾州为较高污染，火车站为中等污染。

(2)分析和讨论结果表明，引起住宅区灰尘中重金属污染的主要原因是矿场的作业、工业生产和交通设施排放的尾气。对于吉首市主要住宅区的重金属污染，一方面要加强矿场开发、工业生产和车辆尾气的严格管理，减少外源性污染物的排放；另一方面要改善内源性环境，清除污染沉积物，以控制河流和土壤沉积物中重金属向大气中释放，避免形成二次污染；重金属含量的空间分布特征表现为：市中心、火车站和乾州灰尘重金属含量均高于砂子坳。

(3)运用潜在生态危害指数法评价住宅区灰尘单种重金属生态危害程度为：Cd > Cu > Pb > Zn > Cr；灰尘中重金属造成的潜在生态危害， 在吉首市25个主要住宅区中，生态危害都为极高。

(4)依据分析和评价结果，总体来说各重金属污染都极为严重，造成较大的影响。随着工厂和交通量的持续增大，住宅区灰尘重金属污染会日趋严重。有关部门应采取措施合理规划工业区，同时控制交通流量。监控住宅区灰尘中重金属元素的分布， 防止对居民区的进一步污染，以维持住宅区的干净环境系统。

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Heavy metal pollution and the ecological risk in dust of main residential district of Jishou City

Xin Jianfeng
(Huicheng District Environmental Monitoring Stationin Huizhou Ctiy of Guangdong Province, Huizhou 516001, China)

Heavy metal in dust from the main residential districts of Jishou city was studied and found at a high level of accumulation.The contents of Pb, Zn, Cu, Cr, Cd and Mn in the dust were 296.253 mg/kg, 128.253 mg/kg, 146.013 mg/kg ,114.47 mg/kg, 34.257 mg/ kg and 396.729 mg/kg respectively, which were 68.99 times, 71.29 times, 109.78 times, 10.46 times, 110.68 times and 52.82 times of the background value. Heavy metal in the city center, railway station and Qianzhou was higher than that in the Shazi Ao, indicating that the heavy metal content in the dust of the residential area may be mainly due to pollution caused by traffic and industry. The potential ecological hazards caused by single heavy metal were ranked as follows: Cd> Cu> Pb> Zn> Cr; the potential ecological hazards of heavy metals in the surveyed residential areas of Jishou city reached a considerable high level.

dust; heavy metal; potential ecological risk index; ecology risk assessment

2017-03-30； 2017-07-28修回

辛建峰(1984-)，男，硕士，中级工程师，主要从事环境监测及生态保护工作。E-mail：307134019@qq.com

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