淮南市城區地表灰塵重金屬分布特征及生態風險評價

范佳民，鄭劉根*，姜春露，程樺，陳永春

1. 安徽大學資源與環境工程學院礦山環境修復與濕地生態安全協同創新中心，安徽 合肥 230601；2. 煤礦生態環境保護國家工程實驗室，安徽 淮南232001

淮南市城區地表灰塵重金屬分布特征及生態風險評價

范佳民1，鄭劉根1*，姜春露1，程樺1，陳永春2

1. 安徽大學資源與環境工程學院礦山環境修復與濕地生態安全協同創新中心，安徽 合肥 230601；2. 煤礦生態環境保護國家工程實驗室，安徽 淮南232001

城市地表灰塵中重金屬會對人體健康和生態環境產生危害，為研究城市中不同功能區地表灰塵重金屬的含量和潛在生態危害水平，以典型煤炭資源型城市淮南市的地表灰塵為研究對象，采集工業區、商業區、交通區、文教區、居住區和公園綠地等6種功能用地共40個點位的地表灰塵。采用電感耦合等離子體發射光譜（ICP-OES）和DMA-80直接測汞儀測定Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的含量，分析其在不同功能區地表灰塵中的分布特征、相關性及可能的來源；并應用潛在生態危害指數法對重金屬在不同功能區的潛在生態危害進行評價。結果表明：1）淮南市地表灰塵中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的平均質量分數分別是202.59、74.63、62.74、110.69、0.57、35.82、12.18、50.95和0.105 mg·kg-1，其中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Hg的平均含量分別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，是中國土壤背景值的2.73、2.87、2.78、1.81、5.88、1.33、1.62倍。2）9種重金屬中，Zn和V的含量在不同功能區分布相對均勻，其他重金屬在不同功能區含量均表現出較明顯的空間異質性。3）不同功能區中，Zn、Pb、Cu、Ni、Co、V、Hg的平均含量在工業區最高，Cr和Cd的平均含量在交通區最高。4）不同重金屬的相關性表明，Zn、Pb、Cu、Cd、Ni等5種元素有同一來源，Co和V有同一來源。5）單項潛在生態危害系數大小為Cd＞Hg＞＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Zn＞Cr＞V。不同功能區9種重金屬復合生態危害均處于強生態危害水平（300≤RI＜600），其中工業區和交通區潛在生態危害水平最高。

地表灰塵；重金屬；分布特征；潛在生態風險評價；淮南市

城市是人類活動最為強烈的地區，其環境受到人類活動的深刻影響，工業生產、城市建設、交通和居民活動等導致大氣、土壤和城市地表灰塵中污染物大量富集。與城市土壤和大氣顆粒物相比，城市地表灰塵是一種物質組成和來源更為復雜的環境介質，是城市非點源污染的主要來源（王興明等，2012），也是威脅城市居民健康的重要潛在風險因素（唐榮莉等, 2012）。一方面，地表灰塵在一定的外動力條件下容易揚起，通過呼吸和皮膚接觸等途徑被人體吸收，在人體內被消化、吸收、積累，從而對人體健康產生危害（張一修等，2012；Lu等，2014）；另一方面，地表灰塵在降水的沖刷作用下進入水循環系統，對城市水環境造成間接污染（Zhao等，2010；Crosby等，2014）。

重金屬是地表灰塵中廣泛存在的環境物質，任何含量高的重金屬都會對生物體產生威脅。地表灰塵在外動力作用下“揚起-沉降-揚起”往復交替循環過程中，成為重金屬的重要遷移途徑，從而對城市環境質量和人體健康造成危害，其風險日益受到學術界的關注（張一修等，2012；Lu等，2014）。唐榮莉等對北京市道路灰塵重金屬研究發現，地表灰塵中重金屬Cr含量略高于土壤背景值，Cu、Pb均值為背景值的2～3倍，Cd含量幾乎超出背景值的5倍,說明地表灰塵受人類活動等外界干擾比較強烈（唐榮莉等，2012）。因此，開展地表灰塵重金屬研究意義重大。

淮南礦區被列為我國14個億t煤生產基地、6個煤電一體化基地之一。煤炭的開采和運輸過程產生的煤灰，以及燃煤電廠排放的飛灰是地表灰塵的重要來源，其中所含的重金屬會對周邊環境產生嚴重危害。目前，關于淮南市土壤、煤和矸石中重金屬的研究較多（鄭劉根等，2014；蔡峰等，2008；Sun等，2010），但有關淮南市地表灰塵中重金屬污染方面的研究鮮有報道。因此，本研究主要對淮南市地表灰塵中重金屬的分布特征進行研究，并采用潛在生態危害指數法對灰塵重金屬的污染狀況進行評價，以期為淮南市居民健康保護和生態城市建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

淮南市位于安徽省的中部偏北，淮河中游，東經116°21'21"～117°11'59"，北緯32°32'45"～33°00'24"。淮南地處亞熱帶與暖溫帶的過渡帶，年平均氣溫15.3 ℃，全年無霜期224 d，年平均降雨量937.2 mL。淮南市緣煤而建，是一座典型的礦業城市。煤炭遠景儲量444億t，探明儲量153億t。隨著煤炭工業的快速發展，淮南電力工業突飛猛進，境內有田家庵、平圩、洛河三大火力發電廠。

1.2 樣品采集

為更好的研究淮南市地表灰塵重金屬空間分布特征及其健康風險水平，根據產業布局、人類活動、交通流量等因素對研究區進行功能區劃并布點。將研究區劃分為工業區、商業區、交通區、文教區、居住區和公園綠地等六種主要類別，選擇具有代表性的樣品采樣點位（共計40個），采集不透水地面灰塵（圖1）。因為不透水地面灰塵容易隨風及交通等活動的擾動再次揚起，對人體產生危害。

圖1 淮南市地表灰塵采樣點分布圖Fig.1 The locations of dust sampling sites of Huainan city, China

地表灰塵樣品采集是在連續七天不降雨的條件下進行。利用塑料毛刷和塑料鏟子收集各點位不透水地面灰塵，并用自封袋保存。為獲得測試分析所需的樣品量，在每個樣點的5～7 m2范圍內，利用梅花布點法采集5個點位的灰塵，并充分混合代表該點樣品。同時記錄采樣點位經緯度和周邊環境特征。

1.3 樣品處理與分析測試

將采集的樣品置于實驗室內自然風干，除去毛發、石頭、香煙頭等雜物，過20目尼龍篩以獲得灰塵樣品。用四分法獲取10 g左右的灰塵樣品，放于瑪瑙研缽內研磨，直到所有樣品過100目塑料篩，得到測試重金屬所需樣品。灰塵樣品中Hg測定使用DMA-80直接測汞儀（意大利Milestone），稱取0.1 g左右灰塵樣品直接進樣測定；其他重金屬的測定采用鹽酸-硝酸-氫氟酸消解體系，使用儀器為ETHOS One微波消解儀（意大利Milestone,配MUT41消解罐及轉子），利用美國Perkin-Elmer公司生產的電感耦合等離子體發射光譜儀Optima8000測定。為保證測試結果的準確性，測試過程中加入國家土壤標準物質GSS-3進行質量控制，并且平均每10個樣品做1個平行樣（重復做3次）。結果顯示平行樣中重金屬相對標準偏差均小于10%，并且質控樣測定值均達到國家規定的精密度要求。

1.4 統計分析

灰塵重金屬含量數據采用軟件SPSS19.0和Origin8.5.1進行相關系數分析。

1.5 潛在生態風險評價方法

單個重金屬的污染系數（Cfi）：

單個重金屬的潛在生態危害系數（Eri）：

多種重金屬的潛在生態危害指數（RI）：

式中：Ci為重金屬i的實測濃度；Cni為重金屬i的評價參考值，選擇淮南市土壤背景值作為參考值；Tri為重金屬的毒性響應系數，被用來反映重金屬的毒性水平以及生物對重金屬的敏感程度，Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的毒性響應系數分別為1、5、5、2、30、5、5、2、40（Hakanson，1980; 徐爭啟等，2008）。重金屬污染潛在生態危害系數和生態危害指數分級標準列于表1。

2 結果與討論

2.1 地表灰塵中重金屬含量特征

2.1.1 地表灰塵中重金屬含量

淮南市區地表灰塵9種重金屬含量統計結果見表2。由表2可以看出，地表灰塵中9種重金屬的偏度系數都大于0，其中Zn、Cd、Ni、Co的分布接近正態分布，其他5種重金屬的數據呈正偏態分布。地表灰塵中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的平均質量分數分別是202.59、74.63、62.74、110.69、0.57、35.82、12.18、50.95和0.105 mg·kg-1,其中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Hg的平均含量分別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，是中國土壤背景值的2.73、2.87、2.78、1.81、5.88、1.33、1.62倍，說明重金屬已經出現一定程度的富集。灰塵中Cd的富集倍數明顯高于其他重金屬，可能與淮南市各大礦區煤及土壤Cd污染較為嚴重（王興明等，2012；Tang等，2013）有關。

表1 Eri, RI與污染程度間的關系Table 1 Relationship of Eri, RI and pollution level

表2 淮南市地表灰塵重金屬含量分布Table 2 Heavy metals concentration in urban dusts of Huainan

變異系數是用來判斷金屬是來源于自然因素還是人為因素，也可以判斷元素污染程度。變異系數越大，說明人為活動的干擾作用越強烈或污染越嚴重（張一修等，2011）。除Ni、Co、V變異系數較低外，其余重金屬的變異系數均高于35%，變異系數較高的重金屬是Pb和Cu，其余重金屬的變異系數較為接近，均在45%左右。由此可知，淮南市地表灰塵重金屬的含量受人類活動的干擾嚴重。與國內外一些城市相比，淮南市地表灰塵重金屬污染相對較輕，重金屬污染程度僅高于北京市和渥太華市。

2.1.2 不同功能區重金屬含量分布

圖2 淮南市不同功能區灰塵重金屬含量柱狀圖Fig. 2 Box plots of heavy metals concentrations in urban dusts in different land use areas of Huainan

圖2 表示重金屬（Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg）在淮南市不同功能區的富集水平。由圖2可知，不同功能區Zn和V的含量分布相對較為均勻，其他7種重金屬平均含量在不同功能區均表現出較為明顯的空間異質性。具體地說，Pb在工業區的平均含量最高，其他功能區的含量則較為接近；對于Cu，各功能區的含量差異較為明顯，并且在工業區的含量最高；對于Cr，除在交通區的含量明顯較高外，其他功能區的平均含量差異較小，張一修等對貴陽市區地表灰塵重金屬進行過研究，也發現Cr在交通區的含量最高（張一修等，2011）；Cd平均含量在交通區最高，并且工業區、商業區和居住區的含量較為接近，但都遠高于文教區和公園綠地，這與Cd主要來源于各種制造業、剎車里襯的磨損以及居住相對密集區有關（唐榮莉等，2012；劉春華和岑礦，2007）；Ni的平均含量的最高值出現在工業區，其次是商業區和文教區；Co平均含量在工業區最高，其次是商業區和公園綠地，交通區、文教區和居住區的含量較為接近；Hg的平均含量在工業區、商業區、文教區和公園綠地均超過了0.1 mg·kg-1，在居住區的平均含量最低。從整體來看，9種重金屬中有7種在工業區中平均含量最高。工業區采樣點附近多是一些化工廠，并且淮南市是一座煤炭型城市，含有多個大型火力發電廠，這些工廠可能對這些重金屬含量的貢獻較大。王金達等對沈陽市灰塵中Pb分布的研究結果發現Pb在工業區的含量最高，并且工業廢氣、廢水、廢渣是Pb的主要污染源（王金達等，2003）。

2.2 重金屬的相關性分析

地表灰塵重金屬的相關性見表3。由表3可知，灰塵中9種元素間存在兩組顯著的正相關關系，Zn-Pb-Cu-Cd-Ni和Co-V，即表示Zn、Pb、Cu、Cd、Ni等5種元素可能同一來源，Co和V有相似的來源。其中，Pb與Zn的相關系數為0.681，Pb與Cu的相關系數為0.661，Zn與Cu的相關系數為0.516。Pb-Zn-Cu之間的相關系數相對其他重金屬之間的相關性要高，在一定程度上反應了Pb、Zn、Cu更具有相似的來源，說明他們的高值或許來自同一影響源或以復合污染的形式出現累積。由于Pb與Cd主要來源于不同污染源排放的廢氣（Banerjee，2003），并且Pb與Cd在工業區和交通區的含量較高，因此初步判斷導致灰塵中Pb與Cd含量偏高的原因是燃煤電廠排放的飛灰、汽車尾氣排放等因素。

表3 地表灰塵重金屬的相關性分析（n=40）Table 3 correlation coefficients of metals in urban dusts

表4 淮南市地表灰塵重金屬潛在生態風險評價結果Table 4 The results of potential ecological risk assessment of heavy metals in street surficial dust of Huainan

2.3 潛在生態風險評價

2.3.1 潛在生態危害水平

淮南市地表灰塵中單個重金屬在各個采樣點的潛在生態危害系數、單個重金屬的平均潛在生態危害系數及9種重金屬的潛在生態危害指數見表4。淮南市地表灰塵單個重金屬的潛在生態危害系數及綜合生態危害指數的危害等級概率統計結果見表5。

表5 淮南市地表灰塵重金屬潛在生態危害級別概率統計Table5 Levels of heavy metals in the probability of potential ecological risk in street dust of Huainan

由表4可知，9種重金屬平均潛在生態危害系數大小順序為Cd＞Hg＞＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Zn＞Cr＞V，其中Cd是最主要的生態風險因子。出現Cd和Hg的平均潛在生態危害系數遠高于其他重金屬元素，一方面是由于Cd和Hg的生態毒性系數值要遠高于其他重金屬元素，另一方面是淮南市Cd和Hg的重金屬富集程度較高。9種重金屬潛在生態危害指數最小值屬于輕微生態危害等級，最大值處于很強生態危害，平均值的污染程度屬于強生態危害水平。

從表5可以看出，重金屬Zn、Cr、Ni、Co、V百分之百處于輕微生態危害水平；Pb和Cu基本上處于輕微生態危害等級，分別只有5%和2.5%的樣點處于中等危害水平；Hg處于輕微生態危害、中等生態危害、強生態危害、很強生態危害、極強生態危害的比例分別為7.5%、35%、45%、10%和2.5%，大部分處于中等生態危害和強生態危害；淮南市地表灰塵中Cd的生態危害指數最高，危害水平均處于強生態危害及以上，其中有55%的處于強生態危害，32.5%的處于極強生態危害，再次驗證了Cd是淮南市地表灰塵中危害最大的因子。從9種重金屬的復合生態危害指數來看，淮南市生態環境總體處于強生態危害等級，并且有部分區域存在很強重金屬生態危害。

2.3.2 潛在生態危害空間分布特征

不同功能區單個重金屬潛在生態危害系數最大的是Cd，其中商業區、交通區和居住區處于極強生態危害水平，工業區、文教區和公園綠地處于很強生態危害水平，這與Cd的毒性系數較大以及不同功能區Cd污染嚴重有關。其次是Hg，其中工業區、商業區、交通區、文教區和公園綠地處于強生態危害水平，居住區則處于中等生態危害水平。而6個功能區Zn、Pb、Cu、Cr、Ni、Co、V則均處于輕微生態危害水平（表6）。由此可以看出，對淮南市地表灰塵進行污染治理時，首要關注的應該是Cd和Hg元素。從不同功能區的9種重金屬復合生態危害指數（RI）來看，各功能區都處于強生態危害水平，其中工業區和交通區潛在生態危害水平最高。

表6 淮南市不同功能區潛在生態風險評價結果Table 6 Levels of heavy metals in the probability of potential ecological risk in different land use areas of Huainan

3 結論

1）淮南市地表灰塵重金屬Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Hg的平均含量均高于淮南市土壤背景值以及中國土壤背景值，其中以Cd富集水平最高。Zn、Pb、Cu、Ni、Co、V、Hg的平均含量在工業區最高，Cr和Cd的平均含量在交通區最高。工業區多是一些化工廠和大型燃煤電廠，造成多種重金屬污染嚴重。

2）淮南市地表灰塵中Zn、Pb、Cu、Cd、Ni等5種元素有同一來源，Co和V有同一來源。Pb-Zn-Cu之間的相關系數相對其他重金屬之間的相關性要高，在一定程度上反應了Pb、Zn、Cu更具有相似的來源，說明他們的高值或許來自同一影響源或以復合污染的形式出現累積。

3）9種重金屬的平均潛在生態危害系數大小順序為Cd＞Hg＞＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Zn＞Cr＞V，其中Cd是最主要的生態風險因子。不同功能區單個重金屬的潛在生態危害系數最大的是Cd，其中商業區、交通區和居住區處于極強生態危害水平，工業區、文教區和公園綠地處于很強生態危害水平。從不同功能區的9種重金屬復合生態危害指數（RI）來看，各功能區都處于強生態危害水平，其中工業區和交通區潛在生態危害水平最高。

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Distribution and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Urban Dusts of Huainan city

FAN Jiamin1, ZHENG Liugen1*, JIANG Chunlu1, CHENG Hua1, CHEN Yongchun2

1. School of Resources and Environmental Engineering, Collaborative Innovation Center for Mines Environmental Remediation and Wetland Ecological Security, Anhui University, Hefei 230601, China; 2. National Engineering Laboratory of Coal Mine Ecological Environment Protection, Huainan 232001, China

Heavy metals in urban dust are harmful to human health and environment. In order to investigate the contents and potential ecological risk of heavy metals, urban dust samples in typical coal resource-based Huainan city were collected from forty points covering six functional zones, i.e. industrial areas, commercial areas, traffic areas, educational areas, residential areas and public landscapes. Total contents of Zn, Pb, Cu, Cr, Cd, Ni, Co, V and Hg were measured by inductively coupled plasma-optical emission spectrometer (ICP-OES) and direct mercury analyzer (DMA-80). Distribution characterizations, correlations and possible sources of Zn, Pb, Cu, Cr, Cd, Ni, Co, V and Hg were analyzed. Potential ecological risk index was adopted to estimate the potential ecological risk of heavy metals in urban dust of six functional zones. Our study shows that: 1) the average concentrations of Zn, Pb, Cu, Cr, Cd, Ni, Co, V and Hg were 202.59, 74.63, 62.74, 110.69, 0.57, 35.82, 12.18, 50.95 and 0.105 mg·kg-1; Zn, Pb, Cu, Cr, Cd, Ni and Hg were 3.47, 3.17, 2.04, 1.21, 9.50, 1.12 and 2.56 times higher than the Huainan soil background values, respectively, and 3.47, 3.17, 2.04, 1.21, 1.12 and 2.56 times higher than Chinese background values, respectively. 2) The concentrations of Zn and V in different functional zones were rather evenly distributed, whereas the rest elements were distributed with large spatial heterogeneity. 3)Zn, Pb,Cu, Ni, Co, V and Hg were ranked as the top toxic elements in industrial area, and Cr and Cd were ranked as the top toxic elements in traffic area. 4) The corrections among heavy metals indicated that Zn, Pb, Cu, Cd and Ni shared common sources; so did Co and V. 5) The descending order of pollution degrees of the individual metals is: Cd＞Hg＞＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Zn＞Cr＞V. Heavy metals in urban dusts of different functional zones reached the strong ecological risk levels, industrial areas and traffic areas reached the highest.

urban dusts; heavy metal; distribution characteristics; potential ecological risk assessment; huainan city

X14

A

1674-5906（2014）10-1643-07

范佳民，鄭劉根，姜春露，程樺，陳永春. 淮南市城區地表灰塵重金屬分布特征及生態風險評價[J]. 生態環境學報, 2014, 23(10): 1643-1649.

FAN Jiamin, ZHENG Liugen, JIANG Chunlu, CHENG Hua, CHEN Yongchun. Distribution and ecological risk assessment of heavy metals in urban dusts of Huainan city [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1643-1649.

國家“十二五”科技支撐計劃課題(2012BAC10B02)；國家自然科學基金項目(41373108)；煤礦生態環境保護國家工程實驗室科技攻關項目(HKKY-JT-JS2012)；安徽省自然科學基金項目(1208085ME66)；安徽省教育廳重點基金項目(KJ2012A022)

范佳民（1989年生），男，碩士研究生，從事礦山生態環境與區域生態安全研究工作。E-mail: ahufjm@163.com

*通信作者：鄭劉根(1972年生)，副教授，博士，主要從事環境科學與工程教學科研工作。E-mail：lgzheng@ustc.edu.cn

2014-09-01