城市積塵重金屬污染特征研究進展*

孟久靈，周　飛，陳棉彪，房　平，張麗娟，黃楚珊，王小嬌，胡國成

(1 西安工程大學，陜西　西安　710048；2 環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東　廣州　510655)

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特稿

城市積塵重金屬污染特征研究進展*

孟久靈1,2，周飛1，陳棉彪2，房平1，張麗娟2，黃楚珊2，王小嬌2，胡國成2

(1 西安工程大學，陜西西安710048；2 環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東廣州510655)

城市積塵是城市地區(qū)多個污染源排放的污染物聚集的匯，又是引起城市地區(qū)及周邊大氣、水體和沉積物的二次污染源，因此積塵與人類健康、環(huán)境質量密切相關。綜述了國內外關于城市積塵中重金屬污染特征的研究進展，內容主要包括城市積塵重金屬來源及分析；城市積塵重金屬的環(huán)境危害；城市積塵重金屬的暴露特征。最后提出了要統(tǒng)一積塵重金屬化學形態(tài)分析法、制定適合評價城市積塵重金屬污染生態(tài)風險的方法、將城市積塵的研究與其他環(huán)境介質相結合起來、定量分析積塵重金屬的來源等的展望。

城市積塵；重金屬；環(huán)境危害；暴露特征；化學形態(tài)

城市積塵一般是指沒有凝結在一起，易被外力如風、雨、地表徑流帶動的小于20目的細顆粒物[1]，存在于地面及城市各種建筑物的裸露面上。而且，積塵是一種多個污染物聚集在一起的混合體，其來源復雜，并且是城市環(huán)境中其他多種污染物的載體[2-3]，攜帶了大量重金屬，在環(huán)境中發(fā)生轉化、遷移，形成重金屬災害鏈。由以上對城市積塵的描述可知，首先，積塵在風力、機動車碾壓及人群活動等的作用下會再次懸浮起來，從而進入到空氣中，人體通過呼吸和皮膚接觸將其吸收，進而產生健康危害，因為兒童有更多的手-口活動及免疫力低下等這些原因，更容易受到積塵中污染物的危害[4-6]；其次，在雨季，積塵跟隨雨水的流動，形成非點源污染，對水體造成危害，進而污染城市水環(huán)境[7-8]。

國外于20世紀70年代中期，開始了城市積塵重金屬污染的研究，1975年，Day在Nature雜志上發(fā)表了“城市街道灰塵中的鉛(Lead in urban street dust)”一文[9]。國內對城市積塵環(huán)境污染問題的研究始于1996年杜佩軒等[10]在西安市開展城市積塵環(huán)境污染的研究，起步較晚。隨著城市積塵環(huán)境問題的日益突出，人們近幾年對城市積塵中重金屬的賦存形態(tài)、粒徑組成、時空分布特征、礦物成分、含量、來源、環(huán)境效應的研究已有了一定的進展。

1　城市積塵重金屬來源及分析

國內外的研究表明，交通、工業(yè)、城市建設是城市積塵中重金屬的主要來源[11-14]。汽車尾氣催化轉換器、地面、輪胎、剎車里襯的磨損，機動車汽油、柴油、潤滑油的燃燒等是主要的交通污染源。表1列出了機動車汽油、柴油、輪胎中重金屬含量[15]。各種金屬加工廠的廢氣排放是主要的工業(yè)污染源。城市建筑物建設過程中揚起的灰塵、建筑材料的老化、建筑物受到腐蝕的金屬部分是主要的城市建設污染源[16]。表2[18]為不同污染源排放的主要元素。

表1　輪胎、柴油、汽油中重金屬含量Table 1　Heavy metal contents in tyre, diesel and gasoline 　 (mg·kg-1)

注：-表示未檢出[17]。

表2　各種污染源排放的特征元素Table 2　Characteristic elements from all kinds of pollution resources

常用于分析城市積塵重金屬來源的統(tǒng)計學方法有：聚類分析、相關性分析、主成分分析、因子分析等[l9]。通過相關性、主成分分析，Anju等[20]得出不同污染源所排放的廢氣是城市積塵中Pb、Cd的主要來源，交通、工業(yè)污染是Zn的來源，工業(yè)污染是Ni、Cu、Cr的主要來源。利用多種統(tǒng)計分析方法相結合的手段，如主成分分析法、聚類分析法、多元素結合分析法，城市積塵中的重金屬元素被劃分為三類主要污染源[21]：自然源、混合源、城市源。利用因子分析法，劉春華[22]等得到北京市積塵主要來源于建筑材料及廢棄物、工業(yè)污染、交通排放、與成土母質地質背景有關的土壤顆粒的再遷移和懸浮。

2　城市積塵重金屬的環(huán)境危害

城市積塵的污染效應被杜佩軒等[23]歸結為五種類型：動力污染、地理污染、物質污染、循環(huán)污染和人體污染。以動力源造成的污染叫做動力污染。風會形成高強度、大面積、多位置的城市積塵污染，即面型污染。在交通樞紐區(qū)和繁華商業(yè)區(qū)，人類活動引起的積塵污染稱為線型污染，因其具有沿交通線、街道、人流分布的特點。點污染是指突發(fā)性發(fā)生于局部的污染，如在環(huán)境清潔中和城市建設中被揚起的塵土。因此，由于外動力的作用，城市積塵形成了具有偶然性、持久性、潛在性的點、線、面污染，并且線型污染中積塵重金屬含量高，組成復雜，所以線型污染在這3種污染中產生的危害最大。城市積塵搬運和循環(huán)引起的污染稱作循環(huán)污染。城市積塵是含有多種重金屬及其它有害物質的污染物，地下水因為積塵中的重金屬和可溶性離子滲入地下而被污染；研究發(fā)現(xiàn)有些郊區(qū)農作物會用城市污水污灌，而城市污水會被溶入到地表徑流的積塵所污染，因此積塵會對土壤和農作物造成危害；由于降雨及地表徑流的作用，城市積塵會淤積在下水道和排污區(qū)成為淤泥，作為農作物追肥的淤泥進入農作物、土壤、人體循環(huán)系統(tǒng)。城市積塵通過這些不合理的遷移循環(huán)進入食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)，進而增強了積塵的循環(huán)污染效應。在城市環(huán)境災害發(fā)生過程中，積塵具有傳遞、引發(fā)等作用(圖1)[19]。城市積塵對人體產生的直接污染和間接污染被稱為人體污染。因為城市積塵的粒徑小于1 mm，通過一些外力作用，易再次懸浮到空氣中，且積塵中含有大量重金屬，人體通過呼吸和皮膚接觸將其吸收，進而產生健康危害，尤其對兒童的危害更大[24]。有研究表明[25-28]，含鉛汽油燃燒后排放的尾氣中含有大量的鉛，吸附在城市積塵中，極顯著地增加了城市積塵中重金屬Pb的含量；因為兒童會有更多的手-口行為，因此兒童在戶外公共場所玩耍的過程中，比較容易經過手-口途徑攝入大量的積塵，所以兒童血鉛的一個重要的潛在污染源之一就是城市積塵中的重金屬鉛。

圖1　城市積塵在環(huán)境中的媒介作用

3　城市積塵重金屬的暴露特征

3.1城市積塵重金屬的含量水平及分布特征

近年來，國內外很多學者均展開了對城市積塵重金屬污染的研究。國外的研究者測定分析了安哥拉的羅安達、西班牙的阿維萊斯、美國的紐約、韓國的蔚山、英國的倫敦、土耳其的伊斯坦布爾、新西蘭的漢密爾頓等城市積塵中重金屬的含量。我國學者調查研究了沈陽、香港、鄭州、上海、北京、長春市、西安、烏魯木齊、合肥等城市積塵重金屬的污染情況。結果表明，由于受到一些人為活動的影響(如交通運輸、城市建設、工業(yè)活動等)，大量重金屬進入到了積塵中，導致其重金屬含量明顯高于土壤背景值。相比較而言，城市積塵中的Pb、Zn的含量最高，接下來是Cu、Cr，Cd、Ni的含量最低。表3列出了國內外各大城市積塵中重金屬Cu、Pb、Zn、As、Hg、Cd、Cr、Ni的含量；由此可見，含有大量重金屬的城市積塵，這一污染源已不能被忽視，因為含有較高水平重金屬的積塵對人體健康存在著較大的危害。

由于受到人為活動、氣候變化的影響，因而隨著時間的變化，積塵中重金屬的含量也會發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)[32]，土壤、大氣、積塵等環(huán)境載體中的鉛濃度會發(fā)生季節(jié)性變化，而兒童血鉛濃度也隨之出現(xiàn)季節(jié)性變化。通過對韓國首爾衛(wèi)星城鎮(zhèn)土壤和積塵的研究，Chon等[33]發(fā)現(xiàn)雨季過后積塵重金屬濃度會有所下降，在污染嚴重的地區(qū)下降幅度更大。楊梅等[34]采集了貴陽市冬季不同時段家庭燃煤煤塵和城市積塵，測定樣品中Pb、Cd、As、Cu、Zn、Ni等重金屬，發(fā)現(xiàn)Cu和Pb含量表現(xiàn)為晚冬>初春>初冬，As含量在初冬和晚冬時段均大于初春，其余重金屬在3個時間段的變化不明顯。張菊等[19]通過分析上海3個小城鎮(zhèn)積塵中Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni等重金屬在不同季節(jié)的平均含量，發(fā)現(xiàn)重金屬Cr、Ni夏季濃度高，春季濃度低。

表3　國內外不同城市積塵中重金屬質量濃度Table 3　Heavy metal concentrations in dust in different city 　 (mg/kg)

注：“-”表示無該種元素的數(shù)據(jù)。

“點、線、面”三者相結合的空間分布特征是城市積塵重金屬污染的顯著特點。城市積塵重金屬的含量往往在車輛經常處于滯速狀態(tài)的十字路口位置偏高，如主干道的十字路口處Pb、As、Hg元素的高值經常會出現(xiàn)，空間上叫做點狀分布[35-37]；線型分布研究的是城市積塵重金屬在交通道路的沿程分布；根據(jù)其作用，可將某一區(qū)域劃分為工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、文教區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、城市綠地等，面型分布即區(qū)域型分布就是研究某一特定區(qū)域的。線型分布和面型分布關系密切，因為面型的研究要以線型的研究特征來體現(xiàn)，而線型的研究需要與其所處的區(qū)域特征相結合。成都市的積塵中重金屬Cr的濃度在一環(huán)低，二、三環(huán)和外環(huán)沿線的濃度相當；Ni、Zn在二環(huán)沿線高；Cd由一環(huán)向外環(huán)逐漸降低[35]。研究伊斯坦布爾E-5高速公路上積塵中重金屬的濃度，Naim等[38]發(fā)現(xiàn)其濃度均高于該地區(qū)土壤中重金屬的最大濃度。通過對沈陽市積塵中重金屬的研究，王金達等[25]發(fā)現(xiàn)沈陽市區(qū)積塵中鉛的平均含量是220.06 mg/kg，范圍是19.58～2809.90 mg/kg，高于對照點的鉛含量；沈陽市工業(yè)區(qū)的鉛濃度最高，其次是商業(yè)區(qū)，接下來是二類混合區(qū)，再是一類混合區(qū)，最后是居民文教區(qū)，各功能區(qū)的鉛含量均高于對照區(qū)。通過對沙特阿拉伯Riyadh市6種功能區(qū)(鄉(xiāng)村、市區(qū)、郊區(qū)、交通區(qū)、老工業(yè)區(qū)、新工業(yè)區(qū))的室內外積塵中重金屬的研究，AlRajhi等[27]發(fā)現(xiàn)交通區(qū)積塵中Pb濃度較高，并發(fā)現(xiàn)汽車尾氣排放是積塵重金屬的主要貢獻者，同時也發(fā)現(xiàn)老工業(yè)區(qū)積塵中各重金屬的含量較高。

3.2城市積塵重金屬的化學形態(tài)與生物活性

城市積塵中重金屬對環(huán)境所造成的危害程度主要由其化學活性決定[39]，而其化學活性由其化學形態(tài)決定，因此對重金屬治理和緩解的具體方法需根據(jù)其化學形態(tài)的含量來制定。目前常用于分析積塵重金屬化學形態(tài)的方法是Tessier[40]連續(xù)提取法。Charlesworth等[41]通過對英國 Coventry 鎮(zhèn)積塵中重金屬Pb、Cd、Cu、Zn、Ni化學形態(tài)的研究，發(fā)現(xiàn)積塵中可交換態(tài)重金屬、碳酸鹽結合態(tài)重金屬會因外界環(huán)境條件的變化(如pH)再次釋放到環(huán)境中污染環(huán)境。因此積塵中重金屬的生物活性可根據(jù)交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)重金屬所占總量的百分比來判定。常靜等[2]研究了上海市中心城區(qū)城市積塵中重金屬的化學形態(tài)，發(fā)現(xiàn)Pb主要為鐵猛結合態(tài)存在，Cu和Cd則以有機態(tài)為主；Zn以碳酸鹽態(tài)為主；Cr、Ni以殘渣態(tài)為主。重金屬活性形態(tài)比例依次為Zn>Pb>Ni>Cd>Cu>Cr。

4　展　望

(1)標準的重金屬化學形態(tài)分析法

國內外有許多重金屬化學形態(tài)的分析方法，但研究發(fā)現(xiàn)形態(tài)結果會受到提取方法和藥品的影響，使得數(shù)據(jù)無法相比；在樣品制備過程中，重金屬形態(tài)易發(fā)生變化；離心、振蕩中易流失樣品，引起誤差[42]，因而需要深入研究出一個標準的重金屬化學形態(tài)分析法。

(2)制定適合評價城市積塵重金屬污染生態(tài)風險的方法

城市積塵重金屬的評價方法基本都是借鑒于沉積物和土壤等的方法，如單因子評價法、地累積指數(shù)評價法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、富集因子評價法等，但這些評價方法沒有一個是專門應用于城市積塵重金屬的評價，所以需要更進一步地研究出適合評價城市積塵重金屬污染生態(tài)風險的方法。

(3)將城市積塵的研究與其他環(huán)境介質相結合起來

雖然城市積塵具有分布范圍廣、污染物質大多來自區(qū)域內部短時間內的累積[30]、對區(qū)域的環(huán)境狀況有良好的指示作用、采樣容易、與非點源污染關系密切等典型特征[43]，但積塵的研究也需與其環(huán)境介質結合起來，這樣就能互為補充，互相證明，全面具體地反映某一區(qū)域的污染情況，對于城市環(huán)境的管理有著重要的指導意義。

(4)定量分析積塵重金屬的來源

一般來講，城市積塵重金屬的來源很復雜，因此目前國內外學者對于城市積塵的來源分析還主要是統(tǒng)計學上的分析(如空間分析、多元統(tǒng)計、富集因子、環(huán)境磁學、主成分、聚類、因子判別等)和定性的描述，因此定量分析積塵重金屬的來源對于防治其污染是非常重要的。

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Research Progress on the Pollution Characteristics of Heavy Metal in Urban Dust*

MENG Jiu-ling1,2, ZHOU Fei1, CHEN Mian-biao2, FANG Ping1, ZHANG Li-juan2,HUANGChu-shan2,WANGXiao-jiao2,HUGuo-cheng2

(1 Xi’an Polytechnic University, Shaanxi Xi’an 710048; 2 South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangdong Guangzhou 510655, China)

Urban dust is more than the sink of emissions of urban areas pollutants, and the secondary pollution lead to atmosphere, water and sediment of urban areas and its surrounding, so the dust is closely related to human health and the environmental quality. An overview of research progress on the pollution characteristics of heavy metal in urban dust in domestic and abroad was generalized, mainly including sources and analysis methods of heavy metals in urban dust, the damage of heavy metals in urban dust to the environment, exposure characteristics of heavy metals in urban dust. Finally it was proposed to unify chemical speciation analysis method of heavy metals in urban dust, formulate the method of ecological risk assessment of urban dust heavy metal pollution, combine the research of urban dust with other environmental media, analyze quantitatively of the source of heavy metal of urban dust, etc.

urban dust; heavy metals; environmental hazards; exposure characteristics; chemical speciation

國家環(huán)保公益性行業(yè)專項(201309049)。

孟久靈(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：環(huán)境風險評價。

胡國成。

X5

A

1001-9677(2016)014-0001-04