南京不同功能区街道路面积尘重金属污染评价与源分析

张 云，张宇峰，胡 忻

1.南京工业大学环境学院，江苏 南京 210009

2.南京大学现代分析中心，生命分析化学教育部重点实验室，江苏 南京 210093

南京不同功能区街道路面积尘重金属污染评价与源分析

张 云1，张宇峰1，胡 忻2*

1.南京工业大学环境学院，江苏 南京 210009

2.南京大学现代分析中心，生命分析化学教育部重点实验室，江苏 南京 210093

以南京不同功能区(商业区、居住区、交通区、风景区、文教区、工业区和城乡结合区)的街道路面积尘为研究对象，测定其w(Cd)，w(Cr)，w(Cu)，w(Ni)，w(Pb)，w(Zn)，w(Mn)，w(As)，w(V)，w(Fe)和w(Ti).通过富集因子法和综合污染指数法评价重金属污染水平，采用主因子分析法分析重金属可能的污染源.富集因子法评价结果表明，Cr和Ni为中度富集，其中Cr在商业区的富集程度最大，Ni在工业区的富集程度最大.Cd，Cu，Pb，Zn和As为显著富集，其中Cd在居住区的富集程度最大，Cu，Pb，Zn和As在商业区的富集程度最大.内梅罗综合污染指数法评价结果表明，Cr在警戒限内，属于尚清洁;Cu，Ni和Zn属于轻度污染;Cd为重度污染.不同功能区的内梅罗污染指数各不相同，如商业区、居住区和交通区的Pb，Zn，Ni和Cd的内梅罗污染指数较高.主因子分析结果显示，污染可能来自3个方面:Ni，Mn，Fe，Ti和V可能来自于当地的土壤;Cd，Cu，Pb，Zn和As可能来自于混合源;Cr可能来自于石化工业源.

街道路面积尘;重金属;主因子;富集因子

Abstract:Thirty-five samp les of dust deposited on roads were collected from seven different land-use zones(commercial，residential，traffic，scenic，educational，industrial and suburban)in Nanjing，China.The contents of metals(Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn，Mn，As，V，Fe and Ti)in these samples were determined.An assessment of heavy-metal contamination was conducted by the methods of enrichment factor and Nemerow pollution index.Principal component analysis was applied to the data matrix to identify the possible pollution sources of themetals.The enrichment factor results showed that Cr and Ni had moderate enrichment，in which the highest Cr enrichment was in the commercial zone，and the highest Ni enrichment was in the industrial zone.Cd，Cu，Pb，Zn and As were significantly enriched in the studied samples，in which the highest Cd enrichmentwas in the residential zone，and the highest Cu，Pb，Zn and As enrichmentswere in the commercial zone.The Nemerow pollution index results showed that Cr was below the safe threshold，belonging to still clean，while Cu，Ni and Zn represented mild pollution and Cd represented severe pollution in the studied samples. The Nemerow pollution indices in the different land-use zones were different from each other.The Nemerow pollution indices for Pb，Zn，Ni and Cd were relatively higher in the commercial，residential and traffic zones.Principal factor analysis showed that heavymetal contamination in dust deposited on these roads was likely from three sources.Ni，Mn，Fe，Ti and V were likely from local soil.Cd，Cu，Pb，Zn and As were likely from mixed sources.Cr was likely from petroleum industry sources.

Keywords:road deposited dust;heavy metal;principal factor;enrichment factor

环境中重金属污染来源非常广泛，如汽车排放、工业排放及其他人类活动排放等［1-3］.富含重金属的大气颗粒物沉降到街道路面等形成街道路面积尘，而街道路面积尘在外动力作用下又容易扬起，沉降、扬起、沉降往复交替循环，对环境和人类健康可能造成严重危害;同时又可以通过地表径流污染水生态系统［4-6］.因此，街道沉积物中重金属的污染研究及其风险评价具有重要意义.

南京近年来城市化和工业化发展迅速，工业排放和汽车尾气排放使其重金属污染日益严重.许多学者对南京市土壤、沉积物、湖水以及植物中的重金属污染状况进行了研究［7-10］.迄今为止，对于城市街道路面积尘重金属污染状况的研究较少［11］.因此，开展南京市街道路面积尘重金属污染负荷的调查，明确南京街道路面积尘重金属污染现状，对于南京市环境污染防治、环境质量评价等具有非常重要的意义.笔者分析了南京不同功能区街道路面积尘中的w(Cd)，w(Cr)，w(Cu)，w(Ni)，w(Pb)，w(Zn)，w(Mn)，w(Fe)，w(As)，w(Ti)和w(V)，利用富集因子法和内梅罗指数法来评价南京街道路面积尘的污染程度，并同时利用主因子分析法来分析重金属污染的可能途径，以期为南京市环境质量控制与重金属污染评价提供参考.

1 材料与方法

1.1 样品采集

采集灰尘样品，首先要考虑的是天气因素.一般是在天气保持晴朗、干燥至少3 d后，选择晴朗无风的天气进行灰尘样品的采集.这样采集的样品不易结块，成分不易损失，利于分析.采样点的设置根据文献［4］的报道，结合南京市现状，选择7个功能区，主要分为商业区、居住区、交通区、风景区、文教区、工业区和城乡结合区.于 2009年10月16日和20日分别在南京7个功能区的硬化街道采用文献［12］的方法(使用便携式吸尘器)，分别采集了5个街道路面积尘样品〔商业区(S1～S5)、居住区(S6～S10)、交通区(S11～S15)、风景区(S16～S20)、文教区(S21～S25)、石化工业区(简称工业区，S26～S30)和城乡结合区(S31～S35)〕.样品采集后放入密实袋中，同时标记好采样时间和地点.具体采样位置见图1.

图1 采样点位置Fig.1 Map for sampling sites

1.2 样品处理与分析

样品采集带回实验室后，除去样品中大的石块、树叶、烟头和头发等杂质，过250目(＜63μm)尼龙网筛.过筛后的样品用密实袋保存，用以分析重金属总量.

重金属总量分析方法:利用Milestone Ethos1微波仪消解样品，设定2个步骤，第1步骤在15 m in内升至210℃，第2步骤是恒温20 min继续消解.将样品移入高压密封消化罐的聚四氟乙烯内胆中，加入3 m L HNO3，6 m L HF和0.5 m L HClO4酸消解，冷却后将溶液倒入聚四氟乙烯烧杯中继续消解蒸至近干，定容待测.

消解过程中所用试剂均为优级纯，所用器皿用6 mol/L的硝酸在超声波清洗器内清洗15 min，并用二次去离子水清洗3遍后，在烘箱内烘干.重金属总量采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES，Optima5300DV，PerkinElmer，USA)和电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Elan9000，PerkinElmer，USA)测定.

1.3 数据分析

运用统计软件SPSS 13.0对数据进行处理和统计分析(主因子分析).

2 结果与讨论

表1 不同功能区街道路面积尘中的重金属质量分数Table 1 Heavy metal concentrations in road deposited sediments from different zones

2.1 不同功能区街道路面积尘中重金属总量的分布

不同功能区街道路面积尘中重金属(Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn，Mn，Fe，As，Ti和V)的总量见表1.由表1可以看出，w(Fe)，w(Ti)，w(Mn)和w(Zn)普遍较高.不同功能区重金属的质量分数各不相同，w(Zn)和w(As)在商业区(S1～S5)最高，平均值分别达到 514和 15.1 mg/kg，在风景区(S16～S20)为最低.w(Pb)和w(Cd)在居住区(S6～S10)最高，平均值分别为142.1和1.461 mg/kg;在文教区(S21～S25)和风景区为最低，平均值分别为57.7和0.862 mg/kg.而w(Cr)，w(Ni)，w(Mn)，w(Fe)，w(Ti)和w(V)在工业区(S26～S30)达到最高，平均值分别为195.6，133.9和956 mg/kg，以及 5.90%，0.534%和 90.5 mg/kg.w(Cu)和w(Ni)在风景区最低，平均值分别为71.8和34.7 mg/kg.w(Cr)，w(Fe)，w(Mn)和w(V)在文教区较之其他区为最低，平均值分别为 87.2 mg/kg，2.48%，498 mg/kg和65.7 mg/kg.w(Ti)在商业区最低，为0.339%.从总体上看，商业区、工业区的含量高，交通区(S11～S15)、居住区、城乡结合区(S31～S35)次之，风景区和文教区相对较低.比较南京市土壤背景值［13］可知，w(Cu)，w(Pb)，w(Zn)，w(Ni)和w(Cd)的平均值都高于背景值.用均值T检验统计分析样品元素含量与其土壤背景值差异，w(Cd)，w(Cr)，w(Cu)，w(Ni)，w(Pb)，w(Zn)，w(As)和w(V)与背景值呈极显著差异(P＜0.01)，w(Mn)呈显著差异(P＜0.05)，w(Ti)和w(Fe)无显著差异(P＞0.05).其中，路面积尘中w(Cd)，w(Cr)，w(Cu)，w(Ni)，w(Pb)，w(Zn)和w(As)的平均值分别是背景值的8.69，1.61，5.51，2.10，3.94，6.29和1.34倍，表明存在不同程度的重金属富集.

2.2 污染评价

2.2.1 富集因子法

富集因子法用于评价街道路面积尘重金属的富集水平.富集因子数学表达式为［14-15］:

EF=(X/Y)样品/(X/Y)参考样式中，X为重金属质量分数，mg/kg;Y为标准化元素质量分数，mg/kg.

选择Fe作为参比元素，主要考虑Fe在地壳中丰度高，占地壳元素总量的4.75%，在中性和碱性环境中Fe的溶解度低，不易迁移;Fe的生物利用度也很低，性质较为稳定.采用大陆上层地壳元素含量作为参比含量［16］.不同功能区各重金属元素的EF值见表2.CHESTER等［17］认为，EF大于10表示主要来自人为污染.从表2可以看出，不同功能区的重金属污染水平也略有不同，商业区普遍较高，平均来看，Cd和 As的富集系数大于10，分别为12.6和 10.2，表明人类活动的影响较为明显.而SUTHERLAND等［18］认为，EF大于2就表示其来自人为污染，并将其分为5个级别:＜2为无污染或轻微污染;2～5为中度富集;＞5～20为显著富集;＞20～40为强烈富集;＞40为极强富集.从表2可以看出，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn和 As的人为影响较大，其中 Cr和 Ni为中度富集，Cr在商业区的富集程度最大，Ni在工业区的富集程度最大.Cd，Cu，Pb，Zn和As为显著富集，其中，Cd在居住区的富集程度最大，Cu，Pb，Zn和 As在商业区的富集程度最大.

表2 不同功能区重金属富集系数Table 2 Enrichment factor of heavy metals in road deposited sediments from different zones

2.2.2 内梅罗综合污染指数法

目前环境质量标准中没有城市不同功能区路面积尘的评价标准，因此选用我国《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)的二级标准值作为重金属污染评价的质量标准，计算了35个采样点各重金属内梅罗污染指数，结果如表3所示.按照内梅罗污染指数，划定5个污染等级［19］.从表3可以看出，Pb和As的内梅罗污染指数平均值均小于0.7，说明该元素未受污染，环境质量良好.Cr的内梅罗污染指数平均值在0.7～1之间，说明Cr在警戒限之内，属于尚清洁.Cu，Ni和 Zn的内梅罗污染指数平均值在1～2之间，说明街道沉积物中这3种元素属于轻度污染.而Cd的污染指数平均值大于3，说明南京市街道沉积物中已受到Cd的重度污染.从表3也可以看出，不同功能区的内梅罗污染指数各不相同，如Pb，Zn，Ni和Cd，一般都是商业区、居住区和交通区较高，这些地区都是人为活动比较强烈的地区，说明这些重金属元素受人为影响较大.

表3 不同功能区重金属内梅罗污染指数Table 3 Nemerow pollution index of heavy metals in road deposited sediments from different zones

2.3 统计分析污染源的可能来源

在南京街道路面积尘中，重金属质量分数各不相同，有的甚至相差很大，但是如果它们之间存在相关关系，即表示它们可能来自同一污染源［20-21］.对南京不同功能区街道路面积尘重金属进行主因子分析来确定其可能污染源.主因子分析表明，南京街道路面积尘中重金属污染主要受3个主因子控制，这3个主因子对总方差的贡献率分别为 46.8%，27.0%和7.60%，累积方差贡献率大于81.0%.

为了使3个主因子更易于解释，对初始因子载荷矩阵进行方差最大旋转后得到表4.从表4可以看出，不同主因子上的系数各不相同，说明它们每组的来源都不一样.主因子1(PC1)中 Ni，Mn，Fe，Ti和V的系数较大，说明第1主因子在Ni，Mn，Fe，Ti和V上有大的载荷系数，因为Fe，Mn，Ti和V是土壤重要元素，所以第1主因子的来源解释为自然源，可能来自于当地的土壤.主因子2(PC2)中Cd，Cu，Pb，Zn和 As的系数较大，说明第2主因子在 Cd，Cu，Pb，Zn和 As上有大的载荷系数.主因子 3 (PC3)中Cr的系数较大.说明PC2和PC3的来源可能为人为源，PC2可能来自于混合源(汽车尾气和工业源);而PC3中的Cr可能来自于石化工业源，南京的扬子石化和金陵石化都是大型企业，而且从表1可以看出，工业区w(Cr)为最高.ZHANG等［4］研究报道，A l，Fe，Co，Mn，Cr和Ni来自土壤，Cu和Cd为人为源，Pb污染来自机动车含铅汽油的使用. KARTAL等［6］也报道了 Cu，Ni，Cd，Co，Cr和 Zn来自工业源，Mn来自土壤，Pb来自机动车含铅汽油的使用.这些与该研究结果较为相似.

表4 街道路面积尘中重金属因子载荷矩阵Table 4 Varimax rotated principal component(PC)loadings and communalities for the street sediment samp les

3 结论

a.各功能区的w(Cu)，w(Pb)，w(Zn)，w(Ni)和w(Cd)都较高，从总体上来看重金属为交通区、工业区、商业区 ＞居住区、城乡结合区 ＞风景区和文教区.

b.对街道路面积尘重金属总量进行的污染评价结果表明，Cr和Ni为中度富集，其中Cr在商业区的富集程度最大，Ni在工业区的富集程度最大. Cd，Cu，Pb，Zn和As为显著富集，其中，Cd在居住区的富集程度最大，Cu，Pb，Zn和As在商业区的富集程度最大.内梅罗污染指数表明，Cr在警戒限内，属于尚清洁;Cu，Ni和Zn属于轻度污染;而Cd属于重度污染.不同功能区的内梅罗污染指数各不相同，如Pb，Zn，Ni和Cd，一般都是商业区、居住区和交通区较高.

c.对街道路面积尘中各金属元素进行了主因子分析，结果显示，污染可能来自3个方面:Ni，Mn，Fe，Ti和V可能来自于当地的土壤;Cd，Cu，Pb，Zn和As可能来自于混合源;Cr的可能来源是石化工业源.

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Assessm ent o f Heavy Metal Contam ination and Source Identification of Dust Deposited on Roads Collected from Different Land-Use Zones in Nanjing

ZHANG Yun1，ZHANG Yu-feng1，HU Xin2

1.School of Environment，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China
2.Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science(M inistry of Education)，Center of Material Analysis，Nanjing University，Nanjing 210093，China

X820.2

A

1001-6929(2010)11-1376-06

2010-06-04

2010-08-06

国家自然科学基金项目(20607010);国家自然科学基金创新研究群体项目(20821063)

张云(1986-)，女，江苏丹阳人，karolyun@163.com.

*责任作者，胡忻(1971-)，男，安徽六安人，副教授，博士，主要从事环境化学分析、元素形态与生物有效性研究，huxin@nju.edu.cn