乌鲁木齐市大气降尘中重金属的分布特征

张克磊 朱建雯 魏 疆

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052;2.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046)

降尘是大气中粒径大于10μm，因重力和降雨，在短时间内沉降到地面或建筑物表面的颗粒物［1］。大气降尘不仅对生态环境产生物理侵害，更重要的是产生化学危害，并可产生二次污染［2］，因此越来越多的学者研究经呼吸系统进入的重金属及其对健康的影响。近年来发达国家［3-5］和亚洲部分地区［6］在大气重金属沉降方面的研究较多，国内研究相对较少。以往研究表明大气降尘来源具有多样性，包括土壤风沙尘、燃煤尘、交通尘等［7-8］。虽然少量重金属(如Cu、Zn)对人体没有毒害影响，但某些重金属(如Pb、Cd)即使少量也会对人体有严重的影响［9］。刘梦潇［10］在乌鲁木齐市近年来大气降尘变化规律及趋势一文中指出乌鲁木齐市的降尘量呈现下降的趋势，但是乌鲁木齐市的降尘仍然超标严重。刘玉燕［11］等人对乌鲁木齐市地表灰尘中的重金属研究结果表明，乌市地表灰尘中重金属的含量均很高。王亚宇［12］研究了乌鲁木齐市土壤重金属空间分布及行道树对重金属的富集特征，结果表明乌鲁木齐市土壤中重金属主要来源于工业、交通、城市垃圾、城市污水污泥以及冬季燃煤的影响。针对大气降尘中重金属对人体健康的危害及乌鲁木齐市未进行大气降尘特征调查研究的现状，于2012年3月至4月，在乌鲁木齐城区采用重量收集法收集5个区域的大气降尘样品，分析不同区域大气降尘中重金属的分布特征。利用地积类指数法，讨论了大气降尘中的重金属污染程度。为全面了解乌鲁木齐市的空气质量状况和该市的大气污染治理以及城市规划提供决策参考。

1 研究方法

1.1 采样点的布置

根据城市功能区的划分，在不同的功能区共布置了5个环境监测点(图1)，分别在商业区(人流量大，商业活动比较频繁)、居民区(位于南湖片区，已建成的商住小区为主)、文化区(以教学区为主，周边有集中供热锅炉)、米东区(小工业布局较多，属于工业区)、郊区(以农田为主，零星分布着个别小工厂)。

图1 乌鲁木齐市环境质量监测定位

1.2 样品的采集与分析

采用重量收集，将聚丙烯材料的桶型集尘缸置于距离地面约15米高的空旷的楼顶。桶内加入定量的乙二醇，用来防止动植物尸体的腐烂以及冬天防冻，采样时间为30±2天。

将降尘缸中的样品转移到500ml的烧杯中，用蒸馏水将降尘缸中的沉降物全部洗出来，并用不锈钢镊子将烧杯内的杂物取出来用蒸馏水进行冲洗。将烧杯转移到电热板上，把温度调到400℃，待烧杯中的溶液还剩10～20ml时再将烧杯从电热板上取下，待冷却，将烧杯中的液体转移到事先已恒重(在105℃条件下)好的瓷缸锅中，把缸锅转移到电热板上面继续加热，直到缸锅中的水分完全蒸发掉，将坩埚中的颗粒物转移到塑料封口袋中并将塑料封口袋放入恒温箱备用。

称取0.1g的沉降物，放入事先已用1%的硝酸泡过的聚四氯乙烯试管中，加入适量的蒸馏水(将试管壁上的颗粒物冲到试管底部，以便消解)，然后加入8mlHNO3+2mlHF+1mlHCLO4，并将小漏斗盖在试管口上(以免液体溅出)。将试管转移到温度为250℃的消煮炉上进行消煮，直到液体变为无色。将试管从消煮炉上取出，待试管冷却，然后把试管内的无色液体转移到100ml的容量瓶中定容，把定容好的液体转移到用1%的硝酸浸泡过的塑料瓶内备用。

用ICP—AES(电感耦合等离子体原子发射光谱)测样品中的重金属含量。

1.3 数据的处理

相关数据利用EXECL软件进行分析和处理，利用ArcGIS软件制作重金属污染分布图。

这里采用地积累指数评价乌鲁木齐市大气降尘中重金属的污染程度。地积累指数(Geoaccumula-tion Index)最早由德国海德堡大学沉积物研究所Muller(1969)提出，是一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标，被广泛应用于研究现代沉积物、土壤中重金属的污染评价。地积累指数的计算公式为Igeo=log2(Cn/Bn)，式中Cn表示元素n在沉积物中的含量(mg/kg)，Bn表示沉积物中该元素的地球化学背景值，地积累指数的分级［13］标准如表1所示。

表1 地积类指数法分级

2 结果

2.1 大气降尘中不同功能区重金属的空间分布及含量分析

不同区域内降尘中的重金属分布如图2所示。由于不同区域的人类活动、工业企业分布、交通情况等均不相同，因此，不同区域的大气污染程度也会有所差异。通过利用ArcGIS软件进行分析，可以发现重金属中浓度最高的是Zn元素，Cd元素的含量最低。从图中可以看出元素Cd、As在米东区的污染程度比他功能区的更严重，Mn在居民区的含量比较高，其他区域基本变化很小，而Ni和As的浓度在各个功能区含量基本相等。Cr元素含量最高的是郊区，商业区和居民区Cr元素的含量基本相同并处于中间位置，文化区和米东区较低。Cu、Pb元素在商业区、文化区、居民区的含量明显高于其在米东区和郊区的含量。乌鲁木齐市大气降尘中重金属的空间分布为商业区＞米东区＞居民区＞文化区＞郊区的这一分布特征，大气降尘中重金属含量高低依次为Zn＞Mn＞As＞Ni＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd。这说明交通源是造成重金属含量升高的主要原因，是本市重要的污染源，而工业尘是本市空气的第二污染源。商业区流动人口和车辆停泊较多，因此，降尘中重金属的含量要稍高于其他区域。居民区和文化区由于受到周边其它功能区的影响，与郊区比较，重金属的含量较高。

2.2 大气降尘重金属富集程度

试验分析得出乌鲁木齐市大气降尘中Ni、Mn、As元素的含量范围变化较小，浓度分别为土壤背景值［14-15］的4.1、0.4、0.19 倍，且变异系数较小(表2)。降尘中重金属元素Cr、Cu、Zn、Cd、Pb含量范围变化较大，均表现出不同程度的富集。元素富集程度由高到低依次As＞Cd＞Zn＞Ni＞Pb＞Cu＞Cr＞Mn。

通过地积类指数计算得出乌鲁木齐各功能区大气降尘中重金属元素的地积类指数如图3所示。

由图3可以看出重金属元素Mn的地积类指数值小于0，说明乌鲁木齐大气降尘中的Mn没有受到污染。元素Cr、Cu在各功能区的地积类指数值都在0～1之间，表明该元素受到了轻微的污染，除郊区Cu元素Igeo＜0，说明该元素在郊区没有收到污染。元素Ni、Pb的地积类指数值在1～2之间，该元素的污染程度为中等污染。元素Zn、Cd的Igeo在2～3之间，且文化区、商业区、居民的Igeo明显接近于3，则说明该区的污染程度比其他2个区的严重，Cd元素在米东区的Igeo大于3，表明Cd元素在米东区的污染程度相对其他功能区更加严重。元素As的Igeo在3～4之间，且更接近于4，属于重污染。

2.3 分析与讨论

由于城市不同区域人类活动、产业分布、交通情况等存在着差异性，导致各功能区间降尘中重金属浓度的差异，说明不同区域间大气污染程度存在不同。

大气污染物是伴随着乌鲁木齐市经济社会的发展而产生的，然而经济社会发展中能源消耗所排放的污染物是造成大气污染物浓度增加的主要原因。但产业结构和社会生活在城市区域内分布不均势必造成能源消耗和污染物排放的不均衡特性［16］，所以乌鲁木齐的大气沉降中重金属的空间分布总体表现为商业区＞米东区＞居民区＞文化区＞郊区。造成这一分布的主要原因是，商业区处于繁华地段，持续的车流量使得二次扬尘污染加重，同时汽车的尾气对大气污染物的来源也有一定的影响。米东区是正在建设中的工业区，工业区三废的排放是造成空气污染的主要原因。居民区和文化区降尘量较少，这得益于乌鲁木齐在过去的大气污染治理中采取的集中供暖、热电联产以及加大大型除尘设施有关［17］。

图2 乌鲁木齐市不同功能区大气降尘中重金属元素分布

表2 乌鲁木齐市大气降尘中重金属的含量

图3 不同功能区重金属元素的地积类指数

乌鲁木齐的春季还处在采暖期，能源的消耗量比较大，尤其是煤的燃烧必然会对大气降尘中重金属的来源产生一定影响，最明显的就是元素As［18］。乌鲁木齐大气降尘中重金属As的含量已明显超出当地土壤背景值，说明As的来源明显的受到了人为因素的影响，地积类指数也说明乌鲁木齐市大气降尘中重金属元素As的污染最严重。由相关分析［19］得出 Pb、Ni、Cu、Zn与 As有相同的来源，所以Pb、Ni、Cu、Zn的来源受到了燃煤的影响。

伴随着城市化进程的发展，乌鲁木齐机动车的数量随之迅速增加，机动车尾气的排放以及城市建筑活动和城市生活垃圾的燃烧必然会对大气环境造成一定的危害。研究认为汽车尾气，冶金化工，垃圾燃烧，建筑等人类活动向大气输送Pb［20］。由相关分析得出大气降尘中Pb、Ni、Cu、Zn、As的来源不仅与燃煤有关还与汽车尾气，垃圾燃烧，建筑等人类活动排放有关。

3 结论

通过对乌鲁木齐市大气降尘重金属元素含量分布特征的研究，可以得出以下结论:

第一，乌鲁木齐市大气春季降尘中重金属的含量高低依次为Zn＞Mn＞As＞Ni＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd。

第二，不同功能区降尘中 Pb、Cd、Cu、Zn、As、Cr、Ni、Mn的浓度有显著差异，其高低排序为:商业区＞工业区区＞居民区＞文化区＞郊区。这说明机动车尾气排放和工业污染物排放对乌鲁木齐市城区降尘中重金属含量有着一定的贡献。

第三，乌鲁木齐大气降尘中除元素Mn之外，其他的重金属元素都受到了不同程度的污染，其中元素As受到重污染，Zn、Cd受到中等污染，Ni、Pb、Cr、Cu受到了轻微污染。

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