淮南市城区地表灰尘重金属分布特征及生态风险评价

范佳民，郑刘根*，姜春露，程桦，陈永春

1. 安徽大学资源与环境工程学院矿山环境修复与湿地生态安全协同创新中心，安徽 合肥 230601；2. 煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南232001

淮南市城区地表灰尘重金属分布特征及生态风险评价

范佳民1，郑刘根1*，姜春露1，程桦1，陈永春2

1. 安徽大学资源与环境工程学院矿山环境修复与湿地生态安全协同创新中心，安徽 合肥 230601；2. 煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南232001

城市地表灰尘中重金属会对人体健康和生态环境产生危害，为研究城市中不同功能区地表灰尘重金属的含量和潜在生态危害水平，以典型煤炭资源型城市淮南市的地表灰尘为研究对象，采集工业区、商业区、交通区、文教区、居住区和公园绿地等6种功能用地共40个点位的地表灰尘。采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和DMA-80直接测汞仪测定Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的含量，分析其在不同功能区地表灰尘中的分布特征、相关性及可能的来源；并应用潜在生态危害指数法对重金属在不同功能区的潜在生态危害进行评价。结果表明：1）淮南市地表灰尘中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的平均质量分数分别是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的平均含量分别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，是中国土壤背景值的2.73、2.87、2.78、1.81、5.88、1.33、1.62倍。2）9种重金属中，Zn和V的含量在不同功能区分布相对均匀，其他重金属在不同功能区含量均表现出较明显的空间异质性。3）不同功能区中，Zn、Pb、Cu、Ni、Co、V、Hg的平均含量在工业区最高，Cr和Cd的平均含量在交通区最高。4）不同重金属的相关性表明，Zn、Pb、Cu、Cd、Ni等5种元素有同一来源，Co和V有同一来源。5）单项潜在生态危害系数大小为Cd＞Hg＞＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Zn＞Cr＞V。不同功能区9种重金属复合生态危害均处于强生态危害水平（300≤RI＜600），其中工业区和交通区潜在生态危害水平最高。

地表灰尘；重金属；分布特征；潜在生态风险评价；淮南市

城市是人类活动最为强烈的地区，其环境受到人类活动的深刻影响，工业生产、城市建设、交通和居民活动等导致大气、土壤和城市地表灰尘中污染物大量富集。与城市土壤和大气颗粒物相比，城市地表灰尘是一种物质组成和来源更为复杂的环境介质，是城市非点源污染的主要来源（王兴明等，2012），也是威胁城市居民健康的重要潜在风险因素（唐荣莉等, 2012）。一方面，地表灰尘在一定的外动力条件下容易扬起，通过呼吸和皮肤接触等途径被人体吸收，在人体内被消化、吸收、积累，从而对人体健康产生危害（张一修等，2012；Lu等，2014）；另一方面，地表灰尘在降水的冲刷作用下进入水循环系统，对城市水环境造成间接污染（Zhao等，2010；Crosby等，2014）。

重金属是地表灰尘中广泛存在的环境物质，任何含量高的重金属都会对生物体产生威胁。地表灰尘在外动力作用下“扬起-沉降-扬起”往复交替循环过程中，成为重金属的重要迁移途径，从而对城市环境质量和人体健康造成危害，其风险日益受到学术界的关注（张一修等，2012；Lu等，2014）。唐荣莉等对北京市道路灰尘重金属研究发现，地表灰尘中重金属Cr含量略高于土壤背景值，Cu、Pb均值为背景值的2～3倍，Cd含量几乎超出背景值的5倍,说明地表灰尘受人类活动等外界干扰比较强烈（唐荣莉等，2012）。因此，开展地表灰尘重金属研究意义重大。

淮南矿区被列为我国14个亿t煤生产基地、6个煤电一体化基地之一。煤炭的开采和运输过程产生的煤灰，以及燃煤电厂排放的飞灰是地表灰尘的重要来源，其中所含的重金属会对周边环境产生严重危害。目前，关于淮南市土壤、煤和矸石中重金属的研究较多（郑刘根等，2014；蔡峰等，2008；Sun等，2010），但有关淮南市地表灰尘中重金属污染方面的研究鲜有报道。因此，本研究主要对淮南市地表灰尘中重金属的分布特征进行研究，并采用潜在生态危害指数法对灰尘重金属的污染状况进行评价，以期为淮南市居民健康保护和生态城市建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

淮南市位于安徽省的中部偏北，淮河中游，东经116°21'21"～117°11'59"，北纬32°32'45"～33°00'24"。淮南地处亚热带与暖温带的过渡带，年平均气温15.3 ℃，全年无霜期224 d，年平均降雨量937.2 mL。淮南市缘煤而建，是一座典型的矿业城市。煤炭远景储量444亿t，探明储量153亿t。随着煤炭工业的快速发展，淮南电力工业突飞猛进，境内有田家庵、平圩、洛河三大火力发电厂。

1.2 样品采集

为更好的研究淮南市地表灰尘重金属空间分布特征及其健康风险水平，根据产业布局、人类活动、交通流量等因素对研究区进行功能区划并布点。将研究区划分为工业区、商业区、交通区、文教区、居住区和公园绿地等六种主要类别，选择具有代表性的样品采样点位（共计40个），采集不透水地面灰尘（图1）。因为不透水地面灰尘容易随风及交通等活动的扰动再次扬起，对人体产生危害。

图1 淮南市地表灰尘采样点分布图Fig.1 The locations of dust sampling sites of Huainan city, China

地表灰尘样品采集是在连续七天不降雨的条件下进行。利用塑料毛刷和塑料铲子收集各点位不透水地面灰尘，并用自封袋保存。为获得测试分析所需的样品量，在每个样点的5～7 m2范围内，利用梅花布点法采集5个点位的灰尘，并充分混合代表该点样品。同时记录采样点位经纬度和周边环境特征。

1.3 样品处理与分析测试

将采集的样品置于实验室内自然风干，除去毛发、石头、香烟头等杂物，过20目尼龙筛以获得灰尘样品。用四分法获取10 g左右的灰尘样品，放于玛瑙研钵内研磨，直到所有样品过100目塑料筛，得到测试重金属所需样品。灰尘样品中Hg测定使用DMA-80直接测汞仪（意大利Milestone），称取0.1 g左右灰尘样品直接进样测定；其他重金属的测定采用盐酸-硝酸-氢氟酸消解体系，使用仪器为ETHOS One微波消解仪（意大利Milestone,配MUT41消解罐及转子），利用美国Perkin-Elmer公司生产的电感耦合等离子体发射光谱仪Optima8000测定。为保证测试结果的准确性，测试过程中加入国家土壤标准物质GSS-3进行质量控制，并且平均每10个样品做1个平行样（重复做3次）。结果显示平行样中重金属相对标准偏差均小于10%，并且质控样测定值均达到国家规定的精密度要求。

1.4 统计分析

灰尘重金属含量数据采用软件SPSS19.0和Origin8.5.1进行相关系数分析。

1.5 潜在生态风险评价方法

单个重金属的污染系数（Cfi）：

单个重金属的潜在生态危害系数（Eri）：

多种重金属的潜在生态危害指数（RI）：

式中：Ci为重金属i的实测浓度；Cni为重金属i的评价参考值，选择淮南市土壤背景值作为参考值；Tri为重金属的毒性响应系数，被用来反映重金属的毒性水平以及生物对重金属的敏感程度，Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的毒性响应系数分别为1、5、5、2、30、5、5、2、40（Hakanson，1980; 徐争启等，2008）。重金属污染潜在生态危害系数和生态危害指数分级标准列于表1。

2 结果与讨论

2.1 地表灰尘中重金属含量特征

2.1.1 地表灰尘中重金属含量

淮南市区地表灰尘9种重金属含量统计结果见表2。由表2可以看出，地表灰尘中9种重金属的偏度系数都大于0，其中Zn、Cd、Ni、Co的分布接近正态分布，其他5种重金属的数据呈正偏态分布。地表灰尘中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的平均质量分数分别是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的平均含量分别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，是中国土壤背景值的2.73、2.87、2.78、1.81、5.88、1.33、1.62倍，说明重金属已经出现一定程度的富集。灰尘中Cd的富集倍数明显高于其他重金属，可能与淮南市各大矿区煤及土壤Cd污染较为严重（王兴明等，2012；Tang等，2013）有关。

表1 Eri, RI与污染程度间的关系Table 1 Relationship of Eri, RI and pollution level

表2 淮南市地表灰尘重金属含量分布Table 2 Heavy metals concentration in urban dusts of Huainan

变异系数是用来判断金属是来源于自然因素还是人为因素，也可以判断元素污染程度。变异系数越大，说明人为活动的干扰作用越强烈或污染越严重（张一修等，2011）。除Ni、Co、V变异系数较低外，其余重金属的变异系数均高于35%，变异系数较高的重金属是Pb和Cu，其余重金属的变异系数较为接近，均在45%左右。由此可知，淮南市地表灰尘重金属的含量受人类活动的干扰严重。与国内外一些城市相比，淮南市地表灰尘重金属污染相对较轻，重金属污染程度仅高于北京市和渥太华市。

2.1.2 不同功能区重金属含量分布

图2 淮南市不同功能区灰尘重金属含量柱状图Fig. 2 Box plots of heavy metals concentrations in urban dusts in different land use areas of Huainan

图2 表示重金属（Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg）在淮南市不同功能区的富集水平。由图2可知，不同功能区Zn和V的含量分布相对较为均匀，其他7种重金属平均含量在不同功能区均表现出较为明显的空间异质性。具体地说，Pb在工业区的平均含量最高，其他功能区的含量则较为接近；对于Cu，各功能区的含量差异较为明显，并且在工业区的含量最高；对于Cr，除在交通区的含量明显较高外，其他功能区的平均含量差异较小，张一修等对贵阳市区地表灰尘重金属进行过研究，也发现Cr在交通区的含量最高（张一修等，2011）；Cd平均含量在交通区最高，并且工业区、商业区和居住区的含量较为接近，但都远高于文教区和公园绿地，这与Cd主要来源于各种制造业、刹车里衬的磨损以及居住相对密集区有关（唐荣莉等，2012；刘春华和岑矿，2007）；Ni的平均含量的最高值出现在工业区，其次是商业区和文教区；Co平均含量在工业区最高，其次是商业区和公园绿地，交通区、文教区和居住区的含量较为接近；Hg的平均含量在工业区、商业区、文教区和公园绿地均超过了0.1 mg·kg-1，在居住区的平均含量最低。从整体来看，9种重金属中有7种在工业区中平均含量最高。工业区采样点附近多是一些化工厂，并且淮南市是一座煤炭型城市，含有多个大型火力发电厂，这些工厂可能对这些重金属含量的贡献较大。王金达等对沈阳市灰尘中Pb分布的研究结果发现Pb在工业区的含量最高，并且工业废气、废水、废渣是Pb的主要污染源（王金达等，2003）。

2.2 重金属的相关性分析

地表灰尘重金属的相关性见表3。由表3可知，灰尘中9种元素间存在两组显著的正相关关系，Zn-Pb-Cu-Cd-Ni和Co-V，即表示Zn、Pb、Cu、Cd、Ni等5种元素可能同一来源，Co和V有相似的来源。其中，Pb与Zn的相关系数为0.681，Pb与Cu的相关系数为0.661，Zn与Cu的相关系数为0.516。Pb-Zn-Cu之间的相关系数相对其他重金属之间的相关性要高，在一定程度上反应了Pb、Zn、Cu更具有相似的来源，说明他们的高值或许来自同一影响源或以复合污染的形式出现累积。由于Pb与Cd主要来源于不同污染源排放的废气（Banerjee，2003），并且Pb与Cd在工业区和交通区的含量较高，因此初步判断导致灰尘中Pb与Cd含量偏高的原因是燃煤电厂排放的飞灰、汽车尾气排放等因素。

表3 地表灰尘重金属的相关性分析（n=40）Table 3 correlation coefficients of metals in urban dusts

表4 淮南市地表灰尘重金属潜在生态风险评价结果Table 4 The results of potential ecological risk assessment of heavy metals in street surficial dust of Huainan

2.3 潜在生态风险评价

2.3.1 潜在生态危害水平

淮南市地表灰尘中单个重金属在各个采样点的潜在生态危害系数、单个重金属的平均潜在生态危害系数及9种重金属的潜在生态危害指数见表4。淮南市地表灰尘单个重金属的潜在生态危害系数及综合生态危害指数的危害等级概率统计结果见表5。

表5 淮南市地表灰尘重金属潜在生态危害级别概率统计Table5 Levels of heavy metals in the probability of potential ecological risk in street dust of Huainan

由表4可知，9种重金属平均潜在生态危害系数大小顺序为Cd＞Hg＞＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Zn＞Cr＞V，其中Cd是最主要的生态风险因子。出现Cd和Hg的平均潜在生态危害系数远高于其他重金属元素，一方面是由于Cd和Hg的生态毒性系数值要远高于其他重金属元素，另一方面是淮南市Cd和Hg的重金属富集程度较高。9种重金属潜在生态危害指数最小值属于轻微生态危害等级，最大值处于很强生态危害，平均值的污染程度属于强生态危害水平。

从表5可以看出，重金属Zn、Cr、Ni、Co、V百分之百处于轻微生态危害水平；Pb和Cu基本上处于轻微生态危害等级，分别只有5%和2.5%的样点处于中等危害水平；Hg处于轻微生态危害、中等生态危害、强生态危害、很强生态危害、极强生态危害的比例分别为7.5%、35%、45%、10%和2.5%，大部分处于中等生态危害和强生态危害；淮南市地表灰尘中Cd的生态危害指数最高，危害水平均处于强生态危害及以上，其中有55%的处于强生态危害，32.5%的处于极强生态危害，再次验证了Cd是淮南市地表灰尘中危害最大的因子。从9种重金属的复合生态危害指数来看，淮南市生态环境总体处于强生态危害等级，并且有部分区域存在很强重金属生态危害。

2.3.2 潜在生态危害空间分布特征

不同功能区单个重金属潜在生态危害系数最大的是Cd，其中商业区、交通区和居住区处于极强生态危害水平，工业区、文教区和公园绿地处于很强生态危害水平，这与Cd的毒性系数较大以及不同功能区Cd污染严重有关。其次是Hg，其中工业区、商业区、交通区、文教区和公园绿地处于强生态危害水平，居住区则处于中等生态危害水平。而6个功能区Zn、Pb、Cu、Cr、Ni、Co、V则均处于轻微生态危害水平（表6）。由此可以看出，对淮南市地表灰尘进行污染治理时，首要关注的应该是Cd和Hg元素。从不同功能区的9种重金属复合生态危害指数（RI）来看，各功能区都处于强生态危害水平，其中工业区和交通区潜在生态危害水平最高。

表6 淮南市不同功能区潜在生态风险评价结果Table 6 Levels of heavy metals in the probability of potential ecological risk in different land use areas of Huainan

3 结论

1）淮南市地表灰尘重金属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国土壤背景值，其中以Cd富集水平最高。Zn、Pb、Cu、Ni、Co、V、Hg的平均含量在工业区最高，Cr和Cd的平均含量在交通区最高。工业区多是一些化工厂和大型燃煤电厂，造成多种重金属污染严重。

2）淮南市地表灰尘中Zn、Pb、Cu、Cd、Ni等5种元素有同一来源，Co和V有同一来源。Pb-Zn-Cu之间的相关系数相对其他重金属之间的相关性要高，在一定程度上反应了Pb、Zn、Cu更具有相似的来源，说明他们的高值或许来自同一影响源或以复合污染的形式出现累积。

3）9种重金属的平均潜在生态危害系数大小顺序为Cd＞Hg＞＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Zn＞Cr＞V，其中Cd是最主要的生态风险因子。不同功能区单个重金属的潜在生态危害系数最大的是Cd，其中商业区、交通区和居住区处于极强生态危害水平，工业区、文教区和公园绿地处于很强生态危害水平。从不同功能区的9种重金属复合生态危害指数（RI）来看，各功能区都处于强生态危害水平，其中工业区和交通区潜在生态危害水平最高。

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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，郑刘根，姜春露，程桦，陈永春. 淮南市城区地表灰尘重金属分布特征及生态风险评价[J]. 生态环境学报, 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.

国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAC10B02)；国家自然科学基金项目(41373108)；煤矿生态环境保护国家工程实验室科技攻关项目(HKKY-JT-JS2012)；安徽省自然科学基金项目(1208085ME66)；安徽省教育厅重点基金项目(KJ2012A022)

范佳民（1989年生），男，硕士研究生，从事矿山生态环境与区域生态安全研究工作。E-mail: ahufjm@163.com

*通信作者：郑刘根(1972年生)，副教授，博士，主要从事环境科学与工程教学科研工作。E-mail：lgzheng@ustc.edu.cn

2014-09-01