西安市汽车站地表灰尘中重金属的污染评价及其来源识别

田东凡, 卢新卫, 景一鸣, 张 蒙, 罗 润

(陕西师范大学 旅游与环境学院, 陕西 西安 710119)

西安市汽车站地表灰尘中重金属的污染评价及其来源识别

田东凡, 卢新卫, 景一鸣, 张 蒙, 罗 润

(陕西师范大学 旅游与环境学院, 陕西 西安 710119)

[目的] 研究西安市长途汽车站地表灰尘中重金属的主要成分、可能来源及其污染水平,为改善汽车站内及周边环境现状提供科学依据。[方法] 利用X-Ray荧光光谱仪对西安市内20个具有代表性的汽车站地表灰尘中Cu,Mn,Ni,Pb,V和Zn的元素含量进行分析,采用地积累指数法及潜在生态风险指数法评价灰尘重金属的污染水平及环境风险,利用主成分分析。聚类分析等方法来研究城市汽车站地表灰尘中重金属的主要成分及其可能来源。[结果] Cu,Pb,Zn均在不同程度上超过陕西省土壤背景值,其含量的平均值分别为36.3,107.7,113.5 mg/kg。地积累指数法评价表明,除Pb为中度污染以外,其余元素均为无污染;潜在生态风险指数法表明,西安汽车站地表灰尘中的重金属元素处于中等污染水平,具有中等潜在生态风险。[结论] Cu,Mn和Ni主要来自于自然源和交通源,Pb和Zn主要来自汽车尾气的排放及零部件的磨损,V则主要来自于自然源。

汽车站; 地表灰尘; 重金属; 多元统计分析; 潜在生态风险指数

文献参数： 田东凡，卢新卫，景一鸣，等.西安市汽车站地表灰尘中重金属的污染评价及其来源识别[J].水土保持通报，2017,37(1)：034-038.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.006； Tian Dongfan, Lu Xinwei, Jing Yiming, et al. Assessment of heavy metal pollution and source identification in surface dust at urban coach stations in Xi’an City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：034-038.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.006

城市灰尘主要是指附着、淀积于人工铺地(道路、桥面、街道、广场)及地面附着物、建筑物的裸露面上，未被固化粘结，且易于被地表径流、雨水及大气带动、运移和飘浮的粒径小于20目(<0.840 mm) 的固体颗粒物[1]。灰尘中常常积累了大量对人体有毒有害的物质(如重金属、多环芳烃等)[2-4]，其在风力、降水、机动车和人群活动等条件影响下，可重新发生移动，也可通过呼吸道直接进入人体内，对生态环境以及居民身体健康造成严重危害。

由于汽车的大量普及，城市的大规模发展以及第二产业的飞速发展，产生了一系列有毒有害的污染物，重金属污染尤为严重[5-6]。自1975年Day等[7]开始研究城市灰尘以来，世界各地相继开展了一系列的城市灰尘污染研究，涉及到灰尘中重金属的含量、形态、来源及健康风险等内容。重金属因具有持久性和难降解性，被称为“化学定时炸弹”[8]。由于其累积效应明显，重金属的环境危害较大。

随着中国城市化水平的不断提高，城市地表灰尘的来源变得越来越复杂多样，其主要来源之一即为机动车排放[9]。由此可见交通是城市地表灰尘中重金属的重要来源，汽车尾气中含有大量的重金属，而汽车站是人们密集活动的重要场所之一，因此，汽车站及其周边的地表灰尘中的重金属可以对人体健康产生不良影响。目前，中国重金属的研究多涉及道路街尘[10-11]、工业灰尘[12]、休息娱乐场所灰尘[13]等，但对城市汽车站地表灰尘中重金属的研究较少。西安市是中国16个特大城市之一，城市发展快，人口密度大，交通流量大，车站数量较多。本文拟选取西安市内20个具有代表性的长途汽车站，采样并分析其地表灰尘中重金属Cu,Mn,Ni,Pb,V和Zn的元素含量，利用地积累污染指数法、潜在生态风险指数法对其进行环境风险评价，利用主成分分析、聚类分析等方法研究其地表灰尘中重金属的主要成分及其可能来源，旨在为改善汽车站内及周边环境现状提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

根据西安城市交通区分布和人口流动状况，在全市范围内选择了20个长途汽车站，分别为高陵客运站、蓝田县汽车站、纺织城客运站、临潼汽车站、阎良长途客运站、周至汽车站、周至尚村客运站、长安区客运站、水司客运站、引镇客运站、户县汽车站、户县汽车北站、户县汽车南站、威远客运站、三府湾客运站、城西客运站、城北客运站、城南客运站、西安汽车站、西安长途客运站。在每个汽车站随机采集3～5个位点的地表灰尘(总量不少于500 g)，采样在至少连续7 d为晴天后进行，以确保样品的代表性。利用塑料刷和塑料铲子采集灰尘，并用聚乙烯塑料袋密封包装。

将采集好的街尘样品带回实验室，使其在通风、避光、室温的条件下自然风干1～2周，过10目(2 mm)的尼龙筛，去除砂砾、石子、植物根茎等外来可见杂物，然后将样品分成2份，其中一份过20目筛子(0.9 mm)后装袋并做好标记，用于测量基本理化指标；另一份取约10 g，用于测定重金属的全量。

1.2 样品分析与质量控制

称取4 g处理后的样品，放入磨具内，将其拨平，用硼酸将周围填满，使用半自动压样机(YYJ-60型，长春光机研究所)于30 t压力下压制成以硼酸衬底镶边的圆片状待测物品，用X-Ray荧光光谱仪(PW2403，荷兰帕纳科仪器公司)测定样品中的Cu,Mn,Ni,Pb,V和Zn的含量。在分析过程中，采用GSS1标准物质进行质量控制，将其误差控制在5%以内。

1.3 评价方法

目前，国内外尚无统一的城市灰尘重金属污染风险评价的标准方法，本文采用地积累污染指数法和潜在生态风险指数法对西安汽车站地表灰尘进行污染和生态风险评价，评价指标为Cu,Mn,Ni,Pb,V和Zn。

1.3.1 地积累污染指数法 地积累污染指数法是由德国海德堡大学沉积物研究所的Müller于1969年提出[14]，现广泛应用于街尘中重金属含量的评价。其公式为：

IGeo=log2〔Ci/(k×Bi)〕

(1)

式中：IGeo——地积累污染指数；Ci——汽车站地表灰尘中重金属含量的实测值(mg/kg)；Bi——所测元素的背景值，本文选取陕西省土壤背景值；k——常数，k=1.5。地积累污染指数可划为7个等级，即：0—6级(表1)[15]。

1.3.2 潜在生态风险指数法 潜在生态风险指数法是由瑞典学者Lars Håkanson在1980年提出，用于评价重金属污染及生态风险性的一种方法[16]。其计算公式为：

(2)

表1 地积累污染指数分级

(3)

式中:Cd——重金属污染指数。

(4)

(5)

式中:ER——综合重金属元素潜在生态风险系数。

重金属污染评价指标及其污染程度具体数值如表2所示。

表2 潜在生态风险指数分级

2 结果与分析

2.1 西安市汽车站地表灰尘中重金属浓度水平

西安市汽车站地表灰尘中重金属含量测试统计结果见表3。由表3可见，西安汽车站地表灰尘中Cu,Pb,Zn,V,Mn和Ni的平均含量分别为36.3,107.7,113.5,46.8,296.2和23.2 mg/kg。与陕西省土壤背景值相比，Cu,Pb和Zn,的平均含量均超过陕西土壤背景值，而Mn,Ni和V的平均含量均低于陕西土壤背景值。Cu,Pb,Zn和Ni的变异系数(标准差/平均值)较大，表明各汽车站地表灰尘中这4种元素的含量差异大。同时，在所调查的灰尘样品中，Cu,Pb,Zn和Ni含量超过陕西土壤背景值的样品分别占到75%,100%,75%和15%。Cu,Pb,Zn这3种元素的平均值分别是陕西省土壤重金属背景值的1.37,5.03,1.64倍，说明这3种元素在西安汽车站地表灰尘中存在一定程度的积累，其中以Pb的积累最为严重。

表3 西安城市汽车站地表灰尘重金属含量

已有研究表明，福州市公交枢纽站地表灰尘中的重金属Cu,Pb,Zn,Mn,Ni的含量分别为138.96,112.73,113.4,670.93,23.2 mg/kg，浙江省城市汽车站地表灰尘中重金属Cu,Pb,Zn，Mn,Ni的含量分别为172.8,287.1,424.0,788,54.4 mg/kg。与福州市相比，Pb和Ni的含量两者相似，但Cu,Zn,Mn的含量西安市远低于福州市；与浙江省相比，该5种元素的平均含量西安市均远低于浙江省。

2.2 西安市汽车站地表灰尘中重金属元素的多元分析

2.2.1 相关性分析 利用SPSS 19.0统计软件对西安市汽车站地表灰尘中重金属的含量进行统计分析，从表4可见，在置信水平为0.01水平下，Cu-Ni,Mn-Ni,Pb-Zn的相关系数较高，呈显著正相关；在置信水平为0.05水平下，Cu-Zn的相关系数较高，呈显著正相关。

一般情况下Mn被看作是自然来源的特征元素，Cu-Ni和Mn-Ni之间相关系数较高，推测Mn,Ni这2种重金属主要受自然母质——全新世近期黄土的影响[18]。而西安市汽车站地表灰尘中Cu,Pb,Zn的含量与陕西省土壤背景值相比显著超标，推测这3种元素可能有相似的来源，且主要受人类活动的影响。

表4 西安市汽车站地表灰尘重金属含量的皮尔逊相关系数矩阵

注: **表示在0.01 水平(双侧)上显著相关; *表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

2.2.2 主成分分析 运用正交旋转法对西安汽车站地表灰尘中的重金属元素进行主成分分析，根据分析结果，西安市汽车站地表灰尘中的前5个因子的累计解释总方差为85.753%，各重金属元素在5因子上的载荷如表5所示。

如表5和图1所示，第1个主成分的贡献率为34.523%，Mn,Ni和Cu在第1主成分上有较高的正载荷，分别为0.872,0.837和0.695；第2个主成分的贡献率为30.386%，Pb和Zn在第2主成分上有较高的正载荷，为0.939和0.801；第3个主成分的贡献率为20.844%，V在第3主成分上有较高的正载荷，为0.953。

表5 西安市汽车站地表灰尘中重金属 含量主成分分析的旋转成分矩阵

金属元素主成分123变量共同度Cu0.6950.442-0.4530.883Mn0.872-0.1770.2670.863Ni0.8370.2700.1540.798Pb-0.0720.9390.1380.905V0.2180.0390.9530.957Zn0.2740.801-0.1530.739特征值2.0711.8231.251—解释总方差/%34.52330.38620.844—累计解释总方差/%34.52364.90985.753—

注:提取方法为主成分法；旋转法为具有 Kaiser 标准化的正交旋转法；旋转在6 次迭代后收敛。

2.2.3 聚类分析 对西安市汽车站地表灰尘中的重金属元素进行聚类分析，聚类树状图(图1)形象地反映了元素间的远近程度，可以帮助我们更好地了解不同重金属元素之间的亲疏关系。从图1可知，Cu,Mn,Ni为第1类，Pb和Zn为第2类，V为第3类。聚类分析结果与因子分析结果吻合。

2.2.4 来源分析 汽车站地表灰尘的化学组成成分不仅与当地交通状况有关，也受当地工业、生活等污染因素的影响[19]，上述分析结果表明，第Ⅰ主成分中Cu,Mn,Ni有较高的正载荷，Mn和Ni的平均含量均低于陕西省土壤重金属背景值，Cu的最小值也小于陕西省土壤重金属背景值，且Mn是成土母质的重要组成成分，故第Ⅰ主成分可能反映了地球化学成分的影响。Ni的最大值出现在城西客运站附近，为55mg/kg,是陕西省土壤重金属背景值的1.9倍，位于西安地铁1号线的出口附近，周边人流密度大，商贩众多，车流密集，所以Ni还与交通污染有一定关系，有研究表明，Ni主要来自汽车制动器衬片及其他零件[20]。Cu的主要来源之一即为交通污染，特别是汽车等金属零部件的磨损[21]，所以，Cu,Mn和Ni主要来自于自然源和交通源。

图1 基于平均联接(组内)的聚类分析

Cu,Pb和Zn元素的含量均显著高于陕西省土壤重金属背景值，说明西安市汽车站地表灰尘中这些重金属的状况已不再受当地土壤控制，而是存在人为的污染源，并以Pb和Zn的含量最高，污染最为严重。陕西土壤背景值中Pb和Zn的含量分别为21.4,69.4mg/kg，而Pb和Zn测量的平均值分别是背景值的5.03和1.64倍。又根据相关分析和主成分分析可知，Pb和Zn有共同的污染来源。汽车尾气的排放以及磨损的橡胶轮胎和刹车里衬，产生的重金属会吸附在地表颗粒物中[20,22]。Amato等[23]在对巴塞罗那<10 μm的地表颗粒物的进行分析时发现，重金属来源由刹车里衬贡献27%，矿物燃烧贡献37%，尾气排放贡献20%，轮胎磨损则贡献16%。李海燕等[24]认为，交通活动对地表灰尘重金属含量与分布的影响主要表现在交通流量及车辆行驶速度和变速频率上。结合汽车站的实际情况和采样点周边的环境状况分析可知，汽车尾气排放、零部件损耗以及车辆经常的刹车及停车等是造成Pb和Zn排放超标的主要原因，且Zn和Pb的地表吸附量与交通流量有正相关关系[25]。V的平均含量低于陕西省土壤重金属背景值，故推测V的主要来源即为自然源。

2.3 西安市汽车站地表灰尘中重金属元素的环境风险分析

2.3.1 基于地积累污染指数法的评价 图2是以陕西省土壤重金属背景值为评价参比，基于地积累污染指数法，由重金属元素的平均值所计算出的西安市汽车站地表灰尘中重金属污染的评价结果。

图2 地积累污染指数法评价结果

由图2知，西安市汽车站地表灰尘中重金属污染水平为:Pb>Cu>Zn>Ni>V>Mn，其中Cu,Zn,Ni,V,Mn均为无污染，而Pb则为偏中度污染。由Paniand等的研究可知，同一道路，在其车辆经常减速、刹车以及停车的区域，颗粒物的积累量和重金属的含量都会受到相应的影响，特别是会导致Pb的富集。

2.3.2 基于潜在生态风险指数法的评价 由表6可以看出，西安市汽车站地表灰尘中重金属元素多项污染系数的平均值为10.40，属于中等污染；潜在生态风险指数的平均值为41.21，属于中等风险。不同重金属元素的单项污染系数从大到小的顺序为:Zn>Cu>Pb>Ni>V>Mn，单项潜在生态风险系数从大到小的顺序为:Zn>Cu>Ni>Pb>V>Mn。

评价结果显示，在单项污染系数指标下，Zn的污染等级为较重，Cu和Pb为中等，Ni,V和Mn均为低污染等级。在潜在生态风险指数指标下，Zn的风险等级为强，其余元素均为轻微风险等级。

表6 西安市汽车站地表灰尘中重金属

3 结 论

(1) 重金属元素含量分析表明,西安市汽车站地表灰尘中Cu,Pb,Zn,V,Mn,Ni含量的平均值分别为36.3,107.7,113.5,46.8,296.2,23.2 mg/kg,其中Cu,Pb,Zn这3种元素的平均值分别是陕西省土壤重金属背景值的1.37,5.03,1.64倍,V和Mn的含量均未超标。

(2) 根据多元统计分析结果,西安市汽车站地表灰尘中的Cu,Mn和Ni主要来自于自然源和交通源,Pb和Zn主要来自汽车尾气的排放及零部件的磨损,V则主要来自于自然源。

(3) 地积累污染指数法评价表明,西安市汽车站地表灰尘中重金属的污染水平为:Pb>Cu>Zn>Ni>V>Mn,其中Cu,Zn,Ni,V,Mn均为无污染,而Pb则为中度污染。

(4) 潜在生态风险指数法评价表明,西安市汽车站地表灰尘中的重金属元素处于中等污染水平,具有中等潜在生态风险。Zn的污染等级为较重,Cu和Pb为中等,Ni,V和Mn均为低污染等级;Zn的潜在风险等级为强,其余元素均为轻微风险等级。

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Assessment of Heavy Metal Pollution and Source Identification in Surface Dust at Urban Coach Stations in Xi’an City

TIAN Dongfan, LU Xinwei, JING Yiming, ZHANG Meng, LUO Run

(CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710119,China)

[Objective] The objective of the study is to investigate heavy metal pollution and possible sources of heavy metals in surface dust in coach stations of Xi’an City, in order to provide support for improving the environment in coach stations of Xi’an City. [Methods] Dust samples were collected from 20 representative coach stations in Xi’an City and the concentrations of Cu, Mn, Ni, Pb, V, and Zn were measured by X-Ray fluorescence spectroscopy. Pollution level and environmental risk of heavy metals in the dust were assessed using the geo-accumulation pollution index and the potentially ecological risk index, respectively. Correlation coefficient analysis, principal component analysis and cluster analysis were used to identify the possible sources of these heavy metals. [Results] The mean content of Cu, Pb and Zn in the dust was 36.3, 107.7 and 113.5 mg/kg, respectively, which were significantly higher than their background values in soil in Shaanxi. The geo-accumulation index results indicated that the pollution level of Pb was medium, while other heavy metal pollution belonged to low-level. The potentially ecological risk index showed that the surface dust from coach stations was moderately polluted, and have medium ecological risk. [Conclusion] Source identification results suggest that Cu, Mn and Ni in the surface dust mainly came from nature and traffic, Pb and Zn mainly came from automobile exhaust emissions and worn-out parts, and V mainly came from the nature.

coach station; surface dust; heavy metal; multivariate statistical analysis; potentially ecological risk index.

2016-04-25

2016-06-13

国家自然科学基金项目“冶炼焦电工业区重金属与PAHs污染特征及人群健康风险研究”(41271510); 大学生创新创业训练计划项目(cx15041)

田东凡(1995—),女(汉族),山东省青岛市人,本科生,环境科学专业。E-mail:673854139@qq.com。

卢新卫(1968—),男(汉族),陕西省蓝田县人,博士,教授,主要从事环境污染与修复。环境评价与治理方面研究。E-mail:luxinwei@snnu.edu.cn。

A

1000-288X(2017)01-0034-05

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