中国降尘重金属的污染及空间分布特征

何予川，王明娅，王明仕，孟红旗，杨英，单满满

河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003

大气降尘是指依靠自身重力沉降到地面的颗粒物，其粒径一般大于10 µm（王赞红，2003），是大气污染的重要来源之一。不仅其本身是有害物质，还可能是其他有毒有害污染物的运载体、催化剂或反应床（胡恭任等，2013）。重金属作为降尘中的重要组分，它与生物有机体之间存在着复杂的相互作用，可以在各介质中相互迁移转化，最终进入人体，影响人类健康（王宏镔等，2005；任慧敏等，2005）。

随着工业化和城市化的加速推进，建筑、交通、金属冶炼等行业快速发展，大量的污染物也随之沉降到地面，不同区域和不同企业周边的各种重金属元素对生态环境及人体健康产生的危害程度也有所差异，因此，开展降尘中重金属的含量及其分布特征的研究有着重要的科学和现实意义。

近年来，众多学者对大气降尘中重金属的污染开展了大量研究。然而，这些研究多集中在城市中的某一特定区域，如公园（王呈等，2016）、地铁站（杨孝智等，2011）、街道（张春辉等，2014）或城市不同功能区（于瑞莲等，2010；赖木收等，2008）降尘的区域性研究，研究主体相对单一。王明仕等（2015）虽然对全国范围内的重金属分布进行了研究，但未区分工业区和非工业区，这就有可能导致有关中国降尘中重金属的含量的研究结论不很精确，导致非工业区的重金属含量偏高或者工业区的重金属含量偏低，进而不能准确判断重金属的污染程度。本研究通过收集全国已发表的降尘重金属研究数据，在王明仕等人研究的基础上增添了湖北、湖南、广西等地降尘资料，进一步完善数据，并区分非工业区和工业区重金属元素含量的差别，深入分析非工业区和工业区中各种重金属元素的主要污染源及需要优先控制元素，运用地积累指数法对重金属含量进行污染程度评价及空间分布研究，进一步分析非工业区和不同产业类型工业区降尘中重金属在全国的污染等级以及分布规律，以期为中国的大气治理工作提供更有力的依据。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本研究数据来源于 2000—2017年全国范围内部分城市降尘重金属的研究结果，所收集的数据涉及工业区和非工业区，为避免数据来源单一化，工业区包括矿区和冶炼区；非工业区包括商业区、文教区、居住区、交通区等，具体数据见表1、表2。

1.2 研究方法

本文采用地积累指数法对文献所涉及的大气降尘重金属污染程度进行评价（表3）。

表1 非工业区降尘重金属质量分数Table 1 Heavy metals mass fraction of dustfall in non-industrial areas mg·kg-1

续表1 非工业区降尘重金属质量分数Continued table 1 Heavy metals mass fraction of dustfall in non-industrial areas mg·kg-1

表2 工业区降尘重金量质量分数Table 2 Heavy metals mass fraction of dustfall in industrial areas mg·kg-1

续表2 工业区降尘重金属质量分数Continued table 2 Heavy metals mass fraction of dustfall in industrial areas mg·kg-1

表3 地积累指数法分级Table 3 Classification of land accumulation index method

地积累指数的计算公式为：

式中，Cn为降尘中金属元素 n的实测含量（mg·kg-1）；Bn为背景含量；系数k取1.5。

2 结果与分析

2.1 重金属暴露浓度

中国部分城市非工业区与工业区降尘重金属统计结果见表 4。因王明仕等（2015）的研究未区分非工业区和工业区，故As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn等重金属只得到一个浓度均值，与本研究相比，其值高于非工业区而显著低于工业区。这也与降尘中的重金属随着离工业区距离的增加而降低（王世豪等，2017）的趋势相符。

由表4可知，中国降尘中普遍存在As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等重金属污染，工业区和非工业区的含量均高于中国土壤背景值，最低超标仍达到 2倍以上。这与中国长期以煤为主的能源结构密切相关。煤炭中常含有多种重金属元素，在其开采、运输和利用过程中对环境污染较大，特别是煤炭燃烧时，排放大量重金属进入大气，致使降尘中重金属含量较高（刘海彪等，2016；王文等，2001）。

非工业区降尘中的Hg、Cd、Cu、Pb、Zn超标倍数较高，尤其是Cd，超标了33倍。一般而言，非工业区中重金属的主要来源是燃煤源、交通源和大气扩散作用。燃煤导致了大气中Hg和Cu的含量升高，如贵州盘县Hg含量为0.7 mg·kg-1，Cu含量达到376.4 mg·kg-1，宋党育等（2007）的研究中发现盘县煤中Hg含量明显偏高，所以燃煤是贵州地区降尘中 Hg浓度较高的主要原因；王红宇等（2014）对贵州降尘中重金属的进行主成分分析表明该地区Cu主要来自燃煤污染。机动车的尾气排放和机械磨损是导致降尘中重金属元素 Cd、Pb、Zn等含量升高的主要原因，如杭州主城交通区（焦荔等，2013）的Cd含量达到28.33 mg·kg-1，交通源是主要的污染源；重庆和合肥文教区的 Pb、Zn含量分别为 559.85 mg·kg-1和 2302.84 mg·kg-1，污染来源主要是当地车辆尾气的排放及汽车器件和轮胎的磨损（姜伟，2008；童芳，2012）。飘尘的迁移扩散也导致了非工业区重金属含量较高，如河南农村区域（邱坤艳等，2015）Cd浓度高达 10 mg·kg-1，主要受周围冶炼企业飘尘的影响；黄石市商业区（姚瑞珍等，2016）中分布大量的工业基地，大气的运输作用导致该市非工业区受到周围工业的影响，Cu和Zn含量分别高达696.09 mg·kg-1和3479.07 mg·kg-1，污染严重。

表4 大气降尘重金属含量数据统计Table 4 Data statistics of heavy metal content in atmospheric dustfall mg·kg-1

工业区降尘中Cd含量高达中国土壤背景值的220倍，主要是由工业冶炼废气所引起。据统计，世界上每年由冶炼厂和镉加工处理释放到大气中的镉大约为1000 t，约占排入大气中总镉量的45%（马君贤，2007）。如河南冶炼企业周边、陕西西部工业园、辽宁葫芦岛锌厂附近的Cd含量分别高达中国土壤背景值的1950、792和728倍（邱坤艳等，2015；梁俊宁等，2014；Zheng et al.，2010），这些样品导致工业区Cd的浓度显著提高。Hg、As、Pb、Zn也分别为土壤背景值的42、33、33、31倍。有“汞都”之称的贵州万山矿区在Hg矿开采和冶炼过程中产生较高的含 Hg气体，含量高达 27.6 mg·kg-1，造成研究区中大气Hg的超标倍数严重（林勇征，2017）。广西南丹有色金属矿产资源丰富，As储量居全国第一，采矿过程中造成严重的As污染（韦妮玉等，2016）。如果研究中不考虑万山矿区（林勇征，2017）和南丹（韦妮玉等，2016）的数据，则工业区中Hg和As含量超标仅为13倍和12倍。此外，中国铅锌矿分布广泛且储量丰富，在大幅度开采过程中造成了严重的铅锌污染，导致工业区降尘中铅锌浓度较高。

一般而言，东部人口密度大，经济发达，所产生的污染应该较中西部地区污染严重，但是研究发现陕西、河南、湖北、广西、贵州等地部分重金属的含量和污染程度远高于江苏、浙江等地。这可能由于以前粗放式的矿产开采活动以及工业生产导致了工业区出现严重的降尘重金属污染，如广西南丹和贵州万山矿区的As和Hg，陕西、河南、湖北等地冶炼区的Cu、Pb和Zn等重金属元素，污染级别达到6级，污染程度属极强。

2.2 降尘中重金属地积累指数评价结果

降尘重金属的地积累指数及污染级别见表 5。最小含量、最大含量和均值的地积累指数都以中国土壤背景值计算。

表5 大气降尘重金属的地积累指数及污染级别Table 5 Geo accumulation index and pollution level of heavy metals in atmospheric dustfall

由表 5可知，As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn在工业区的污染等级均高于非工业区。总体而言，非工业区降尘重金属以中度污染及以下为主，Cd达到了“强-极强”污染范围，而工业区降尘重金属多以“强-极强”污染为主，只有Ni为“无-中度”污染范围。可见，在非工业区，降尘重金属已出现了一定污染，而在工业区则呈现了强烈污染的特征。

2.3 降尘重金属空间分布

由图1和图2可知，全国大部分地区Cd污染较为严重，而Cr和Ni污染较轻，这与表4表5评价结果一致。总体而言，除 Zn之外，非工业区和工业区的重金属污染严重区域有相同的分布规律，即人口较多、工业集中、经济发达的中东部地区的降尘中重金属含量普遍高于人口稀少、发展滞后的西部地区。不同之处在于，工业区中重金属的污染情况更为严重且区域多集中在中西部重工业基地以及有色金属矿区和冶炼区。

图1 非工业区大气降尘重金属空间分布图Fig. 1 Spatial distribution of heavy metals in atmospheric dustfall in non-industrial areas

图2 工业区大气降尘重金属的空间分布图Fig. 2 Spatial distribution of heavy metals in atmospheric dustfall in industrial areas

非工业区中，重金属浓度偏高主要是人类活动造成的。如吉林省的 As污染较为严重，主要来自当地燃煤尘和土壤风沙尘的影响（李应硕，2007）；四川、广东两省可能受到当地工业或者矿业活动的影响，导致该地区的Hg污染比较严重（吴国平等，施泽明等，2012）；Cu主要分布在典型工矿城市湖北、贵州等地；Pb污染主要在重庆、陕西、湖北、浙江等地；Zn污染集中在在湖北、安徽和浙江，主要是受到当地冶金的产业（姚瑞珍等，2016）及周边的钢铁企业（焦荔等，2013）的影响。此外，交通运输中车辆尾气的排放、轮胎的磨损（童芳，2012；杨文娟等，2017）也是非工业区降尘中 Pb和Zn浓度升高的主要原因。

工业区中的降尘重金属污染程度普遍严重且主要来自工业基地或有色金属矿区。由图2可知，降尘中As、Hg、Cu、Pb、Zn等重金属污染强度高的区域多集中在辽中南、京津唐、沪宁杭、珠三角等工业基地及矿产资源丰富的华北、西北和西南地区，以及轻工业集聚程度较高的东部沿海地区。Pb和 Zn高浓度主要在东北、西北、滇川和铅锌矿较丰富的两广地区，可能在矿产开采过程中导致了工业区Pb和Zn的重金属含量显著高于非工业区；鄂豫皖地区的钢铁、冶炼等工业活动导致较严重的As和Cu污染；新疆工业区Zn污染严重主要是其北部化工产业带的金属冶炼活动导致的。

3 讨论

本次研究与王明仕等（2015）的研究结果相比，增添了湖北、湖南、广西等地降尘资料，并且区分工业区与非工业区的差异，相对而言重金属的空间分布更加全面。从分析结果可以看出，中国大气降尘来源广泛，成分复杂，不同重金属元素的最大含量分布于不同的地区。因本研究收集到的数据来自不同的研究文献，每篇文献所研究的重金属有所不同，导致本研究的研究范围不能覆盖全国地区。此外，不同文献的采样方法、时间和分析方法等不尽相同，本研究未对这些因素加以分析，还需要进一步完善。

虽然中国没有统一的、完备的降尘重金属检测系统，本文研究的各种重金属的地积累指数仅能反映研究区域的大致风险情况，但是，本研究首次对工业区和非工业区降尘重金属的分布特征加以区分，而且研究发现不仅工业区的降尘重金属污染情况严重，非工业区中的降尘重金属含量也至少超出中国土壤背景值2倍以上，主要由燃煤源和交通源叠加所致。研究表明，当前不仅需改进矿产开采及工业生产模式，加强对工业区重金属污染防治，同时也应注重非工业区燃煤源和交通源所导致的污染问题，这对全国的大气污染防治工作有着重要的指导意义。

4 结论

（1）中国大部分城市大气降尘中重金属元素As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 的平均值均高于中国土壤背景值，存在一定程度的污染。Cd在工业区和非工业区中的污染级别最高，污染程度最强。非工业区中的Cd是土壤背景值33倍，主要来自燃煤和车辆尾气；工业区中的Cd超标高达200多倍，主要来自冶炼企业的排放。Cr和Ni的含量在非工业区和工业区中差别不大。

（2）非工业区中，Hg、Cd、Cu、Pb、Zn超标倍数较高，污染可能主要是民用燃煤、汽车尾气排放及周围企业生产活动的影响。降尘的空间分布图显示，吉林省的 As污染较为严重；四川、广东等地区的Hg污染比较严重；Cu浓度较高的地区为湖北、贵州；Pb和Zn污染严重多集中在湖北、浙江等地。

（3）工业区中Hg、As、Pb、Zn、Cu的浓度分别是中国土壤背景值的 42、33、33、31、15倍，矿山开采和有色金属的冶炼等工业活动是这些重金属的主要来源，污染严重的地方主要分布在辽中南、京津唐、沪宁杭、珠三角等四大工业基地以及铅锌矿较丰富的西北、滇川和两广地区。除此之外，分布众多老工业基地的鄂豫皖地区也造成较严重的重金属污染。新疆研究区北部化工产业带的金属冶炼可能导致了当地较严重的Zn污染。

（4）As、Hg、Cd、Cu、Pb和 Zn在工业区中的污染级别明显高于非工业区，Cd在非工业区的污染级别为5级，工业区为6级。其他重金属元素在非工业区中以中度污染及以下为主，而工业区则多以“强-极强”污染为主。说明工业活动是中国降尘重金属污染的主要原因，非工业区中又以燃煤和交通源导致的污染最为严重。