本溪市城市街道灰尘中重金属污染特征及评价

王霄雯，李法云

（1.辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺113001；2.辽宁石油化工大学生态环境研究院，辽宁抚顺113001）

城市街道聚集了大量灰尘颗粒物，城市街道灰尘作为污染源的同时也是有害重金属的载体[1-3]。在自然背景及人为活动的影响下，街道灰尘中的重金属形成城市生态环境的点源和面源污染[4-7]，一方面，在一定外动力作用下，城市街道灰尘重金属极易在0～5 m高度范围内反复地扬起、沉降，通过呼吸及皮肤接触被人体消化、吸收、累积[8]，另一方面，城市街道灰尘中的重金属在降水的冲刷作用下进入城市水体系统。由于城市街道重金属具有持续时间长、难降解、较大的毒性以及易在动植物体内发生累积等特点，对生态环境和人类健康都构成了严重威胁[9]。国内外已有大量关于不同城市街道灰尘的研究，主要涉及城市区域街道灰尘的粒径分布，城市街道灰尘中重金属含量、分布特征、赋存形态、暴露量和暴露途径，以及城市街道灰尘中重金属健康风险和生态风险评价等各个方面[10-16]。尽管原子吸收法和电感耦合原子发射光谱法被认为是目前研究街道灰尘重金属的主要有效方法，然而传统的化学研究方法一般对样品的破坏较大，并且分析过程耗时较长，成本较高。与传统方法相比，便携式X射线荧光光谱分析法具有更简单、经济、快速、样品用量小以及对样品无破坏等诸多优势，但至今关于应用X射线荧光光谱分析法进行街道灰尘中重金属污染的研究却鲜见报道。

本溪市作为中国北方老工业基地的典型重工业城市，自20世纪80年代开始，该市被称为“卫星上看不见的城市”[17]，其在工业生产、交通活动、城市建设、社会生活等方面与国内城市存在差异，导致城市环境的重金属污染特征有所不同。此外，已有研究表明，本溪城区太子河的河道沉积物已受到不同种重金属的污染[18]。鉴于此，本文以本溪市不同类型功能区的街道灰尘为研究对象，尝试采用便携式X射线荧光光谱法分析街道灰尘中6种重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V 的含量水平和分布特征，并利用潜在生态危害指数法对其污染状况进行评价，以期探讨不同类型功能区活动对重金属分布的影响，为进一步判定本溪城市不同功能区环境污染来源，为环境重金属污染防治、环境质量评价和城市规划提供科学数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本溪市位于辽宁省东南部，地理坐标为东经123°34′～125°46′，北纬 40°49′～41°35′。本溪市管辖两县四区，即本溪满族自治县、桓仁满族自治县和平山区、明山区、溪湖区、南芬区。本溪属于重工业城市，主要工业包括：黑色金属冶炼及压延加工业、黑色金属矿采选业、医药制造业。同时，本溪市也是沈丹铁路和丹阜高速公路的重要交通枢纽。根据本溪市政府网记载，截至2014年末，本溪市常住人口170.5万人，机动车保有量10.67万辆，建筑及城市发展迅速。境内重峦叠嶂、连绵起伏、山多地少，具有“八山一水一分田”之说，这种地形不利于灰尘的扩散，但是有利于灰尘在该地区的累积，由于在版图上呈哑铃状，受地形分布特点的限制，本溪市发展空间有限，致使城市人口及日常活动密集，环境污染严重。

1.2 样品采集与处理

2017年10月，选择多日连续晴朗无风的天气，用车载吸尘器对本溪市（文教区为1-5号采样点，商业区为6-8号采样点，居民区为9-13号采样点，工业区为14-17号采样点，交通区为18-21号采样点，混合区为22-25号采样点）共25个采样点的街道灰尘样品进行采集，每个采样点依据实际情况，选取均匀布点与功能区相结合的方法[19]。每个采样点均由附近多个小样品点混合而成约500 g，收集于干净的聚四氟乙烯自封袋中，同时记录编号、采样时间、采样地点、周围环境情况等。样品采集完带回实验室后，在室温下自然风干，先通过20目的尼龙筛，除去树叶、烟头、石子、毛发等杂质，自封袋保留一部分作为初始样品，另一部分继续过100目的尼龙筛，筛下样品用自封袋保存。本溪市街道灰尘采样点分布见图1。

图1 本溪市街道灰尘采样点

1.3 分析方法及质量控制

应用配有Au靶微型X射线激发源Niton XL3t GOLDD+型便携式X射线荧光光谱仪（PXRF）将采集并处理好的样品放入样品杯中，夯实、压平后置于仪器检测台上进行测试。仪器提前预热20 min，测定时将PXRF探头垂直对准并接触样品表面，测定时间90 s，重复测定5次。各重金属元素的相对标准偏差（RSD）均小于10%。在分析过程中，利用土壤标样GSS1来进行质量控制，相对误差均在±10%之间。

1.4 评价方法

目前，对于街道灰尘重金属污染环境风险评价国内外尚无统一的标准和方法，鉴于潜在生态风险指数法考虑了重金属元素毒性，迁移转化特征和评价区域对重金属污染的敏感性，以及重金属区域背景值差异，消除了区域差异和异源污染的影响，本文采用潜在生态风险指数法对本溪市街道灰尘重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、V进行污染和生态风险评价。

潜在生态风险指数法是瑞典学者L.Hakanson[20]应用沉积学原理建立的一套评价重金属污染以及生态风险性的方法，其计算公式为：

（1）重金属元素污染系数：

表1 重金属元素土壤背景值和毒性响应系数

（2）重金属污染指数：

（3）重金属元素i的潜在生态风险系数：

街道灰尘中多种重金属元素的总潜在生态风险指数ERI等于所有重金属元素潜在生态风险系数的总和，计算公式为：

重金属污染评价指标及污染程度和潜在生态风险程度的关系见表2。

2 结果与讨论

2.1 重金属元素含量及空间分布特征

表3为本溪市同其他城市街尘中重金属元素质量分数的比较结果。从表3可以看出，本溪市街道灰尘中重金属 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均质量分数 分 别 为 71.0、77.9、76.5、437.8、123.4、630.2 mg/kg，分别是本溪市土壤环境背景值的3.4、3.1、0.9、5.5、2.0、1.0倍。

表2 重金属污染评价指标及污染程度和潜在生态风险程度的关系

表3 本溪市同其他城市街尘中重金属元素质量分数的比较结果mg/kg

从表3还可以看出，本溪市街道灰尘中Cu、Pb的质量分数高于北京市、淮南市，低于上海市、南京市、宣威市、芜湖市、沈阳市、葫芦岛市、宝鸡市、临沂市；V的质量分数高于南京市、淮南市，低于宣威市；Zn、Cr的质量分数高于北京市、淮南市、芜湖市（Zn的质量分数高于沈阳市、临沂市），低于上海市、南京市、宣威市、葫芦岛市、宝鸡市；Mn的质量分数高于北京市，低于芜湖市、宝鸡市、临沂市。由此可见，本溪市街道灰尘中重金属元素的质量分数处于国内中等水平。

图2为本溪市街道灰尘中重金属元素在不同功能区的质量分数。从图2可以看出，文教区街道灰尘中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均质量分数分别为 102.0、71.1、95.5、354.2、144.8、674.4 mg/kg，分别是土壤背景值的 4.8、2.8、1.0、4.4、2.3、1.0倍；商业区街道灰尘中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均质 量 分 数 分 别 为 57.6、76.9、85.3、375.2、77.2、550.5 mg/kg，分别是土壤背景值的 2.7、3.1、0.9、4.7、1.2、0.8倍；居民区街道灰尘中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn 的平均质量分数分别为 84.7、99.2、63.3、372.8、142.8、599.8 mg/kg，分别是土壤背景值的4.0、4.0、0.7、4.6、2.3、0.9倍；工业区街道灰尘中Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均质量分数分别为70.8、99.5、77.8、1 040.3、154.3、740.3 mg/kg，分别是土壤背景值的 3.3、4.0、0.8、13.0、2.5、1.1倍；混合区街道灰尘中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均质量分数分别为 45.0、41.2、69.7、216.1、115.9、559.1 mg/kg，分别 是 土 壤 背景值 的 2.1、1.6、0.7、2.7、1.8、0.8倍；交通区街道灰尘中 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn的平均质量分数分别是 51.5、75.5、67.8、289.6、83.3、633.5 mg/kg，分别是土壤背景值的 2.4、3.0、0.7、3.6、1.3、1.0倍。

图2 本溪市街道灰尘重金属元素不同功能区中的含量

在各功能区中V、Mn质量分数低于本溪土壤背景值外，其他均高于本溪土壤背景值。图2表明，Pb、Zn、Cr、Mn质量分数在工业区最高，Cu、V质量分数在文教区最高，Cu、Pb、Zn质量分数在混合区最低，Cr、Mn质量分数在商业区最低，V质量分数在居民区最低。这个研究结果与王利军等[30]、郭金停[31]的街道灰尘中重金属主要累积在工业区的研究结果基本一致，但与除工业区外易于在商业区、交通区等累积的结果存在差异。可能原因是本溪工业企业主要是钢铁制造、有色金属加工等，而文教区又临近本溪市多家药厂，导致易在工业区及文教区发生累积。

2.2 基于潜在生态风险指数法的评价

以本溪土壤环境背景值为评价参比，基于潜在生态风险指数法的本溪市街道重金属污染评价结果见表4。由表4可知，街道灰尘中重金属元素在文教区、居民区、工业区污染指数Cd分别是16.7、16.7、25.0，属于重污染程度，在商业区、混合区、交通区污染指数Cd分别是 13.6、10.1、12.3，属于中等污染程度。

表4 潜在生态风险指数法评价结果

3 结 论

（1）本溪市街道灰尘中重金属 Cu、Pb、V、Zn、Cr、Mn 的平均质量分数分别为 71.0、77.9、76.5、437.8、123.4、630.2 mg/kg，分别是本溪市土壤环境背景值的 3.4、3.1、0.9、5.5、2.0、1.0倍。本溪市街道灰尘中除重金属V、Mn质量分数接近本溪土壤环境背景值外，其余4种重金属元素均得到了不同程度的累积。其中，重金属Cu质量分数在文教区最高，重金属Zn、Pb、Cr质量分数在工业区最高。

（2）文教区、居民区、工业区达到重污染水平，商业区、混合区、交通区达到中等污染水平；Cu、Pb、Zn、V、Cr、Mn在 6个功能区中均属于低潜在生态危害。由此可见，街道灰尘重金属污染对本溪市生态环境和居民身体健康具有一定程度的影响。