克拉玛依市地表灰尘重金属污染及潜在生态风险评估

阿迪莱·伊斯马伊力，麦麦提吐尔逊·艾则孜,2,*，阿里木江·卡斯木，杨秀云

1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054 2. 新疆师范大学新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，乌鲁木齐 830054

地表灰尘(surface dust)是附着、淀积于人工铺地(道路、桥面、街道和广场等)及地面附着物、建筑物的裸露面上，未被固化粘结，且易于在风力、水力和重力作用下，反复飘浮、再淀积于地面，直接或间接暴露在灰尘中的固体颗粒物[1-2]。鉴于地表灰尘所处环境界面的特殊性及重要的源汇效应，地表灰尘重金属污染及其潜在生态风险评估已成为众多学者关注的城市生态环境问题之一[1-4]。随着区域城市化、工业化发展，城市地表灰尘中具有生物毒性的重金属元素产生的生态环境效应越来越突出，对城市生态环境带来危害[5-6]。国内外学者研究了不同城市地表灰尘、道路扬尘重金属污染的潜在风险，结果表明，在城市工业生产、交通运输、生活排放和市政建设等人类活动的影响下，城市地表灰尘重金属含量均超出相应的土壤环境背景值，不同的重金属元素在不同城市地表灰尘中呈现出不同的积累特征，不同城市地表灰尘重金属污染程度与污染风险差异较大[7-11]。城市地表灰尘中研究较多的为Cd、Cr、Cu、Pb、As和Hg等元素，由于生物毒性较强，这些元素在城市地表灰尘中的富集具有重要的环境指示意义和较大的环境危害[12]。

克拉玛依市是我国典型的石油城市之一，以原油和天然气开采、原油加工以及炼制行业为支柱产业，成为独特的石油石化生产区[13-14]。石油生产、加工过程产生的污染物随工业“三废”进入大气、水和土壤系统，在人类活动和自然作用下飘浮淀积于地表，并对周边生态环境造成危害[15]。近年来，国内学者对我国不同城市地表灰尘重金属污染风险评估方面开展了不少研究工作[10-12]，并取得了重要研究成果，但对于我国西北干旱区绿洲城市，其地表灰尘重金属污染风险评估方面缺乏较全面、系统的研究。克拉玛依市作为典型石油城市，有必要评价其地表灰尘重金属污染风险。基于此，从新疆克拉玛依市克拉玛依区采集52个地表灰尘样品，分析其中Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6种重金属元素含量，基于地理信息系统(GIS)技术与地质统计学理论，采用内梅罗综合污染指数(NPI)、潜在生态风险指数(RI)和生态风险预警指数(IER)，对地表灰尘重金属污染及生态风险进行评价，为提高城市环境质量以及改善人居环境提供科学依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区概况

克拉玛依市位于准噶尔盆地西部，天山北麓北部，加依尔山东南部，东濒古尔班通古特沙漠。克拉玛依市气候属于温带大陆性干旱气候，多年平均气温8.1 ℃，极端最高气温46.2 ℃，多年平均降水量108.9 mm，多年平均蒸发量约3 000 mm[16]。大风是该区主要的灾害天气之一，主要出现在春、夏和秋三季，大部分风速均<5 m·s-1[17]。受地理位置和降水稀少的影响，克拉玛依市全境以戈壁荒漠为主，土壤质量低劣，区域原位土壤主要为棕钙土、荒漠灰钙土和灰棕色荒漠土。

克拉玛依市是我国重要的石油石化基地和新疆重点建设的新型工业化城市，石油天然气油层浅、储量大，原油质地优良。克拉玛依市2019年末总人口为462 347人(不含辖区内兵团人口)，其中，克拉玛依区300 723人，占全市总人口的65.04%。2019年，全市生产总值972.9亿元，第一、第二和第三产业结构比例为1.78∶68.83∶29.39。克拉玛依市共辖4个市辖区，分别是克拉玛依区、独山子区、白碱滩区和乌尔禾区。本文研究区(采样区)为克拉玛依区主城区，地理位置介于45°31'～45°39'N和84°49'～84°57'E，总面积53 km2(图1)。

图1 研究区位置及采样点分布图Fig. 1 The location of the study area and sampling points

1.2 样品采集与测定

2018年9月无降水期，在风速均<5 m·s-1的条件下，从克拉玛依区采集了52个地表灰尘样品。采样点均分布在研究区内不透水的沥青、水泥面以及人行道上。根据克拉玛依区面积与实际情况，在每个设定好的地表灰尘采样区范围内用毛刷等非金属类工具取样，除掉样品中小石子等杂物，装入聚乙烯密封袋。同时，利用手持全球定位系统(GPS)记录每一个采样点的经纬度信息并记录采样点周围的环境情况。将所采集的样品装入自封袋带回实验室后，在避光室温条件下自然风干，剔除砾石毛发等外来物质，研磨过100目筛后备用。所有地表灰尘样品委托新疆维吾尔自治区分析测试研究院测定Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6种元素的含量。测定过程中按国家土壤标准参比物质(GSS-12)和重复样进行质量控制，各元素回收率均在允许范围内。元素含量检测执行标准如表1所示。

表1 重金属含量检测执行标准Table 1 Execution standard for heavy metal content detection

1.3 内梅罗综合污染指数法

以新疆土壤背景值[22]作为参比值，采用单因子污染指数(Pi)法和内梅罗综合污染指数(NPI)[23]评价地表灰尘重金属污染水平。其计算公式为：

Pi=ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi为重金属i的污染指数；ci为重金属i的实测浓度；Si为参比值；NPI为综合污染指数；Pimax为最大污染指数；Piave为平均污染指数。Pi和NPI的污染风险分级标准如表2所示。

表2 Pi和NPI污染等级划分Table 2 Classification of pollution degree of Pi and NPI

1.4 潜在生态风险

1.4.1 潜在生态风险指数法

Håkanson[24]提出的潜在生态风险指数(RI)法是从重金属的生物毒性角度出发，能够反映单个重金属元素的污染水平，也能表达所有重金属元素的综合效应。其计算公式为：

(3)

1.4.2 生态风险预警指数法

采用Rapant和Kordik[26]提出的生态风险预警指数(IER)，对地表灰尘重金属污染生态风险进行预警评估。

(4)

式中：IER为生态风险预警指数，IERi为第i种重金属生态风险指数，Pi为重金属i的污染指数。RI和IER的污染风险等级划分如表3所示。

表3 RI和IER的等级划分Table 3 Classification of risk degree of RI and IER

2 结果(Results)

2.1 地表灰尘重金属含量

从克拉玛依区地表灰尘重金属含量分析结果(表4)可知，克拉玛依区地表灰尘中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg等元素含量变化范围分别为9.03～107.0、0.05～4.10、32.0～94.70、16.90～186.0、12.70～51.30和0～0.16 mg·kg-1。As、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg含量平均值分别为18.12、0.21、48.81、39.92、23.98和0.05 mg·kg-1。研究区地表灰尘中As、Cd、Cu、Pb和Hg等元素平均含量分别为新疆土壤背景值的1.61倍、1.75倍、1.50倍、1.23倍和2.94倍。Cr含量平均值低于新疆土壤背景值，但Cr含量最大值等于新疆土壤背景值的1.92倍。

表4 克拉玛依区地表灰尘中重金属含量统计(n=52)Table 4 Statistic of heavy metal concentrations of surface dusts in Karamay District (n=52)

研究区地表灰尘中As、Cd、Cu和Hg等元素含量的变异系数(CV)分别为0.76、2.74、0.67和0.75，呈现强变异(CV>0.50)[22]，表明这4种元素含量可能受到某些局部污染源的影响。地表灰尘中Cr和Pb含量的CV分别为0.20和0.35，呈现中等变异，表明这2种元素含量受外界的影响较小。偏度系数(SK)是用来帮助判断数据序列分布规律性的指标，取值通常在-3～3之间，其绝对值越大，表明偏斜程度越大。当分布呈右偏态时，SK>0，称正偏态；当分布为左偏态时，SK<0，称负偏态；峰度系数是表征概率密度分布曲线在平均值处峰值高低的特征数[27]。地表灰尘中As、Cd和Cu元素的偏度系数和峰度系数较高，表明研究区地表灰尘中3种元素处于较高的积累状况。

我国不同城市地表灰尘重金属元素含量对比分析结果如表5所示，由表5可知，从对比的10个城市地表灰尘中6种元素含量平均值来看，克拉玛依区地表灰尘中Hg、Cd、Pb和Cr等4种元素含量平均值均小于对比分析的其他10座城市。

表5 我国不同城市地表灰尘重金属含量对比Table 5 Comparison of heavy metal concentrations of surface dust in different cities in China (mg·kg-1)

大体上，克拉玛依区地表灰尘中As含量平均值小于北京和重庆，但大于石家庄、西安、乌鲁木齐和库尔勒。地表灰尘中As元素平均含量的最大值出现在重庆市，达到261.3 mg·kg-1，为克拉玛依区的14.44倍；地表灰尘中Cd元素平均含量最大值出现在重庆市，达到5.02 mg·kg-1，为克拉玛依区的23.90倍；地表灰尘中Cr元素平均含量最大值出现在北京市，达到167 mg·kg-1，为克拉玛依区的3.42倍；Cu元素平均含量的最大值出现在成都市，达到100.0 mg·kg-1，为克拉玛依区的2.51倍； Pb元素平均含量最大值出现在宜兴市，达到263.3 mg·kg-1，为克拉玛依区的11.02倍；Hg元素平均含量最大值出现在宜兴市与乌鲁木齐市，均达到0.14 mg·kg-1，均为克拉玛依区的2.80倍。以上分析可以看出，克拉玛依区地表灰尘中重金属富集水平相对较低。

2.2 地表灰尘重金属污染特征

由表6可知，克拉玛依区地表灰尘中6种重金属元素的单项污染指数(Pi)平均值依次为Hg(2.90)、Cd(1.78)、As(1.62)、Cu(1.50)、Pb(1.24)和Cr(0.99)。

表6 克拉玛依区地表灰尘重金属生态风险Table 6 Ecological risk of heavy metals in surface dust in Karamay District

地表灰尘中各元素平均值在轻微污染及以上，Hg元素污染比较严重，处于中度污染水平，As、Cu、Cd和Pb等4种元素处于轻度污染水平，Cr元素处于轻微污染水平；其中，Hg元素单项污染指数属于中度污染的样点占样点总数的23.08%，As、Cu、Cd和Pb的单项污染指数属于轻度污染的样点分别占样点总数的76.92%、55.77%、21.15%和59.62%，Cr属于轻微污染的样点占样点总数的53.84%。研究区地表灰尘中6种重金属元素的NPI介于0.94～24.64间，平均值为3.07，处于重度污染水平，其中，达到中度和重度污染的样点分别占样点总数的21.15%和30.76%。从结果来看，克拉玛依区地表灰尘中大部分重金属元素受人类活动的影响大，Hg元素是最主要的污染因子。

2.3 地表灰尘重金属污染的空间分布格局

基于GIS技术与地质统计分析法，利用ArcGIS10.3软件绘制了克拉玛依区地表灰尘中6种重金属元素的Pi和NPI值空间分布格局图(图2)。

由图2可知，地表灰尘中Hg元素是污染程度和污染面积最大的元素，从研究区西北部到东南部依次出现中度、轻度和轻微污染。地表灰尘中Cd元素是污染程度和污染面积第二大元素，Cd元素在研究区西北部和西南部出现污染高值区，呈现为中度污染，其他区域主要是轻微污染和无污染，其中，无污染面积较广。地表灰尘中As元素是污染程度和污染面积第三大元素，As元素在研究区西北部呈现小范围的重度、中度污染区域以外，其他区域均为轻度污染。地表灰尘中Cu元素在研究区西北部呈现轻度污染，其他区域呈现轻微污染和无污染，轻度污染面积较广。相关研究表明，城市地表灰尘中Hg元素来源复杂，是城市环境中主要的人为源元素，主要受化石燃料燃烧、电子工业以及生活垃圾的影响[37-38]。此外，结合研究区实际情况，研究区西北部为主要的工业区及老城区，建筑较密集，人类活动也较频繁。相关研究中提到克拉玛依市过渡季室外主导风向平均风速为5.6 m·s-1，主导风向为西北风[17]。可以看出，西北风可能是研究区西北部地表灰尘中Hg元素污染相对较高的原因之一。地表灰尘中Cu和As元素含量与交通排放和日常生活来源相关[39-41]。机动车刹车块及其他零件的磨损、尾气的排放等交通活动也是地表灰尘Cu和Hg元素来源之一[42]。以上分析可以看出，研究区地表灰尘中As、Cu和Hg等元素污染分布格局主要受到研究区工业生产、交通运输、日常生活和商业活动的影响。蒋炳言等[43]的研究表明，城市地表灰尘中Cd元素来源极其复杂，其主要来源为建筑物涂层脱落和墙面维修、多源大气排放、电镀金属腐蚀以及城市绿地中长期使用含Cd肥料等。地表灰尘中Pb元素在研究区东南部呈现无污染以外，其他区域均为轻微污染。Cr元素在研究区西北部呈现轻微污染，其他区域均为无污染。从Pb和Cr的污染水平与污染分布格局可以看出，研究区道路积尘中这2种元素污染分布主要受到城市土壤成土母质等自然因子的影响。从地表灰尘中重金属元素NPI的空间分布格局来看，NPI空间分布格局呈现了明显的水平地带性分布格局。

图2 研究区地表灰尘重金属Pi和NPI空间分布格局Fig. 2 Spatial distribution of Pi and NPI of heavy metals in surface dust in the study area

2.4 地表灰尘重金属污染的潜在生态风险评价

以新疆土壤背景值作参比值，计算得到克拉玛依区地表灰尘重金属元素在各样点的单项潜在生态风险指数(E)及RI，并根据潜在生态风险分级标准进行了生态风险评价。由表7可知，地表灰尘重金属元素E的平均值从大到小依次为：Hg(115.5)、Cd(53.50)、As(16.18)、Cu(7.48)、Pb(6.18)和Cr(1.98)。研究区地表灰尘中重金属As、Pb、Cr和Cu等元素的潜在生态风险指数平均值<40，处于轻微风险水平。Hg元素的潜在生态风险程度极高，变幅为10.12～364.71之间，生态风险平均值为115.95，处于较强生态风险水平。Cd元素的潜在生态风险程度也较高，变幅为12.25～1 025之间，其生态风险指数平均值为53.50，属于中等生态风险。可以看出，Hg和Cd是研究区最主要的生态风险因子。研究区RI变幅为54.89～1 117.33之间，综合潜在生态风险指数的平均值为201.27，处于中等生态风险。其中，RI处于轻微、中等、较强和很强生态风险的样点数分别占总样点数的48.08%、36.54%、13.46%和1.92%。

表7 研究区地表灰尘重金属潜在生态风险指数Table 7 The potential ecological risk index of heavy metals in surface dust in the study area

2.5 地表灰尘重金属污染的潜在生态风险空间分布格局

克拉玛依区地表灰尘中重金属E和RI的空间分布格图如图3所示。由图3可知，各元素E空间分布格局与各元素Pi空间变异格局同步。研究区地表灰尘中As、Pb、Cr和Cu生态风险指数的空间分布格局比较相似，生态风险指数从研究区西北部向东南部呈现逐渐减少趋势；Hg是克拉玛依区地表灰尘中生态风险最高的元素，在研究区中部(市中心)生态风险指数高，呈现为很强风险，东南部为城市扩展区域，呈现中等风险，其他区域均呈现较强风险。地表灰尘中Cd生态风险指数高值区出现在研究区西北和西南住宅区，呈现很强风险和较强风险，其他区域均呈现轻微风险。这说明，Hg和Cd在研究区地表灰尘重金属潜在生态风险中是主要生态风险因子。

图3 重金属元素单项生态风险指数(E)空间分布Fig. 3 Spatial distribution of single ecological risk index (E) of heavy metals

由图4可知，从研究区RI的空间分布格局来看，在研究区西北部和西南部生态风险指数高，呈现较强风险和很强风险，东南部生态风险指数低，呈现轻微风险，其他区域均呈现中等风险和轻微风险。整体来看，研究区地表灰尘中重金属RI值空间分布格局呈现了明显的水平地带性分布格局。这与NPI值空间分布格局基本一致。

图4 重金属元素RI空间分布Fig. 4 Spatial distribution of RI of heavy metals

2.6 地表灰尘重金属污染的生态风险预警

生态风险预警评价源于生态风险评价，它更强调对生态系统可能存在风险的警示研究[44]。按照Rapant和Kordik[26]给出的生态风险划分标准，对克拉玛依区地表灰尘重金属污染引起的生态风险危害进行预警评估。由表8可知，地表灰尘中Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6种元素IER的平均值为1.899、0.783、0.618、0.236、-0.010和0.495。其中，Hg处于轻警，Cd、Pb、Cu和As等4种元素处于预警，Cr处于无警。研究区IER的变幅为-1.632～35.038之间，平均值为4.021，属于中警。按照Rapant和Kordik[26]给出的生态风险划分标准，处于无警、预警、轻警、中警和重警的样点数分别占样点总数的21.15%、19.23%、13.46%、19.23%和26.92%。

表8 研究区地表灰尘重金属生态风险预警Table 8 Ecological risk index of heavy metals in surface dust in the study area

从IER的空间分布格局来看(图5)，从研究区西北部向东南部呈现逐渐减少趋势，依次呈现为重警、中警、轻警、预警和无警。生态风险预警高值区主要分布于研究区西北部，中部(市中心)和西南部其污染较严重，呈现较明显的地带性分布规律。

图5 研究区地表灰尘重金属污染生态风险预警评估Fig. 5 Ecological risk warning assessment of heavy metals of surface dust in study area

3 讨论(Discussion)

城市地表灰尘中重金属元素通过各生态系统间的循环威胁生态系统安全，并通过不同途径进入人体，其在体内过量蓄积对人体健康产生危害[10-11]。本研究发现，克拉玛依区地表灰尘中As、Cd、Cu、Pb和Hg元素的含量较高，这些元素含量平均值超出新疆土壤背景值。其中，Hg的污染比较严重，表现为中度污染。从重金属元素污染指数空间分布格局来看，地表灰尘中Hg元素也是克拉玛依区地表灰尘中污染程度和污染面积最大的元素。由于本研究中的Hg元素是生物毒性相应系数最大的元素，对区域生态环境产生的潜在生态风险也会较高[6,8]。Cd元素为污染程度和污染面积第二大元素，在研究区西北部和西南部出现污染高值区，呈现为中度污染。在相关研究中，孙宗斌等[45]和范佳民等[46]等分别对天津市和淮南市城区地表灰尘重金属污染和生态风险进行研究，发现地表灰尘中Cd元素污染程度较严重，生态风险水平较高。从本研究潜在生态风险评价来看，Hg生态风险指数平均值表现为较强生态风险，Hg元素的生态风险预警指数也处于轻警态势，是研究区地表灰尘中潜在生态风险最高的元素，是主要的生态风险因子。Hg元素是城市环境中主要的人为源元素，来源较复杂，主要来自化石燃料燃烧、电子工业、造纸工业和医药工业的污染排放及

生活垃圾[47]。这些人为源重金属粉尘和垃圾通过干湿沉降或堆放可影响地表灰尘重金属富集，从而对周边区域生态环境产生潜在危害。

近年来，虽然国内外学者采用Håkanson[24]提出的潜在生态风险指数法进行了不同城市地表灰尘、道路灰尘重金属污染的潜在生态风险评估，但在评价的各环节均存在一定的局限性和不确定性。在地表灰尘重金属污染风险评价中，重金属元素的生物有效性和各化学形态含量不可忽略，直接采用重金属元素全量，而不考虑其生物有效性和各化学形态含量，在估算潜在风险时会出现增加风险的情况。此外，城市地表灰尘重金属污染的潜在生态风险评价过程中没有统一的参比值，本研究以新疆土壤环境背景值作为参比值，估算了克拉玛依区地表灰尘重金属污染的生态风险，从而导致风险评价结果偏高。因此，制定一个适合我国实际的城市地表灰尘重金属污染的潜在生态风险评估参比值将是生态风险评价研究的重点。

综上所述，克拉玛依区地表灰尘中As、Cd、Cu、Pb和Hg含量平均值分别为新疆土壤背景值的1.61倍、1.75倍、1.50倍、1.23倍和2.94倍。研究区地表灰尘中Hg处于中度污染，Cd、As、Cu和Pb处于轻度污染，Cr处于轻微污染水平。研究区地表灰尘中重金属元素含量与污染水平高值区分布于研究区西北部。研究区地表灰尘中Hg处于较强水平，Cd处于中等水平，As、Cu、Pb和Cr处于轻微风险水平。RI平均值为201.27，处于中等生态风险。从生态风险预警指数来看，Hg处于轻警，Cd、Pb、Cu和As等元素处于预警，Cr处于无警态势。研究区生态风险预警指数平均值为4.021，呈现中警态势。研究区地表灰尘中重金属元素潜在生态风险较高的区域主要分布于研究区西北部，RI和IER值从研究区西北部向东南部呈现逐渐减少趋势。