沈阳市街道灰尘中重金属的空间分布特征研究.doc

沈阳市街道灰尘中重金属的空间分布特征研究李崇1，李法云1, 2*，张营1，刘桐武3，侯伟11. 辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036；2. 湖南农业大学资源环境学院，辽宁 长沙 410128；3. 沈阳市环境卫生工程设计研究院，辽宁 沈阳 110013摘要：对沈阳市区街道灰尘中Cd、Cu、Pb、Zn的含量水平进行了研究，并分析了重金属的空间分布特征。结果表明：市区街道灰尘中Cd、Cu、Pb、Zn的含量范围分别为2.2915.04 mg·kg-1、46.96204.29 mg·kg-1、62.76509.48 mg·kg-1、277.41422.89 mg·kg-1，平均值为4.35 mg·kg-1、81.33 mg·kg-1、106.26 mg·kg-1、334.47 mg·kg-1，是沈阳市土壤背景值的27.18、3.31、4.80、5.67倍；市区西部重金属污染程度高于东部，东、西部污染程度高于南、北部；街道灰尘中Cd、Pb空间分布差异较大，Zn分布较均匀；除Cd以外，铁西区重金属含量均最高，特别是Pb含量明显高于其他区，这与其工业区性质密不可分；Cd在大东区含量最高，这应与东部的汽车产业特征有密切关系；CdZn，CuPb，CuZn，PbZn之间都有着极显著的相关性；地积累指数法的评价结果表明：Cd处于重污染水平，其余3种重金属处于偏中度污染水平。研究结果以期为沈阳市的城市环境污染防治和城市规划提供重要的科学依据。关键词：街道灰尘；重金属；空间分布特征；沈阳中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）02-0560-05城市灰尘是指粒径小于20目( <0.920 mm )，分散于城市不同区域的表面固体颗粒物1，按照其来源和颗粒物性质，划分为街道灰尘、区域灰尘、大气灰尘2。本文的研究对象为街道灰尘，它的主要来源为建筑工地、裸露地表、各种沉降在路面上的气溶胶粒子和交通工具的磨损等3。由于其受到人流车流的影响，有害重金属会大量吸附在颗粒物表面，从而成为潜在污染源，对人类和环境都有着相当大的危害。一方面，街道灰尘在一定外动力条件下较易扬起，从而通过呼吸道和皮肤被人体吸收，在人体内被消化、吸收、积累，对人体健康产生危害；另一方面，它在降水的冲刷作用下进入河道，对城市水环境造成了直接的污染。国外学者对街道灰尘中重金属的研究较多，方法也比较成熟，如Emanuela4对西西里市不同功能区、不同形态及不同粒径中的重金属进行了研究，Serife5研究了土耳其内一工业区各重金属元素的相关性，并对街道灰尘作了主成分分析。相比之下，国内主要侧重于灰尘对大气颗粒物的贡献率及防尘措施的研究6，而对街道灰尘中重金属的研究才刚起步，仅有西安、上海有初步研究，在东北地区尚属空白。拥有“东方鲁尔”之称的沈阳市是中国典型的老工业基地，也是全国重要的有色金属冶炼与工业加工基地，目前已形成东部汽车、西部重化、南部高新技术和北部农产品加工四大工业经济布局。沈阳市又是东北地区的交通枢纽，公路密集。因此，针对沈阳市的典型特征来研究街道灰尘中重金属的空间分布特征有着十分重要的意义。1 样品采集与实验分析1.1 研究区概况沈阳市是辽宁省的政治、经济核心，人口近800万，市区面积217 km27。1950年起，沈阳市就是我国重要的重工业基地之一，其产业结构具有东北老工业基地典型的重化工业特点，主要以机械加工为主，包括冶金、化工、医药、纺织、建材等8。目前该市有5个市区和4个工业区：市区包括和平区、沈和区、皇姑区、铁西区、大东区；工业区包括铁西工业区、大东工业区、陈相工业区、沈海工业区，其中铁西工业区规模最大，发展最早9。近几年，沈阳市机动车数量增加迅速，到2006年末全市有机动车578676辆。1.2 样品采集2006年4月在晴朗无风的天气下，用小刷子和塑料小铲子在沈阳市一环一周及环内五条主要交通街道进行采样。每个采样点均用GPS定位，采样间距约为1 km，共采集61个样品。采样点位置详见图1(注：H、HY为环路；BT为长江街；B为北陵大街；W为望花街；C为市府大路；R为热闹路)。1.3 实验分析1.3.1 样品的预处理将采集的样品自然风干10 d后，除去其中石0 500 1000 2000 m图1 沈阳市街道灰尘采样点位置Fig. 1 Sampling sites of street dusts in Shenyang city表1 街道灰尘中重金属含量Table 1 The contents of heavy metals in street dust mg·kg-1重金属平均值中位数最小值最大值变异系数对照值沈阳市土壤背景值Cd4.353.462.2915.040.601.930.16Cu81.3374.7946.96204.290.3328.3524.57Pb106.2694.9162.76509.480.5745.1522.15Zn334.47336.45277.41422.890.07141.8559.04注：沈阳市土壤背景值引自罗雪梅等10，2003。子、树叶、瓜子皮、毛发等杂质，将其过20目网筛，作为初始样品，用研钵研磨使之全部过100目网筛，再用电子天平准确称取0.500 g准备用于重金属的全量分析。1.3.2 样品的消解和重金属的测定将处理好的样品置于聚四氟乙烯坩埚中，每个样品作3个平行样，并用较接近自然环境的北陵公园内灰尘样品作为对照样，在通风橱内用酸溶法(HNO3-HF-HClO4)在高温电热板上加热消解，直至将灰尘样品消解为白色或黄色结晶物，每一批消解样品做一次试剂空白，以减少误差。最后用体积分数为1%的HNO3溶液溶解，定容于50 mL容量瓶中以备测量，用TSD490型原子吸收光谱仪测定样品中的Cd、Cu、Pb、Zn含量。2 结果与分析2.1 重金属含量水平表2 国内外城市市区街道灰尘中重金属全量比较Table 2 comparisons on the total heavy metal contents between Shenyang and other cities in street dust城市时间（年）人口街道灰尘中重金属全量/(mg·kg-1)CdCuPbZn纽约19841697200083552582.5181111伦敦199292276871115125441636988335811首尔199510627000310124529611香港1998544800092392208755574239711上海200417000000176612844438220246西安199560889015.2572.39140.2302.412沈阳200672040002.2915.0446.96204.2962.76509.48277.41422.89如表1，61个样品中Cd、Cu、Pb、Zn含量(下文中重金属含量均指其质量分数)的平均值分别为4.35 mg·kg-1、81.33 mg·kg-1、106.26 mg·kg-1、334.47 mg·kg-1，分别是沈阳市土壤重金属元素背景值的27.18、3.31、4.80、5.67倍。可见，这4种重金属的外源部分占有相当比重，其中Cu、Pb、Zn超出背景值倍数较为接近，均为6倍以内，只有Cd超出近30倍，可见Cd含量受人类活动影响最大。与对照值（北陵公园）相比，Cd、Cu、Pb、Zn的平均值分别为对照值的2.25、2.87、2.35、2.36倍，说明沈阳市一环路以内的街道灰尘中各重金属含量与北陵公园内各元素含量成一致比例，同时也说明北陵公园内重金属含量已经受到周围环境的影响。与国外发达城市相比，如纽约、伦敦，沈阳市区街道灰尘中各重金属含量远低于国外发达城市，尤其是Pb和Zn，国外发达城市Pb含量要超出沈阳市10余倍，Zn含量也要超出5倍左右。与国内其他城市相比，如上海、香港，沈阳市区街道灰尘中Cu、Pb、Zn的含量也低于这种经济发达的城市。与人口、经济程度相差不太多的西安市相比，沈阳市各重金属含量均与西安市相近。研究表明：街道灰尘中Pb主要来源于汽车尾气、轮胎、润滑剂、防冻剂、建筑材料、大气粉尘等，其含量与交通量和人口密度呈正相关。Zn和Cd主要来源于汽车轮胎的老化磨损，Cu、Cd、Zn还来源于汽油、车体的磨损等13-16。从沈阳市与国内外其他各城市相比的结果可以看出：街道灰尘中重金属的含量与城市人口密度和经济发展程度呈正相关，人类活动尤其是交通运输对街道灰尘中重金属具有较大贡献。 2.2 重金属空间分布特征采用Surfer8.0作图软件绘制出沈阳市一环及其内主要街道灰尘中重金属含量的等值线分布图（图2依次为Cd、Cu、Pb、Zn的空间分布；深色线为交通路线，浅色线为等值线）。由图2可知：沈阳市区西部重金属含量高于东部，一环路东、西部均高于中部和南北部，Cu、Pb、Zn含量的最高值分别为204.29 mg·kg-1、509.48 mg·kg-1、422.89 mg·kg-1，这些高值点均在北二中路上，位于铁西区东北部，高含量应与铁西区的工业区性质密不可分。而Cd的高值点多分布于大东区，最高值为15.04 mg·kg-1。 图2 各重金属的空间分布图Fig. 2 Space distribution of heavy metals图3为市内五区各重金属平均含量的对比图。每种重金属含量由大到小的次序排列如下：Cd为大东区（6.11 mg·kg-1），沈河区（4.25 mg·kg-1），铁西区（4.24 mg·kg-1），和平区（3.91 mg·kg-1），皇姑区（3.16 mg·kg-1）；Cu为铁西区（98.32 mg·kg-1），和平区（82.25 mg·kg-1），皇姑区（79.2 mg·kg-1），沈河区（76.27 mg·kg-1），大东区（69.44 mg·kg-1）；Pb为铁西区（152.66 mg·kg-1），皇姑区（103.14 mg·kg-1），大东区（92.63 mg·kg-1），和平区（90.22 mg·kg-1），沈河区（89.89 mg·kg-1）；Zn为铁西区（349.08 mg·kg-1），和平区（337.3 mg·kg-1），沈河区（331.60 mg·kg-1），皇姑区（329.15 mg·kg-1），大东区（323.82 mg·kg-1）。很明显，除Cd以外，铁西区重金属含量均最高，特别是Pb含量明显高于其他区。Cd、Pb的空间分布差异较大，Zn的空间分布差异最小。大东区Cd含量高应与东部汽车产业特征有密切关系，由于Cd含量受汽车影响很大，而且交通车辆多为超重型货车，轮胎较易磨损。造成Pb含量过高的原因有两方面：一是铁西区原属工业区，以前集中多家排Pb企业，虽然现在已搬迁，但仍有大量残留；二是铁西区也属于繁华商业区，车流量较大，汽车尾气导致的Pb污染严重，皇姑区Pb含量高也属于此原因。Cu的高含量也集中于西部，这也与铁西区的工业区性质有密切关系。2.3 各重金属间相关性分析研究街道灰尘中重金属含量的相关性，有利于推测出重金属的来源是否相同17。若重金属含量有显著的相关性，说明有相同来源的可能性较大，否则来源可能不只一个18。在自然界中，单个重金属污染虽有发生，但大多是几种金属元素的复合污染。图3 各区重金属含量水平Fig. 3 Heavy metals contents in five districts沈阳市街道灰尘中各重金属元素间的相关性如表3所示。由表3可知，CdZn，CuPb，CuZn，PbZn之间都有着极显著的相关性。并同时在大部分样品中出现这些重金属元素含量同时增高的现象，表现出复合污染的特征。说明这些重金属来自相同污染源的概率较大。其中CuZn相关性系数最大，也说明街道灰尘中Cu与Zn的关系最为密切，它们的含量受彼此的影响也最大。表3 各重金属元素间的相关性系数Table 3 Correlation coefficients between different heavy metal elements (n=61)元素CdCuPbZnCd1Cu0.1971Pb0.302*0.443*1Zn0.336*0.553*0.494*1注：*相关系数在0.05概率水平上显著；*相关系数在0.01概率水平上显著。3 重金属的污染评价Muller曾提出用地积累指数定量评价沉积物中重金属污染程度19, 并规定了相应的污染程度级别划分标准，由公式计算并参照此标准作出污染评价（如表4）。地积累指数Igeo的计算公式：表4 各重金属的污染程度Table 4 Pollution degree of heavy metals元素污染指数(Igeo)范围平均值的污染指数污染程度Cd3.255.974.18重污染Cu0.352.471.14偏中度污染Pb0.923.941.68偏中度污染Zn1.652.261.92偏中度污染Igeo：污染指数；Cn：污染物实测值；Bn：该元素背景含量；除Cd处于重污染水平外，其余3种重金属处于偏中度污染水平。可见，沈阳市应重点治理Cd污染。铁西区作为沈阳市的典型工业区，污染最为严重，Cd、Cu、Pb、Zn的污染指数依次为17.65、2.67、4.59、3.94，分别达到严重污染、中度污染、重污染、偏重污染水平。Cd污染程度最为严重，已经严重超标。可见，铁西区的交通环境亟待改善。4 结论（1）沈阳市各重金属有着不同程度的污染，各重金属外源部分都占很大比重。其中Cd超出土壤环境背景值约30倍。大东区Cd含量最高，最大值达到15.04 mg·kg-1。Cd含量高的现象应与东部的汽车产业特征有密切关系。Cd、Pb、Zn的高值点都集中在铁西区，铁西区污染程度也处于五区之首。这是它的工业区性质所决定的，虽然大部分工厂已经搬迁至郊区，但仍有大量残留，此区环境条件仍需改善。（2）总体来说，Cd处于重污染水平，其余3种重金属处于偏中度污染水平。沈阳市一环路内西部重金属污染程度高于东部，东、西部污染程度高于中部和南北部。沈阳市污染程度低于国内外许多发达城市，这应与城市人口密度、交通量和经济发展程度有密切关系。（3）CdZn，CuPb，CuZn，PbZn之间都有着极显著的相关性，说明它们有相同来源的可能性较大。参考文献：1 杜佩轩, 田晖, 韩永明. 城市灰尘概念、研究内容与方法J. 陕西地质, 2004, 22(1): 74-75.Du Peixuan, Tian Hui, Han Yongming. 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School of Environmental Science, Liaoning University, Shengyang 110036, China; 2. School of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 3. Shenyang Institute of Environmental Sanitation Engineering and Design, Shenyang 110013, ChinaAbstract: The contents of Cd, Cu, Pb, Zn in urban street dust of Shenyang are studied, and spatial distribution of heavy metals is also analyzed. The range of Cd, Cu, Pb, Zn contents in street dust is 2.2915.04 mg·kg-1, 46.96204.29 mg·kg-1, 62.76509.48 mg·kg-1 and 277.41422.89 mg·kg-1 respectively, with average value of 4.35 mg·kg-1, 81.33 mg·kg-1, 106.26 mg·kg-1 and 334.47 mg·kg-1, which are 27.18, 3.31, 4.80 and 5.67 times of the soil background value in Shenyang City. Heavy metal contents in western part of Shenyang are higher than those in eastern part, and these two parts contents are also higher than those in southern and northern parts. The difference of spatial distribution of Cd and Pb are obvious, while Zn distributed equably. The value of heavy metal contents in Tiexi district, especially Pb, is higher than that in other districts except Cd. Its associated with Tiexi districts industrial area characteristics. The Cd content in Dadong district is highest in five districts, and this should be related to automobile industry characteristics of eastern part. There are prominent correlation between Cd and Zn, Cu and Pb, Cu and Zn, Pb and Zn. The assessment results show that all heavy metals pollution in urban street dust of Shenyang is generally at below middle pollution level except Cd which reaches heavy pollution level. The results are expected to provide important scientific basis for the urban environmental pollution control and city planning of Shenyang.Key words: street dust; heavy metal; spatial distribution characteristics; Shenyang city