城市积尘重金属污染特征研究进展*

孟久灵，周　飞，陈棉彪，房　平，张丽娟，黄楚珊，王小娇，胡国成

(1 西安工程大学，陕西　西安　710048；2 环境保护部华南环境科学研究所，广东　广州　510655)



特稿

城市积尘重金属污染特征研究进展*

孟久灵1,2，周飞1，陈棉彪2，房平1，张丽娟2，黄楚珊2，王小娇2，胡国成2

(1 西安工程大学，陕西西安710048；2 环境保护部华南环境科学研究所，广东广州510655)

城市积尘是城市地区多个污染源排放的污染物聚集的汇，又是引起城市地区及周边大气、水体和沉积物的二次污染源，因此积尘与人类健康、环境质量密切相关。综述了国内外关于城市积尘中重金属污染特征的研究进展，内容主要包括城市积尘重金属来源及分析；城市积尘重金属的环境危害；城市积尘重金属的暴露特征。最后提出了要统一积尘重金属化学形态分析法、制定适合评价城市积尘重金属污染生态风险的方法、将城市积尘的研究与其他环境介质相结合起来、定量分析积尘重金属的来源等的展望。

城市积尘；重金属；环境危害；暴露特征；化学形态

城市积尘一般是指没有凝结在一起，易被外力如风、雨、地表径流带动的小于20目的细颗粒物[1]，存在于地面及城市各种建筑物的裸露面上。而且，积尘是一种多个污染物聚集在一起的混合体，其来源复杂，并且是城市环境中其他多种污染物的载体[2-3]，携带了大量重金属，在环境中发生转化、迁移，形成重金属灾害链。由以上对城市积尘的描述可知，首先，积尘在风力、机动车碾压及人群活动等的作用下会再次悬浮起来，从而进入到空气中，人体通过呼吸和皮肤接触将其吸收，进而产生健康危害，因为儿童有更多的手-口活动及免疫力低下等这些原因，更容易受到积尘中污染物的危害[4-6]；其次，在雨季，积尘跟随雨水的流动，形成非点源污染，对水体造成危害，进而污染城市水环境[7-8]。

国外于20世纪70年代中期，开始了城市积尘重金属污染的研究，1975年，Day在Nature杂志上发表了“城市街道灰尘中的铅(Lead in urban street dust)”一文[9]。国内对城市积尘环境污染问题的研究始于1996年杜佩轩等[10]在西安市开展城市积尘环境污染的研究，起步较晚。随着城市积尘环境问题的日益突出，人们近几年对城市积尘中重金属的赋存形态、粒径组成、时空分布特征、矿物成分、含量、来源、环境效应的研究已有了一定的进展。

1　城市积尘重金属来源及分析

国内外的研究表明，交通、工业、城市建设是城市积尘中重金属的主要来源[11-14]。汽车尾气催化转换器、地面、轮胎、刹车里衬的磨损，机动车汽油、柴油、润滑油的燃烧等是主要的交通污染源。表1列出了机动车汽油、柴油、轮胎中重金属含量[15]。各种金属加工厂的废气排放是主要的工业污染源。城市建筑物建设过程中扬起的灰尘、建筑材料的老化、建筑物受到腐蚀的金属部分是主要的城市建设污染源[16]。表2[18]为不同污染源排放的主要元素。

表1　轮胎、柴油、汽油中重金属含量Table 1　Heavy metal contents in tyre, diesel and gasoline 　 (mg·kg-1)

注：-表示未检出[17]。

表2　各种污染源排放的特征元素Table 2　Characteristic elements from all kinds of pollution resources

常用于分析城市积尘重金属来源的统计学方法有：聚类分析、相关性分析、主成分分析、因子分析等[l9]。通过相关性、主成分分析，Anju等[20]得出不同污染源所排放的废气是城市积尘中Pb、Cd的主要来源，交通、工业污染是Zn的来源，工业污染是Ni、Cu、Cr的主要来源。利用多种统计分析方法相结合的手段，如主成分分析法、聚类分析法、多元素结合分析法，城市积尘中的重金属元素被划分为三类主要污染源[21]：自然源、混合源、城市源。利用因子分析法，刘春华[22]等得到北京市积尘主要来源于建筑材料及废弃物、工业污染、交通排放、与成土母质地质背景有关的土壤颗粒的再迁移和悬浮。

2　城市积尘重金属的环境危害

城市积尘的污染效应被杜佩轩等[23]归结为五种类型：动力污染、地理污染、物质污染、循环污染和人体污染。以动力源造成的污染叫做动力污染。风会形成高强度、大面积、多位置的城市积尘污染，即面型污染。在交通枢纽区和繁华商业区，人类活动引起的积尘污染称为线型污染，因其具有沿交通线、街道、人流分布的特点。点污染是指突发性发生于局部的污染，如在环境清洁中和城市建设中被扬起的尘土。因此，由于外动力的作用，城市积尘形成了具有偶然性、持久性、潜在性的点、线、面污染，并且线型污染中积尘重金属含量高，组成复杂，所以线型污染在这3种污染中产生的危害最大。城市积尘搬运和循环引起的污染称作循环污染。城市积尘是含有多种重金属及其它有害物质的污染物，地下水因为积尘中的重金属和可溶性离子渗入地下而被污染；研究发现有些郊区农作物会用城市污水污灌，而城市污水会被溶入到地表径流的积尘所污染，因此积尘会对土壤和农作物造成危害；由于降雨及地表径流的作用，城市积尘会淤积在下水道和排污区成为淤泥，作为农作物追肥的淤泥进入农作物、土壤、人体循环系统。城市积尘通过这些不合理的迁移循环进入食物链和生态系统，进而增强了积尘的循环污染效应。在城市环境灾害发生过程中，积尘具有传递、引发等作用(图1)[19]。城市积尘对人体产生的直接污染和间接污染被称为人体污染。因为城市积尘的粒径小于1 mm，通过一些外力作用，易再次悬浮到空气中，且积尘中含有大量重金属，人体通过呼吸和皮肤接触将其吸收，进而产生健康危害，尤其对儿童的危害更大[24]。有研究表明[25-28]，含铅汽油燃烧后排放的尾气中含有大量的铅，吸附在城市积尘中，极显著地增加了城市积尘中重金属Pb的含量；因为儿童会有更多的手-口行为，因此儿童在户外公共场所玩耍的过程中，比较容易经过手-口途径摄入大量的积尘，所以儿童血铅的一个重要的潜在污染源之一就是城市积尘中的重金属铅。

图1　城市积尘在环境中的媒介作用

3　城市积尘重金属的暴露特征

3.1城市积尘重金属的含量水平及分布特征

近年来，国内外很多学者均展开了对城市积尘重金属污染的研究。国外的研究者测定分析了安哥拉的罗安达、西班牙的阿维莱斯、美国的纽约、韩国的蔚山、英国的伦敦、土耳其的伊斯坦布尔、新西兰的汉密尔顿等城市积尘中重金属的含量。我国学者调查研究了沈阳、香港、郑州、上海、北京、长春市、西安、乌鲁木齐、合肥等城市积尘重金属的污染情况。结果表明，由于受到一些人为活动的影响(如交通运输、城市建设、工业活动等)，大量重金属进入到了积尘中，导致其重金属含量明显高于土壤背景值。相比较而言，城市积尘中的Pb、Zn的含量最高，接下来是Cu、Cr，Cd、Ni的含量最低。表3列出了国内外各大城市积尘中重金属Cu、Pb、Zn、As、Hg、Cd、Cr、Ni的含量；由此可见，含有大量重金属的城市积尘，这一污染源已不能被忽视，因为含有较高水平重金属的积尘对人体健康存在着较大的危害。

由于受到人为活动、气候变化的影响，因而随着时间的变化，积尘中重金属的含量也会发生变化。研究发现[32]，土壤、大气、积尘等环境载体中的铅浓度会发生季节性变化，而儿童血铅浓度也随之出现季节性变化。通过对韩国首尔卫星城镇土壤和积尘的研究，Chon等[33]发现雨季过后积尘重金属浓度会有所下降，在污染严重的地区下降幅度更大。杨梅等[34]采集了贵阳市冬季不同时段家庭燃煤煤尘和城市积尘，测定样品中Pb、Cd、As、Cu、Zn、Ni等重金属，发现Cu和Pb含量表现为晚冬>初春>初冬，As含量在初冬和晚冬时段均大于初春，其余重金属在3个时间段的变化不明显。张菊等[19]通过分析上海3个小城镇积尘中Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni等重金属在不同季节的平均含量，发现重金属Cr、Ni夏季浓度高，春季浓度低。

表3　国内外不同城市积尘中重金属质量浓度Table 3　Heavy metal concentrations in dust in different city 　 (mg/kg)

注：“-”表示无该种元素的数据。

“点、线、面”三者相结合的空间分布特征是城市积尘重金属污染的显著特点。城市积尘重金属的含量往往在车辆经常处于滞速状态的十字路口位置偏高，如主干道的十字路口处Pb、As、Hg元素的高值经常会出现，空间上叫做点状分布[35-37]；线型分布研究的是城市积尘重金属在交通道路的沿程分布；根据其作用，可将某一区域划分为工业区、交通区、文教区、居民区、商业区、城市绿地等，面型分布即区域型分布就是研究某一特定区域的。线型分布和面型分布关系密切，因为面型的研究要以线型的研究特征来体现，而线型的研究需要与其所处的区域特征相结合。成都市的积尘中重金属Cr的浓度在一环低，二、三环和外环沿线的浓度相当；Ni、Zn在二环沿线高；Cd由一环向外环逐渐降低[35]。研究伊斯坦布尔E-5高速公路上积尘中重金属的浓度，Naim等[38]发现其浓度均高于该地区土壤中重金属的最大浓度。通过对沈阳市积尘中重金属的研究，王金达等[25]发现沈阳市区积尘中铅的平均含量是220.06 mg/kg，范围是19.58～2809.90 mg/kg，高于对照点的铅含量；沈阳市工业区的铅浓度最高，其次是商业区，接下来是二类混合区，再是一类混合区，最后是居民文教区，各功能区的铅含量均高于对照区。通过对沙特阿拉伯Riyadh市6种功能区(乡村、市区、郊区、交通区、老工业区、新工业区)的室内外积尘中重金属的研究，AlRajhi等[27]发现交通区积尘中Pb浓度较高，并发现汽车尾气排放是积尘重金属的主要贡献者，同时也发现老工业区积尘中各重金属的含量较高。

3.2城市积尘重金属的化学形态与生物活性

城市积尘中重金属对环境所造成的危害程度主要由其化学活性决定[39]，而其化学活性由其化学形态决定，因此对重金属治理和缓解的具体方法需根据其化学形态的含量来制定。目前常用于分析积尘重金属化学形态的方法是Tessier[40]连续提取法。Charlesworth等[41]通过对英国 Coventry 镇积尘中重金属Pb、Cd、Cu、Zn、Ni化学形态的研究，发现积尘中可交换态重金属、碳酸盐结合态重金属会因外界环境条件的变化(如pH)再次释放到环境中污染环境。因此积尘中重金属的生物活性可根据交换态和碳酸盐结合态重金属所占总量的百分比来判定。常静等[2]研究了上海市中心城区城市积尘中重金属的化学形态，发现Pb主要为铁猛结合态存在，Cu和Cd则以有机态为主；Zn以碳酸盐态为主；Cr、Ni以残渣态为主。重金属活性形态比例依次为Zn>Pb>Ni>Cd>Cu>Cr。

4　展　望

(1)标准的重金属化学形态分析法

国内外有许多重金属化学形态的分析方法，但研究发现形态结果会受到提取方法和药品的影响，使得数据无法相比；在样品制备过程中，重金属形态易发生变化；离心、振荡中易流失样品，引起误差[42]，因而需要深入研究出一个标准的重金属化学形态分析法。

(2)制定适合评价城市积尘重金属污染生态风险的方法

城市积尘重金属的评价方法基本都是借鉴于沉积物和土壤等的方法，如单因子评价法、地累积指数评价法、潜在生态危害指数法、富集因子评价法等，但这些评价方法没有一个是专门应用于城市积尘重金属的评价，所以需要更进一步地研究出适合评价城市积尘重金属污染生态风险的方法。

(3)将城市积尘的研究与其他环境介质相结合起来

虽然城市积尘具有分布范围广、污染物质大多来自区域内部短时间内的累积[30]、对区域的环境状况有良好的指示作用、采样容易、与非点源污染关系密切等典型特征[43]，但积尘的研究也需与其环境介质结合起来，这样就能互为补充，互相证明，全面具体地反映某一区域的污染情况，对于城市环境的管理有着重要的指导意义。

(4)定量分析积尘重金属的来源

一般来讲，城市积尘重金属的来源很复杂，因此目前国内外学者对于城市积尘的来源分析还主要是统计学上的分析(如空间分析、多元统计、富集因子、环境磁学、主成分、聚类、因子判别等)和定性的描述，因此定量分析积尘重金属的来源对于防治其污染是非常重要的。

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Research Progress on the Pollution Characteristics of Heavy Metal in Urban Dust*

MENG Jiu-ling1,2, ZHOU Fei1, CHEN Mian-biao2, FANG Ping1, ZHANG Li-juan2,HUANGChu-shan2,WANGXiao-jiao2,HUGuo-cheng2

(1 Xi’an Polytechnic University, Shaanxi Xi’an 710048; 2 South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangdong Guangzhou 510655, China)

Urban dust is more than the sink of emissions of urban areas pollutants, and the secondary pollution lead to atmosphere, water and sediment of urban areas and its surrounding, so the dust is closely related to human health and the environmental quality. An overview of research progress on the pollution characteristics of heavy metal in urban dust in domestic and abroad was generalized, mainly including sources and analysis methods of heavy metals in urban dust, the damage of heavy metals in urban dust to the environment, exposure characteristics of heavy metals in urban dust. Finally it was proposed to unify chemical speciation analysis method of heavy metals in urban dust, formulate the method of ecological risk assessment of urban dust heavy metal pollution, combine the research of urban dust with other environmental media, analyze quantitatively of the source of heavy metal of urban dust, etc.

urban dust; heavy metals; environmental hazards; exposure characteristics; chemical speciation

国家环保公益性行业专项(201309049)。

孟久灵(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向：环境风险评价。

胡国成。

X5

A

1001-9677(2016)014-0001-04