应用地质累积指数评价鞍山市秋季PM2.5中元素的污染状况

李金

鞍山市环境监测中心站，辽宁 鞍山 114001



应用地质累积指数评价鞍山市秋季PM2.5中元素的污染状况

李金

鞍山市环境监测中心站，辽宁 鞍山 114001

2014年秋季对鞍山市区6个监测点分别进行了PM2.5样品采集，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)及电感耦合等离子原子发射光谱法(ICP-OES)分析PM2.5中Na、K、Cd、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Pb、Al、Mg、Ca、Fe、Ba、As等16种元素的浓度，通过地质累积指数、相关分析方法分析了鞍山市秋季PM2.5中16种元素的污染状况。结果表明：鞍山市秋季PM2.5中Pb、Cd、C、As 4种元素在各监测点间最大值与最小值之比大于2，差别较大，其中As元素在监测点间最大值与最小值之比达12.19；Na、K、V、Mn、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Ba 12种元素最大值与最小值之比小于2，差别较小。地质累积指数结果显示：Cd、Zn、Pb、As元素处于严重污染，其污染主要来源于钢铁冶炼、煤质燃烧和汽车尾气及轮胎磨损。相关性分析结果显示：Cd与Zn、Pb、Cu来自同一污染源。

PM2.5；地质累积指数；鞍山市；元素分布

PM2.5(细颗粒物)指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物。其能较长时间悬浮于空气中，且浓度越高空气污染越严重；虽然PM2.5在地球大气成分中浓度很小，但对空气质量和能见度等有重要的影响。PM2.5具有粒径小、面积大、活性强、易附带有毒有害物(如重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远等特征，对人体健康和大气环境质量的影响较大。

鞍山市位于辽宁省辽东半岛中部，是中国较大的钢铁工业生产基地，同时也是以煤为主要能源的重工业、扬尘-煤烟型污染城市。随着社会经济的发展、人口的增加及工业化和城市化进程的推进，城市煤及其他能源的消耗量仍在增加[1]。据2015年鞍山市环境质量报告书统计显示：2015年鞍山市区环境空气质量优良天数为233 d；非采暖期首要污染物以PM2.5、O3为主；采暖期首要污染物以PM2.5为主。

目前，针对PM2.5的研究主要有空气质量指数(AQI)法、富集因子分析法和化学质量平衡法等。笔者以2014年10月鞍山市6个典型环境空气监测点中PM2.5为研究对象，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)及电感耦合等离子原子发射光谱法(ICP-OES)分析PM2.5中16种元素的浓度水平，并用地质累积指数对其污染状况进行评价，以期为治理鞍山市大气颗粒物污染提供指导，为城市环境空气质量改善措施的制定提供科学依据。

1 评价方法

地质累积指数(Igeo)是20世纪60年代后期在欧洲发展起来的广泛用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标。目前已被应用于土壤中元素的污染评价，道路扬尘重金属污染研究以及颗粒物中元素的污染分析[2]。

地质累积指数通常称为Müller指数[3-4]，其不仅考虑了自然地质过程造成的背景值的影响，而且充分注意了人为活动对重金属污染的影响。因此，该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，还可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数。地质累积指数的计算式为：

Igeo=log2(CnkBn)

(1)

式中：Cn为元素n在PM2.5中的浓度，mgkg；Bn为沉积物或土壤中该元素的背景值，mgkg；k为考虑各地岩石差异可能会引起背景值变动的调整系数(一般取值为1.5)。

在地质累积指数研究中，通常采用Müller分级标准[5]，共分为0～6级，表示污染程度由无污染至严重污染；最高级(6级)的元素浓度可能是地球化学背景值的几百倍[6]。地质累积指数与污染程度分级见表1[7]。

表1 地质累积指数与污染程度分级[7]Table 1 The geoaccumulation index and the corresponding contamination degree

2 样品采集和分析

2.1 样品采集

鞍山市地处中纬度的松辽平原的东南部边缘，属于暖温带大陆性季风气候区，四季分明。鞍山市秋季天高气爽，雨量骤减，气温急降。根据鞍山市气象条件、地势及污染源(被四大露天开采矿区所包围)特点，选取6个常规监测点(明达新区、太阳城、铁西三道街、鞍钢、太平、高新)进行采样监测(图1)。所选监测点位于鞍山市城区，远离交通，涵盖鞍山市居住区、工业区，是鞍山市环境空气自动监测子站监测点位，可代表鞍山市区环境空气质量现状。采样仪器为青岛恒远公司生产的中流量颗粒物采样器，用聚丙烯滤膜采集环境空气中PM2.5样品；采样时间为2014年10月13—25日，每天连续24 h监测采样，14 d共采集84个样品。

监测点：1—明达新区；2—太阳城；3—铁西三道街；4—鞍钢；5—太平；6—高新。图1 常规监测点Fig.1 Conventional monitoring points

2.2 样品分析

使用美国Agilent公司的Agilent 7500a型ICP-MS分析Na、K、Cd、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Pb、As 11种元素：前处理用热酸提取样品，利用雾化器将待分析样品溶液雾化处理，经由去溶剂、分解、原子化离子化等反应，用四级杆质量分析仪将各特定质荷比分离，进行元素的定性及定量测定。用ICP-OES测定Al、Mg、Ca、Fe、Ba 5种元素：样品进行前处理，经低温碳化、灰化后进行雾化处理，将所形成含待测分析元素的样品送至等离子炬管中，进行元素的定性及定量分析。

3 结果与分析

3.1 PM2.5中元素浓度分析

监测期鞍山市6个监测点PM2.5中各元素浓度见表2。从表2可以看出，6个监测点PM2.5中Na、K、V、Mn、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Ba元素各监测点间变化不大，最大值与最小值的比为1.32～1.69；Pb、Cd、Cr元素监测点间变化较大，最大值与最小值的比为2.17～3.22；As元素各监测点间变化较为特别，监测点6(高新)浓度最大，监测点3(铁西三道街)浓度最小，其他监测点之间变化不大。K、Al、Ca、Fe 4种元素浓度较高，各点位最大值与最小值的比均在1以上。其中，监测点1(明达新区)的Fe、Mg元素浓度最大，监测点5(太平)的K、Na、Zn元素浓度最大，监测点6的Al、Pb、As元素浓度最大，监测点2(太阳城)的Ca元素浓度最大。各监测点Cd、V、Cr、Ni、Cu、Ba元素浓度相对较小。

表2 鞍山市6个监测点PM2.5中各元素浓度Table 2 The mass percent of elements in PM2.5 in Anshan

监测点：1—明达新区；2—太阳城；3—铁西三道街；4—鞍钢；5—太平；6—高新。

注：各监测点数据为2014年10月13—25日各监测点连续14 d监测数据的平均值。

从表2可以看出，Cd、Cr、Pb、As 4种元素在各监测点间变化较大，其中，As元素最大与最小值比达12.19，其与鞍山市工业生产煤炭消耗量大，污染源分布复杂，秋季供暖燃煤、燃油开始增多有直接关系。Na、V、Mn、Ni、Cu、Zn、Mg、Ba元素各点位间元素浓度变化较小，其与鞍山市是以钢铁冶炼为支柱产业有关：鞍钢主厂区占城市规模的50%以上，建城区周边被露天矿区包围，监测点6以北有齐大山矿区，以南有大孤山矿区；监测点2西南方向有东鞍山矿区；监测点1位于东鞍山矿区与大孤山矿区之间。同时由于近几年城市汽车占有量的增加，机动车尾气排放量加大对各元素浓度也有一定影响[8]。

3.2 地质累积指数评价

在应用地质累积指数法评价重金属污染时，应选择与沉积物有显著联系的地球化学背景值，由此而进行的污染状况分析才更能反映实时污染程度[9]。为此，研究选取辽宁省A层土壤(0～20 cm表层土)各元素中位值，作为该次样品分析的污染元素背景值[10](表3)。

根据表2和表3数据利用式(1)对鞍山市PM2.5中载带元素的地质累积指数进行计算，其结果及污染级别见表4。

表3 元素的地球化学背景值[10]Table 3 The background values of elements

表4 鞍山市6个监测点PM2.5中元素的地质累积指数及污染级别Table 4 Geoaccumulation index and pollution level of elements in PM2.5 of all monitoring points in Anshan City

监测点：1—明达新区；2—太阳城；3—铁西三道街；4—鞍钢；5—太平；6—高新。

有研究表明，Cd元素主要来源为钢铁冶炼等的金属冶炼活动产生的冶炼尘，As是典型的燃煤元素[11-12]；Zn、Ni元素主要来源为燃煤尘以及垃圾废弃物燃烧排放[13-14]；汽车尾气和轮胎磨损主要排放Zn、Cr、Ni、Cu、Cd[15]；Pb元素在PM2.5中来源广泛，其中机动车尾气排放与燃煤排放是其主要的2种来源方式[16]。从表4可以看出：1)鞍山市6个监测点的Cd、Zn、Pb元素地质累积指数为5.108 9～8.218 1，属于严重污染；As元素地质累积指数为2.575 3～6.185 8，属于中度污染～严重污染，包含了4个污染级别；Cu元素地质累积指数为1.812 4～ 2.372 2，属于偏中度污染～中度污染；Na、Al、Fe、Cr、Mn、Ni、Mg、Ca、Ba、K、V元素的地质累积指数小于0，属于无污染级别。2)监测点1和4的Cd、Zn、Pb为严重污染，As为偏重度污染，Cu为偏中度污染；监测点6的Cd、Zn、Pb、As为严重污染，Cu为中度污染，Cr为轻度污染；监测点3的Cd、Zn、Pb为严重污染，As为中度污染，Cu为偏中度污染；监测点2的Cd、Zn、Pb为严重污染，As为重度污染，Ca为轻度污染；监测点5的Cd、Zn、Pb为严重污染，As为重度污染，Cu为中度污染，Ni、Ca为轻度污染。3)鞍山市6个监测点同种元素的地质累积指数变化较小，污染级别比较相近，不同元素在各点位间的地质累积指数变化较大，污染级别处于轻度污染～严重污染。鞍山市秋季PM2.5中Cd元素地质累积指数最大，污染最为严重。

利用地质累积指数对鞍山市PM2.5中载带元素计算结果表明，Pb、Cd、Zn、As等元素污染严重，其与鞍山市的污染源分布情况及地理特征、气候特点比较符合，说明地质累积指数可较直观地体现鞍山市城市环境空气质量状况。

3.3 相关性分析

利用SPSS 20.0统计分析软件对鞍山市秋季PM2.5中元素的浓度进行Spearman相关性分析(表5)，进一步验证鞍山市PM2.5中污染元素的主要来源。由表5可以看出，PM2.5中Cd、Zn、Pb、Cu、Ni、Ca、As元素间相关系数为0.086～0.943。

表5 鞍山市夏季PM2.5中中度污染及以上 元素的Spearman相关系数Table 5 The Spearman correlationships of Moderately contaminated elements and above in PM2.5 in Anshan during autumn

注：*代表置信度(双测)为0.05时，相关性显著；**代表置信度(双测)为0.01时，相关性显著。

Cd与Zn、Pb和Cu的相关系数分别是0.600、0.886和0.829，Zn与Ni和Cu的相关系数为0.943和0.829，Pb与As和Cu的相关系数为0.600和0.714，As与Ca的相关系数为0.943，Ni与Ca和Cu的相关系数为0.714，都存在明显的相关性。通过分析可以推断，Cd与Zn、Pb、Cu 4种元素很可能来自同一污染源，主要来源可能是钢铁冶炼过程中产生的冶炼尘及燃煤过程中产生的燃煤尘；Zn、Ni、As的来源不仅是燃煤尘，汽车尾气排放及轮胎磨损过程也会有所贡献。Ca元素与Cd、Zn、Pb、Cu元素相关性不显著，但与Ni、As元素相关性显著，可以推测Ca来源可能为二次扬尘或建筑水泥尘。

4 结论

(1)鞍山市秋季PM2.5载带元素以Al、Ca、Fe、K等为主。Na、K、V、Mn、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Ba 12种元素各监测点间最大值与最小值的比差异较小；Pb、Cd、Cr、As 4种元素各监测点间最大值与最小值的比差异较大；As元素最大值与最小值的比差异最大，为12.19。

(2)鞍山市秋季PM2.5中Cd、Zn、Pb 3种元素处于严重污染级别，其中，Cd元素地质累积指数值最大，污染最为严重；Na和Al元素处于中度污染级别；As元素在各监测点间污染级别变化较大，处于中度污染到严重污染；其他元素污染级别较接近，污染级别相对较低。

(3)鞍山市秋季各监测点PM2.5中，单一元素污染级别基本一致，同监测点不同元素污染级别相差较大。说明鞍山市作为以钢铁为经济支柱的城市，相应的钢铁冶炼活动也带动了交通运输的发展和燃煤活动的增加，其矿山开采、金属冶炼过程产生的主要元素污染物对鞍山市区环境空气质量带来的巨大影响，需引起一定重视。

(4)鞍山市秋季PM2.5各元素相关性分析结果显示：Cr与Zn、Pb、Cu存在显著的相关性，4种元素极有可能与钢铁冶炼过程中产生的冶炼尘及燃煤过程中产生的燃煤尘有关；Ca与Cd、Zn、Pb、Cu元素的相关性不显著，与Ni和As有显著相关性，其可能是由城市扬尘或建筑水泥尘产生。

[1] 张江华,赵阿宁,王仲复,等.内梅罗指数和地质累积指数在土壤重金属评价中的差异探讨[J].环保与分析,2010(8):45-46.

[2] 姬亚芹,朱坦,冯银厂,等.应用地质积累指数分析城市颗粒物源解析土壤风沙尘的污染[J].农业环境科学学报,2006,26(4):949-953. JI Y Q,ZHU T,FENG Y C,et al.Pollution analysis of soil dusts of source apportionment using geoaccumulation index(Igeo)in China[J].Journal of Agro-Environment Science,2006,26(4):949-953.

[3] MÜLLER G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geojournal,1969(2):108-118.

[4] FORSTNER U,MULLER G.Concentrations of heavy metals and polycyclic aromatic hycarbons in river sediments：geochemical background,mankg influence and environmental impact[J].Geojournal,1981(5):417-432.

[5] MÜLLER G.Die schwermetallbelastung der sedimente desneckars undseiner nebenflusse:eine bestandsaugnahme[J].Chemiker Zeitung,1981,105(6):157-164.

[6] LOSKA K,CEBULA J,PELCZAR J,et al.Use of enrichment,and contamination factors together with geoaccumulation indexes to evaluate the content of Cd,Cu,and Ni in the Rybnik Water Reservoir in Poland[J].Water Air and Soil Pollution,1997,93(1234):347-365.

[7] 刘海婷,于瑞莲,胡恭任,等.泉州市街道灰尘重金属污染评价[J].矿物岩石,2010,30(3):116-120. LIU H T,YU R L,HU G R,et al.Assessment of pollution by heavy metal street dust in the Quanzhou city[J].Journal of Mineral Petrol,2010,30(3):116-120.

[8] 焦姣,张雷波,姬亚芹.应用地质累积指数评价抚顺市PM2.5中元素的污染[J].环境污染与防治,2012,6(6):66-70. JIAO J,ZHANG L B,JI Y Q.Applying the geoaccumulation index to evaluate element pollution of PM2.5in Fushun[J].Environmental Pollution & Control,2012,6(6):66-70.

[9] 刘敬勇,常向阳,涂湘林,等.广东某硫酸废渣堆渣场周围土壤铊污染的地累积指数评价[J].土壤通报,2010,41(5):1231-1232. LIU J Y,CHANG X Y,TU X L,et al.Applying the index geoaccumulation to assessment of soil thallium pollution in soil around a thallium-containing slag pile site near a sulphuric acid plant in Guangdong province[J].Chinese Journal of Soil Science,2010,41(5):1231-1232.

[10] 中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[M].北京:中国环境科学出版社,1990.

[11] 李友平,刘慧芳,周洪,等.成都市PM2.5中有毒重金属污染特征及健康风险评价[J].中国环境科学,2015,35(7):2225-2232. LI Y P,LIU H F,ZHOU H,et al.Contamination characteristics and health risk assessment of toxic heavy metals in PM2.5in Chengdu[J].China Environmental Science,2015,35(7):2225-2232.

[12] 王晴晴,谭吉华,马永亮,等.佛山市冬季PM2.5中重金属元素的污染特征[J].中国环境科学.2012,32(8):1384-1391. WANG Q Q,TAN J H,MA Y L,et al.Characteristics of heavy metals in PM2.5during winter in Foshan city[J].China Environmental Science,2012,32(8):1384-1391.

[13] 郭璇华,高瑞英,黄瑞毅,等.大气颗粒物中无机元素特性的研究[J].环境科学与技术,2006,29(6):49-51. GUO X H,GAO R Y,HUANG R Y,et al.Investigating properties of inorganic elements in atmospheric aerosols by ICP-MS[J].Environmental Science & Technology,2006,29(6):49-51.

[14] TIAN H Z,LU L,CHENG K,et al.Anthropogenic atmospheric nickel emissions and its distribution characteristics in China[J].Science of the Total Environment,2012,417:148-157.

[15] HUANG S,TU J,LIU H,et al.Multivariate analysis of trace element concentrations in atmospheric deposition in the Yangtze River Delta,East China[J].Atmospheric Environment,2009,43(36):5781-5790.

[16] 余家燕,刘芮伶,翟崇治,等.重庆城区PM2.5中金属浓度及其来源[J].中国环境监测,2014,30(3):37-42. YU J Y,LIU R L,ZHAI C Z,et al.Automated multi-metals monitor PM2.5metalssource analysis[J].Environmental Monitoring in China,2014,30(3):37-42. ○

Applying of geoaccumulation index to evaluate elements pollution in PM2.5in Anshan during autumn

LI Jin

Anshan Environmental Monitoring Center, Anshan 114004, China

The PM2.5samples were collected at 6 monitoring sites in Anshan during autumn in 2014. The concentrations of 16 elements (Na, K, Cd, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Pb, Al, Mg, Ca, Fe, Ba, As) in the samples were determined by ICP-OES and ICP-MS methods. The pollution status of the 16 elements was studied by Geoaccumulation Index and correlation analysis. The results showed that through the comparison of concentrations of elements from PM2.5samples at different monitoring sites, the ratios of maximum to minimum values for Pb, Cd, C, As in PM2.5were more than 2, the difference was greater, and especially the ration for As was up to 12.19. The ratios of maximum to minimum values for Na, K, V, Mn, Ni, Cu, Zn, Al, Mg, Ca, Fe, Ba were less than 2, exhibiting smaller difference. The results of Geoaccumulation Index indicated that the elements of Cd, Zn, Pb, As, mainly from iron and steel smelting, vehicles and tire-wear, were extremely contaminated. The relevance results showed that Cd,Zn,Pb,Cu might be from the same types of sources.

PM2.5; geoaccumulation index; Anshan; element distribution

2016-05-20

李金(1984—)，男，工程师，硕士，主要从事环境监测研究，87212408@qq.com

X701

1674-991X(2017)01-0046-06

10.3969j.issn.1674-991X.2017.01.007

李金.应用地质累积指数评价鞍山市秋季PM2.5中元素的污染状况[J].环境工程技术学报,2017,7(1):46-51.

LI J.Applying of geoaccumulation index to evaluate elements pollution in PM2.5in Anshan during autumn[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(1):46-51.