西安市临潼区地表颗粒物重金属分布特征及生态风险评价

田华，杨柳，夏紫顿，宁世雄，魏超

西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054

随着中国经济的持续高速发展，城市化与工业化进程日益加快。化学用品的大量使用，使含有重金属的各种污染物不断地增加，特别是工业开采、冶炼、加工到最后的使用过程产生的大量重金属及其化合物，将以各种形态储存于生态系统中，给人类生活带来影响（郑志侠等，2013）。城市中的重金属污染主要以地表颗粒物为载体，在外力作用下容易产生“扬起—沉降—扬起”的交替循环过程（方凤满等，2011）。此外，颗粒物在空气中会发生反应，生成更严重的二次污染物；细小颗粒物极易通过呼吸系统和皮肤接触等途径在人体富集；颗粒物中的污染物会随地表径流迁移进入城市水体，最终进入食物链进行迁移、富集（刘振东等，2013），因此对城市地表颗粒物的研究受到学术界的广泛关注。

Manno（2006）等对西西里市不同功能区、不同形态和不同粒径地表颗粒物中的重金属进行了研究，结果表明道路尘埃样品含有金属元素，主要来源于车辆交通和附近的工厂。常仕镭等（2014）对成都市地表灰尘重金属污染分布特征进行研究，结果表明Pb、Zn、Cu、Ni、Cr、Cd的平均质量分数分别为成都市土壤背景值的1.18～77.57倍，其中Cd的超标倍数大于 10，污染极强且富集在颗粒物中。范佳民等（2014）对淮南市城区地表灰尘重金属分布特征及生态风险评价进行研究，得出不同功能区Cd潜在生态危害指数较大，处于强生态危害（Ⅲ级）水平，交通区和工业区潜在生态危害水平最高。李一蒙等（2015）对开封城市土壤重金属污染及潜在生态风险评价结果表明，大部分土壤发生了重金属污染，Cd是最主要的潜在生态风险因子，其来源与化肥厂烟尘、污灌区表层土壤空气流动、交通运输和燃煤等人类活动有关。刘德鸿等（2012）对洛阳市不同功能区道路灰尘重金属污染进行研究，结果表明各功能区道路灰尘中重金属含量和污染水平存在较大差异，不同功能区灰尘重金属综合潜在生态危害指数 RI表现为工业区＞城市绿地＞商业区＞居民区＞城市主干道＞城乡结合部，减少工业污染和交通污染是降低道路灰尘中重金属污染和风险的主要措施。

西安市临潼区位于陕西省西安市东部，属国家5A级景区，被称为“中国石榴之乡”和牛奶生产强区。随着交通运输和旅游业的发展，该区地表颗粒物日益增多。本研究以西安市临潼区为研究区，通过对不同功能区地表颗粒物样品的采集与分析，探讨了不同功能区地表颗粒物重金属的分布特征，并采用潜在生态危害指数法对临潼区地表颗粒物重金属的生态风险进行评价，以期为西安市临潼区居民健康提供保障，并为生态城市建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析测试

为了研究西安市临潼区地表颗粒物中重金属的空间分布特征和健康风险水平，根据城市的规划布局、人类活动及交通流量，将临潼区划分为工业区、商业区、居民区、交通区、旅游休闲区5个不同类型功能区。在连续7 d以上没有降雨的2016年4月20日（晴朗无风），用毛刷和塑料铲进行道路灰尘样品的采集。研究范围基本覆盖临潼区的主要功能区，每个功能区选择3个采样点，每个样点采用梅花布点法分别取5个平行样品，共75组样品，每组样品质量在300～500 g之间。采样点分布如图1所示。

将采集的样品风干、研磨，过100目尼龙筛后于4 ℃下密封保存。准确称取0.2000 g经过预处理的样品于消解罐中，采用HF-HNO3-HCl- H2O2全分解式微波消解体系消解样品。经ETHOSA微波消解仪消解后，用2% HNO3定容，采用火焰原子吸收光谱仪（A3，北京普析）测定重金属元素（Pb、Cu、Cd、Cr）的质量分数。为确保测试结果的准确性，加入国家土壤标准物质GSS-3进行质量控制，并且每10组样品做1组平行样（重复3次）。保证平行样品中标准偏差小于 10%，质控样品测定值达到国家规定的精密度要求（范佳民等，2014）。

1.2 数据分析

图1 采样点分布图Fig.1 Location of sampling sites

表1 ，RI与污染程度间的关系Table1 Relationship of RI,and pollution level

表1 ，RI与污染程度间的关系Table1 Relationship of RI,and pollution level

r i E RI 危害程度Damage level＜40 ＜150 轻微生态危害 Mild ecological hazard (Ⅰ)40＜80 150＜300 中等生态危害 Moderate ecological hazard (Ⅱ)80＜160 300＜600 强生态危害 Strong ecological hazard (Ⅲ)160＜320 ≥600 很强生态危害 Stronger ecological hazards (Ⅳ)≥320 - 极强生态危害 Extremely strong ecological hazard (Ⅴ)

地表颗粒物重金属含量数据采用Excel 2010和OriginPro 8.5等软件进行统计分析和制图。

1.3 潜在生态风险评价方法

目前重金属污染评价方法主要包括地累积指数法、内梅罗综合污染指数法、沉积物富集系数法、健康风险评价方法、潜在生态风险指数法等。其中，潜在生态风险指数法由瑞典科学家 Hakanson于1980年提出，是根据重金属性质及其在环境中的行为特点，主要针对沉积物和土壤中重金属污染的一种评价方法（徐争启等，2008），也是目前评价颗粒物和沉积物中重金属潜在生态风险的常用方法之一。此方法在土壤重金属含量的基础上结合了重金属的环境效应、生态效应及毒理学，并运用具有可比性的等价指数分级法，更加直观地对研究物中的重金属进行全面的分析和评价。它不仅可以反映单一重金属的潜在生态危害，还可以反映出多种重金属在环境中的综合生态危害水平（徐玉霞等，2013），其计算公式如下：

（3）

式中，为地表层颗粒物中重金属i的浓度实测值为计算所需的参比值，选择陕西省土壤环境背景值作为参比值。按照 Hakanson制定的重金属毒性系数为评价依据，其中 Cr、Cu、Pb和 Cd的值分别取 2、5、5、30（徐争启等，2008）。重金属污染生态危害系数和生态危害指数分级标准见表1。

2 结果与讨论

2.1 临潼区地表颗粒物重金属分布特征

2.1.1 临潼区地表颗粒物重金属的质量分数

由表2可知，4种重金属均存在不同程度的超标，平均质量分数表现为Pb＞Cr＞Cu＞Cd。其中Cd超标最严重，超标倍数达到中国土壤元素背景值的19.07倍，是西安市表层土壤背景值的 20.56倍。Pb、Cu、Cr平均质量分数分别是西安市表层土壤背景值的12.08、4.31、1.33 倍，是中国土壤背景值的9.94、4.08、1.37倍。

变异系数是表示样品变异程度大小的重要尺度，它能反映样品中重金属是来自自然环境还是人为活动的影响。当变异系数CV＞0.10时为弱变异，0.10≤CV≤0.30为中等变异，CV＞0.30为强变异。变异系数越大，说明受人为活动的干扰越大（陈莉等，2011）。由表2可知，4种重金属平均变异程度表现为 Pb＞Cd＞Cr＞Cu，其中 Pb、Cd、Cr的变异系数均大于0.5，表明这3种重金属均为强变异，Cu的变异系数为0.30，为中等变异。以上结果表明，临潼区地表颗粒物中已经出现重金属富集现象，其中Cd的富集程度最严重。Pb、Cd、Cr由于受人类活动影响其空间变异性较大，Cu的变异系数较小，说明Cu在研究区的空间分异性相对其他 3种重金属不显著。Daniela（2002）在对土壤重金属的来源研究中发现城市地表土壤重金属主要来源于“三废”污染、交通污染、生活垃圾污染、农业化学物质投入等方面。临潼区作为国家5A级旅游景区，旅游业和交通运输业发达，旅游观光车辆多，人流量大，可能是导致颗粒物重金属富集的主要原因（李海燕等，2014）。

表2 西安市临潼区不同功能区地表颗粒物重金属含量分布Table2 The concentration of heavy metals in road sediments in different land use areas of lintong district, Xi'an

2.1.2 不同功能区重金属分布特征

由图2可知，不同功能区4种重金属的污染现状表现为：Pb在工业区（551.3 mg∙kg-1）和商业区（323.4 mg∙kg-1）明显高于其他三区，表现出较强的空间异质性，说明临潼区 Pb污染受人为活动影响较大；Cd在交通区（3.5 mg∙kg-1）和工业区（2.37 mg∙kg-1）的质量分数较高；除工业区（136.4 mg∙kg-1）外，Cu在其他 4个功能区的平均质量分数差异较小，分布相对均匀；Cr平均质量分数表现为交通区＞工业区＞商业区＞居民区＞休闲区，交通区重金属Cr（145.65 mg∙kg-1）的平均质量分数最高，这与范佳民等（2014）对淮南市地表灰尘重金属的研究结果一致。以上结果表明，不同功能区的重金属污染具有一定的差异性，工业区、交通区和商业区地表颗粒物重金属污染最为严重。由于受工业生产排放的烟尘、飞灰、工业垃圾等的影响，工业区内颗粒物吸附的重金属含量较高。临潼区商业区较集中，人流量大，商品种类繁多，高楼大厦密集，生活垃圾和废弃物多，建筑设施风化、脱落和腐蚀可能是吸附有重金属的颗粒物的重要来源（李海燕等，2014）。

图2 西安市临潼区不同功能区地表颗粒物重金属的含量柱状图Fig.2 Box plots of heavy metals concentrations in road sediments in different land use areas of Lintong district, Xi'an

2.2 临潼区地表颗粒物重金属潜在风险评价

2.2.1 临潼区地表颗粒物重金属潜在生态风险

以陕西省土壤背景值作为参比，由式（1）、（2）、（3）可得西安市临潼区地表颗粒物中单个重金属的潜在生态危害指数、单个重金属的平均潜在生态危害指数以及4种重金属的潜在生态危害指数，结果如表3所示。

表3 西安市临潼区地表颗粒物重金属潜在生态风险评价结果Table3 The results of potential ecological risk assessment of Heavy Metals in road sediments of Lintong District, Xi'an

由表 3可知，临潼区各功能区平均污染程度处于极强生态危害等级，4种重金属平均潜在生态危害指数为 Cd＞Cu＞Pb＞Cr。Pb、Cu、Cr 3 种重金属潜在生态危害指数最小值均为轻微等级；Pb的潜在生态危害指数最大值是中等等级；Cu和 Cr的潜在生态危害指数最大值为轻微等级；Cd的潜在生态危害指数最高，其中最大值为1166.67，属于极强等级，最小值为 283.33，属于很强等级。以上结果表明，研究区Cd的富集程度较严重，由于Cd本身的生态危害系数较高，所以Cd为西安市临潼区最主要的生态风险因子。李海燕等（2014）在对城市地表颗粒物中重金属的研究中指出Cd主要来源刹车里衬和制动片的磨损、尾气排放、工业废气和垃圾焚烧，而且临潼区Cd的平均潜在生态危害指数极差，为 883.34，表明不同功能区 Cd含量分布离散不均匀，也进一步说明了Cd富集与人类活动密切相关。

由式（1）（2）（3）可得西安市临潼区不同功能区内单个重金属的潜在生态危害指数与综合潜在生态危害指数RI如表4所示。

表4 西安市临潼区不同功能区潜在生态风险评价结果Table4 Levels of heavy metals in the probability of potential ecological risk in different land use areas of Lintong District, Xi'an

由表4可知，各功能区以Cd的潜在生态危害系数最大，除旅游休闲区处于很强生态危害水平外，其他功能区都处于极强生态危害水平，这与Cd的毒性系数相对较大且各功能区Cd的污染富集程度高相一致。对于其他 3种重金属，除工业区 Pb处于中等生态危害水平，其他功能区皆处于轻微生态危害水平。因此，Cd是西安市临潼区地表颗粒物重金属污染的主要因素，其对临潼区地表颗粒物的潜在生态危害贡献最大。由4种重金属的复合生态危害指数可知，研究区处于强生态危害水平，工业区和交通区的潜在生态危害相对较高。

3 结论

（1）西安市临潼区地表颗粒物重金属平均质量分数均高于西安市土壤背景值和中国土壤背景值，其中Cd污染最严重。

（2）临潼区各功能区地表颗粒物Cu、Pb污染特征表现为工业区＞商业区＞交通区＞居民区＞休闲区；Cr、Cd表现为交通区＞工业区＞商业区＞居民区＞休闲区。其中，交通区和工业区地表颗粒物重金属污染最严重。

（3）4种重金属的平均潜在生态危害系数表现为Cd＞Cu＞Pb＞Cr，其中Cd生态风险危害最大。不同功能区内Cd的单一重金属的潜在生态危害系数最大，在各功能区中皆处于较强的生态危害水平，是临潼区重金属污染防治的重点。

（4）由各功能区重金属生态危害指数可知，各功能区生态危害水平均处于强生态危害等级（Ⅲ级），交通区和工业区潜在生态危害水平最高。

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