洛阳市大气PM2.5中重金属元素特征来源及潜在生态风险评价

靳朝喜

(河南省洛阳生态环境监测中心，河南 洛阳 471000)

随着工业化和城市化的加快，汽车保有量迅猛增加，工业废气和汽车尾气排放量不断攀升，颗粒物已经成为影响大气环境质量的重要问题。PM2.5(大气中直径≤2.5 μm的颗粒物)是一种化学成分极其复杂的复合污染物，重金属作为大气细颗粒物中的主要无机成分[1]，As、Cd、Cr、Co、Mn、Ni、Pb等已被美国环境保护署(US EPA)列入有害空气污染物原始列表。重金属元素通过吸入和皮肤接触等途径进入人体，对健康危害较大，特别是As、Cd有致畸、致癌和致基因突变等毒害作用[2-3]。重金属属于不可降解的持久性污染物，进入环境后会在土壤、水、大气和生物体中循环迁移和不断富集，对生态环境安全产生极大的潜在威胁[4]。

近年来，国内学者对大气颗粒物中的金属元素进行了大量研究，多集中在元素特征、形态分布、污染特征、来源解析、健康风险等方面[1-9]，对潜在生态风险评价[10-12]方面的研究较少。研究区域PM2.5中重金属元素的人为特征来源及潜在生态风险，对实施大气精准治理，维护生态环境安全具有重要意义。

1 研究对象

洛阳地处河南省西部，是中原经济区副中心城市，我国重要的高端装备制造业基地、科技研发基地和新材料产业基地，工业基础雄厚、体系完备、门类齐全。作为老工业基地，洛阳产业结构偏重、能源消费偏煤、产业布局偏乱、交通运输偏油等问题依然存在，加上四面环山的盆地型地形特征，大气颗粒物污染问题较为突出。

1.1 工业能源消费情况

洛阳统计年鉴数据显示，2015年全市规模以上工业能源消费合计3023余万吨标准煤，其中原煤2532余万吨、焦炭14余万吨、原油456余万吨，天然气3.2亿立方米，其他石油制品77余万吨。与2011年相比，原煤仍维持高消费量，焦炭减少约60%，天然气增长较多。见表1。

表1 2011-2015年洛阳市规模以上工业主要能源消费情况

1.2 工业原煤消费行业分布情况

洛阳市工业能耗相对集中，电力、有色、冶金、建材、化工、石油石化是能耗规模最大的行业，该6个重点行业原煤消耗量占比在98%以上。其中：电力行业原煤消耗消费量占比最大，2011年占比为65%，逐年下降至2015年的42%；有色行业2011年占比为20%，2015年上涨至42%；冶金、建材、化工、石油石化行业占比基本保持稳定。见图1。

图1 2011-2015年洛阳规模以上工业企业原煤消费行业分布

1.3 机动车保有量

据洛阳市交通部门发布数据，2015年全市机动车保有量为1115398辆，其中小型汽车超过63万辆；全年机动车新车注册登记121872辆，其中小型汽车99810辆。与2011年相比，机动车保有量增加了32%。见图2。

图2 2011-2015年洛阳市机动车保有量

2 技术路线及模型选择

2.1 技术路线

根据洛阳城市区不同功能区的特点，选择在具有代表性的文教商业居住混合区布设1个监测点位，采样点周边2 km内无工业源，无明显局部污染源，距城市干道约100 m，分别于2015年4月、7月、10月、12月采集PM2.5样品，对重金属元素含量进行检测，探明各重金属元素的浓度水平，采用富集因子法揭示受人为源的影响程度，结合产业结构特点和能源消费情况，分析其主要来源，用潜在生态风险指数法对重金属污染风险进行评价，以期为洛阳市大气环境综合治理工作提供参考。

2.2 模型选择

(1)富集因子模型

Gorden于1974年首次提出富集因子法[13]，应用于研究大气颗粒物中元素的富集程度，判断和评价颗粒物中元素的来源(自然来源和人为来源)。它是一种双重归一化的计算方法，能消除采样、分析、风速、风向及离污染源远近等引起的各种不确定因素的影响。计算公式为：

式中：EF为元素i的富集因子值，Ci为颗粒物中元素i的浓度，Cr为颗粒物中参比元素的浓度，Xi为元素i的土壤背景值，Xr为参比元素的土壤背景浓度。

Kyllnen等[14]研究指出，元素的富集因子值越高，则受人为源的影响越大，受自然源的影响越小。若富集因子值小于10，说明该元素没有富集，主要来自地壳；富集因子值增大到10～100，说明该元素轻微富集，已受到人为活动影响；若富集因子值大于100，说明该元素严重富集，受人为活动影响非常明显。

(2)潜在生态风险指数模型

潜在生态风险指数模型[15]是瑞典科学家Hakanson提出的沉积物评价方法，被广泛应用于土壤和水系沉积物中重金属元素的污染评价[16-17]。该方法不仅考虑人为污染和环境地球化学背景因素，还引入毒性响应系数，将重金属元素的环境生态效应与毒理学联系起来，可有效对重金属元素的潜在生态风险进行评价。计算公式为：

毒性系数由重金属元素本身的物化特性决定，主要包括对人体的危害和对生态系统的危害，若某一重金属元素的毒性系数较高，即使含量很低，其潜在生态风险指数也可能很高。

潜在生态风险分级评价标准见表2。

表2 潜在生态风险分级评价标准[18]

3 结果与讨论

3.1 重金属浓度水平

采用HNO3-HCl体系对PM2.5样品滤膜进行微波消解，用电感耦合等离子质谱仪进行检测，结果见表3。结果显示：洛阳市大气PM2.5中9种重金属元素的年平均浓度由大到小依次为：Zn>Cu>Pb>Mn>As>Cr>Ni>Co>Cd。重金属元素浓度水平具有明显的结构性排放特征。

表3 洛阳市大气PM2.5中9种重金属检测结果

3.2 重金属来源分析

以地球化学性质稳定的Ti元素作为参比，以洛阳市土壤为背景值，运用元素富集因子模型分析洛阳市大气PM2.5中9种重金属元素的富集水平，结果如图3所示。

从图3可知，9种重金属元素的富集程度由高到低依次为：Cd>Zn>Pb>As>Cu>Cr>Ni>Mn>Co。Co的富集因子值小于10，相对于地壳未富集，主要来源为自然源。其它8种元素均有不同程度富集，且富集程度相差较大。Cd的富集水平最高，富集因子值大于10000；Zn、Pb和As均超过1000；Cu超过100；Cr、Ni和Mn大于10。表明该8种元素都存在明显的人为污染源。结合洛阳市产业结构特点和能源消费特征进行分析可知，洛阳市大气PM2.5中Cd的人为影响最为严重，主要来自煤炭燃烧、涂料建材生产；Zn、Pb和As次之，主要来源为垃圾焚烧、机动车尾气和有色冶金；Cu的人为影响也不可忽视，主要来源为机动车排放和金属冶炼。

图3 洛阳市大气PM2.5中9种重金属元素富集水平

3.3 重金属生态风险评价

参考徐争启等[19]研究计算的重金属元素毒性系数，利用潜在生态风险指数模型分析可知，洛阳市大气PM2.5中9种重金属的综合潜在生态风险指数RI超过150，生态风险程度评价为“中等”级别。单一重金属的潜在生态风险指数见图4。

图4 洛阳市大气PM2.5中9种重金属元素潜在生态风险指数

由图4可知，9种重金属元素生态风险程度由强到弱依次为：Cd>As>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Mn>Co。Cd的潜在生态风险指数最高，达到了160以上，生态风险程度为“很强”，是总生态风险指数的最主要贡献者，应优先控制；As超过40，生态风险为“中等”；Pb、Cu、Zn、Ni、Cr、Mn和Co均小于40，生态风险程度为“轻微”。

4 结论

(1)洛阳市大气PM2.5中，9种重金属元素的年平均浓度排序为：Zn>Cu>Pb>Mn>As>Cr>Ni>Co>Cd，结合产业结构特点和能源消费情况分析，重金属元素浓度水平具有明显的结构性特征。

(2)Cd、Zn、Pb、As和Cu的富集水平较高，受人为源影响显著，与燃煤、有色冶金、涂料建材、机动车和垃圾焚烧等主要排放源紧密相关。

(3)9种重金属潜在生态风险综合评价为“中等”级别，应引起重视；单因子中Cd的生态风险程度为“很强”，As为“中等”，Pb、Cu、Zn、Ni、Cr、Mn和Co为“轻微”。

(4)Cd的富集水平最高，生态风险评价等级最高，导致综合生态风险骤增，应优先通过减少燃煤、加强涂料建材行业管控等途径控制Cd排放。