2022年朔州PM2.5中重金属污染特征分析与潜在生态风险评价

摘 要：目的 研究大气中重金属的污染特征，并评估 重金属对人体健康的影响，为采取针对性措施提供支持依据。 方法 于2022 年 1 月 1 日—12 月 31 日采用PM2.5自动监测超级站对朔州市PM2.5中 21 种重金属元素进行监测，通过富集因子法和潜在生态风险评价法，分析了大气重金属的污染特征、富集程度和潜在风险状况。结果 Zn、Pb、Sb、Sn、Se和Cd的EF值均大于100，为高度富集甚至超富集水平，说明这些元素受人为因素影响较大。 朔州市PM2.5中重金属的潜在生态风险大小依次为：Cd＞Se＞Pb＞Cu＞Ni＞Zn＞V＞Cr＞Mn＞Ti；Cd和Se表现出较高的生态风险潜力，其中Cd元素的生态风险最大。

关键词：P M2.5重金属污染富集因子潜在生态风险评价

中图分类号：X513

Pollution CharacteristicAnalysisand Potential Ecological Risk Assessmentof Heavy Metal in PM2.5 in Shuozhou in 2022

GAOFan g1JIAJun2TIAN Yuanyuan1

1.School of Materials Engineering， Shanxi College of Technology;2. Shanxi Shuozhou Ecological Environment Monitoring Center， Shuozhou，Shanxi Province，030600 China

Abstract：Objective To study the pollution characteristics of heavy metal in the atmosphere and evaluate its impact on human health， soas to providea supporting basis for takingtargeted measures. MethodA PM2.5automatic monitoring super stationwas used to monitor 21 heavy metal elements in PM2.5 in Shuozhou from January 1 to December 31in 2022，and bythe enrichment factor method and potential ecological risk assessment method， the pollution characteristics， enrichment degree and potential risk status of atmospheric heavy metal were analyzed. ResultThe EF value of Zn， Pb， Sb， Sn， Se and Cd was all greater than 100， with high enrichment or even super enrichment levels， indicating that these elements were greatly influenced by human factors. The potential ecological risk of heavy metal in PM2.5 in Shuozhou was as follows： Cd>Se>Pb>Cu>Ni>Zn>V>Cr>Mn>Ti， Cd and Se exhibited high ecological risk potential， and the Cd element had the highest ecological risk.

Key Words：PM2.5;Heavy metal pollution;Enrichment factor;Potentialecological risk assessment

大气细颗粒物PM2.5不仅是衡量我国空气质量状况的重要指标，也是威胁人类健康的危险因素之一。重金属元素作为PM2.5中重要组分之一，具有富集性强、毒性高和降解难等特点，它不仅以大气细颗粒物为载体进入人体， 进而对人体机能造成损伤，甚至增加患癌的风险[1]。另外，重金属元素可以通过植物叶片和树皮堆在环境中累积，或被土壤中的根系吸收，从而产生潜在的生态风险[ 2]。

目前，我国重金属的风险评估主要集中在颗粒物污染严重和工业排放量比较大的地区[3-4]，且研究的内容主要集中在Cd、Cu、Pb、Zn这４种元素的浓度水平、富集程度和主要来源上 [5]，对重金属的富集程度和潜在生态效应的研究较少。

朔州市位于山西省北部，是一座以煤炭工业为国民经济的重点支柱产业之一的地级城市，污染物排放体量相对较小。本研究以朔州市为研究区域，以朔州市 PM2.5中的21种金属元素（Ca、Al、Fe、K、Ba、Ti、Zn、Co、Mn、Mo、Pb、V、Te、Sn、Ni、Cu、Cr、Ga、Hg、Sb、Cd）作为研究对象，研究其富集程度并对来源进行分析， 利用潜在生态风险评价法分析重金属的潜在生态危害性。旨在为对防治大气颗粒物中重金属元素的富集和生态影响提供科学依据；同时，也为其他非工业化城市针对PM2.5中重金属的污染特性分析和潜在生态风险评估提供借鉴。

1材料与方法

1.1 数据采集

采用PM2.5自动监测超级站仪于平朔生活区平朔生活服务公司（东经112.4399，北纬39.3522，），在2022年1月1日—12月31日不间断实时采样。该采样点位于中心偏东南方位，距离地面15m。属于交通和居民的混合区，采样点位周围无明显污染源，能够代表朔州市空气质量状况。

1.2 研究方法

1.2.1富集因子法

自然源和人为源是大气重金属的两大来源，自然源主要是土壤沙尘和岩石风化，而人为源涉及工业粉尘、矿山开采和汽车尾气等[6]。富集因子法（EF法）是对大气颗粒物中重金属元素的富集程度进行定量评估以判断其来源的方法。计算公式如下：

EF=（（C_i/C_ref ） _PM2.5）/（（C_i/C_ref ） _soil ） （1）

式（1）中：Ci为研究元素i的质量浓度，单位为μg/m3；Cref被记作选定的参比元素的质量浓度，单位为μg/m3。（Ci/Cref）PM2.5为PM2.5样品中研究元素与参比元素之比；（Ci/Cref）soil为土壤样品中研究元素与参比元素之比。参比元素一般选择地壳或土壤中含量丰富、稳定的元素，如Al、Fe和Si。本文选取我国土壤（A层）Al元素的背景值[7]为参考元素分析朔州市重金属元素的富集特征。

EF为富集系数，数值越大，反映出人为活动对重金属的影响程度越大。重金属元素的富集因子若小于10，则认为该元素在环境中的富集水平较低或几乎无富集；富集因子在10～100之间时，则表明重金属元素的来源是一个混合体，既有自然地壳源，也有人为源，而后者是主要的污染物，表现为中度富集；当富集因子若大于100时，表明重金属在环境中实现了高度富集或超富集，这主要是由人为源引起的。

2.2.2潜在生态风险评价法

高富集的重金属在环境中不仅破坏生态系统，还对动植物和人类产生了毒害[8]。生态风险评估方法被大量使用来评估重金属污染引起的环境影响MT5znFMZpTBgTy7uv32b4Q==[9]，潜在生态风险指数（RI）也用以衡量颗粒物中重金属的污染水平[1，3，4]。计算公式为：

Ei r=Ti r×（Ci/Ci soil） （2）

RI=∑_（i=1）^m▒E_r^i （3）

式（2）、式（3）中，Ei r为第i种重金属的潜在生态风险系数；Ti r为第i种金属的毒性响应因子；Ci为研究元素的浓度；Ci soil为研究元素在土壤背景中的浓度，单位为μg/m3；本文使用了国家环境保护局与中国环境监测总站[7]中推荐的毒性响应因子数值：Cd、Mo、As、Pb、Ni、Cu、Ni、V、Cr、Zn、Se的毒性响应因子分别为30、18、10、5、5、5、5、2、2、1和1。 潜在生态风险评价指标和等级划分如表1所示[1]。

2结果与讨论

2.1PM2.5中重金属浓度水平

2022年朔州市PM2.5中元素浓度大小排序为：Ca＞Al＞Fe＞K＞Ba＞Ti＞Zn＞Co＞Mn＞Mo＞Pb＞V＞Te＞Sn＞Ni＞Cu＞Cr＞Ga＞Hg＞Sb＞Cd（见表2），累计浓度达到2.72μg·m-3。其中，地壳元素（Al、K、Ca、Fe）的浓度为2.45μg·m-3，其他元素的浓度占比相对较小，说明地壳元素是PM2.5无机元素的主要组成部分。微量元素中Ba、Ti和Zn占比较高，分别占18.35%、16.85%和12.73%，Ba和Ti主要受电厂厂区矿物尘等自然源影响比较大，Zn主要来源于工业过程释放或汽车制动板磨损和轮胎摩擦。

2.2 富集因子分析

2022年朔州市PM2.5中各元素的富集因子计算结果见表3。从表3可知 ，朔州市PM2.5中Ca、Ti、Fe、Mn和K的EF值介于1～10之间，表现为轻度富集，说明它们主要源于地壳等自然来源。Cu、Ni、V、Cr和Ga的EF值处于10～100范围，表现为中度富集，说明它们的源是混合源，其中人为源占主要地位。Zn、Pb、Sb、Sn、Cd和Se的EF值分别为113.72、138.14、219.26、592.01、1793.98和2466.72，均超过100，说明它们达到了高度富集更甚至超富集状态，意味着人为源对它们产生了显著影响。Zn可能来源于工业生产活动的释放，也可能来源于汽车制动片的磨损及轮胎摩擦过程；Sb、Sn和Pb通常被认为是生物质燃烧及燃煤的标志性元素；Cd和Se多来自化石燃料的燃烧和工业冶金；由此可以说明，朔州市重金属的富集来源主要与燃煤以及工业生产有 关。

2.3 潜在生态风险评估

PM2.5含有多种有毒有害重金属，它们不仅有毒有害，还可能具有持久毒性，对人体健康构成严重威胁。针对Zn、Pb、Mn、Cu、Cr、Ti、V、Cd、Ni和Se10种有毒重金属元素进行潜在生态风险评价，评价结果见表4。由 表中可以看出朔州市2022年PM2.5中重金属的潜在生态风险大小为：Cd＞Se＞Pb＞Cu＞Ni＞Zn＞V＞Cr＞Mn＞Ti；Cd和Se的潜在生态风险均超过320，显示出极高的风险水平，其中，Cd的生态风险最大，Ei r为7177，对综合生态风险的贡献率达到93.03%，这与其高毒性系数和生物可吸收性有关，使得它在生态系统中容易积累，对生态系统造成较高潜在风险 [9]。另外，Pb的Ei r为92，表现为较高潜在风险；Cu和Ni的Ei r值均为44，表现为中等潜在风险；Zn、V、Cr、Mn和Ti的Ei r值均小于40，表现为低潜在风险，对环境影响小。

朔州的综合生态风险指数RI高达7714，远高于1200的界限，这表明朔州市的重金属综合生态风险极高，需要重点关注。

3结论

（1）朔州市PM2.5中21种金属累计浓度达到2.72μg·m-3，其中，地壳元素（Al、K、Ca、Fe）的浓度为2.45μg·m-3，其他元素的浓度占比相对较小，说明地壳元素是PM2.5无机元素的主要组成部分。微量元素中Ba、Ti和Zn占比较高，分别占18.35%、16.85%和12.73%。

（2）朔州市PM2.5中Ca、Ti、Fe、K和Mn的EF值介于1～10之间，为轻度富集水平，说明这些元素主要来源于自然。Cu、Ni、V、Ga和Cr的EF在10-100之间，富集水平达到中度，表明这些元素的来源是混合源，其中人为源是主要的污染源。Zn、Pb、Sb、Sn、Cd和Se的EF值分别为113.72、138.14、219.26、592.01、1793.98和2466.72，富集因子均超过100，达到高度富集甚至超富集水平，表明它们的来源是人为源。

（3）朔州市PM2.5中重金属的潜在生态风险大小依次为：Cd＞Se＞Pb＞Cu＞Ni＞Zn＞V＞Cr＞Mn＞Ti；Cd和Se的潜在生态风险均超过320，显示出极高的风险水平，其中Cd元素的生态风险最大 ，潜在生态风险指数值为7177；Pb的Ei r值为92，表现为较高潜在风险；Cu和Ni的Ei r值均为44，表现为中等潜在风险；Zn、V、Cr、Mn和Ti的Ei r值均小于40，表现为低潜在风险，对环境构成的风险较小。

参考文献

[1] ZHANG X， ETO Y， AIKAWA M. Risk assessment and management of PM2.5 -bound heavy metals in the urban area of Kitakyushu， Japan [J]. Science of the Total Environment， 2021， 795：148748.

[2] GWENZI W， MANGORI L， DANHA C， et al. Sources， behaviour， and environmental and human health risks of high-technology rare earth elements as emerging contaminants [J]. Science of the Total Environment， 2018， 299-313.

[3] 胡海滨，陈庆华.福州市骑行通勤环境PM2.5中重金属污染特征及健康风险评估[J/OL].环境科学学报：1-8[2024-05-16].https：//doi.org/10.13671/j.hjkxxb.2024.0008.

[4] 李星谕，毛瑶，陈展乐，等.华中地区冬季灰霾天气下PM2.5中重金属污染特征及健康风险评价：以湖北黄冈为例[J]．环境科学，2021，42（10）：4593-4601．

[5] 迟振龙.大气颗粒物重金属污染排放浓度及环保检测技术研究[J].环境科学与管理，2024，49（1）：143-147.

[6] 雷渺，马嘉晖，杨璐平，等.不同空气质量下河南主要城市冬季PM2.5中重金属污染特征、来源解析及健康风险评价[J].环境化学，2024，43（1）：275-286.

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[9] 武振晓，闫珊珊，薛凡利，等邯郸市冬季大气PM2.5重金属元素空间污染特征及生态风险评价[J].中国环境监测，2021，37（1）：76-86．