沈陽市街道灰塵中重金屬的空間分布特征研究

1、李崇等：沈陽市街道灰塵中重金屬的空間分布特征研究 563沈陽市街道灰塵中重金屬的空間分布特征研究李崇1，李法云1, 2*，張營1，劉桐武3，侯偉11. 遼寧大學環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，遼寧 長沙 410128；3. 沈陽市環(huán)境衛(wèi)生工程設計研究院，遼寧 沈陽 110013摘要：對沈陽市區(qū)街道灰塵中cd、cu、pb、zn的含量水平進行了研究，并分析了重金屬的空間分布特征。結(jié)果表明：市區(qū)街道灰塵中cd、cu、pb、zn的含量范圍分別為2.2915.04 mgkg-1、46.96204.29 mgkg-1、62.76509.48 mgkg-1、277.414

2、22.89 mgkg-1，平均值為4.35 mgkg-1、81.33 mgkg-1、106.26 mgkg-1、334.47 mgkg-1，是沈陽市土壤背景值的27.18、3.31、4.80、5.67倍；市區(qū)西部重金屬污染程度高于東部，東、西部污染程度高于南、北部；街道灰塵中cd、pb空間分布差異較大，zn分布較均勻；除cd以外，鐵西區(qū)重金屬含量均最高，特別是pb含量明顯高于其他區(qū)，這與其工業(yè)區(qū)性質(zhì)密不可分；cd在大東區(qū)含量最高，這應與東部的汽車產(chǎn)業(yè)特征有密切關(guān)系；cdzn，cupb，cuzn，pbzn之間都有著極顯著的相關(guān)性；地積累指數(shù)法的評價結(jié)果表明：cd處于重污染水平，其余3種重金屬處于

3、偏中度污染水平。研究結(jié)果以期為沈陽市的城市環(huán)境污染防治和城市規(guī)劃提供重要的科學依據(jù)。關(guān)鍵詞：街道灰塵；重金屬；空間分布特征；沈陽中圖分類號：x513 文獻標識碼：a 文章編號：1672-2175（2008）02-0560-05城市灰塵是指粒徑小于20目( 0.920 mm )，分散于城市不同區(qū)域的表面固體顆粒物1，按照其來源和顆粒物性質(zhì)，劃分為街道灰塵、區(qū)域灰塵、大氣灰塵2。本文的研究對象為街道灰塵，它的主要來源為建筑工地、裸露地表、各種沉降在路面上的氣溶膠粒子和交通工具的磨損等3。由于其受到人流車流的影響，有害重金屬會大量吸附在顆粒物表面，從而成為潛在污染源，對人類和環(huán)境都有著相當大的危害。

4、一方面，街道灰塵在一定外動力條件下較易揚起，從而通過呼吸道和皮膚被人體吸收，在人體內(nèi)被消化、吸收、積累，對人體健康產(chǎn)生危害；另一方面，它在降水的沖刷作用下進入河道，對城市水環(huán)境造成了直接的污染。國外學者對街道灰塵中重金屬的研究較多，方法也比較成熟，如emanuela4對西西里市不同功能區(qū)、不同形態(tài)及不同粒徑中的重金屬進行了研究，serife5研究了土耳其內(nèi)一工業(yè)區(qū)各重金屬元素的相關(guān)性，并對街道灰塵作了主成分分析。相比之下，國內(nèi)主要側(cè)重于灰塵對大氣顆粒物的貢獻率及防塵措施的研究6，而對街道灰塵中重金屬的研究才剛起步，僅有西安、上海有初步研究，在東北地區(qū)尚屬空白。擁有“東方魯爾”之稱的沈陽市是中國

5、典型的老工業(yè)基地，也是全國重要的有色金屬冶煉與工業(yè)加工基地，目前已形成東部汽車、西部重化、南部高新技術(shù)和北部農(nóng)產(chǎn)品加工四大工業(yè)經(jīng)濟布局。沈陽市又是東北地區(qū)的交通樞紐，公路密集。因此，針對沈陽市的典型特征來研究街道灰塵中重金屬的空間分布特征有著十分重要的意義。1 樣品采集與實驗分析1.1 研究區(qū)概況沈陽市是遼寧省的政治、經(jīng)濟核心，人口近800萬，市區(qū)面積217 km27。1950年起，沈陽市就是我國重要的重工業(yè)基地之一，其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有東北老工業(yè)基地典型的重化工業(yè)特點，主要以機械加工為主，包括冶金、化工、醫(yī)藥、紡織、建材等8。目前該市有5個市區(qū)和4個工業(yè)區(qū)：市區(qū)包括和平區(qū)、沈和區(qū)、皇姑區(qū)、鐵西區(qū)、

6、大東區(qū)；工業(yè)區(qū)包括鐵西工業(yè)區(qū)、大東工業(yè)區(qū)、陳相工業(yè)區(qū)、沈海工業(yè)區(qū)，其中鐵西工業(yè)區(qū)規(guī)模最大，發(fā)展最早9。近幾年，沈陽市機動車數(shù)量增加迅速，到2006年末全市有機動車578676輛。1.2 樣品采集2006年4月在晴朗無風的天氣下，用小刷子和塑料小鏟子在沈陽市一環(huán)一周及環(huán)內(nèi)五條主要交通街道進行采樣。每個采樣點均用gps定位，采樣間距約為1 km，共采集61個樣品。采樣點位置詳見圖1(注：h、hy為環(huán)路；bt為長江街；b為北陵大街；w為望花街；c為市府大路；r為熱鬧路)。1.3 實驗分析1.3.1 樣品的預處理將采集的樣品自然風干10 d后，除去其中石0 500 1000 2000 m圖1 沈陽市街

7、道灰塵采樣點位置fig. 1 sampling sites of street dusts in shenyang city表1 街道灰塵中重金屬含量table 1 the contents of heavy metals in street dust mgkg-1重金屬平均值中位數(shù)最小值最大值變異系數(shù)對照值沈陽市土壤背景值cd4.353.462.2915.040.601.930.16cu81.3374.7946.96204.290.3328.3524.57pb106.2694.9162.76509.480.5745.1522.15zn334.47336.45277.41422.890.071

8、41.8559.04注：沈陽市土壤背景值引自羅雪梅等10，2003。子、樹葉、瓜子皮、毛發(fā)等雜質(zhì)，將其過20目網(wǎng)篩，作為初始樣品，用研缽研磨使之全部過100目網(wǎng)篩，再用電子天平準確稱取0.500 g準備用于重金屬的全量分析。1.3.2 樣品的消解和重金屬的測定將處理好的樣品置于聚四氟乙烯坩堝中，每個樣品作3個平行樣，并用較接近自然環(huán)境的北陵公園內(nèi)灰塵樣品作為對照樣，在通風櫥內(nèi)用酸溶法(hno3-hf-hclo4)在高溫電熱板上加熱消解，直至將灰塵樣品消解為白色或黃色結(jié)晶物，每一批消解樣品做一次試劑空白，以減少誤差。最后用體積分數(shù)為1%的hno3溶液溶解，定容于50 ml容量瓶中以備測量，用ts

9、d490型原子吸收光譜儀測定樣品中的cd、cu、pb、zn含量。2 結(jié)果與分析2.1 重金屬含量水平表2 國內(nèi)外城市市區(qū)街道灰塵中重金屬全量比較table 2 comparisons on the total heavy metal contents between shenyang and other cities in street dust城市時間（年）人口街道灰塵中重金屬全量/(mgkg-1)cdcupbzn紐約19841697200083552582.5181111倫敦199292276871115125441636988335811首爾19951062700031012452961

10、1香港1998544800092392208755574239711上海200417000000176612844438220246西安199560889015.2572.39140.2302.412沈陽200672040002.2915.0446.96204.2962.76509.48277.41422.89如表1，61個樣品中cd、cu、pb、zn含量(下文中重金屬含量均指其質(zhì)量分數(shù))的平均值分別為4.35 mgkg-1、81.33 mgkg-1、106.26 mgkg-1、334.47 mgkg-1，分別是沈陽市土壤重金屬元素背景值的27.18、3.31、4.80、5.67倍?？梢姡@4

11、種重金屬的外源部分占有相當比重，其中cu、pb、zn超出背景值倍數(shù)較為接近，均為6倍以內(nèi)，只有cd超出近30倍，可見cd含量受人類活動影響最大。與對照值（北陵公園）相比，cd、cu、pb、zn的平均值分別為對照值的2.25、2.87、2.35、2.36倍，說明沈陽市一環(huán)路以內(nèi)的街道灰塵中各重金屬含量與北陵公園內(nèi)各元素含量成一致比例，同時也說明北陵公園內(nèi)重金屬含量已經(jīng)受到周圍環(huán)境的影響。與國外發(fā)達城市相比，如紐約、倫敦，沈陽市區(qū)街道灰塵中各重金屬含量遠低于國外發(fā)達城市，尤其是pb和zn，國外發(fā)達城市pb含量要超出沈陽市10余倍，zn含量也要超出5倍左右。與國內(nèi)其他城市相比，如上海、香港，沈陽市區(qū)

12、街道灰塵中cu、pb、zn的含量也低于這種經(jīng)濟發(fā)達的城市。與人口、經(jīng)濟程度相差不太多的西安市相比，沈陽市各重金屬含量均與西安市相近。研究表明：街道灰塵中pb主要來源于汽車尾氣、輪胎、潤滑劑、防凍劑、建筑材料、大氣粉塵等，其含量與交通量和人口密度呈正相關(guān)。zn和cd主要來源于汽車輪胎的老化磨損，cu、cd、zn還來源于汽油、車體的磨損等13-16。從沈陽市與國內(nèi)外其他各城市相比的結(jié)果可以看出：街道灰塵中重金屬的含量與城市人口密度和經(jīng)濟發(fā)展程度呈正相關(guān)，人類活動尤其是交通運輸對街道灰塵中重金屬具有較大貢獻。 2.2 重金屬空間分布特征采用surfer8.0作圖軟件繪制出沈陽市一環(huán)及其內(nèi)主要街道灰塵

13、中重金屬含量的等值線分布圖（圖2依次為cd、cu、pb、zn的空間分布；深色線為交通路線，淺色線為等值線）。由圖2可知：沈陽市區(qū)西部重金屬含量高于東部，一環(huán)路東、西部均高于中部和南北部，cu、pb、zn含量的最高值分別為204.29 mgkg-1、509.48 mgkg-1、422.89 mgkg-1，這些高值點均在北二中路上，位于鐵西區(qū)東北部，高含量應與鐵西區(qū)的工業(yè)區(qū)性質(zhì)密不可分。而cd的高值點多分布于大東區(qū)，最高值為15.04 mgkg-1。 圖2 各重金屬的空間分布圖fig. 2 space distribution of heavy metals圖3為市內(nèi)五區(qū)各重金屬平均含量的對比圖。

14、每種重金屬含量由大到小的次序排列如下：cd為大東區(qū)（6.11 mgkg-1），沈河區(qū)（4.25 mgkg-1），鐵西區(qū)（4.24 mgkg-1），和平區(qū)（3.91 mgkg-1），皇姑區(qū)（3.16 mgkg-1）；cu為鐵西區(qū)（98.32 mgkg-1），和平區(qū)（82.25 mgkg-1），皇姑區(qū)（79.2 mgkg-1），沈河區(qū)（76.27 mgkg-1），大東區(qū)（69.44 mgkg-1）；pb為鐵西區(qū)（152.66 mgkg-1），皇姑區(qū)（103.14 mgkg-1），大東區(qū)（92.63 mgkg-1），和平區(qū)（90.22 mgkg-1），沈河區(qū)（89.89 mgkg-1）；zn為鐵西區(qū)

15、（349.08 mgkg-1），和平區(qū)（337.3 mgkg-1），沈河區(qū)（331.60 mgkg-1），皇姑區(qū)（329.15 mgkg-1），大東區(qū)（323.82 mgkg-1）。很明顯，除cd以外，鐵西區(qū)重金屬含量均最高，特別是pb含量明顯高于其他區(qū)。cd、pb的空間分布差異較大，zn的空間分布差異最小。大東區(qū)cd含量高應與東部汽車產(chǎn)業(yè)特征有密切關(guān)系，由于cd含量受汽車影響很大，而且交通車輛多為超重型貨車，輪胎較易磨損。造成pb含量過高的原因有兩方面：一是鐵西區(qū)原屬工業(yè)區(qū)，以前集中多家排pb企業(yè)，雖然現(xiàn)在已搬遷，但仍有大量殘留；二是鐵西區(qū)也屬于繁華商業(yè)區(qū)，車流量較大，汽車尾氣導致的pb污染

16、嚴重，皇姑區(qū)pb含量高也屬于此原因。cu的高含量也集中于西部，這也與鐵西區(qū)的工業(yè)區(qū)性質(zhì)有密切關(guān)系。2.3 各重金屬間相關(guān)性分析研究街道灰塵中重金屬含量的相關(guān)性，有利于推測出重金屬的來源是否相同17。若重金屬含量有顯著的相關(guān)性，說明有相同來源的可能性較大，否則來源可能不只一個18。在自然界中，單個重金屬污染雖有發(fā)生，但大多是幾種金屬元素的復合污染。圖3 各區(qū)重金屬含量水平fig. 3 heavy metals contents in five districts沈陽市街道灰塵中各重金屬元素間的相關(guān)性如表3所示。由表3可知，cdzn，cupb，cuzn，pbzn之間都有著極顯著的相關(guān)性。并同時在大

17、部分樣品中出現(xiàn)這些重金屬元素含量同時增高的現(xiàn)象，表現(xiàn)出復合污染的特征。說明這些重金屬來自相同污染源的概率較大。其中cuzn相關(guān)性系數(shù)最大，也說明街道灰塵中cu與zn的關(guān)系最為密切，它們的含量受彼此的影響也最大。表3 各重金屬元素間的相關(guān)性系數(shù)table 3 correlation coefficients between different heavy metal elements (n=61)元素cdcupbzncd1cu0.1971pb0.302*0.443*1zn0.336*0.553*0.494*1注：*相關(guān)系數(shù)在0.05概率水平上顯著；*相關(guān)系數(shù)在0.01概率水平上顯著。3 重金屬的

18、污染評價muller曾提出用地積累指數(shù)定量評價沉積物中重金屬污染程度19, 并規(guī)定了相應的污染程度級別劃分標準，由公式計算并參照此標準作出污染評價（如表4）。地積累指數(shù)igeo的計算公式：表4 各重金屬的污染程度table 4 pollution degree of heavy metals元素污染指數(shù)(igeo)范圍平均值的污染指數(shù)污染程度cd3.255.974.18重污染cu0.352.471.14偏中度污染pb0.923.941.68偏中度污染zn1.652.261.92偏中度污染igeo：污染指數(shù)；cn：污染物實測值；bn：該元素背景含量；除cd處于重污染水平外，其余3種重金屬處于偏中

19、度污染水平?？梢姡蜿柺袘攸c治理cd污染。鐵西區(qū)作為沈陽市的典型工業(yè)區(qū)，污染最為嚴重，cd、cu、pb、zn的污染指數(shù)依次為17.65、2.67、4.59、3.94，分別達到嚴重污染、中度污染、重污染、偏重污染水平。cd污染程度最為嚴重，已經(jīng)嚴重超標。可見，鐵西區(qū)的交通環(huán)境亟待改善。4 結(jié)論（1）沈陽市各重金屬有著不同程度的污染，各重金屬外源部分都占很大比重。其中cd超出土壤環(huán)境背景值約30倍。大東區(qū)cd含量最高，最大值達到15.04 mgkg-1。cd含量高的現(xiàn)象應與東部的汽車產(chǎn)業(yè)特征有密切關(guān)系。cd、pb、zn的高值點都集中在鐵西區(qū)，鐵西區(qū)污染程度也處于五區(qū)之首。這是它的工業(yè)區(qū)性質(zhì)所決定

20、的，雖然大部分工廠已經(jīng)搬遷至郊區(qū)，但仍有大量殘留，此區(qū)環(huán)境條件仍需改善。（2）總體來說，cd處于重污染水平，其余3種重金屬處于偏中度污染水平。沈陽市一環(huán)路內(nèi)西部重金屬污染程度高于東部，東、西部污染程度高于中部和南北部。沈陽市污染程度低于國內(nèi)外許多發(fā)達城市，這應與城市人口密度、交通量和經(jīng)濟發(fā)展程度有密切關(guān)系。（3）cdzn，cupb，cuzn，pbzn之間都有著極顯著的相關(guān)性，說明它們有相同來源的可能性較大。參考文獻：1 杜佩軒, 田暉, 韓永明. 城市灰塵概念、研究內(nèi)容與方法j. 陜西地質(zhì), 2004, 22(1): 74-75.du peixuan, tian hui, han yongmi

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35、 cd, cu, pb, zn in urban street dust of shenyang are studied, and spatial distribution of heavy metals is also analyzed. the range of cd, cu, pb, zn contents in street dust is 2.2915.04 mgkg-1, 46.96204.29 mgkg-1, 62.76509.48 mgkg-1 and 277.41422.89 mgkg-1 respectively, with average value of 4.35 mgkg-1, 81.33 mgkg-1, 106.26 mgkg-1 and 334.47 mgkg-1, which are 27.18,