南京不同功能区街道路面积尘重金属污染评价与源分析.pdf

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1、第 23 卷第 11 期2010 年 11 月环境科学研究Research of Environmental SciencesVol.23，No.11Nov.，2010南京不同功能区街道路面积尘重金属污染评价与源分析张云1，张宇峰1，胡忻2*1.南京工业大学环境学院，江苏 南京2100092.南京大学现代分析中心，生命分析化学教育部重点实验室，江苏 南京210093摘要:以南京不同功能区(商业区、居住区、交通区、风景区、文教区、工业区和城乡结合区)的街道路面积尘为研究对象，测定其w(Cd)，w(Cr)，w(Cu)，w(Ni)，w(Pb)，w(Zn)，w(Mn)，w(As)，w(V)，w(Fe)

2、和w(Ti).通过富集因子法和综合污染指数法评价重金属污染水平，采用主因子分析法分析重金属可能的污染源.富集因子法评价结果表明，Cr 和 Ni 为中度富集，其中 Cr在商业区的富集程度最大，Ni 在工业区的富集程度最大.Cd，Cu，Pb，Zn 和 As 为显著富集，其中 Cd 在居住区的富集程度最大，Cu，Pb，Zn 和 As 在商业区的富集程度最大.内梅罗综合污染指数法评价结果表明，Cr 在警戒限内，属于尚清洁;Cu，Ni 和Zn 属于轻度污染;Cd 为重度污染.不同功能区的内梅罗污染指数各不相同，如商业区、居住区和交通区的 Pb，Zn，Ni 和 Cd 的内梅罗污染指数较高.主因子分析结果显

3、示，污染可能来自 3 个方面:Ni，Mn，Fe，Ti 和 V 可能来自于当地的土壤;Cd，Cu，Pb，Zn 和 As 可能来自于混合源;Cr 可能来自于石化工业源.关键词:街道路面积尘;重金属;主因子;富集因子中图分类号:X820.2文献标志码:A文章编号:1001 6929(2010)11 1376 06Assessment of Heavy Metal Contamination and Source Identification of DustDeposited on Roads Collected from Different Land-Use Zones in NanjingZHAN

4、G Yun1，ZHANG Yu-feng1，HU Xin21.School of Environment，Nanjing University of Technology，Nanjing210009，China2.Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science(Ministry of Education)，Center of Material Analysis，Nanjing University，Nanjing210093，ChinaAbstract:Thirty-five samples of dust deposited o

5、n roads were collected from seven different land-use zones(commercial，residential，traffic，scenic，educational，industrial and suburban)in Nanjing，China.The contents of metals(Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn，Mn，As，V，Fe and Ti)in these samples were determined.An assessment of heavy-metal contamination was conducted b

6、y the methods ofenrichment factor and Nemerow pollution index.Principal component analysis was applied to the data matrix to identify the possiblepollution sources of the metals.The enrichment factor results showed that Cr and Ni had moderate enrichment，in which the highest Crenrichment was in the c

7、ommercial zone，and the highest Ni enrichment was in the industrial zone.Cd，Cu，Pb，Zn and As weresignificantly enriched in the studied samples，in which the highest Cd enrichment was in the residential zone，and the highest Cu，Pb，Zn and As enrichments were in the commercial zone.The Nemerow pollution in

8、dex results showed that Cr was below the safe threshold，belonging to still clean，while Cu，Ni and Zn represented mild pollution and Cd represented severe pollution in the studied samples.The Nemerow pollution indices in the different land-use zones were different from each other.The Nemerow pollution

9、 indices for Pb，Zn，Ni and Cd were relatively higher in the commercial，residential and traffic zones.Principal factor analysis showed that heavy metalcontamination in dust deposited on these roads was likely from three sources.Ni，Mn，Fe，Ti and V were likely from local soil.Cd，Cu，Pb，Zn and As were like

10、ly from mixed sources.Cr was likely from petroleum industry sources.Key words:road deposited dust;heavy metal;principal factor;enrichment factor收稿日期:2010 06 04修订日期:2010 08 06基金项目:国家自然科学基金项目(20607010);国家自然科学基金创新研究群体项目(20821063)作者简介:张云(1986 )，女，江苏丹阳人，karolyun .*责任作者，胡忻(1971 )，男，安徽六安人，副教授，博士，主要从事环境化学分析

11、、元素形态与生物有效性研究，huxin 环境中重金属污染来源非常广泛，如汽车排放、工业排放及其他人类活动排放等 1-3.富含重金属的大气颗粒物沉降到街道路面等形成街道路面积尘，而街道路面积尘在外动力作用下又容易扬起，沉降、扬起、沉降往复交替循环，对环境和人类健康可能造成严重危害;同时又可以通过地表径流污染水第 11 期张云等:南京不同功能区街道路面积尘重金属污染评价与源分析生态系统 4-6.因此，街道沉积物中重金属的污染研究及其风险评价具有重要意义.南京近年来城市化和工业化发展迅速，工业排放和汽车尾气排放使其重金属污染日益严重.许多学者对南京市土壤、沉积物、湖水以及植物中的重金属污染状况进行了

12、研究 7-10.迄今为止，对于城市街道路面积尘重金属污染状况的研究较少 11.因此，开展南京市街道路面积尘重金属污染负荷的调查，明确南京街道路面积尘重金属污染现状，对于南京市环境污染防治、环境质量评价等具有非常重要的意义.笔者分析了南京不同功能区街道路面积尘中 的 w(Cd)，w(Cr)，w(Cu)，w(Ni)，w(Pb)，w(Zn)，w(Mn)，w(Fe)，w(As)，w(Ti)和w(V)，利用富集因子法和内梅罗指数法来评价南京街道路面积尘的污染程度，并同时利用主因子分析法来分析重金属污染的可能途径，以期为南京市环境质量控制与重金属污染评价提供参考.1材料与方法1.1样品采集采集灰尘样品，首

13、先要考虑的是天气因素.一般是在天气保持晴朗、干燥至少 3 d 后，选择晴朗无风的天气进行灰尘样品的采集.这样采集的样品不易结块，成分不易损失，利于分析.采样点的设置根据文献 4 的报道，结合南京市现状，选择7 个功能区，主要分为商业区、居住区、交通区、风景区、文教区、工业区和城乡结合区.于 2009 年10 月 16 日和 20 日分别在南京 7 个功能区的硬化街道采用文献 12 的方法(使用便携式吸尘器)，分别采集了 5 个街道路面积尘样品商业区(S1 S5)、居住区(S6 S10)、交通区(S11 S15)、风景区(S16 S20)、文教区(S21 S25)、石化工业区(简称 工 业 区，

14、S26 S30)和 城 乡 结 合 区(S31 S35).样品采集后放入密实袋中，同时标记好采样时间和地点.具体采样位置见图 1.图 1采样点位置Fig.1Map for sampling sites7731环境科学研究第 23 卷1.2样品处理与分析样品采集带回实验室后，除去样品中大的石块、树叶、烟头和头发等杂质，过 250 目(63 m)尼龙网筛.过筛后的样品用密实袋保存，用以分析重金属总量.重金属总量分析方法:利用 Milestone Ethos 1 微波仪消解样品，设定 2 个步骤，第 1 步骤在 15 min内升至210 ，第 2 步骤是恒温 20 min 继续消解.将样品移入高压密

15、封消化罐的聚四氟乙烯内胆中，加入 3 mL HNO3，6 mL HF 和 0.5 mL HClO4酸消解，冷却后将溶液倒入聚四氟乙烯烧杯中继续消解蒸至近干，定容待测.消解过程中所用试剂均为优级纯，所用器皿用6 mol/L的硝酸在超声波清洗器内清洗 15 min，并用二次去离子水清洗 3 遍后，在烘箱内烘干.重金属总量 采 用 电 感 耦 合 等 离 子 体 原 子 发 射 光 谱 仪(ICP OES，Optima5300DV，PerkinElmer，USA)和电感耦 合 等 离 子 体 质 谱 仪(ICP MS，Elan9000，PerkinElmer，USA)测定.1.3数据分析运用统计软件

16、 SPSS 13.0 对数据进行处理和统计分析(主因子分析).2结果与讨论2.1不同功能区街道路面积尘中重金属总量的分布不同功能区街道路面积尘中重金属(Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn，Mn，Fe，As，Ti 和 V)的总量见表 1.由表 1 可以看出，w(Fe)，w(Ti)，w(Mn)和w(Zn)普遍较高.不同功能区重金属的质量分数各不相同，表 1不同功能区街道路面积尘中的重金属质量分数Table 1Heavy metal concentrations in road deposited sediments from different zones样品编号w/(mg/kg)w/%CdCrC

17、uNiPbZnMnAsVTiFeS10.71064.2136.332.4150.526658814.471.10.3742.14S21.01463.1100.125.578.379853015.154.60.2741.79S31.124154.2272.456.1203.752462014.867.20.3433.46S41.923145.1199.456.3198.375467018.572.90.3213.22S50.69890.380.034.964.622655812.975.80.3802.35S61.286119.2132.945.6193.538554915.476.10.347

18、2.87S72.168135.7166.050.8154.059565715.278.90.3913.81S81.669138.9194.570.7169.163765612.976.30.4003.92S91.458114.8119.245.5111.044758314.273.60.4003.42S100.72784.174.329.383.227059015.465.90.3272.63S110.862132.8179.857.5121.940756311.670.60.3873.14S120.917119.7171.249.498.638362614.273.50.3913.49S13

19、1.106130.7173.449.296.740257712.969.90.3993.36S140.811125.5134.247.0125.942552713.166.40.3782.89S151.006143.2162.149.6136.542166014.072.20.3513.44S161.22477.951.633.864.027749812.965.90.3762.41S171.060103.869.136.864.336055112.369.40.3922.59S180.43560.628.727.043.814067210.260.60.4051.99S190.49980.4

20、79.331.044.417149511.681.40.4292.27S201.083137.6130.145.296.633465713.476.60.4523.31S211.507121.6111.548.668.534358413.471.50.4043.11S222.19087.795.439.772.930552515.664.00.3382.62S232.14872.193.024.868.021838212.042.00.2482.03S240.81684.348.339.537.320951011.270.70.4342.43S250.55570.345.041.541.814

21、448714.980.40.4252.19S261.101190.0112.690.0137.240485712.076.90.4646.60S270.827234.0135.4114.694.743187112.285.70.4695.89S281.332101.9211.0268.1196.96191 29416.11020.5685.96S290.711200.0108.792.177.434182811.893.10.5745.56S300.986250.4141.1104.591.539992813.494.60.5885.51S310.890181.2127.554.594.544

22、678511.885.90.5064.24S320.769150.879.647.478.242171714.189.20.5143.65S330.59695.546.929.851.421646510.571.70.4722.54S341.058169.8142.045.2110.962979412.883.90.4774.28S351.041159.9147.844.198.743576213.981.80.4604.51平均值1.094125.5122.955.9103.439464613.474.60.4133.42背景值0.12677.822.326.726.262.658510.0

23、83.40.4103.028731第 11 期张云等:南京不同功能区街道路面积尘重金属污染评价与源分析w(Zn)和w(As)在商业区(S1 S5)最高，平均值分别达 到 514 和 15.1 mg/kg，在 风 景 区(S16 S20)为最低.w(Pb)和w(Cd)在居住区(S6 S10)最高，平均值分别为 142.1 和 1.461 mg/kg;在文教区(S21 S25)和风景区为最低，平均值分别为57.7 和 0.862 mg/kg.而 w(Cr)，w(Ni)，w(Mn)，w(Fe)，w(Ti)和w(V)在工业区(S26 S30)达到最高，平均值分别为 195.6，133.9 和 956

24、mg/kg，以及 5.90%，0.534%和 90.5 mg/kg.w(Cu)和w(Ni)在风景区最低，平均值分别为 71.8 和 34.7mg/kg.w(Cr)，w(Fe)，w(Mn)和w(V)在文教区较之其 他 区 为 最 低，平 均 值 分 别 为 87.2 mg/kg，2.48%，498 mg/kg和 65.7 mg/kg.w(Ti)在商业区最低，为 0.339%.从总体上看，商业区、工业区的含量高，交通区(S11 S15)、居住区、城乡结合区(S31 S35)次之，风景区和文教区相对较低.比较南 京 市 土 壤 背 景 值13可 知，w(Cu)，w(Pb)，w(Zn)，w(Ni)和w

25、(Cd)的平均值都高于背景值.用均值 T 检验统计分析样品元素含量与其土壤背景 值 差 异，w(Cd)，w(Cr)，w(Cu)，w(Ni)，w(Pb)，w(Zn)，w(As)和w(V)与背景值呈极显著差异(P 0.01)，w(Mn)呈显著差异(P 0.05).其中，路面积尘中w(Cd)，w(Cr)，w(Cu)，w(Ni)，w(Pb)，w(Zn)和w(As)的平均值分别是背景值的 8.69，1.61，5.51，2.10，3.94，6.29 和 1.34 倍，表明存在不同程度的重金属富集.2.2污染评价2.2.1富集因子法富集因子法用于评价街道路面积尘重金属的富集水平.富集因子数学表达式为 14-

26、15:EF=(X/Y)样品/(X/Y)参考样式中，X 为重金属质量分数，mg/kg;Y 为标准化元素质量分数，mg/kg.选择 Fe 作为参比元素，主要考虑 Fe 在地壳中丰度高，占地壳元素总量的 4.75%，在中性和碱性环境中 Fe 的溶解度低，不易迁移;Fe 的生物利用度也很低，性质较为稳定.采用大陆上层地壳元素含量作为参比含量 16.不同功能区各重金属元素的EF 值见表 2.CHESTER 等 17认为，EF 大于 10 表示主要来自人为污染.从表 2 可以看出，不同功能区的重金属污染水平也略有不同，商业区普遍较高，平均来看，Cd 和 As 的富集系数大于 10，分别为 12.6和 10

27、.2，表 明 人 类 活 动 的 影 响 较 为 明 显.而SUTHERLAND 等 18认为，EF 大于 2 就表示其来自人为污染，并将其分为 5 个级别:5 20 为显著富集;20 40 为强烈富集;40 为极强富集.从表 2 可以 看出，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn 和 As 的 人为影响较大，其中 Cr 和 Ni 为中度富集，Cr 在商业区的富集程度最大，Ni 在工业区的富集程度最大.Cd，Cu，Pb，Zn 和 As 为显著富集，其中，Cd 在居住区的富集程度最大，Cu，Pb，Zn 和 As 在商业区的富集程度最大.表 2不同功能区重金属富集系数Table 2Enrichment

28、 factor of heavy metals in road deposited sediments from different zones功能区EFCdCrCuNiPbZnMnAsTiV商业区平均值15.13.878.242.739.1710.381.4014.31.611.61标准偏差5.20.642.260.222.956.970.283.60.420.36居住区平均值15.33.565.672.517.536.771.0810.61.321.32标准偏差3.70.361.220.472.541.160.142.50.120.18交通区平均值10.34.017.042.726.266

29、.201.059.421.371.26标准偏差0.90.360.620.301.210.680.040.740.130.06风景区平均值12.03.593.832.424.274.941.3711.31.951.67标准偏差4.40.481.410.050.661.400.341.20.320.28文教区平均值21.23.504.462.734.124.801.1812.91.761.56标准偏差12.20.261.580.421.261.030.092.40.390.37工业区平均值5.983.343.383.973.513.670.9475.201.060.900标准偏差1.331.100

30、.992.211.340.860.1950.790.180.138城乡结合区平均值8.103.943.822.033.915.411.077.861.541.29标准偏差0.570.290.940.250.371.150.061.380.390.24总体平均值12.63.695.202.735.546.021.1610.21.521.37标准偏差5.10.251.850.602.162.170.173.10.290.279731环境科学研究第 23 卷2.2.2内梅罗综合污染指数法目前环境质量标准中没有城市不同功能区路面积尘的评价标准，因此选用我国土壤环境质量标准(GB156181995)的二

31、级标准值作为重金属污染评价的质量标准，计算了 35 个采样点各重金属内梅罗污染指数，结果如表 3 所示.按照内梅罗污染指数，划定 5 个污染等级 19.从表 3 可以看出，Pb和 As 的内梅罗污染指数平均值均小于 0.7，说明该元素未受污染，环境质量良好.Cr 的内梅罗污染指数平均值在 0.7 1 之间，说明 Cr 在警戒限之内，属于尚清洁.Cu，Ni 和 Zn 的内梅罗污染指数平均值在 1 2 之间，说明街道沉积物中这 3 种元素属于轻度污染.而 Cd 的污染指数平均值大于 3，说明南京市街道沉积物中已受到 Cd 的重度污染.从表 3 也可以看出，不同功能区的内梅罗污染指数各不相同，如 P

32、b，Zn，Ni 和 Cd，一般都是商业区、居住区和交通区较高，这些地区都是人为活动比较强烈的地区，说明这些重金属元素受人为影响较大.表 3不同功能区重金属内梅罗污染指数Table 3Nemerow pollution index of heavy metals inroad deposited sediments from different zones功能区内梅罗污染指数CdCrCuNiPbZnAs商业区5.220.6562.230.9850.5812.680.564居住区6.160.6461.681.2120.5662.230.500交通区3.420.6851.721.0820.4221.

33、670.457风景区3.530.5851.050.8060.2711.250.425文教区6.180.5290.980.8790.2191.190.485工业区3.911.1221.804.2380.5432.150.489城乡结合区3.230.8351.300.9930.3322.150.446总体平均值4.520.7231.541.4560.4191.900.4812.3统计分析污染源的可能来源在南京街道路面积尘中，重金属质量分数各不相同，有的甚至相差很大，但是如果它们之间存在相关关系，即表示它们可能来自同一污染源 20-21.对南京不同功能区街道路面积尘重金属进行主因子分析来确定其可能污

34、染源.主因子分析表明，南京街道路面积尘中重金属污染主要受 3 个主因子控制，这 3 个主因子对总方差的贡献率分别为 46.8%，27.0%和 7.60%，累积方差贡献率大于 81.0%.为了使 3 个主因子更易于解释，对初始因子载荷矩阵进行方差最大旋转后得到表 4.从表 4 可以看出，不同主因子上的系数各不相同，说明它们每组的来源都不一样.主因子 1(PC1)中 Ni，Mn，Fe，Ti和 V 的系数较大，说明第 1 主因子在 Ni，Mn，Fe，Ti和 V 上有大的载荷系数，因为 Fe，Mn，Ti 和 V 是土壤重要元素，所以第 1 主因子的来源解释为自然源，可能来自于当地的土壤.主因子 2(P

35、C2)中 Cd，Cu，Pb，Zn 和 As 的系数较大，说明第 2 主因子在 Cd，Cu，Pb，Zn 和 As 上 有 大 的 载 荷 系 数.主 因 子 3(PC3)中 Cr 的系数较大.说明 PC2 和 PC3 的来源可能为人为源，PC2 可能来自于混合源(汽车尾气和工业源);而 PC3 中的 Cr 可能来自于石化工业源，南京的扬子石化和金陵石化都是大型企业，而且从表 1 可以看出，工业区w(Cr)为最高.ZHANG 等 4研究报道，Al，Fe，Co，Mn，Cr 和 Ni 来自土壤，Cu 和Cd 为人为源，Pb 污染来自机动车含铅汽油的使用.KARTAL 等 6也报道了 Cu，Ni，Cd，

36、Co，Cr 和 Zn 来自工业源，Mn 来自土壤，Pb 来自机动车含铅汽油的使用.这些与该研究结果较为相似.表 4街道路面积尘中重金属因子载荷矩阵Table 4Varimax rotated principal component(PC)loadingsand communalities for the street sediment samples元素主因子123元素主因子123Cd 0.260.690.01Mn0.900.250.18Cr0.470.200.81Fe0.750.240.54Cu0.210.820.26As0.090.74 0.47Ni0.850.30 0.04Ti0.85

37、0.310.32Pb0.220.860.04V0.91 0.010.17Zn0.170.810.18注:n=35.3结论a.各功能区的 w(Cu)，w(Pb)，w(Zn)，w(Ni)和w(Cd)都较高，从总体上来看重金属为交通区、工业区、商业区 居住区、城乡结合区 风景区和文教区.b.对街道路面积尘重金属总量进行的污染评价结果表明，Cr 和 Ni 为中度富集，其中 Cr 在商业区的富集程度最 大，Ni 在工业区的富集程度最大.Cd，Cu，Pb，Zn 和 As 为显著富集，其中，Cd 在居住区的富集程度最大，Cu，Pb，Zn 和 As 在商业区的富集程度最大.内梅罗污染指数表明，Cr 在警戒限内

38、，属于尚清洁;Cu，Ni 和 Zn 属于轻度污染;而 Cd 属于重度污染.不同功能区的内梅罗污染指数各不相同，如 Pb，Zn，Ni 和 Cd，一般都是商业区、居住区和交通区较高.c.对街道路面积尘中各金属元素进行了主因子分析，结果显示，污染可能来自 3 个方面:Ni，Mn，Fe，Ti 和 V 可能来自于当地的土壤;Cd，Cu，Pb，Zn0831第 11 期张云等:南京不同功能区街道路面积尘重金属污染评价与源分析和 As 可能来自于混合源;Cr 的可能来源是石化工业源.参考文献(References):1 ABU-RUKAHY，GHREFATHA.Assessmentoftheanthropog

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