环境科学学报  2016, Vol. 36 Issue (9): 3322-3332
淮南市不同功能区叶面尘和地表灰尘中重金属分布特征、来源及健康风险评价    [PDF全文]
张丹龙, 方凤满 , 姚有如, 朱哲, 武家园    
安徽师范大学国土资源与旅游学院, 芜湖 241000
摘要: 以淮南市叶面尘及对应地表灰尘为研究对象,采集了6个不同功能区的石楠叶面尘和相应地表灰尘,研究了Cr、Cu、Zn、Pb、As、Ni、V的分布特征及其来源,并采用美国EPA人体暴露风险评价模型,对不同功能区、不同暴露途径的儿童重金属致癌和非致癌健康风险进行评估.结果表明:淮南市叶面尘中重金属含量显著高于地表灰尘,叶面尘主要污染元素为Zn、Pb、Cu、As、Ni,地表灰尘中主要污染元素为Cu、Zn、Pb.不同功能区重金属来源存在差异,商业交通区、经济开发区和煤炭运输区,交通排放是其主要来源,文教区、公园绿地、居住区来源较为复杂,除来自于交通排放,还可能来自于工业排放、燃煤燃烧、炊事活动和公共设施的磨损.叶面尘和地表灰尘中Ni、As、Cr的致癌风险均小于安全阈值,地表灰尘中非致癌总风险为0.58,叶面尘为1.36,超出了安全阈值1.0,已经对儿童健康构成危害,手-口摄入是主要暴露途径;各功能区叶面尘重金属非致癌风险除煤炭运输区外,均大于1.0,排序为:文教区 > 公园绿地 > 居住区 > 经济开发区 > 商业交通区 > 煤炭运输区,地表灰尘均小于1.0,排序为:公园绿地 > 经济开发区 > 文教区 > 商业交通区 > 煤炭运输区 > 居住区.叶面尘中重金属的非致癌风险排序为:As > Pb > Cr > V > Ni > Cu > Zn,地表灰尘为:As > Cr > Pb > V > Cu > Ni > Zn.
关键词: 叶面尘     地表灰尘     重金属     分布     来源     健康风险评价    
Distribution, sources and health risk assessment of heavy metals in foliar and surface dust of different functional areas of Huainan City
ZHANG Danlong, FANG Fengman , YAO Youru, ZHU Zhe, WU Jiayuan    
College of Territorial Resources and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241000
Supported by: Supported by the National Natural Science Foundation of China ( No. 41371480) and the Najor Program of Provincial Discipline Construction for Geography
Biography: ZHANG Danlong(1991—),male,E-mail:zdlasd@163.com
Abstract: This study was focused on the distribution and sources of Cr, Cu, Zn, Pb, As, Ni and V in the foliar dust (Photinia serrulata Lindl) and the surrounded surface dust in six different functional districts of Huainan, a typical coal mine city in Anhui Province, East China. The carcinogenic and non-carcinogenic risks of heavy metals to children were also evaluated by using US EPA human exposure risk assessment model. Contents of heavy metals in foliar dust were found to be significantly higher than those in the surface dust. The main pollution elements in foliar dust were Zn, Pb, Cu, As, Ni and in surface dust were Cu, Zn and Pb. The sources of heavy metals varied in different functional districts. Traffic emission was the main source in commercial traffic district, economic development district and coal transportation district, while the sources in cultural and educational district, parks and greenery district, and residential districts were more complex including traffic emission, industrial emission, coal burning, cooking activities and wear of public facilities. The carcinogenic risk indices of Ni, As, and Cr were under the safety threshold. Total non-carcinogenic risks was 0.58 in surface dust and 1.36 in foliar dust. The latter exceeded the safety threshold of 1.0 and have constituted a hazard to children health. Except coal transportation district, the non-carcinogenic hazard indices of heavy metals in foliar dust in all functional districts were greater than 1.0 and decreased in the order of cultural and educational district > parks and greenery district > residential district > economic development district > commercial traffic district > coal transportation district. The hazard indices of surface dust were less than 1.0, decreasing in the order of parks and greenery district > economic development district > cultural and educational district> commercial traffic district > coal transportation district > residential district. Non-carcinogenic risk of heavy metals in foliar dust followed in the order of As > Pb > Cr > V > Ni > Cu > Zn, and followed in the order of As > Cr > Pb > V > Cu > Ni > Zn in surface dust.
Key words: foliar dust     surface dust     heavy metal     distribution     sources     health risk assessment    
1 引言(Introduction)

叶面尘是空气中的颗粒物在重力、降水、吸附等因素的作用下附着于植物叶片表面的颗粒物总称,叶面尘经过长期积累,能够反映环境颗粒物的累积污染情况,逐渐成为研究热点(庞博等,2009).城市地表灰尘是一种物质组成和来源复杂的环境介质,累积了大量的重金属,是城市环境重金属污染的载体(Adachi et al., 2005王济等,2012),叶面尘中颗粒物可在重力作用下沉降于地表,地表灰尘也可因外力作用扬起被植物叶片截留,互为源汇,同时它们都可以与大气颗粒物互相作用、转化,形成新的环境健康危害.目前,针对地表灰尘或者叶面尘单一环境介质开展污染特征、风险评价等方面的研究较多(李如忠等,2011戴斯迪等,2013),鲜见综合考虑地表灰尘与叶面尘中重金属健康危害的报道.

淮南作为煤矿城市,在长期的煤矿开采、存放、运输过程中,产生了大量的富集重金属等有毒有害物质的飞灰、粉尘,儿童作为易感群体,受重金属的危害尤其突出(Utembe et al., 2015).目前对淮南重金属的研究多针对废弃矿尾、矿区复垦区、植物叶片、城区地表灰尘重金属污染和生态风险的评估(江培龙等,2013熊鸿斌等,2015刘玲等,2014范佳民等,2014),对煤矿城市中叶面尘及地表灰尘重金属的健康风险特别是儿童暴露风险的研究相对薄弱.叶面尘与地表灰尘的空间高度不同,粒径不同,因而造成的危害不同,叶面尘与地表灰尘的组合能够在一定程度上反映立体空间的粉尘污染及健康危害,比研究单一介质的健康风险更有实际意义和科学性.因此,本文从叶面尘和地表灰尘入手,对淮南市不同功能区的儿童重金属暴露风险进行研究,以期为淮南市粉尘污染控制和儿童身体健康保护提供参考.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况及样点布设

淮南位于安徽省中北部,淮河中游,是典型的煤炭资源型城市,2011年煤炭产量达到1亿t左右,是我国13个亿吨煤基地之一和全国6个煤电基地之一,境内有洛河、田家庵、平圩三大火力发电厂.为了探究淮南市粉尘中重金属的空间分布及健康风险水平,按人类活动、城市规划布局和交通流量将淮南市划为文教区、商业交通区、公园绿地、居住区、煤炭运输区、经济开发区(以下简称“经开区”)6个类别.选择具有代表性的采样点位(共计37个),采集主要绿化物种石楠(Photinia serrulata Lindl.)叶片及相应不透水地面地表灰尘样品(共计74个).

文教区包括淮南联合大学、淮南师范学院新老校区、安徽理工大学西校区和北校区,这些学校均位于淮南市主干道两旁,车流量较大,采集校园中不同区域石楠叶片及校园道路、操场中地表灰尘样品,共5处;商业交通区采样点位于淮南市主城区商业活动和车流量密集的淮舜南路、朝阳中路、学院南路、国庆中路、人民中路、国庆西路,采集道路两边绿化带中石楠叶片和路边地表灰尘样品,共8处;公园绿地的5处采样点分别为八公山风景区(3处)和龙湖公园(2处),八公山风景区附近工厂较多,离谢家集矿区也较近,龙湖公园位于淮南市区,主干道旁,人群密集,车辆拥堵,采集公园内绿化带、绿地中石楠叶片及道路、广场中地表灰尘样品;居住区选择淮南主城区有物业管理的居民住宅小区,采集小区内不同场所绿化带中石楠叶片及路边、广场上地表灰尘样品,共6处;煤炭运输区为潘集区和谢家集区潘一矿、潘北矿、谢一矿等主要在生产煤矿,运煤卡车专用路段,采集路旁绿化带中石楠叶片及路边地表灰尘样品,共计8处;经开区为大通区淮南经济技术开发区内,包括经开区污水处理厂周边、淮南益益乳业周边、造纸厂周边、轴承厂周边、经开区管委会,采集样点周边绿地中石楠叶片及路边和厂区内地表灰尘样品,共5处.

2.2 样品采集与处理

于2015年4月,雨后7 d,选择无风晴朗天气完成采样.选取各采样点长势良好的石楠作为采样对象,采样高度约为0.7~1.5 m(与儿童身高相近),用剪刀围绕石楠四个方向自上而下均匀剪取叶片,小心存放于布袋中,同一样点采集的所有叶片混成一个样品约100 g.用毛刷和塑料板刷取样点周围5~8 m2内地表灰尘,混合成一个样品约50 g.

地表灰尘样品于实验室内风干,用玛瑙研钵研磨后过100目尼龙筛,装袋备用.叶面尘的提取采用洗涤-过滤法,从每个样品中取50 g叶片,置于盛放去离子水的烧杯中,超声振荡10 min,再用毛刷轻轻刷下叶片表面灰尘,洗涤后溶液用已烘干至恒重并称重的纤维微孔滤膜(φ=0.45 μm)过滤,烘干后即得到载尘滤膜.将上述载尘滤膜烘干至恒重并称重,滤膜前后两次烘干称重后得到质量差Δm,单位质量叶片滞尘量Mm/50.

地表灰尘和载尘滤膜采用 HF-HNO3-HClO4混酸消解,2% HNO3定容,用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES,美国PE公司)测定重金属含量.分析过程中加入国家标准土壤样品(GSS-3) 进行质量控制,平均每5个样品做一个平行样,重复3次.结果显示,平行样中重金属相对标准差和质量控制样测定均达到国家规定的精密度要求.实验所用的试剂为优级纯,水为二次去离子水.实验所用玻璃器皿均在10% 的硝酸中浸泡24 h 以上.灰尘中水溶性重金属含量一般低于1%(甘文君等,2012),因此,认为采用洗脱法获得的叶面尘所测重金属含量在允许误差内,具有可信度.

2.3 分析方法

采用地积累指数法(Müller,1969)分析灰尘中重金属污染状况,数据具有较高可比性,其计算公式如下:

(1)

式中,Cn为灰尘中重金属含量的实测值(mg · kg-1),Bn为所测元素在区域背景中的平均含量(mg · kg-1),本文采用淮南市土壤环境背景值(安徽省环境监测中心站,1992),K为考虑到背景值变动而设定的常数,K取1.5.地积累污染指数分为7个等级:①无污染,Igeo≤0;②轻度-中度污染,0 <Igeo≤1;③中度污染,1 <Igeo≤2;④中度-强度污染,2<Igeo≤3;⑤强污染,3<Igeo≤4;⑥强-极严重污染,4<Igeo≤5;⑦极严重污染,5<Igeo≤10.

富集因子(EF)是定量评价污染富集程度与污染来源的重要指标,计算方法如下:

(2)

式中,Ci表示重金属i的含量(mg · kg-1);Cb表示标准化元素的含量(mg · kg-1).如果元素富集因子接近于1,认为该元素相对于土壤来源基本没有富集;如果元素富集因子较大,则表明元素除自然来源外还受人类活动影响(Torfs et al., 1997).本文选用Fe作为参比元素,以安徽省土壤环境背景值(安徽省环境监测安徽省环境监测中心站,1992)作为背景值.富集程度分为5个等级:①EF≤2,无富集或轻微富集;②2<EF≤5,中度富集;③5<EF≤20,显著富集;④20<EF≤40,强烈富集;⑤EF>40,极强富集.

采用美国EPA(US EPA)提出的土壤健康风险评价方法,评估叶面尘和地表灰尘通过手-口摄入、呼吸吸入和皮肤摄入3种暴露途径的重金属健康风险.本文研究的7种元素均具有非致癌暴露风险,As、Cr、Ni 同时还具有致癌风险.手-口摄入途径日平均暴露量ADDing、呼吸吸入途径日平均暴露量ADDinh、皮肤接触日平均暴露量ADDderm及致癌重金属吸入途径终生日平均暴露量LADDinh的计算公式如式(3) ~(6) 所示,具体参数及斜率因子取值和风险评价公式见文献(Li et al., 2015Fang et al., 2011).

(3)
(4)
(5)
(6)
3 结果(Results) 3.1 叶面尘滞尘量

淮南市不同功能区石楠叶面滞尘量见图 1,除商业交通区和煤炭运输区外,其它功能区的叶片滞尘量分布的变异性不大,其平均值在1.43~4.33 mg · g-1之间.商业交通区和煤炭运输区平均滞尘量分别为47.06 mg · g-1和62.86 mg · g-1,分别为最小值文教区的33.02倍和44.11倍,不同功能区内的滞尘量空间分布差异也很大,商业交通区滞尘量的最大值为101.19 mg · g-1,是该区最小值的6.24倍,煤炭运输区的最大值为227.13 mg · g-1,是该区最小值的18.48倍.交通排放是这两个区域滞尘量显著高于其它功能区的主要原因(杨柳等,2012),这两个区域采样点都位于道路两旁,直接受到车辆行驶产生的扬尘、道路磨损、汽车尾气影响,特别是在煤炭运输区,过载运煤卡车使路面损毁严重,煤炭在运输过程中没有被很好覆盖,散落严重,煤灰被后车碾压后形成二次扬尘,道路清扫不及时,灰尘扬起-沉降-扬起循环往复,使其粉尘污染极为严重.其它功能区叶面尘主要来自路面清扫扬尘和干湿沉降,受交通直接排放影响较小,因此,滞尘量均维持在相对较低水平.

图 1 不同功能区叶面滞尘量 Fig. 1 Adsorbing dust quantity on leaves in different functional districts
3.2 叶面尘与地表灰尘中重金属分布特征 3.2.1 重金属含量

淮南市叶面尘中各重金属含量均显著高于地表灰尘(p<0.05) ,地表灰尘中Cr、Ni、V的含量低于淮南土壤背景值,Cu、Zn、Pb、As的含量较高,分别为背景值的2.47、2.06、1.52和1.32倍,叶面尘中各重金属含量均高于淮南土壤背景值,Cu、Pb、Zn、As含量分别为土壤背景值的4.68、5.06、5.60倍和3.26倍(表 1).地表灰尘和叶面尘中重金属变异系数均大于0.1,达到中等强度变异,说明淮南城市灰尘中重金属含量受人类活动干扰强烈.地表灰尘中,V和As偏度系数与正态分布较为接近,其余元素均为正偏态分布,叶面尘偏度系数较地表灰尘小,Cr、Ni和Pb偏度系数较大为正偏态分布,其余元素数据形态与正态分布相接近.地表灰尘中除As外,其余各重金属峰度系数都大于0,说明这些元素的数据形态比正态分布的高峰更加陡峭,尤其是Cu、Ni、Zn、Pb,叶面尘中除Ni和V具有尖顶峰特征外,其余元素数据形态与正态分布相比较为平坦.

表 1 叶面尘及地表灰尘重金属含量统计结果 Table 1 Statistic values of heavy metal contents in the foliar dusts and surface dusts
3.2.2 不同功能区重金属含量分布

不同功能区地表灰尘中各重金属含量分布总体上较均匀,叶面尘中重金属的分布则表现出较为明显的空间异质性(图 2).文教区两种介质中的Cr含量都较高,其它功能区平均含量比较接近,空间变异性不显著.除经开区、煤炭运输区的Cu含量较低外,其它功能区两种介质中Cu的平均含量较高,地表灰尘中的Cu在公园绿地的不同采样点间差异明显.各功能区地表灰尘中Ni含量中位值非常接近,叶面尘中的Ni 在不同功能区之间分布差异显著,特别是经开区和文教区内不同采样点间变异性较大.叶面尘中Pb空间异质性明显,公园绿地、文教区和居住区含量最高,公园绿地不同采样点间Pb的含量差异大,两种介质中Pb的最大值都出现在公园绿地,不同功能区地表灰尘中Pb含量范围相差不大.地表灰尘和叶面尘中V的平均含量在不同功能区分布比较接近,但叶面尘中V含量在文教区不同点位间变异性极为显著,两种介质中V最大值都出现在煤炭运输区.地表灰尘和叶面尘中Zn平均含量在文教区最高,除煤炭运输区叶面尘中Zn含量差异较显著外,其余功能区两种介质中Zn含量分布相对均匀.文教区叶面尘中As表现出极为显著的分布变异性,地表灰尘中的As在不同功能区含量的范围变化不显著,叶面尘中,文教区的As含量最高,地表灰尘中,商业交通区的As含量最高.

图 2 不同功能区地表灰尘和叶面尘重金属含量分布 Fig. 2 Distribution of heavy metals in foliar dusts and surface dusts from different functional districts
3.3 地积累指数

依据重金属地积累指数(表 2),叶面尘中各重金属污染程度明显高于地表灰尘,叶面尘中重金属污染程度依次为Zn>Pb>Cu>As>Ni>Cr,其中,Zn、Pb、Cu、As为中度污染,Ni为轻度-中度污染,Cr无污染.地表灰尘中Cu、Zn、Pb均为轻度-中度污染,其余元素无污染.

表 2 叶面尘和地表灰尘中重金属元素的地积累指数(Igeo) Table 2 Statistical analysis of geo-accumulation index of heavy metals in the foliar dusts and surface dusts
3.4 重金属来源分析 3.4.1 重金属元素的富集因子(EF)

总体来看,叶面尘中重金属富集程度要高于地表灰尘(表 3),与两种环境介质中颗粒物的粒径效应有关,地表灰尘中的细粒径颗粒容易随风扬起,同时在地表灰尘采样时,用毛刷和塑料铲对细粒径颗粒物的损失较大,叶面尘中的颗粒物粒径较地表灰尘小(庞博等,2009),比表面积大,因而叶面尘对重金属的富集能力较强(常静等,2008).叶面尘中Cr和V在各功能区富集较轻,Cu、Pb、Zn和As在各功能区均达到中度富集,文教区的Cu、Pb、Zn达到显著富集,公园绿地和居住区的Pb、Zn显著富集,经开区中Zn达到显著富集.Ni在叶面尘中也有一定程度的积累,除商业交通区和煤炭运输区,其它功能区都达到了中度富集.地表灰尘中各功能区Cr、Ni、V为轻微富集或无富集,受人为活动影响较小,Cu和Zn在各功能区的富集程度较高,公园绿地中Cu和文教区Zn达到了显著富集水平,Pb在经开区、公园绿地、文教区和居住区为中度富集,在商业交通区和煤炭运输区富集较轻,As在经开区、公园绿地、文教区和商业交通区为中度富集.

表 3 叶面尘和地表灰尘中重金属元素的富集因子EF Table 3 Enrichment factors of heavy metals in the foliar dusts and surface dusts
3.4.2 相关分析

淮南市地表灰尘及叶面尘中各重金属之间相关性见表 4,叶面尘中有 Cr-Cu、Cr-Pb、Cr-Zn、Cr-As、Cu-Pb、Cu-Zn,Cu-As、Ni-Pb、Ni-Zn、Pb-Zn、Pb-As,Zn-As 12个组合呈显著正相关.地表灰尘中有Cr-Cu、Cr-Pb、Cr-Zn、Cr-As、Cu-Pb、Cu-Zn、Ni-As、Zn-As 8个组合呈显著正相关.

表 4 叶面尘和地表灰尘重金属元素的相关系数矩阵 Table 4 Pearson correlation coefficients among heavy metals of the foliar dusts and surface dusts
3.5 健康风险评价 3.5.1 致癌风险

淮南市不同功能区叶面尘和地表灰尘中Cr、Ni、As 的儿童致癌风险见表 5,其致癌风险均未超过US EPA 推荐的致癌风险阈值范围(10-6~10-4).除经开区外,其它功能区叶面尘中3种元素的致癌总风险均大于地表灰尘.各功能区中,Cr对总致癌风险的贡献率远高于Ni和As,叶面尘中Cr的贡献率为74.27%~86.54%,地表灰尘中Cr的贡献率为87.05%~93.16%,Cr对淮南市重金属致癌风险水平起到了决定作用.各功能区叶面尘重金属致癌风险排序为:文教区>居住区>公园绿地>商业交通区>经开区>煤炭运输区,地表灰尘为:文教区>经开区>公园绿地>商业交通区>居住区>煤炭运输区.元素致癌风险大小排序均为Cr>As>Ni.

表 5 不同功能区叶面尘和地表灰尘中重金属的致癌健康风险 Table 5 Cancer risks for carcinogens metals in foliar dusts and surface dusts from different functional districts
3.5.2 非致癌风险

淮南市各功能区儿童重金属非致癌风险情况见表 6,地表灰尘中各重金属在不同功能区的非致癌总风险均低于1.0,而叶面尘中重金属在各功能区的非致癌总风险除煤炭运输区外,其它功能区均高于安全阈值1.0,文教区、公园绿地和居住区最高,风险系数达到了1.82、1.76和1.70,这些功能区对儿童健康危害较大.叶面尘中各功能区非致癌风险大小排序为:文教区>公园绿地>居住区>经开区>商业交通区>煤炭运输区,地表灰尘为:公园绿地>经开区>文教区>商业交通区>煤炭运输区>居住区.叶面尘中各重金属的非致癌风险排序为:As>Pb>Cr>V>Ni>Cu>Zn,地表灰尘为:As>Cr>Pb>V>Cu>Ni>Zn,As、Pb和Cr对淮南粉尘重金属非致癌健康风险贡献较大.淮南全市地表灰尘中各重金属3种摄入途径的叠加风险为0.58,而叶面尘达到了1.36,高于阈值,说明淮南市粉尘中重金属对于儿童存在一定程度的健康危害,其中,手-口摄入途径的暴露风险远高于其他两个途径,因此,儿童出门佩戴口罩和及时清洗手脸习惯的养成十分必要.

表 6 不同功能区叶面尘和地表灰尘中重金属非致癌健康风险 Table 6 Non-carcinogenic risks for metals in foliar dusts and surface dusts from different functional districts
4 讨论(Discussion) 4.1 淮南市不同功能区叶面尘与地表灰尘重金属来源差异分析

重金属元素的富集程度越高,其来自人为源的可能性越大.研究发现,文教区、公园绿地和居住区叶面尘中富集程度较高的元素为Cu、Pb、Zn、As、Ni,地表灰尘中富集程度较高的元素为Cu、Zn、Pb,说明这些元素可能来自人为源.结合相关性分析,叶面尘和地表灰尘中 Cu-Zn 的相关性显著,其同源可能性较大,城市Cu-Zn主要来自于交通排放(戴斯迪等,2013),Cu主要来自于刹车片的磨损和机动车尾气的排放,Zn主要来自橡胶轮胎的磨损(Saint'Pierre et al., 2004;Harrison et al., 2008);叶面尘中Ni-As-V呈显著相关,这3种元素同源可能性较大,大气颗粒物中Ni、As、V主要来自工厂燃煤燃油排放的废气(董婷等,2014);叶面尘中Pb-As的相关性达到了显著水平,随着无铅汽油的推行,交通排放对Pb的贡献有所减少,燃煤和工业排放的影响日益加深,有研究发现,电厂排出的烟尘集合体中含有大量Pb和As,淮南火电行业发达,发电产生的细颗粒物容易被植物叶片截留,而沉降后混合在地表灰尘中所占的比重不大,是造成叶面尘中Pb、As相对较高的主要原因(高博等,2011Keegan et al., 2006);商业交通区,两种介质中富集程度较高的元素均为Cu、Zn,且Cu-Zn组合显著相关,判断交通排放为该区域重金属最主要的来源;经开区叶面尘和地表灰尘中Cu、Ni、Pb、Zn、As富集程度较高,叶面尘中Zn达到了显著富集,结合相关性分析发现,叶面尘和地表灰尘中Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-As-Ni的组合有显著相关性,其同源可能性较大,淮南经开区主要产业为汽车零配件制造、冶金电镀、轴承生产等,这些行业排放的工业粉尘中含有大量的Zn、Ni、As和Pb(Rachwal et al., 2015),结合前文分析,判断该区域重金属的主要来源为交通和工业排放;煤炭运输区叶面尘和地表灰尘重金属富集不显著,叶面尘中Cu、Zn、Pb达到中度富集,地表灰尘中只有Cu达到中度富集,结合本区域生产特点,认为重金属主要来自于交通排放,特别是运输煤炭的重型卡车(白建峰等,2004).

不同功能区重金属来源差异主要由各功能区的功能特点决定.同一功能区叶面尘与地表灰尘的来源也存在一定的差异性,这与两种环境介质中颗粒物的积累方式和粒径效应有关,植物叶面尘主要以截留地面扬起和空气漂浮颗粒物的方式积累,这部分颗粒物粒径较细,可能从远距离输送来,因而其反映的污染源范围广;地表灰尘的积累方式较为复杂,其受到清扫活动、下垫面类型及车轮、足底干扰等更为明显,地表灰尘中的细粒径颗粒容易随风扬起,同时采集地表灰尘时,多用毛刷和塑料铲,对细粒径颗粒物损失大,导致地表灰尘样品中粗粒径的颗粒物较多,粗粒径颗粒物难以远距离运输,因而地表灰尘多反映附近的污染源,主要受直接排放影响;上述原因导致两者在判源上存在差异.

4.2 淮南市不同功能区叶面尘与地表灰尘中重金属积累程度差异分析

综合来看,淮南市叶面尘中7种重金属在各功能区积累情况为:文教区>公园绿地>居住区>经开区>商业交通区>煤炭运输区,地表灰尘为:公园绿地>文教区>经开区>商业交通区>居住区>煤炭运输区,居住区在两种介质中重金属的累积排序变化较大,主要是由于居住区全部为有正规物业管理的小区,保洁人员定期打扫小区内环境卫生,造成居民区地表灰尘重金属累积较低.

文教区、公园绿地和居住区一般被认为是城市环境中较为清洁的区域,而在本研究中,其灰尘重金属积累程度高于普遍认为污染比较严重的经开区、商业交通区和煤炭运输区,其原因可能与地理位置和用地类型有关,这些场所基本都位于淮南中心城区的交通干线旁或十字路口旁,车流量大、车辆行驶缓慢、刹车现象频繁、尾气排放加重、轮胎磨损严重,从而产生大量含Pb、Zn、Cu等的颗粒物,造成严重的重金属污染(郭广慧等,2008);此外,这些区域叶面尘样品的粒径明显小于直接受交通排放影响的道路两边样品(焦杏春等,2004),由于粒径较细,导致其富集较高的重金属;另一方面,这3个区域也是人们日常居住和活动的主要场所,公园绿地人群高度密集,硬质地面所占比例较高,地面清扫不及时,车辆轮胎和人们活动时足部对灰尘有强烈的携带扰动作用造成其来源复杂(Hunt et al., 2006);居民区和文教区室内灰尘中重金属含量显著高于室外灰尘和表土,有些城市室内灰尘中Cu、Pb含量甚至达到了室外土壤的48倍、85倍(Lin et al., 2015张舒婷等,2014),室内灰尘、炊事活动油烟的向外扩散,室外公共设施的磨损,以及建筑物表皮老化脱落等因素均会造成这些区域重金属的积累.综上,文教区、居住区、公园绿地等区域虽然交通活动和工业排放是重金属的主要来源之一,但由于其环境动态活动更加复杂多变,重金属来源更为复杂,因此其含量较高,交通运输区和经开区重金属含量并不总处于较高水平(李晓燕等,2013).李如忠等(2011) 报道合肥市公园绿地地表灰尘中重金属含量明显高于工业区外的其它功能区包括交通区.煤炭运输区,地表灰尘和叶面尘中各重金属EF值最小,富集程度轻微,主要原因为煤炭运输区采样点位于淮南主要产煤矿场周边运煤卡车专用道路,运煤车覆盖不好,煤块掉落严重,经后车碾压,路面覆盖一层厚厚的煤灰,长期无人打扫,卡车经过时,煤尘漫天,这一区域所采集的叶面尘和地表灰尘样品,从采样区环境和样品外观颜色判断,几乎全为煤灰,而淮南煤炭中Pb、Zn、Cu、As、V等重金属含量均远低于地表灰尘和叶面尘的平均水平(蔡峰等,2008),因此,煤灰掩盖了该区域灰尘重金属的真实浓度,是造成煤炭运输区重金属含量较低的主要原因.

4.3 健康风险评价

叶面尘中重金属的暴露风险均大于地表灰尘,两种环境介质中3种致癌元素的致癌健康风险均在安全阈值内,说明其不会对人体造成致癌危害.各功能区地表灰尘中重金属的非致癌风险系数均小于1,而叶面尘除煤炭运输区外,其它功能区各重金属非致癌风险系数大于1,叶面尘颗粒物粒径较地表灰尘小,它所代表的细粒径颗粒物更容易随风扬起,被人体吸入、附着于皮肤和衣物表面,其对儿童的危害应引起足够重视,需加强日常防护.可见,综合考虑地表灰尘和叶面尘中重金属健康风险可以弥补对单一环境介质中重金属健康风险评价的不足,能够在一定程度上反映立体空间粉尘重金属健康风险,从而更具有科学性和准确性.

煤炭运输区和商业交通区的叶面尘滞尘量明显高于其它区域,说明其环境中粉尘含量很高,人群在这些区域活动,通过手口、呼吸和皮肤接触摄入的粉尘量也应相比其它区域较高.由于缺乏相关研究,本文中相关暴露参数仍采用US EPA的推荐值,因而这些差异并没有被反映出来,其实际存在的健康风险可能会更高,因此,在这些区域针对儿童灰尘重金属暴露的防范不可大意.

5 结论(Conclusions)

1) 淮南市商业交通区和煤炭运输区的石楠叶面滞尘量显著高于其它区域,分别为最小值文教区的33.02倍和44.11倍,交通排放是主要影响因素,道路灰尘的及时清扫对控制粉尘污染很有必要.

2) 叶面尘中重金属含量显著高于地表灰尘,叶面尘中重金属污染程度依次为Zn>Pb>Cu>As>Ni>Cr,其中,Zn、Pb、Cu、As为中度污染,Ni为轻度-中度污染,Cr无污染,地表灰尘中Cu、Zn、Pb均为轻度-中度污染,其余元素无污染,叶面尘和地表灰尘的粒径效应是造成其差异的主要原因.

3) 淮南不同功能区灰尘重金属的来源有一定的差异,商业交通区和煤炭运输区,交通排放是其主要来源,经开区的主要来源为工业排放和交通排放,文教区、公园绿地、居住区来源较为复杂,除来自于交通、工业排放,还可能来自于室内尘扩散、燃煤燃烧、炊事活动和公共设施的磨损等.

4) 淮南市地表灰尘和叶面尘中Cr、Ni、As的致癌风险均低于安全阈值,不会对人体造成致癌危害.地表灰尘对儿童的非致癌总风险为0.58,叶面尘达到了1.36,高于安全阈值1.0,已经对儿童健康构成危害,其中,手-口摄入是儿童主要暴露途径,儿童在相关区域应佩戴口罩和及时清洁手口.总体上,非致癌总风险较大的区域是文教区、公园绿地和居住区,贡献较大的元素是As、Pb和Cr.

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