1 引言(Introduction)

城市地表灰尘是城市大气颗粒物的主要来源与归宿(常静等，2007；Kumar et al.，2013)，在一定动力条件(风力、机动车碾压及人类活动等)作用下可再次进入大气，或随着地表径流进入附近的土壤和水体.作为危害环境系统和人类健康的重要介质(Wei et al.，2010；Lee et al.，2015)，城市地表灰尘污染越来越受到学术界的关注.国内外很多学者应用潜在生态危害指数、内梅罗综合污染指数、地积累指数、暴露风险等方法，针对不同城市地表灰尘的重金属污染与来源(张一修等，2012；Kumar et al.，2013；崔立强等，2014；)、空间分布(Apeagyci et al.，2011；刘勇等，2015)、赋存形态(王利军等，2011)、粒径效应(常静等，2008)、影响因素(方凤满等，2010)和健康风险(Chabukdhara et al.，2013；Liu et al.，2015；张文超等，2015)开展了大量研究并取得重要进展.但以往的研究多以城市街道、公园、学校等为研究对象，而针对驾校地表灰尘(以下简称驾校灰尘)重金属污染和健康风险的研究却鲜见报道.

驾校学员驾车速度慢、档位低、频繁启停车辆，汽车耗油和磨损比较严重，因此，驾校灰尘除外源性输入外，尾气排放、轮胎磨损、汽车机件摩擦等是其重金属富集的主要原因.驾校学员学习时间较短，灰尘重金属暴露所致的健康风险不甚明显，但教练员工作时间较长，可能会对其健康产生一定危害.因此，本文以某市29所驾校为例，对其地表灰尘重金属(Zn、Cd、Pb、Cu、Cr、Ni、、Co、As和Hg)进行污染和健康风险评价，旨在保护教练员身体健康，为城市环境重金属污染防治提供参考.

2 材料与方法(Materials and methods)

本研究的城市位于河南省中偏东部的黄淮平原上，海拔高度70 m左右.气候属于暖温带大陆性季风气候，年均气温14.52℃，年均降水量627.5 mm，城市周围的土壤类型为黄潮土.2015年建成区面积130 km²，城区人口120万.

2.1 样品采集与处理

于2015年2月采集该市29所驾校的地表灰尘.为了保证样品的代表性，在每个驾校范围内采集30~50个灰尘子样，子样点均布设在柏油或水泥等不透水地面上.将各个子样充分混合后，按照“四分法”舍弃多余样品，保留约1 kg的混合样品.同时详细记录各驾校的面积、建校时间、教练车数量及周围环境信息(表 1).

在实验室，首先仔细拣出样品中的植物残体、砖瓦块和石灰颗粒等杂质；然后将样品平摊在塑料布上，用牛角勺多点(25~30点)取样约100 g，用玛瑙研钵研磨，全部过0.149 mm尼龙筛，备用.样品颜色呈灰黄色，有机质含量较高，经测定灰尘有机质平均含量为22.37 g·kg^-1.灰尘颗粒较粗，沙粒(>63μm)质量百分数为66.16%，粉粒(4~63μm)为30.31%，黏粒(＜4μm)为3.53%.

2.2 重金属测定方法

灰尘Zn、Cd、Pb、Cu、Cr、Ni和Co含量采用HCl-HNO₃-HClO₄-HF消解体系消解，ICP-MS法测定，仪器为X-SeriesⅡ型电感耦合等离子体质谱仪(美国赛默飞世尔).灰尘As和Hg含量采用王水消解，AFS法(GB/T 22105.1—2008)测定，仪器为AFS-3100型原子荧光光度计(北京海光).在测定过程中，采用平行试验和国家标准土样(ESS-2，棕壤)回收试验进行质量控制，平行试验的相对偏差均在5%以内，回收率均在96.53%~106.20%之间.

2.3 重金属污染评价方法

采用污染负荷指数法(Pollution Load Index，PLI)评价灰尘重金属污染状况(Tomlinson et al.，1980)，计算公式为：

(1)

(2)

式中，CF_i为重金属i的单项污染指数，c_i表示重金属i的实测含量，c_oi表示重金属i的背景值.PLI和CF的分级标准为：PLI(CF)≤1为无污染，1 < PLI(CF)≤2为轻度污染，2 < PLI(CF)≤3为中度污染，PLI(CF)>3为重度污染(Ma et al.，2009；刘德新等，2014).

2.3.1 重金属暴露模型

灰尘重金属可通过手-口摄入、皮肤接触和呼吸吸入暴露途径进入人体，各暴露途径的重金属暴露量计算公式(谷蕾等，2012；李小飞等，2013)如下：

(3)

(4)

(5)

式中，ADD_ing、ADD_inh和ADD_derm分别为手-口摄入、吸入和皮肤接触途径的重金属日均暴露量(mg·kg^-1·d^-1)，其他参数含义及取值见表 2.考虑到驾校教练员工作时间不确定，本研究设计了在驾校工作10、20和30 a不同暴露年限的3种情景，分别计算其重金属暴露量及健康风险.

2.3.2 健康风险表征模型

本研究的9种重金属均具有慢性非致癌健康风险，其中，As、Cd、Ni和Cr同时还具有致癌风险.成人暴露重金属所致非致癌和致癌健康风险的表征模型(李小飞等，2013)为：

(6)

(7)

式中，HQ_i为某样点重金属i的非致癌风险商，表征重金属i通过3种暴露途径的非致癌风险；ADD_ij为某样点重金属i第j种暴露途径的非致癌或致癌日均暴露量(mg·kg^-1·d^-1)；RfD_ij为非致癌重金属i第j种暴露途径的参考剂量(mg·kg^-1·d^-1)；HI为某样点9种重金属通过3种暴露途径所致的非致癌总风险.当HQ < 1或HI < 1时，非致癌风险可以忽略；HQ≥1或HI≥1时则存在非致癌风险.

致癌风险用风险指数(TCR)表征，计算公式(李小飞等，2013)如下：

(8)

(9)

式中，R_ij为某样点致癌重金属i第j种暴露途径的单项致癌风险指数；SF_ij为某样点致癌重金属i第j种暴露途径的致癌斜率系数(mg·kg^-1·d^-1); TCR为某样点多种致癌重金属的致癌总风险.若R_ij或TCR小于10^-6时，不存在致癌风险；大于10^-4时，存在致癌风险；在10^-6~10^-4之间时，存在人体可耐受致癌风险(Zhang et al.，2010).各个重金属不同暴露途径的RfD和SF取值见表 3(李小飞等，2013；王喆等，2008；Zhang et al.，2010).

3 结果分析(Results) 3.1 灰尘重金属含量分析

各驾校灰尘重金属的含量统计见表 4.由表 4可见，灰尘Zn、Cd、Pb、Cu、Cr、As、Ni和Co的平均含量分别为7782.53、5.92、285.26、46.56、70.21、11.04、17.96和6.80 mg·kg^-1，Hg平均含量为54.93μg·kg^-1.驾校灰尘Cr、Co和Ni的变异系数(CV)较小，属中等变异；Zn、Cd、Pb、Cu、As和Hg含量的变异系数范围为118.98%~520.67%，均为强变异.灰尘重金属含量变异很大的原因主要是有些驾校(如J16、J18、J19和J20等)位于工业区，重金属含量特别高造成的.例如，J20的灰尘Zn、Pb、Cu、Cd、As和Hg含量分别为218467.98、2687.40、692.64、134.55、137.12、0.37 mg·kg^-1，分别为29所驾校平均值的27.12、9.16、14.70、21.99、12.18和6.49倍.除Co和Ni平均含量未超出当地灰尘背景值(董运武，2012；陈彦芳等，2014)外，Zn、Cd、Pb、Cu、Hg、Cr和As的平均含量分别是当地灰尘背景值的100.80、19.47、11.61、2.27、2.15、1.51和1.37倍，说明驾校灰尘中绝大多数重金属发生了不同程度的积累，其中以Zn的富集最为严重.

与该市公园灰尘(段海静等，2015)和幼儿园灰尘(王晓云等，2011)相比(表 4)，驾校灰尘的Cd平均含量明显高于公园灰尘，而Hg和Co平均含量相对较低；Zn和Pb平均含量明显高于幼儿园和公园，而Ni平均含量相对较低；Cu和Cr平均含量与公园和幼儿园灰尘差别不太明显.

3.2 灰尘重金属污染评价

选择该市周边灰尘重金属背景值(董运武，2012；陈彦芳等，2014)作为式(1)中的c_oi，计算得到各驾校灰尘重金属的PLI(图 1).从图 1可见，只有5个驾校的灰尘重金属没有发生污染，占样点总数的17.24%，其余驾校均发生了不同程度的污染，其中，轻度、中度和重度污染样点分别占样点总数的62.07%、13.79%和6.90%，重度污染出现在样点J20(27.43)和J18(3.23).29所驾校灰尘重金属的平均PLI为2.38，总体上呈中度污染.

各驾校9种重金属的平均CF大小顺序为：Zn(100.80)＞Cd(19.48)＞Pb(11.61)＞Cu(2.27)＞Hg(2.15)＞Cr(1.51)＞As(1.37)＞Co(0.70)＞Ni(0.68).灰尘Zn、Cd和Pb总体上呈重度污染，重度污染样点分别占样点总数的31.03%、34.48%和82.76%；Cu和Hg总体上呈中度污染，中度污染样点分别占样点总数的10.34%和17.24%；Cr的污染程度较轻，轻度污染样点占样点总数的68.97%；As、Co和Ni基本无污染，无污染样点分别占样点总数的72.41%、89.66%和93.10%.

3.3 灰尘重金属健康风险评价 3.3.1 非致癌健康风险评价

根据各样点灰尘重金属含量和有关参数值(表 2和表 3)，按照式(3)~(7)计算得到各样点灰尘重金属的HI(图 2).结果表明，各样点灰尘重金属平均HI大小顺序为：Pb(0.173)＞As(0.080)＞Cr(0.079)＞Hg(0.067)＞Zn(0.054)＞Cd(0.029)＞Co(0.008)＞Cu(0.003)＞Ni(0.002).除样点J20和J26的HI＞1(分别为5.30和1.54)，存在非致癌健康风险外，其他样点的HI都小于1，不存在非致癌健康风险.样点J20的重金属中对HI贡献最大的是Pb(HQ_Pb=1.81)，其次是Zn(HQ_Zn=1.68)，贡献率分别为34.13%和31.63%；样点J26对HI贡献最大的重金属是Pb(HQ_Pb=1.07)，其次是As(HQ_As=0.31)，贡献率分别为69.68%和20.11%.手-口摄入途径是最主要的重金属暴露途径，其非致癌风险比皮肤接触途径高出约1个数量级，比呼吸途径高2~5个数量级，风险贡献率为71.05%.

3.3.2 致癌健康风险评价

根据各样点灰尘重金属含量和有关参数值(表 2和表 3)，按照式(3)~(5)、(8)和(9)分别计算得到3种情景下的TCR(图 3).结果表明，各样点不同情景下的平均TCR大小顺序为：情景3(1.40×10^-5)＞情景2(9.35×10^-6)＞情景1(4.67×10^-6).随教龄增长其致癌风险增加，但除样点J20之外均在可忍受范围之内.3种情景下，各样点及其平均R_Cr、R_Cd和R_Ni都远小于10^-6数量级，无致癌风险.R_As对TCR的平均贡献率均在98.81%以上，As是最主要的致癌因子.以手-口摄入As的致癌风险最高，占总致癌风险的81.25%，呼吸吸入途径的致癌风险最低.在情景1下，所有样点及其平均R_As都大于10^-5数量级，存在人体可耐受的致癌风险；在情景2、3下，样点J20的R_As大于10^-4(分别为1.15×10^-4、1.72×10^-4)，存在致癌风险，其他样点均在10^-4~10^-5数量级之间，仅存在人体可耐受的致癌风险.TCR最高值均出现在样点J20，比其他样点高出1~2个数量级.

4 讨论(Discussion) 4.1 驾校灰尘重金属来源分析

驾校灰尘重金属的来源非常复杂，多数驾校的灰尘重金属除来自教练车的排放外，还与周围环境状况及建校前校址的土地利用状况密切相关.在本研究的29所驾校中，只有驾校J1和J17位于郊区，四周为农田，可以很好地响应驾校对其灰尘重金属的影响.其他驾校周围的人工建筑物较多，对驾校灰尘重金属含量均有不同程度的影响，甚至会湮没驾校对重金属排放的作用.由于J17建校时间只有2个月左右，教练车仅有2辆，不能有效反映驾校对灰尘重金属的影响，因此，J1的灰尘重金属含量与背景值的对比更具有指示意义(图 4).由图 4可见，样点J1灰尘的Zn、Pb、Cd和Cu含量明显高于其背景值，说明这4种重金属的来源与驾校密切相关.据Legret等(1999)研究，汽车排放的Zn主要来自轮胎和刹车里衬磨损(分别为10250和21800 mg·kg^-1)，Cd来自油类(汽油和润滑油)燃烧和轮胎磨损(轮胎中的Cd含量为2.6 mg·kg^-1)，Pb来自汽油燃烧和刹车里衬磨损(无铅汽油含Pb 17 mg·L^-1，刹车里衬含Pb 3900 mg·kg^-1)，Cu来自散热器和刹车里衬磨损(刹车里衬的Cu含量约142000 mg·kg^-1).

由表 4可见，该市驾校灰尘Cr、Co和Ni含量的变异系数远低于其他重金属，且与背景值差别不大.据此可以证明，驾校灰尘Cr、Co和Ni主要来自周边农田土壤的成土母质，是自然源重金属，这与多数研究的结论相一致(Hjortenkrans et al.，2006；Al-Khashman et al.，2007；吕建树等，2012；Lv et al.，2013).还有些研究表明(Abdel-Latif et al.，2012；Addp et al.，2012；Lv et al.，2014)，As也是交通源重金属，主要来自尾气排放.但汽车排放As较少(章明奎，2010)，并没有在J1灰尘中显现出来(图 4).汽车基本上不排放Hg，灰尘中的Hg主要来自煤炭燃烧和金属冶炼排放(史贵涛等，2008).所以，该市驾校灰尘Hg含量高于其背景值(表 4)的原因，主要与驾校周边环境和前期土地利用状况有关.

4.2 驾校前期土地利用对灰尘重金属含量和健康风险的影响

驾校建校前的土地利用方式对当前驾校灰尘重金属含量和健康风险具有重大影响.在工业废弃地上建设的驾校，其灰尘具有继承性，重金属含量和健康风险高于其他土地利用方式的驾校.29所驾校中，除J18和J20的前期土地利用分别是三轮车厂和汽车配件厂之外，其他驾校的前期土地利用基本上都是农田或村庄，只有J13是某公司办公场地(表 1).从图 1可见，驾校J18和J20的PLI很大，均达到重度污染水平，尤其是J20的PLI高达27.43，是重度污染界限值的9.14倍.监测数据表明，驾校J20灰尘的Zn、Pb、Cu、Cd、As和Hg含量分别是218 467.98、2 687.396、692.638、134.551、137.12和0.37 mg·kg^-1，分别相当于背景值的2829.53、109.33、33.72、442.60、17.05和14.36倍，都是所有驾校中的最高者.驾校J18灰尘Zn、Pb、Cd和Cr的含量仅次于J20，分别相当于背景值的14.61、10.94、32.32和3.13倍.由图 2和图 3可见，驾校J20的非致癌健康风险及3种情景下的致癌风险也是所有驾校中的最高者，健康风险非常明显.

4.3 驾校周边环境对灰尘重金属污染及健康风险的影响

驾校周边环境状况对其灰尘重金属污染和健康风险也有重大影响.根据表 1所列各驾校周围环境状况，大致可分为3类：一是农田区驾校，周围全是农田，只包括驾校J1和J17；二是工业区驾校，周围多是工业企业，包括驾校J11、J16、J18~J21、J23~J29，共有13所驾校；三是混合区驾校，周围是住宅、空地、农田、文教、行政或公司用地，或其混合，包括J2~J10、J12~J15、J22，共14所驾校.上述3类驾校灰尘重金属平均PLI、HI、TCR(情景3)的比较见图 5.由图 5可见，农田区驾校的PLI、HI和TCR均最小，分别是1.01、0.20和6.12×10^-6；其次是混合区驾校，分别是1.30、0.27和6.83×10^-6；工业区驾校的最大，分别是3.95、0.83和2.44×10^-5.说明驾校周边环境对其灰尘重金属含量和健康风险具有很大影响，其中，农田区驾校与混合区驾校之间的差别不显著(p < 0.01)，而工业区驾校与混合区驾校或农田区驾校之间的差别达到极显著水平(p < 0.01).

4.4 驾校建校时间和教练车密度对灰尘重金属含量和健康风险的影响

按照一般理解，驾校灰尘重金属含量和健康风险应该与其建校时间及教练车密度密切相关，但对29个驾校的建校时间、教练车密度与其灰尘重金属含量和健康风险的相关分析发现，彼此之间并没有显著正相关关系(p>0.05).究其原因是因为影响驾校灰尘重金属含量与健康风险的因素众多，建校时间和车辆密度只是较为重要的驾校内部因素，除此之外，还与驾校周围环境状况和前期土壤利用密切相关.如前所述，如果驾校周围有工业企业，那么企业排放的重金属可通过空气迁移，以干湿沉降形式降落在驾校区域，增加其外源性重金属的输入；如果驾校建校前是工业废弃地，那么前期工业场地会残留大量重金属.这些外源性或残留性重金属的影响往往湮没了驾校本身因素的影响，从而导致驾校灰尘重金属含量和健康风险与其建校时间、教练车密度之间的关系并不密切.

5 结论(Conclusions)

1) 该市驾校灰尘中的Zn、Pb、Cu、Cr、Co、Ni、Cd、As和Hg的平均含量分别为7782.53、5.92、285.26、46.56、70.21、11.04、17.96、6.80 mg·kg^-1和54.93μg·kg^-1.灰尘中Cr、Ni和Co属于自然源重金属，Pb、Zn、Cu、Cd和As属于驾校源重金属，Hg属于外源性重金属.

2) 驾校灰尘中的重金属发生了不同程度的富集，其中，Zn、Pb和Cd总体上呈重度污染，Cu和Hg呈中度污染，Cr为轻度污染，As、Co和Ni基本无污染.

3) 29所驾校灰尘8种重金属的平均HQ均小于1，除驾校J20和J26的HI＞1外，其他各驾校的HI也都小于1，不存在非致癌健康风险.HQ_Pb对HI的平均贡献率为34.93%，Pb是最主要的非致癌风险因子.手-口摄入重金属是最主要的非致癌风险暴露途径.

4) 在驾校灰尘重金属的3种暴露情景下(驾校工作10、20和30 a分别设定为1、2、3情景)，各驾校及其平均R_Cr、R_Cd和R_Ni都远小于10^-6数量级，无致癌风险.在情景1下，所有驾校及其平均R_As都大于10^-5，存在人体可耐受的致癌风险；情景2、3下，驾校J20的R_As大于10^-4，存在致癌风险，其他样点均在10^-4~10^-5之间，存在人体可耐受的致癌风险.R_As对TCR的贡献率均在98.81%以上，As是最主要的致癌因子.手-口摄入重金属是最主要的非致癌风险暴露途径.

5) 该市驾校灰尘重金属的来源十分复杂，除来自驾校本身的重金属排放外，还与驾校周围环境状况和建校前土地利用方式密切相关.在多数情况下，驾校周围环境的外源性重金属输入或者前期土地利用的重金属残留，往往湮没了驾校本身因素的影响，建校时间和教练车密度与驾校灰尘重金属含量和健康风险的关系并不密切.

致谢: 河南大学2011级环境专业的本科生郭溪香、马延豪、张洋同学参加了本研究的样品采集和重金属含量测定工作, 2013级自然地理学专业的硕士生陈彦芳同学对灰尘Hg和As的测定给予了帮助, 在此一并表示感谢！