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貴陽市不同空間高度灰塵和重金屬沉降通量

2015-11-19 08:39張舒婷李曉燕陳思民貴州師范大學地理與環境科學學院貴州貴陽550001
中國環境科學 2015年6期
關鍵詞:樓層灰塵通量

張舒婷,李曉燕,陳思民(貴州師范大學地理與環境科學學院,貴州 貴陽 550001)

貴陽市不同空間高度灰塵和重金屬沉降通量

張舒婷,李曉燕*,陳思民(貴州師范大學地理與環境科學學院,貴州 貴陽 550001)

采集貴陽市不同空間高度灰塵樣品,分析灰塵及其中常量元素Ca和Fe、微量有害重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的沉降通量隨空間高度的變化,通過引進灰塵沉降量,結合灰塵中微量有害重金屬含量,采用單因子指數法和內梅羅綜合指數法評價不同空間高度灰塵重金屬導致的環境風險.結果表明:灰塵沉降通量隨著樓層增高而減??;不同樓層灰塵元素含量變化差異不大,Fe、Cd、Cu、Ni、Pb元素含量在不同空間高度上隨樓層增高而增大,而Cr和Zn元素是隨著樓層增高而減??;8種元素沉降通量分布總體趨勢是隨樓層的升高,沉降通量降低,尤以Ca、Cr和Zn表現最為明顯;引進灰塵沉降量評價灰塵重金屬導致的環境風險顯示1~3層和7層環境風險較高,4~6層灰塵重金屬導致的環境風險較低,Cd、Cu、Pb和Zn是主要風險元素.

灰塵;沉降通量;重金屬;空間高度;城市

城市灰塵是來源復雜的混合污染物[1-2].大氣降塵是城市灰塵中的一種,是大氣中粒徑大于10μm,因重力、風力和降雨等外力因素,在較短時間內沉降到地面或建筑物表面等的大氣顆粒物[3-4].在一定的外動力條件(如風、人流車流)下,城市地表灰塵與大氣顆粒物相互轉化,形成典型的“點、線、面”型污染[5].灰塵及重金屬在環境中的累積是一個復雜的動力學過程,除了在水平方向上的運移和堆積可導致灰塵重金屬的空間差異外,不同來源的灰塵在垂向空間上的運移和沉降,如地表細粒土壤的揚起和再沉降,交通排放的污染顆粒物在大氣中的運移和沉降等也能導致不同空間高度平臺上灰塵及重金屬的差異分布.隨著城市高層建筑的出現,人類日常生活的垂向空間范圍早已達到地面100m以上高度[6],位于居室空間高度窗臺或其他平臺上的灰塵會隨時進入室內,增加室內灰塵重金屬的累積.

國內外城市灰塵污染研究主要集中在街道灰塵[7-8]、道路灰塵[9-10]、區域灰塵[11-13]、大氣降塵[14]和室內灰塵[15-18]等方面,分別從不同功能區或特定功能區對平行空間污染變化規律進行調查分析,結果表明灰塵中重金屬富集嚴重.但對近地面垂直空間高度灰塵中重金屬元素濃度分布特征規律尚未見報道.

貴陽市位于我國西南地區,是貴州省省會城市.中心城區面積220km2,具有人口密度高、建筑密集、交通擁堵等多數大城市具有的通病.同時,貴陽城區三面環山,發展空間小,城區地形復雜,與其他大城市相比又顯得狹小和擁擠.本研究通過對不同空間高度平臺灰塵的采集,分析灰塵沉降通量及灰塵中常量元素Ca和Fe及微量重金屬元素Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的沉降通量隨空間高度的變化,引入灰塵沉降量,結合灰塵中微量重金屬含量,評價不同空間高度灰塵重金屬累積現狀及導致的環境風險,揭示城市灰塵沉降通量及重金屬含量的垂直空間變化特征,辨析受垂直高度變化影響最大的元素及主要風險元素,以期為緩解和治理灰塵重金屬累積或污染提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

為避免下雨對沉降灰塵沉降的干擾,選擇貴陽市3棟1~8層具有一定寬度窗沿的窗臺作為采樣區域.每個采樣點共采樣4次.在第1次采樣時先劃定采樣區域,打掃干凈,記下開始采樣時間,待1次采樣結束后,清掃所有采樣區域的灰塵,裝入樣袋,記下采樣結束時間(同時也是第2次采樣開始時間),并開始第2次樣品采集.以此程序分別在冬季(12月~次年3月)、春季(4月~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月),利用塑料毛刷和塑料鏟在劃定的采樣面積上將所有灰塵收集,裝入紙袋保存.所有樣品帶回實驗室過40目尼龍篩,去除雜質,稱重后,剔除質量小于0.1g的樣品,最后得到108份有效灰塵樣品.所有樣品常溫干燥后全部過105μm篩,備用.

1.2 化學分析

樣品采用HNO3-HClO4混溶,0.5%HNO3定容,ICP-MS測定(Thermo XSERIES2)Ca、Fe、Cr、 Cd、Cu、Ni、Pb、Zn的含量.分析過程中分別按原始樣品10%的比例插入國家土壤標準參比物質(GSS-4)和平行樣進行質量控制.分析結果表明8種元素標準樣和重復樣合格率均為100%,因此分析數據來源可靠.

1.3 數據處理

將每個樣點4次(個別3次)采樣分析數據平均,作為該樣點數據.所有數據分析均是以此數據為原始數據的分析.文中所涉及不同樓層的樣本數據均值均采用幾何均值表征.采用SPSS軟件對數據進行正態檢驗和差異性分析.對不服從正態分布的數據進行數據轉換,直至數據服從正態分布.在保證數據服從正態分布的前提下,對數據進行差異顯著性檢驗,差異顯著性檢驗P<0.05,表示兩樣本數據具有顯著性差異.使用SigmaPolt軟件作圖.

灰塵沉降通量計算公式如下:

式中:Q為灰塵單位時間單位面積的沉降通量,g/(d·m2);M為一定時間下灰塵沉降量,g;S為灰塵沉降的面積,m2;D為灰塵沉降的時間,d.

灰塵中重金屬沉降通量計算公式如下:

式中:Fi為灰塵中i元素的沉降通量,Ca和Fe元素沉降通量單位為μg/(d·m3),其余元素通量為μg/(d·m2);Ci為灰塵中i元素的含量,其中Ca和Fe含量單位為mg/g,其余元素為μg/g;Q為灰塵單位時間單位面積的沉降通量,g/(d·m2).

基于重金屬沉降量的單項累積系數按照下式計算:

式中:Pi為元素累積系數;Ci為元素測定含量;Bi為對應元素土壤背景值;Mj為對應樓層灰塵沉降量;M平為1~8層灰塵沉降量的幾何均值;i 表示Cr、Cd、Cu、Ni、Pb、Zn 6 種元素,j表示樓層.其中Pi≤1表示無明顯累積,1<Pi≤2表示處于輕微累積,2<Pi≤3表示處于輕度累積,3<Pi≤5表示處于中度累積,Pi>5表示處于重度累積[19].

綜合累積系數采用內梅羅指數(Nemeroindex)評價:

式中:Pi平均和Pi最大分別是同一樓層的平均單項累積系數和最大單項累積系數.1<PN≤2,2<PN≤3和PN>3分別表示不同空間高度灰塵重金屬處于輕風險、中度風險和重度風險狀態.

2 結果

2.1 城市不同空間高度灰塵沉降通量分布特征3棟建筑不同樓層的四季灰塵沉降通量的幾何均值見圖1.從圖1可看出,不同樓層之間灰塵沉降通量差異明顯,不同空間高度灰塵沉降通量變化的總體趨勢是:隨著樓層的增高,灰塵沉降通量明顯下降,雖然由于個別建筑的影響,6、7層的灰塵沉降量略有升高.進一步差異分析表明,1層灰塵沉降通量顯著高于2層(P=0.08)和3層(P=0.028),而8層顯著低于2層(P=0.011)和3層(P=0.035).

圖1 不同高度灰塵沉降通量分布Fig.1 Distribution of deposition fluxes of dust at different height

2.2 不同空間高度灰塵重金屬水平

從圖2可看出,不同樓層灰塵元素含量的大小排序為:Ca >Fe >Zn >Cu >Cr >Pb >Ni >Cd,與貴州省土壤元素背景值排序順序Ca >Fe >Zn >Cr >Ni >Pb >Cu >Cd相比,Cu和Pb元素受人類活動影響明顯.

此外,圖2顯示,不同樓層灰塵中元素含量差異最小的是Ca,變異度僅為9%,其次是Cd和Cr,變異度分別為14%和15%,樓層間元素含量變異度較大的為Zn、Pb和Fe,變異度分別為27%、23%和24%.不同元素在不同樓層高度灰塵間的含量分布有以下特點:Ca在不同樓層高度含量分布最為均一;Cr和Zn的總體分布趨勢是隨著樓層高度的增加,元素含量逐漸降低,低值區均出現在6~7層;Fe、Cd、Cu、Ni和Pb的總體分布是隨著樓層高度的增加,元素含量逐漸升高,1層元素含量均為最低(Ni稍有偏差,1層含量稍高于6層),但都在4~7層有一個次低值區,不同元素低值區出現的樓層各不相同,Fe、Cd、Cu、Ni和Pb含量次低值區出現的樓層分別為6層、4~5層、5~7層、5~7層和4~6層.進一步差異性分析顯示,7層Pb顯著高于1層(P=0.05)、2層(P=0.047)和4層(P=0.023);總體而言,不同樓層灰塵重金屬含量變化差異不大,各重金屬含量的樓層變異度均≤27%,灰塵中Fe、Cd、Cu、Ni、Pb元素含量不同空間高度分布規律整體上隨著樓層增高而增大,而Cr和Zn元素是隨著樓層增高而減小.2.3 不同空間高度灰塵重金屬沉降通量水平

從圖3可看,出不同樓層灰塵元素沉降通量的大小排序為:Ca >Fe >Zn >Cu >Cr >Pb >Ni >Cd.8種元素沉降通量變化的總體趨勢是:隨樓層的升高,沉降通量降低,尤其是Ca、Cr和Zn 表現最為明顯:Ca在不同樓層之間的沉降通量變化范圍為:0.230~1.66mg/(d·m2),變異度為53%,Ca沉降通量在不同樓層之間變化的總體趨勢與灰塵沉降通量的變化規律相似;Cr沉降通量最大值為1233μg/(d·m2),最小值為160μg/(d·m2),變異度為58%;Zn在樓層間沉降通量的變化范圍為1043~6683μg/(d·m2),變異度為57%,進一步沉降通量差異性分析顯示,1層顯著高于4層(P=0.046)、5層(P=0.02)和8層(P=0.029),2層顯著高于5層(P=0.011).Fe、Cd、Cu、Ni和Pb 雖然總體上沉降通量也是隨著樓層增加而降低,但都表現為在6~7層沉降通量有較明顯的上升趨勢.Fe的沉降通量范圍為0.057~0.291[mg/(d·m2)],Cd、Cu、Ni 和Pb的沉降通量范圍[μg/(d·m2)]為2.29~11.1、879~231、96.2~399、197~812;Fe、Cd、Cu、Ni 和Pb的變異度分別為38%、39%、37%、39%、40%,此5種元素的變異度非常接近且都明顯小于Ca、Cr和Zn,說明 Ca、Cr和Zn 在不同高度的沉降通量差異高于Fe、Cd、Cu、Ni和Pb.

圖2 不同樓層灰塵重金屬含量水平Fig.2 Concentrations of heavy metal in dust at different height

圖3 不同高度灰塵中重金屬沉降通量平均值分布特征Fig.3 Distribution of deposition fluxes of heavy metal in dust at different height

2.4 不同空間高度灰塵重金屬導致的環境風險

8種元素中,除Ca外,其他均為重金屬,Ca、 Fe為常量元素,其他為微量有害重金屬.

將1~8層灰塵沉降量平均值乘上微量重金屬土壤背景值,所得沉降量作為參考值,根據式(3)和式(4)計算引進灰塵沉降量的不同樓層重金屬累積系數及綜合內梅羅指數(圖4).結果顯示:灰塵元素累積風險從高到低的順序為為Zn >Cd >Cu >Pb >Ni >Cr.單因子指數評價結果表明除個別樓層外,灰塵Cr和Ni基本處于輕累積風險;而Cd、Cu、Pb和Zn各樓層均處于中-重度累積風險,其中Cd在1~7層,Cu在1~4層和7層,Pb 在3、7層,Zn在1~3、5、7、8層均處于重度累積風險.8種元素中,Cd、Cu和Zn累積較重.1~3層和5、7~8層主要風險元素均為Cd和Zn;4、6層的Cd、Cu、Pb和Zn累積風險程度相當,沒有顯示特別突出的風險元素.綜合6種元素而言,1~8層內梅羅綜合指數范圍在4.0~11.5之間,均達到重度累積狀態,其中,1~3層灰塵重金屬導致的環境風險遠高于4~6層,尤以4層為最低,而4~7層灰塵重金屬導致的環境風險呈現升高趨勢,在7層達到極大,8層又顯著下降.整體上低樓層環境風險較高,高樓層環境風險相對較小.

圖4 不同樓層灰塵重金屬累積系數及內梅羅綜合指數Fig.4 Accumulation coefficients of heavy metals in dust and the Nemerow pollution index at different height

3 討論

3.1 不同空間高度灰塵沉降通量變化特征

空間灰塵的累積主要來自地表源和大氣沉降源.地表源包括細粒土壤、灰塵,大氣沉降源則包括所有漂浮在空氣中的來自交通、工業、農業、生活、等復雜多源的塵埃.從灰塵質量上來說,地表的影響高于大氣沉降.孔春霞等[20]對不同高度氣溶膠的監測結果表明,隨著高度的增加,不同尺度的大氣顆粒物濃度均逐漸減小.本研究顯示灰塵沉降通量隨著樓層增高而降低,這與離地表距離越大,受地表源灰塵影響越小的規律相符合.另外,倪劉建等[21]研究表明沉降通量與所在位置的周邊環境密切相關,高空大氣環流的遠程影響是其主要影響因素之一.本研究所計算的灰塵沉降通量實際上是取樣周期內的灰塵保有量,因為雖然采樣時選擇的采樣點盡量避免了降雨對采樣的影響,但空間平臺上的灰塵不可避免地受到風搬運的影響,由于風的作用,平臺上細粒級灰塵很可能被帶走而重新進入飄塵.樓層越高,受風的影響越大,因此,風的作用也可能是高層灰沉沉降通量降低的原因之一[20].另,有研究表明,距地表20~30m的適當高度大氣顆粒物污染程度最?。?2],這一高度正好是7~8層以上高度.

3.2 不同空間高度重金屬含量及沉降通量變化特征

不同空間高度灰塵元素含量分析顯示,常量元素Ca和Fe的分布規律并不一致.Ca在不同樓層灰塵中的含量變異度最小,僅為9%,說明灰塵中Ca來源較為單一,筆者判斷其主要來源于地表細粒土壤.而Fe的變異度為24%,與重金屬Pb、Zn相當,說明其來源相對復雜多樣.吳志軍等[23]在模擬城市街道污染物(以CO為例)擴散模式的結果表明,地表污染物在氣流作用下產生“爬墻效應”.污染物濃度隨著樓層的增高逐漸減小,但在超過街道高度一半時又開始上升,這與本研究中Ca、Cr和Zn在灰塵中的含量隨空間高度的變化趨勢較為一致,說明Ca、Cr和Zn在不同空間高度灰塵中的含量主要受地表污染物的影響.而Fe、Cd、Cu、Ni和Pb在灰塵中的含量隨樓層增高而升高,但都在5~7層高度上出現第二低值區,推測這5種元素在空間高度上的分布除了受地表源的影響外,可能更多的受到空中灰塵漂浮帶的影響[21].本研究中灰塵中8種元素含量在空間高度上的變化呈現兩種趨勢,這應該是多種因素影響和作用的結果.本研究組曾對貴陽市室外灰塵重金屬作形態分析,結果顯示Zn、Pb以鐵錳氧化物結合態為主,而Cu、Ni和Cd以碳酸鹽結合態和殘渣態為主,5種元素中,Zn的碳酸鹽結合態比例最低(結果尚未發表).另外,戴塔根等[24]研究顯示,空氣顆粒物PM10中Cu、Pb、Cd等元素質量濃度隨粒徑增加而減少,在<1.1μm顆粒中濃度最高,而Zn、Cr質量濃度在1.1~2.0μm粒徑范圍內有一峰值.這些研究都說明Zn、Cr在灰塵中的賦存狀態和大氣顆粒物中的粒級效應與其它元素不同,筆者推斷這些性質的分化可能是導致灰塵中重金屬含量在空間高度上的變化呈現兩種趨勢的原因之一,當然具體是哪些因素的影響,以及影響過程和機理還有待進一步的研究.

重金屬沉降通量受兩方面的影響,第一,灰塵沉降通量;第二,灰塵中重金屬含量.前文結果顯示灰塵沉降通量隨空間樓層增加而降低,而Cr、Zn在灰塵中的含量也隨樓層升高而降低,Ca變化不明顯,兩者隨樓層變化方向基本一致,因而Ca、Cr和Zn沉降通量表現出明顯的隨空間樓層的增高而降低的趨勢.其它5種元素Fe、Cd、Cu、Ni和Pb在灰塵中的含量的總體變化趨勢是隨樓層高度的增加含量逐漸升高,這與灰塵沉降通量隨空間高度的變化趨勢正好相反,但因灰塵沉降通量隨空間高度增加而降低的程度高于灰塵中Fe、Cd、Cu、Ni和Pb含量隨空間高度降低的程度,因而,這5種元素的沉降通量變化總體趨勢仍然是隨空間高度的增加而降低,只是不如Ca、Cr和Zn表現得明顯.這也說明對重金屬沉降通量的影響,灰塵沉降通量起了決定性作用.

3.3 不同樓層灰塵重金屬導致的環境風險及主要風險元素

對灰塵重金屬導致的環境污染風險評價并沒有專門的模型,一般借助土壤重金屬風險評價模型,其中內梅羅綜合指數評價法是應用較多的一類方法[25].內梅羅指數,綜合考慮所有污染項目,特別兼顧了污染最嚴重的因子,在加權過程中避免了權系數中主觀因素的影響,能更直觀地定性描述灰塵重金屬污染的總體水平.以往對灰塵重金屬環境風險的評估是基于灰塵中重金屬含量大小進行的,沒有考慮灰塵量的多少.但對于環境中的受體,除污染物濃度是主要風險因素外,污染物的質量也是不可忽視的影響因素.灰塵是人類暴露于重金屬的重要媒介之一[26].本文通過引進灰塵沉降量,結合灰塵中重金屬含量進行的風險評估,能較全面的說明環境中重金屬導致的污染風險.評價結果顯示總體上低層灰塵重金屬的環境風險大于高層,但在7層高度上存在高風險值,4~6層灰塵重金屬環境風險最低.這種不同空間高度灰塵重金屬導致的環境風險的差異是灰塵重金屬含量和灰塵沉降量共同作用的結果.1~2層的灰塵Cd、Cu、Ni和Pb含量并不高,但因其較高的灰塵沉降量決定了其處于環境高風險水平;4~6層灰塵中各重金屬含量都不高,其灰塵沉降量也較低,因而評級結果顯示風險最低;而7層灰塵Cd和Pb含量相對較高,灰塵沉降量相比上下樓層又有上升趨勢,因而評價結果也顯示具有較高風險;8層極低的灰塵沉降量決定了它的風險處于較低水平.另外評價結果還顯示各樓層風險元素主要為Cd和Zn,其次是Cu和Pb.這些正是Miguel等[27]提出的城市元素.

4 結論

4.1 不同空間高度灰塵沉降通量總體分布趨勢是:隨著樓層的增高,灰塵沉降通量下降.

4.2 不同樓層灰塵中Fe、Cd、Cu、Ni、Pb元素含量在不同空間高度上隨樓層增高而增大,而Cr和Zn元素隨著樓層增高而減小,但總體上差異不大.

4.3 不同空間高度灰塵元素沉降通量總體上隨著樓層的增高而下降,尤以Ca、Cr和Zn 元素表現最為明顯.

4.4 引進灰塵沉降量評價灰塵重金屬導致的環境風險顯示1~3層和7層環境風險較高,4~6層灰塵重金屬導致的環境風險較低,Cd、Cu、Pb和Zn是主要風險元素.不同空間高度灰塵重金屬導致的環境風險的差異是灰塵重金屬含量和灰塵沉降量共同作用的結果.

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Vertical characteristics of deposition fluxes of dust and heavy metals of Guiyang City.

ZHANG Shu-ting,LI Xiao-yan,CHEN Si-min(School of Geographical and Environment Sciences,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China).China Environmental Science,2015,35(6):1630~1637

Dust was an important pathway of human heavy metal exposure.With the emergence of urban high-rise building,the vertical space of human daily life gradually extended upward.Dust and its heavy metal located on the windowsill and other platform at different height of the building was remarkable.In this study,dust deposition on the windowsill at different height(1th-8th floor)from three buildings in Guiyang city was collected and the deposition fluxes of dust and elements including Ca,Fe,Cd,Cr,Cu,Ni,Pb and Zn was analyzed.Further,the environmental risk due to heavy metals based on loadings per day was assessed by the single-factor contaminant index and Nemerow multi-factor index method.The results showed that: the deposition fluxes of dust decreased with the increases of the height of the ground.The content of elements showed small changes in dust at different height: the contents of Fe,Cd,Cu,Ni,and Pb increased with the height,while the contents of Cr and Zn in dust decreased with the height.In general,the element deposition fluxes decreased as the height of the ground increase,especially Ca,Cr and Zn.The risk assessment based on the deposition fluxes of heavy metals showed that the 1th-3th floor and 7th floor were in higher risk condition,while the 4th-6th floors were in lower risk condition,and Cd,Pb,Cu,and Zn were the main risk elements.

dust;deposition fluxes;heavy metal;the height of the ground;cities

X513

A

1000-6923(2015)06-1630-08

張舒婷(1990-),女,廣東樂昌人,貴州師范大學碩士研究生,主要從事區域環境質量影響評價方面研究.發表論文2篇.

2014-10-27

國家自然科學基金項目(41161079)

* 責任作者,教授,lxyan421@163.com

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