城乡环境的污染特性综述

来源：中文期刊网位置：自然科学时间：13-05-28 09:01

样品分析街尘中重金属总量的测定方法如下:称取0.25g样品，精确到0.0001g，往聚四氟消煮管依次加入浓硝酸9mL，盐酸2mL，氢氟酸3mL，密封后放入微波萃取系统(型号:MARS，CEM，America)消煮，消煮后定容至25mL低温密封保存待测．重金属赋存形态分析采用BCR分级提取法［16］，依次提取重金属的弱酸可提取态、可还原态、可氧化态和残渣态，具体分级提取过程见表2．以上消煮液和提取液均采用Perkin-ElmerElan6000ICP-OES测定．为减少试验误差，试验所用试剂均为优级纯，所有容器均预先在10%稀硝酸溶液中浸泡24h以上，依次用自来水、去离子水、超纯水冲洗，以减少污染．分析过程中，通过土壤标准物(GSS-1、GSS-2)重复测定和试剂空白来进行质量控制．土壤标准物质中重金属测定的回收率在90%～110%，样品重复之间的相对标准偏差介于5%～10%之间．数据处理街尘中各粒径污染物负荷比的计算采用文献［17］推出的公式:（式略）式中，GSFLoad为单个粒径所含污染物对全部粒径的污染物含量贡献;ci是单个粒径污染物的浓度(mg•kg－1);GSi是单个粒径占全部粒径街尘的质量比;m是全部粒径的个数．采用SPSS16.0进行方差分析和多重比较(LSD法)，作图软件采用Origin8.0．文中数据及柱状图均以均值±标准偏差(SD)表示．

结果与分析

城乡梯度下街尘中重金属浓度的差异对比城乡环境梯度影响着街尘中重金属的浓度．表3为不同城乡环境梯度下街尘中Cr、Cu、Ni、Pb、Zn这5种重金属的浓度及对比分析结果．Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的平均浓度分别是(61.1±8.5)、(47.2±29.3)、(18.9±3.7)、(42.2±7.9)、(224.0±62.2)mg•kg－1．城乡环境梯度下5种重金属浓度从高到低顺序略有不同:其中Cr、Ni、Pb为中心城区＞城中村＞郊区区县＞乡镇＞村庄;Cu、Zn则为中心城区＞郊区区县＞城中村＞乡镇＞农村村庄．5种重金属均在中心城区具有最高浓度，在农村村庄存在浓度最低值．对比分析结果表明:Cr，中心城区与农村村庄存在显著差异;Cu，中心城区与其他4种环境梯度存在显著差异;Ni、Pb，中心城区则与郊区区县、乡镇、农村村庄存在显著差异;Zn，中心城区与城中村、乡镇、农村村庄存在显著差异．城乡环境梯度下街尘中重金属赋存形态的变化由于城乡环境的差异，城乡环境梯度影响着街尘中重金属赋存形态(见图1)，Cr、Ni主要以残渣态为主，Cu主要以可氧化态为主，Pb主要以可氧化态和可还原态为主，Zn主要以弱酸可提取态为主．Cr的残渣态比例在郊区区县最高(75.3%)，而中心城区、城中村、乡镇的残渣态比例相对较低(69.6%、62.9%、58.5%)，这可能与Cr主要来源于电镀、电池、不锈钢等生产，且这些工业生产主要分布于郊区有关．Cu的弱酸可提取态比例在不同城乡环境梯度下大致相同，但可氧化态比例以中心城区和郊区区县为最高(63.8%、54.2%)，在水条件变化时可氧化态会发生转化进入水体造成污染．Ni、Pb、Zn的弱酸可提取态都是在中心城区和郊区区县比例最高(25.0%、20.7%)、(12.8%、9.9%)、(36.9%、35%)，较易进入水体造成污染．城乡环境梯度对街尘粒径及量分布的影响城乡环境梯度决定着街尘的粒径组成比例与单位面积质量．单位面积街尘质量从低到高依次为:郊区区县(20g•m－2±16g•m－2)＜中心城区(21g•m－2±24g•m－2)＜城中村(59g•m－2±63g•m－2)＜乡镇(147g•m－2±112g•m－2)≤村庄(147g•m－2±198g•m－2)．图2为不同城乡环境梯度下各粒径的质量分布情况．在各环境梯度下，街尘的62～105μm粒径段所占质量比例最高，在中心城区、城中村、郊区区县、乡镇、农村村庄中的质量比例分别为37%、19%、36%、30%、40%．粒径＜105μm街尘在中心城区含量比例最高(49.6%)，其次是村庄、郊区区县、乡镇、城中村(47.8%、44.3%、38.1%、22.9%);粒径450～1000μm街尘则在中心城区和郊区区县质量比例最低(8.24%、6.77%)．由此可见，中心城区和郊区区县的街尘量相对较少，主要以细粒径为主;而水平差的乡镇、村庄的街尘量多，并且大粒径颗粒含量高。不同粒径街尘中重金属浓度变化粒径对街尘中重金属总量和赋存形态都有着重要影响．为不同粒径街尘中5种重金属的浓度变化，随着粒径的增大，5种重金属浓度都呈下降趋势，粒径越小，重金属含量越高．5种重金属在所采集样品中的平均浓度分别为(61.7±17.6)、(45.3±24.8)、(19.1±8.2)、(41.8±10.1)、(257.1±97.7)mg•kg－1，从总的标准偏差来看，各粒径之间波动较大，这是由于不同城市化水平研究区之间的差异较大．不同粒径街尘中5种重金属的浓度变化Fig．3Concentrationchangesoffiveheavymetalsindifferentparticlesize相对于其他赋存形态，残渣态比例组成随着粒径的变化不大，Cr、Cu、Ni、Pb、Zn中残渣态平均比例分别是66.8%、32.9%、54.0%、30.0%、25.5%．Cr在＞149μm粒径段非残渣态比例有所上升，潜在危害性增大;Cu、Pb的弱酸可提取态和可还原态随粒径的增大比例有所上升，可氧化态比例则反之;Ni的弱酸可提取态比例随粒径的增大而减小，可还原态随之增大．Zn的4种形态平均比例为33.2%、17.3%、24.1%、25.5%，随粒径的变化不太显著．重金属活化态比例也越高，其潜在危害性越大，街尘中Cr、Cu、Pb在大粒径段的相对潜在危害性较大，Ni则反之．

讨论

粒径对街尘中重金属污染的影响粒径的大小与各粒径段重金属质量负荷比有很大的关系，5种重金属在不同城乡环境梯度下的各粒径段重金属质量负荷比，与粒径质量分布图相比发现:细粒径段的重金属质量负荷比大于其粒径质量比，＜105μm粒径段的重金属质量负荷比在中心城区、郊区区县、城中村、乡镇、农村村庄中分别是62.4%、53.0%、32.4%、47.7%、53.2%，而各粒径中质量比分别为49.6%、47.8%、44.3%、38.1%、22.9%，粗粒径则相反．街尘的粒径效应已在很多文献研究中体现［3，14，18］，粒径越小，污染物的浓度越高，这是由于小粒径颗粒物比表面积大，吸附污染物能力较强，在整个街尘污染中发挥着重要作用，在降雨径流中也发挥着不可忽视的作用，需要引起重视．不同的污染来源产生不同粒径范围的街尘［19］，粒径组成又决定了街尘的迁移率和污染特征，轮胎磨损容易产生20μm的街尘，燃煤烟尘粒径在10～30μm，材料尘粒径在20～60μm［20，21］，这就造成了中心城区中细粒径比例较大、重金属浓度高、负荷贡献率大．另外，不同重金属之间的各粒径段重金属质量负荷比也有所差异，比如城中村中Cu、Zn在＜105μm小粒径段质量负荷比较高(43.3%、41.1%)，而Cr、Ni、Pb的质量负荷比分别是25.8%、23.8%、28.3%，这主要是由于不同重金属的来源不同而引起的．城乡环境梯度对街尘污染特征的影响城乡环境梯度决定了街尘的污染特征，以往的研究主要从不同利用类型方面研究［22～25］，从大尺度范围上来探讨道路街尘中重金属的污染特征较少．街尘受工业生产活动、汽车尾气、轮胎磨损、道路老化、大气沉降、溶雪剂等所产生的颗粒物质在风力、水力及重力的作用下沉积在城市地表［26，27］，其中人为活动是最主要的污染来源，人口密集区和拥挤区的街尘中污染物浓度较高．不同城乡环境梯度下道路的粗糙度、清扫方式和清扫频率也是影响街尘的粒径组成和污染负荷的重要原因．研究发现人口密度大、交通拥挤、煤气消耗高，但地表平坦的市区，使用机扫方式、清扫频率增加使得单位面积街尘量减少，而人口密度小、地面粗糙、采用人工清扫、清扫频率低的城中村、乡镇、农村村庄的单位面积街尘量较大，并且大粒径组成比例大．城乡环境梯度也影响着街尘的粒径组成、污染贡献率和数量［28，29］，虽然中心城区、郊区区县的单位面积街尘量相对较低，但其细粒径的比例高，所以其浓度必然会高．并且细粒径在冲刷过程中易进入水体中，对水体造成污染，所以还应采取措施吸附或固定细粒径的街尘．对于乡镇、农村村庄、城中村则采取提高清扫方式和清扫频率来减少单位面积街尘量及大粒径颗粒物，减少污染物随降雨径流的迁移．

结论

(1)城乡环境梯度对街尘的污染特征有很重要的影响，环境卫生管理水平高的中心城区和郊区区县的街尘重金属浓度大，细粒径质量比例高．而环境卫生管理水平低的乡镇、农村村庄、城中村街尘量大，粗粒径质量比例高．(2)街尘中Ni、Pb、Zn的活性较高，随降雨径流进入水体中较易造成污染，应采取措施进行前期消减污染．

作者：何小艳 顾培 李叙勇 赵洪涛 单位：中国院环境研究中心城市与区域生态国家重点室 中国科学院大学 贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治部重点实验室