李海燕,石安邦
北京市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構建與風險控制工程技術研究中心,北京 100044
城市地表顆粒物重金屬分布特征及其影響因素分析
李海燕*,石安邦
北京市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構建與風險控制工程技術研究中心,北京 100044
城市地表顆粒物作為重金屬的重要載體,嚴重危害城市人群和水體,已成為城市環(huán)境的重要研究對象。闡述了對地表顆粒物重金屬的空間、粒徑、賦存形態(tài)等分布特征及其影響因素進行系統(tǒng)分析的意義。通過對國內不同城市不同功能區(qū)的重金屬(主要為:Zn、Cu、Cd、Pb)數(shù)據(jù)進行對比分析,各功能區(qū)重金屬污染情況為:Cu、Pb:工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>交通區(qū)>居民區(qū)>休閑區(qū);Zn:工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>商業(yè)區(qū)>居民區(qū)>休閑區(qū);Cd:交通區(qū)>工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>居民區(qū)>休閑區(qū),同時各功能區(qū)中Zn、Pb含量波動性較大。整體上國內工業(yè)區(qū)、交通區(qū)和商業(yè)區(qū)地表顆粒物重金屬污染嚴重。與我國的土壤重金屬背景值相比,4種金屬中Cd污染程度最為嚴重。探討了與國外部分城市地表顆粒重金屬污染特征之間的差異,指出國內城市重金屬含量均值整體上低于歐美發(fā)達城市,而國內一線城市重金屬含量明顯偏高。系統(tǒng)分析了顆粒物重金屬的粒級效應,賦存形態(tài)以及生物有效性。綜述了城市交通活動(主要為交通流量、車輛行駛速度、變速頻率、車輛類型、道路特征等)、降雨沖刷事件、雨前干燥期、大氣風力作用、和其他因素對地表顆粒物重金屬分布特征的影響。某種程度上,道路車輛的行駛速度和變速對顆粒物重金屬累積的影響作用大于交通流量。不同降雨事件和雨前干燥期對重金屬分布特征影響的研究結論不一,但地表顆粒對大氣PM2.5重金屬貢獻較大。今后應在以下方面進一步加強對城市地表顆粒物重金屬的研究:建立顆粒物粒徑劃分標準;加強重金屬在降雨沖刷過程變化規(guī)律的分析;探討地表顆粒物與大氣顆粒物重金屬轉換關系;還應開展中小型城市,城鄉(xiāng)結合部(城中村)地表顆粒物重金屬污染特性研究。
地表顆粒物;重金屬;分布特征;粒級效應;賦存形態(tài);影響因素
汽車的大量使用,工業(yè)的快速興起以及城市的大規(guī)模建設,在促進全球城市化的同時也產(chǎn)生了大量的污染物,尤其是重金屬(Jordanova等,2014;Li等,2013;Loganathan等,2013;Sutherland等2012)。城市地表顆粒物作為一種來源和組成復雜的環(huán)境介質,是這些污染物的重要載體(常靜等,2007)。在一定外動力條件下地表顆粒物容易揚起(劉春華和岑況,2007),并經(jīng)呼吸和皮膚接觸等途徑進入人體,嚴重危害人體的健康(尤其老年和兒童)(De Miguel等,2007;方鳳滿等,2010)。而地表顆粒物與空氣中顆粒物可能相互轉化(Han等,2011;Song等,2006),且在地表徑流的沖刷作用下顆粒物吸附的污染物會發(fā)生遷移,進入城市水體(Selbig,2013;Tuccillo,2006),惡化城市水環(huán)境。同時由于在顆粒物上所累積的重金屬元素具有難降解性和持久性,是城市居民健康的潛在威脅。因此,對地表顆粒物中的重金屬進行深入研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
國外對地表顆粒物的重金屬研究始于20世紀七八十年代(Day等,1975;Laxen和Harrison,1977),隨著研究的不斷深入,有關城市地表顆粒物重金屬的空間、粒徑分布特征及影響因素、累積規(guī)律、賦存形態(tài)、來源、環(huán)境效應的研究取得了很大進展(Jordanova等,2014;Rijkenberg和Depree,2010;Joshi等,2009;Yang等2010)。國內相關研究起步較晚,重點集中在顆粒物粒徑、重金屬的污染分布特征(李海燕,2014;唐榮莉等,2012;劉德鴻等,2012;李曉燕,2013)。因此,對城市地表顆粒物重金屬總體的空間、粒徑分布特征,影響因素,及各因素影響下重金屬的變化規(guī)律進行全面地統(tǒng)計,對比分析,可以從機理上更加全面、深入地認識城市地表顆粒物引起的越來越嚴重的面源污染問題。鑒于此,本文對國內外城市地表顆粒物的重金屬分布特征,以及分布特征的影響因素進行了較為系統(tǒng)和全面地整理分析。以期對城市地表顆粒物重金屬污染特征有更加全面地了解,為預防和治理城市重金屬污染問題提供科學依據(jù),為建設良好城市生態(tài)系統(tǒng)提供決策性依據(jù)。
1.1 不同城市功能區(qū)重金屬分布特征
表1列出了我國部分城市不同功能區(qū)地表顆粒物所含的Zn、Cu、Cd、Pb 4種重金屬含量。不同重金屬的污染情況(含量均值)依次是:Zn:工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>商業(yè)區(qū)>居民區(qū)>休閑區(qū);Cu:工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>交通區(qū)>居民區(qū)>休閑區(qū);Cd:交通區(qū)>工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>居民區(qū)>休閑區(qū);Pb:工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>交通區(qū)>居民區(qū)>休閑區(qū)??偟膩碚f,工業(yè)區(qū)、交通區(qū)和商業(yè)區(qū)是地表顆粒物重金屬污染最為嚴重的區(qū)域,同時這些功能區(qū)的重金屬污染特征有一定差異。分析原因,可能由于受工業(yè)生產(chǎn)的影響,工業(yè)區(qū)顆粒物吸附的重金屬含量較高;機動車輛在行駛過程中剎車里襯、輪胎、機械零件的磨損和汽車尾氣是重金屬的主要來源(Thorpe和Harrison,2008),以致于4種金屬在城市交通區(qū)污染嚴重;而城市商業(yè)區(qū)人流量大,商品種類繁多,高樓大廈密集,城市建筑設施地風化、脫落、腐蝕可能產(chǎn)生吸附有重金屬的顆粒物(Kumar等,2013;Turner和Sogo,2012)。對于大型城市北京,其商業(yè)區(qū)重金屬污染程度最為嚴重。其中主要與交通活動有關的Zn(Adachi和Tainosho,2004)含量高達355 mg·kg-1,進一步表明了機動車輛對重金屬的貢獻。因此,在城市的商業(yè)區(qū)有必要增加清掃頻率,合理分配停車量,及時疏散車流量。同時,國內休閑區(qū)地表顆粒物重金屬含量數(shù)據(jù)較為缺乏,相關研究不夠(表1),有待加強。
對比我國的土壤重金屬背景值(表2),地表顆粒物中Cd的污染程度最嚴重,其在休閑區(qū)的含量均值最小,但卻是土壤背景值的7.2倍,其他功能區(qū)均高出土壤背景值18倍以上。有研究指出地表顆粒物所含Cd主要是剎車里襯/制動片的磨損,尾氣排放、工業(yè)廢氣和垃圾焚燒(Banerjee,2003)。因此,除工業(yè)區(qū)地表顆粒物的Cd可能主要來自工業(yè)生產(chǎn)外,其他功能區(qū)的地表顆粒物則交通工具是主要來源。各種功能區(qū)的Zn、Cu和Pb含量均值也均高出土壤背景值5倍左右。對比各不同城市功能區(qū)域各種重金屬含量的變化范圍和標準差,顆粒物吸附的Zn、Pb含量波動較大,休閑區(qū)域則由于污染源相對單一而使重金屬含量的地域差異小。而Cu在不同城市不同功能區(qū)標準差均在39.3~64.5范圍內(除商業(yè)區(qū)為100.0),表明顆粒物Cu含量地域差異性相對較小,其主要污染來源可能類似。綜上,在不同城市的各功能區(qū)域,不同重金屬的含量差異較大,須因地制宜、采取針對性措施來控制地表顆粒物的重金屬污染。
表1 我國不同城市不同功能區(qū)地表顆粒物重金屬含量Table 1 Concentrations of heavy metals in urban road sediments in different function areas of cities mg·kg-1
續(xù)表1Continued
通過表1整理得到的我國城市不同金屬整體含量均值(表2),并與國內外部分城市進行對比(具體見表3)??梢园l(fā)現(xiàn),我國城市地表顆粒物中Zn、Cu、Cd和Pb的含量明顯低于歐美發(fā)達城市,這可能與這些城市的高速道路多、機動車輛使用量大等密切相關。隨著我國城市化進程的加速,與亞洲部分城市相比,我國地表顆粒物大部分重金屬含量明顯偏高。同時國內一線城市上海、廣州的顆粒物重金屬含量明顯高于國內平均水平,甚至比國外部分發(fā)達城市伯明翰、夏威夷、渥太華污染程度嚴重。綜上,交通活動是地表顆粒物重金屬富集的主要作用方式。各城市地表顆粒物的重金屬污染代表性元素各不相同,重金屬含量的差異性和相似性可以在一定程度上反映問題,但未必可以有效地揭示現(xiàn)實中導致該結果出現(xiàn)的自然、人為因素。因此有必要建立起一個通用、可有效對城市重金屬污染進行測試分析,評價的標準體系(Duzgoren-Aydin等,2006;Lu等,2009)。
表3 我國部分城市和國外不同城市地表顆粒物重金屬含量Table 3 Comparison of heavy metal contents in urban road sediments among some cities of china and other cities worldwide mg·kg-1
1.2 地表顆粒物的重金屬粒級效應
地表顆粒物的粒徑直接影響著顆粒物的重金屬含量分布。向麗等(2010)對北京市不同區(qū)域的地表顆粒物研究指出,高污染負荷的重金屬主要附著于粒徑<300 μm的顆粒物。常靜等(2008)研究上海市中心城區(qū)顆粒物發(fā)現(xiàn),粒徑越小重金屬污染就更加嚴重。Lau和Stenstrom(2005)研究表明,重金屬的污染含量最高的顆粒物粒徑范圍是100~250 μm。Herngren等(2006)的研究表明,澳大利亞Queensland州居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)重金屬含量最高的地表顆粒物粒徑主要集中在0.45~75 μm。多數(shù)研究(Sutherland等,2012;Zhao等,2011;Singh,2011)也顯示:Cu、Fe、Cd、Mn、Ni、Pb、Zn等金屬更易富集在小粒徑尤其是粒徑<63~75 μm的顆粒物上。Zhao等(2010)發(fā)現(xiàn)在大學校園、居民區(qū)、城市主干道、城中村(城鄉(xiāng)結合部)區(qū)域內幾乎均呈現(xiàn)相同的重金屬污染特征:<44 μm的顆粒物所含的重金屬含量最高??傮w來看,粒徑越小,顆粒物吸附重金屬越多。目前也有研究(Ewen等,2009;Lin等,2008)發(fā)現(xiàn)汽車尾氣中所含的重金屬多數(shù)累積在細粒徑的顆粒物中,而較大粒徑顆粒物吸附的重金屬多數(shù)來源于輪胎和汽車配件的磨損。
1.3 地表顆粒物的重金屬賦存形態(tài)以及生物有效性
地表顆粒物吸附的重金屬能以多種形態(tài)存在,每種形態(tài)重金屬再活化潛力各不相同,進而影響各自的生物有效性和毒性,因此顆粒物重金屬總量可能無法提供有關顆粒物污染特點的準確信息(Yu等,2001)。為深入了解不同重金屬的生物有效性,以及不同形態(tài)的賦存特性,過去幾十年,已經(jīng)有多種不同的連續(xù)重金屬提取法,應用于重金屬形態(tài)的研究中。其中歐洲共同體參考物機構(European Community Bureau of Reference)創(chuàng)立的BCR法和TESSIER(Tessier等,1979)連續(xù)提取法被廣泛推廣于城市地表顆粒重金屬的賦存形態(tài)分析。BCR法將重金屬分為酸溶態(tài)(弱酸提取態(tài))、可還原態(tài)、可氧化態(tài)、以及殘渣態(tài)。而TESSIER法將重金屬分為可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機/硫化物結合態(tài)和殘渣態(tài)等5種形態(tài)。
隨著對重金屬形態(tài)分析研究的不斷深入,顆粒物重金屬賦存特性正不斷被人們所認知。Banerjee(2003)對印度Delihi市的地表顆粒物研究發(fā)現(xiàn):Cu主要以有機物結合態(tài)存在;絕大部分Zn以鐵錳氧化物結合態(tài)存在;Pb主要存在于殘渣態(tài),其次結合于鐵錳氧化物;Cd雖然主要以殘渣態(tài)為主,但碳酸鹽態(tài)和可交換態(tài)含量較高,甚至達總量的50%以上;Ni和Cr的殘渣態(tài)均占到總量的70%以上。Li等人(2001)研究指出,碳酸鹽結合態(tài)的Zn占60%以上,而Cu主要是有機結合態(tài),Pb的碳酸鹽結合態(tài)和鐵錳氧化態(tài)含量較高,Cd可交換態(tài)重金屬含量高。國內學者(常靜等,2009)對上海市地表顆粒物研究報道稱,Zn以碳酸鹽結合態(tài)為主,Pb的碳酸鹽結合態(tài)較高,Cu和Cd主要是有機結合態(tài)。章明奎(2010)對浙江省73個城市汽車站的地表顆粒物采用BCR法進行重金屬形態(tài)分析時發(fā)現(xiàn),Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Hg和Mn的可提取態(tài)比例可高達75%以上,其中Zn、Mn最易釋放到環(huán)境中的酸可提取態(tài)占30%以上,Cd的也占到23.34%±4.21%。Kumar等人(2013)采用BCR法對東京居民區(qū)和高速路的地表顆粒物進行重金屬形態(tài)研究時,發(fā)現(xiàn)Cu,Zn,Cd和Pb的各形態(tài)含量水平具有一定差異,其中殘渣態(tài)含量尤為明顯,甚至在2種功能區(qū)Cu的含量相差50倍以上。
而顆粒物重金屬的可交換態(tài)極易發(fā)生遷移轉化,碳酸鹽結合態(tài)存在的重金屬在pH(Charlesworth等,2003)發(fā)生變化時容易釋放到環(huán)境中去,因此顆粒物中可交換態(tài)的和碳酸鹽結合態(tài)的重金屬是評價顆粒物中重金屬生物有效性的重要指標,多數(shù)研究(Banerjee,2003;Li等,2001;Sutherland和Tolosa,2000)顯示:Cu、Pb、Zn、Cd的生物有效性順序是:Cd>Zn≈Pb>Cu。
2.1 交通活動
機動車輛在行駛過程中,剎車里襯磨損,橡膠輪胎磨損,以及尾氣排放均會產(chǎn)生重金屬,而這些重金屬則會吸附在地表顆粒物中(Thorpe和Harrison,2008;Gunawardana等,2012;Bukowiecki等,2009)。Amato等人(2013)在對巴塞羅那<10 μm的地表顆粒物進行重金屬的來源分析時發(fā)現(xiàn),27%源于剎車里襯,37%來自礦物燃燒,20%是由尾氣排放導致,剩余的16%是由于輪胎磨損引起的。因此,交通活動影響地表顆粒物的重金屬含量以及分布特征,主要可以分為如下幾個方面:
(1)交通流量。隨著道路交通流量,磨損程度的增加以及尾氣排放量的上升,導致道路地表顆粒物重金屬含量上升。Davis和Birch(2011)在研究悉尼市的地表顆粒時發(fā)現(xiàn),Zn、Cu和Pb的地表吸附量與交通流量的呈明顯的正相關關系,其中相關系數(shù)r2均在0.96以上,檢驗值p均<0.05。Tanner等人(2008)的研究顯示,交通流量大的香港地區(qū),顆粒物吸附的Cr,Cu,Ce和Zn含量明顯比交通流量低的北京、上海兩地高。同時張建強等(2006)在研究日本東京的地表顆粒物重金屬時發(fā)現(xiàn);交通量為2088輛/h時地表顆粒物中Zn、Cu、Pb、Cd等金屬濃度比3983輛/h時降低50%左右。
(2)車輛行駛速度和變速頻率。在某種程度上,道路車輛的行駛速度和變速可能比交通流量更加影響顆粒物的重金屬含量。Duong和Lee(2011)發(fā)現(xiàn)(圖1),某地道路轉盤早上7點到晚上8點的車流量為104000~114000輛/d,高速公路的交通量為20000輛/d,但轉盤附近顆粒物Cd,Cu,Pb,Zn,和Ni的含量比高速公路區(qū)域低。同時指出,高速公路(平均行駛速度115 km/h)地表顆粒物的重金屬含量高于環(huán)路(75 km/h)和市中心道路(20 km/h)。Pandian等(2009)認為,同一條道路不同路段如紅綠燈、十字路口處,由于車輛經(jīng)常減速、剎車以及行駛停止等,會影響顆粒物的累積量及其重金屬含量,尤其影響Pb的富集。
圖1 單個重金屬元素污染系數(shù)(Ci)f(根據(jù)Duong等,2011的數(shù)據(jù)重新做圖)Fig. 1 The values of contamination factors by heavy metals (adapted from Duong et al, 2011)
(3)其他交通活動。地表顆粒物的重金屬含量也可能受車輛類型、大小、使用年齡、發(fā)動機狀況和使用燃料的質量,還有道路特征的影響。Legret和Pagotto(1999)研究表明,道路重型車輛所占總機動車輛的比例與地表顆粒物的重金屬含量呈正相關關系。Viard等人(2004)對法國南錫和盧森堡高速公路兩側土壤的重金屬研究指出,距離道路320 m以內的土壤均出現(xiàn)重金屬污染。國內郭廣慧等(2007)發(fā)現(xiàn)隨著道路垂直距離的延伸,Pb含量呈指數(shù)下降趨勢,0~10 m和10~65 m范圍土壤的Pb污染水平分別為嚴重和輕度污染。
2.2 降雨沖刷事件和雨前干燥期
降雨徑流沖刷會影響地表顆粒物所富集的重金屬含量(Taylor和Owens,2009)。有研究(Tian等,2009)表明,降雨事件后,粒徑>40 μm的顆粒物吸附的重金屬濃度比粒徑<40 μm的顆粒物重金屬濃度低。不同粒徑地表顆粒所含重金屬在徑流沖刷過程中遷移規(guī)律不同,有研究(Zhao等,2010)發(fā)現(xiàn),粒徑<250 μm顆粒物在地表徑流中重金屬的貢獻率高達80%以上,同時徑流雨水中70%以上的總懸浮顆粒(TSP)粒徑<44 μm。何小艷等(2012)研究發(fā)現(xiàn),地表顆粒物中的重金屬在徑流沖刷過程中,存在溶解與解吸現(xiàn)象,5種重金屬(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)在地表顆粒物徑流沖刷過程中的平均減少比率分別為24.3%、56.8%、34.3%、22.8%、27.3%,顆粒物粒徑越小,其重金屬減少比率越大,同時顆粒物中的弱酸可提取態(tài)重金屬比例略大于徑流后顆粒物弱酸可提取態(tài)的比例,其中金屬主要以可提取態(tài)進入水體。Zhao等(2013)在實驗室模擬條件下研究地表顆粒物重金屬的降雨沖刷變化規(guī)律時指出,降雨強度和持續(xù)時間影響受納水體的重金屬含量,但并未引起各重金屬所占污染負荷比例的明顯增加。
雨前干燥期影響顆粒物重金屬的累積,但相關結論不一。有研究發(fā)現(xiàn)(常靜等,2008),不同區(qū)域地表顆粒物重金屬濃度隨著雨前干燥期的增加出現(xiàn)不同的變化:交通流量較高的區(qū)域,顆粒物重金屬濃度呈降低趨勢;而交通流量相對較低的地區(qū),重金屬濃度則出現(xiàn)升高。但Deletic等(2005)則認為,隨著雨前干燥期的增加,風力以及交通行為的擾動加劇了顆粒物的再懸浮,細粒徑顆粒物含量不斷降低,從而導致顆粒物的重金屬污染濃度呈降低趨勢。Amato等(2013)報道降雨事件會導致顆粒物所含污染物含量很快下降,但是降雨量的作用不明顯;同時,距上次降雨3天后,顆粒物重金屬含量可恢復到原水平的99.5%以上。
2.3 大氣風力作用
目前城市霧霾問題日益凸顯,大氣中顆粒物(PM)的研究已然是國內外熱點。對地表顆粒物進行化學元素組成分析,將有利于更加深入地認識PM的污染來源(Tanner等,2008)。有研究(Amato等,2009)顯示,地表累積的顆粒物容易被過往機動車、電車,以及風力的作用導致再懸浮,從而成為PM的重要來源。Karanasiou等(2011)研究馬德里的PM10來源時發(fā)現(xiàn),29%的顆粒物是由地表顆粒物導致的。而細小地表顆粒物所吸附的重金屬經(jīng)再懸浮進入空氣后,必將對人體造成嚴重的危害。Han等(2007)在研究北京市大氣環(huán)境時指出,地表顆粒物對PM2.5所含Cu,Pb,Zn和Cd的貢獻率分別是75%,90%,80%和94%。Perrone等人(2012)采用分子標志物技術和化學質量平衡模型對意大利米蘭市的PM2.5進行源分析時發(fā)現(xiàn),與其他季節(jié)相比,冬天地表顆粒物的貢獻率較高。
2.4 其它因素
地理位置直接影響地表顆粒物所吸附重金屬的含量及其分布。郭廣慧等人(2008)發(fā)現(xiàn),位于山區(qū)以及丘陵地帶的城市,機動車輛排放的重金屬顆粒,不易被大氣稀釋,而容易滯留在街道表面,而平坦地形有利于重金屬擴散和稀釋。Johansson等(2009)報道,斯德哥爾摩街道峽谷的灰塵金屬含量是街道建筑物屋頂中含量的2~4倍,Cu在街道峽谷顆粒物中的含量高達街道建筑物屋頂中含量的7倍,說明街道峽谷不利于交通產(chǎn)生的含重金屬地表顆粒的擴散。也有研究(Ewen等2009)提出城市高建筑物區(qū)的道路顆粒物重金屬含量高于城市高交通密集區(qū)。
由于交通排放的含重金屬顆粒物會隨風力擴散到周邊較遠的區(qū)域,因此風對顆粒物的重金屬含量有一定關系。Othman等(1997)研究顯示,含Pb的顆粒物主要沉降在距公路5 m內,而在風的作用下,可遷移到更遠的地方。有研究(Saeedi等,2009)指出下風向街道灰塵重金屬的平均含量比上風向地區(qū)高。
(1)城市地表顆粒物粒徑劃分標準各異
目前研究均指出細小粒徑地表顆粒物所含重金屬濃度更高,然而國內外學者粒徑劃分依據(jù)各不相同,無統(tǒng)一的標準可參考,導致彼此成果難以進行十分有效地對比分析,不利于國內外地表顆粒物重金屬污染后續(xù)研究工作地有效進行。因此,后期應建立起詳盡全面的粒徑劃分標準,推動城市面源污染研究工作。
(2)城市地表顆粒物重金屬在降雨沖刷過程中的變化規(guī)律研究不足
降雨事件對地表顆粒物所含重金屬的沖刷規(guī)律已逐漸受到關注。然而在不同降雨量、降雨時間下,不同粒徑顆粒物所吸附重金屬的沖刷量缺乏定性和定量研究(尤其在實際降雨情況下),以及其遷移轉化的具體規(guī)律認知不清。徑流沖刷過程中,顆粒物所引起的雨水重金屬污染負荷量研究也鮮見報道。以及顆粒物經(jīng)沖刷進入水體后,在液固界面是否發(fā)生遷移轉化有待深入。
(3)城市地表顆粒物與大氣顆粒物的關系缺乏研究
目前城市霧霾現(xiàn)象嚴重,國內外已有研究指出空氣中部分PM2.5/PM10是由于地表顆粒物經(jīng)外界作用(主要為風力,交通運輸?shù)龋е聭腋∵w徙而成。而當外界作用不同時,地表顆粒物對PM2.5/PM10貢獻的差異性缺乏研究。再懸浮顆粒的沉降特性及其吸附重金屬在大氣環(huán)境下形態(tài)和組成是否會發(fā)生遷移轉化等值得進一步探索。
(4)中小型城市,城鄉(xiāng)結合部(城中村)地表顆粒物重金屬污染特性缺乏研究
目前國內地表顆粒物污染研究主要集中在直轄市,省會等大型城市,而對中小型城市不夠關心。隨著城市化的加快,這些地區(qū)必然出現(xiàn)相關的污染問題,因此有必要加大對中小型城市地表顆粒物重金屬污染特性研究。同時城鄉(xiāng)結合部(城中村)作為農村地區(qū)走向城鎮(zhèn)化的過渡地帶,與城區(qū)相比,污染更加嚴重,來源更加廣泛,面臨的管理問題更加困難。因此有必要在該區(qū)域深入開展研究。
ADACHI K, TAINOSHO Y. 2004. Characterization of heavy metal particles embedded in tire dust [J]. Environment International, 30(8): 1009-1017.
AHMED F, ISHIGA H. 2006. Trace metal concentrations in street dusts of Dhaka city, Bangladesh [J]. Atmospheric Environment, 40(21): 3835-3844.
AL-KHASHMAN O A. 2007. Determination of metal accumulation in deposited street dusts in Amman, Jordan [J]. Environmental geochemistry and health, 29(1): 1-10.
AMATO F, PANDOLFI M, MORENO T, et al. 2011. Sources and variability of inhalable road dust particles in three European cities [J]. Atmospheric Environment, 45(37): 6777-6787.
AMATO F, PANDOLFI M, VIANA M, et al. 2009. Spatial and chemical patterns of PM10 in road dust deposited in urban environment [J]. Atmospheric Environment, 43(9): 1650-1659.
AMATO F, SCHAAP M, DENIER VANDER GON H A C, et al. 2013. Short-term variability of mineral dust, metals and carbon emission from road dust resuspension [J]. Atmospheric Environment, 74: 134-140.
BANERJEE A D K. 2003. Heavy metal levels and solid phase speciation in street dusts of Delhi, India [J]. Environmental Pollution, 123(1): 95-105.
BAPTISTA, L F, MIGUEL E D. 2005. Geochemistry and risk assessment of street dust in Luanda, Angola:A tropical urban environment [J]. Atmospheric Environment, 39(25): 4501-4512.
BUKOWIECKI N, LIENEMANN P, Hill M, et al. 2009. Real-world emission factors for antimony and other brake wear related trace elements: size-segregated values for light and heavy duty vehicles [J]. Environmental Science and Technology, 43(21): 8072-8078.
CHARLESWORTH S, EVERETT M, MCCARTHY R, et al. 2003. A comparative study of heavy metal concentration and distribution in deposited street dusts in a large and a small urban area: Birmingham and Coventry, West Midlands, UK [J]. Environment International, 29(5): 563-573.
CHATTERJEE A, BANERJEE R N. 1999. Determination of lead and other metals in a residential area of greater Calcutta [J]. Science of the Total Environment, 227(2): 175-185.
CHRISTOFORIDIS A, STAMATIS N. 2009. Heavy metal contamination in street dust and roadside soil along the major national road in Kavala's region, Greece [J]. Geoderma, 151(3): 257-263.
DAVIS B S, BIRCH G F. 2011. Spatial distribution of bulk atmospheric deposition of heavy metals in metropolitan Sydney, Australia[J]. Water Air & Soil Pollution, 214(1-4): 147-162.
DAY J P, HART M, ROBINSON S M. 1975. Lead in urban street dust [J]. Nature, 253: 343-345.
DE MIGUEL E, IRIBARREN I, CHACON E, et al. 2007. Risk-based evaluation of the exposure of children to trace elements in playgrounds in Madrid (Spain) [J]. Chemosphere, 66(3): 505-513.
DELETIC A, ORR D W. 2005. Pollution build up on road surfaces [J]. Journal of Environmental Engineering, 131(1): 49-59.
DUONG T T T, LEE B K. 2011.Determining contamination level of heavy metals in road dust from busy traffic areas with different characteristics [J]. Journal of Environmental Management, 92(3): 554-562.
DUZGOREN-AYDIN N S, WONG C S C, AYDIN A, et al. 2006. Heavy metal contamination and distribution in the urban environment of Guangzhou, SE China [J]. Environmental Geochemistry and Health, 28(4): 375-391.
EWEN C, ANAGNOSTOPOULOU M A, WARD N I. 2009. Monitoring of heavy metal levels in roadside dusts of Thessaloniki, Greece in relation to motor vehicle traffic density and flow [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 157: 483-498.
F FAIZ Y, TUFAIL M, JAVED M T, et al. 2009. Road dust pollution of Cd, Cu, Ni, Pb and Zn along Islamabad Expressway, Pakistan [J]. Microchemical Journal, 92(2): 186-192.
FERGUSSON J E, KIM N D. 1991. Trace elements in street and house dusts: sources and speciation [J]. Science of the Total Environment, 100: 125-150.
GUNAWARDANA C, GOONETILLEKE A, EGODAWATTA P, et al. 2012. Source characterisation of road dust based on chemical and mineralogical composition [J]. Chemosphere, 87(2): 163-170.
HAN L, ZHUANG G, CHENG S, et al. 2007. Characteristics of re-suspended road dust and its impact on the atmospheric environment in Beijing [J]. Atmospheric Environment, 41(35): 7485-7499.
HAN S, YOUN J S, JUNG Y W. 2011. Characterization of PM 10 and PM 2.5 source profiles for resuspended road dust collected using mobile sampling methodology [J]. Atmospheric Environment 45 (20): 3343-3351.
HAN Y, DU P, CAO J, et al. 2006. Multivariate analysis of heavy metal contamination in urban dusts of Xi’an, Central China [J]. Science of the Total Environment, 355(1-3): 176-186.
HERNGREN L, GOONETILLEKE A, AYOKO G A. 2006. Analysis of heavy metals in road-deposited sediments [J]. Anal Chim Acta, 571(2): 270-278.
HU X, ZHANG Y, LUO J, et al. 2011. Bioaccessibility and health risk of arsenic, mercury and other metals in urban street dusts from a mega-city, Nanjing, China [J]. Environmental Pollution, 159(5): 1215-1221.
JOHANSSON C, NORMAN M, BURMAN L. 2009. Road traffic emission factors for heavy metals [J]. Atmospheric Environment, 43(31): 4681-4688.
JORDANOVA D, JORDANOVA N, PETROV P. 2014. Magnetic susceptibility of road deposited sediments at a national Scale-Relation to population size and urban pollution [J]. Environmental Pollution, 189: 239-251.
JOSHI U M, VIJAYARAGHAVAN K, BALASUBRAMANIAN R. 2009. Elemental composition of urban street dusts and their dissolution characteristics in various aqueous media [J]. Chemosphere, 77(4): 526-533.
KARANASIOU A, MORENO T, AMATO F, et al. 2011. Road dust contribution to PM levelse Evaluation of the effectiveness of street washing activities by means of Positive Matrix Factorization [J]. Atmospheric Environment, 45: 2193-2201.
KUMAR M, FURUMAI F, KURISU F, et al. 2013. Tracing source and distribution of heavy metals in road dust, soil and soakaway sediment through speciation and isotopic fingerprinting [J]. Geoderma, 211-212: 8-17.
LAU S L, STENSTROM M K. 2005. Metals and PAHs adsorbed to street particles [J]. Water Research, 39(17): 4083-4092.
LAXEN D P H, HARRISON R M. 1977. The highway as a source of water pollution: an appraisal with the heavy metal lead [J]. Water Research, 11(1): 1-11.
LEGRET M, PAGOTTO C. 1999. Evaluation of pollutant loadings in the runoff waters from a major rural highway [J]. Science of the Total Environment, 235(1): 143-150.
LI X, POON C, LIU P S. 2001. Heavy metal contamination of urban soils and street dusts in Hong Kong [J]. Applied Geochemistry, 16(11): 1361-1368.
LI Z, FENG X, LI G, et al. 2013. Distributions, sources and pollution status of 17 trace metal/metalloids in the street dust of a heavily industrialized city of central China [J]. Environmental Pollution, 182: 408-416.
LIN H, HUNG C, YUAN C, et al. 2008. Characteristics and source identification of roadside suspended particles [J]. Transport Res Part D, 13: 531-538.
LOGANATHAN P, VIGNESWARAN S, KANDASAMY J. 2013. Road-deposited sediment pollutants: a critical review of their characteristics, source apportionment, and management [J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 43(13): 1315-1348.
LU X, WANG L, LEI K, et al. 2009. Contamination assessment of copper, lead, zinc, manganese and nickel in street dust of Baoji, NW China [J]. Journal of Hazardous Materials, 161(2-3): 1058-1062.
MIGUEL E, LLAMAS J F, CHACóN E, et al. 1997. Origin and patterns of distribution of trace elements in street dust: unleaded petrol and urban lead [J]. Atmospheric Environment, 31(17): 2733-2740.
OTHMAN I, AL-OUDAT M, AL-MASRI M S. 1997. Lead levels in roadside soils and vegetation of Damascus city [J]. Science of the Total Environment, 207(1): 43-48.
PAGOTTO C, REMY N, LEGRET M, et al. 2001. Heavy metal pollution of road dust and roadside soil near a major rural highway [J]. Environmental Technology, 22(3): 307-319.
PANDIAN S, GOKHALE S, GHOSHAL A K. 2009. Evaluating effects of traffic and vehicle characteristics on vehicular emissions near traffic intersections [J]. Transportation Research Part D: Transport and Environment, 14(3): 180-196.
PERRONE M G, LARSEN B R, FERRERO L, et al. 2012. Sources of high PM2.5 concentrations in Milan, Northern Italy: Molecular marker data and CMB modeling [J]. Science of the Total Environment, 414: 343-55.
RASMUSSEN P E, SUBRAMANIAN K S, JESSIMAN B J. 2001. A multi-element profile of house dust in relation to exterior dust and soils in the city of Ottawa, Canada [J]. Science of the Total Environment, 267(1): 125-140.
RIJKENBERG M J, DEPREE C V. 2010. Heavy metal stabilization in contaminated road-derived sediments [J]. Science of the Total Environment, 408(5): 1212-1220.
ROBERTSON D J, TAYLOR K G, HOON S R. 2003. Geochemical and mineral magnetic characterisation of urban sediment particulates, Manchester, UK [J]. Applied Geochemistry, 18(2): 269-282.
SAEEDI M, HOSSEINZADEH M, JAMSHIDI A, et al. 2009. Assessment of heavy metals contamination and leaching characteristics in highway side soils, Iran [J]. Environmental monitoring and assessment, 151(1-4): 231-241.
SAEEDI M, HOSSEINZADEH M, JAMSHIDI A, et al. 2009. Assessment of heavy metals contamination and leaching characteristics in highway side soils, Iran [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 151(1-4): 231-241.
SCHWAR M J R, MOORCROFT J S, LAXEN D P H, et al. 1988. Baseline metal-in-dust concentrations in Greater London [J]. Science of the Total Environment, 68: 25-43.
SELBIG W R, BANNERMAN R, CORSI S R. 2013. From streets to streams: Assessing the toxicity potential of urban sediment by particle size [J]. Science of the Total Environment, 444: 381-391.
SEZGIN N, OZCAN H K, DEMIR G, et al. 2004. Determination of heavy metal concentrations in street dusts in Istanbul E-5 highway [J]. Environment international, 29(7): 979-985.
SHI G, CHEN Z, XU S, et al. 2008. Potentially toxic metal contamination of urban soils and roadside dust in Shanghai, China [J]. Environmental Pollution, 156(2): 251-260.
SINGH A K. 2011. Elemental chemistry and geochemical partitioning of heavy metals in road dust from Dhanbad and Bokaro regions, India [J]. Environmental Earth Sciences, 62(7): 1447-1459.
SONG Y, ZHANG Y H, XIE S D. 2006. Source apportionment of PM2.5 in Beijing by positive matrix factorization [J]. Atmospheric Environment, 40: 1526-1537.
SUTHERLAND R A, TACK F M, ZIEGLER A D. 2012. Road-deposited sediments in an urban environment: A first look at sequentially extracted element loads in grain size fraction [J]. Journal of Hazardous Materials, 225-226: 54-62.
SUTHERLAND R A, TOLOSA C A. 2000. Multi-element analysis of road-deposited sediment in an urban drainage basin, Honolulu, Hawaii [J]. Environmental pollution, 110(3): 483-495.
TANNER P A, MA H L, YU P K N. 2008. Fingerprinting metals in urban street dust of Beijing, Shanghai, and Hong Kong [J]. Environmental Science & Technology, 42(19): 7111-7117.
TAYLOR K G, OWENS P N. 2009. Sediments in urban river basins: a review of sediment-contaminant dynamics in an environmental system conditioned by human activities [J]. Journal of Soils and Sediments, 9(4): 281-303.
TESSIER A, CAMPBELL P G C, BISSON M. 1979. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals [J]. Analytical chemistry, 51(7): 844-851.
THORPE A, HARRISON R M. 2008. Sources and properties of non-exhaust particulate matter from road traffic: a review [J]. Science of the Total Environment, 400(1): 270-282.
TIAN P, LI Y X, YANG Z F. 2009. Effect of rainfall and antecedent dry periods on heavy metal loading of sediments on urban roads [J]. Frontiers of earth Science in China, 3(3): 297-302.
TUCCILLO M E. 2006. Size fraction of metals in runoff from residential and highway storm sewers [J]. Science of the Total Environment, 355(1-3): 288-300.
TURNER A, SOGO Y S. 2012. Concentrations and bioaccessibilities of metals in exterior urban paints [J]. Chemosphere, 86(6): 614-618.
VIARD B, PIHAN F, PROMEYRAT S, et al. 2004. Integrated assessment of heavy metal (Pb, Zn, Cd) highway pollution: bioaccumulation in soil, Graminaceae and land snails [J]. Chemosphere, 55(10): 1349-359.
YANG T, LIU Q, LI H, et al. 2010. Anthropogenic magnetic particles and heavy metals in the road dust: magnetic identification and its implications [J]. Atmospheric Environment, 44(9): 1175-1185.
YU K C, TSAI L J, CHEN S H, et al. 2001. Chemical binding of heavy metals in anoxic river sediments[J]. Water Research, 35(17): 4086-4094.
ZHAO H, LI X, WANG X, et al. 2010. Grain size distribution of road-deposited sediment and its contribution to heavy metal pollution in urban runoff in Beijing, China [J]. Journal of Hazardous Materials, 183(1-3): 203-210.
ZHAO H, LI X, WANG X. 2011. Heavy metal contents of road-deposited sediment along the urban–rural gradient around Beijing and its potential contribution to runoff pollution [J]. Environmental Science & Technology, 45(17): 7120-7127.
ZHAO H, LI X. 2013. Understanding the relationship between heavy metals in road-deposited sediments and washoff particles in urban stormwater using simulated rainfall [J]. Journal of Hazardous Materials, 246-247: 267-276.
曹冬霞. 太原市地表灰塵重金屬的污染狀況及環(huán)境風險[D]. 太原: 山西大學: 2012.
常靜, 劉敏, 侯立軍, 等. 2007. 城市地表顆粒物的概念,污染特征與環(huán)境效應[J]. 應用生態(tài)學報, 18(5): 1153-1158.
常靜, 劉敏, 李先華, 等. 2008. 上海城市地表灰塵重金屬污染累積過程與影響因素[J]. 環(huán)境科學, 29(12): 3483-3488.
常靜, 劉敏, 李先華, 等. 2008. 上海城市地表灰塵重金屬污染粒級效應與生物有效性[J]. 環(huán)境科學, 29(12): 3489-3495.
陳青林, 王惠, 楊寶山,等. 2013. 濟南市地表灰塵重金屬含量及其污染評價[J]. 濟南大學學報(自然科學版), 27(4): 428-432.
方鳳滿, 蔣炳言, 王海東, 等. 2010. 蕪湖市區(qū)地表顆粒物中重金屬粒徑分布規(guī)律及健康風險評價[J]. 地理研究, 29(7): 1193-1202.
郭廣慧, 陳同斌, 宋波, 等. 2007. 中國公路交通的重金屬排放及其對土地污染的初步估算[J]. 地理研究, 26(5): 922-930.
郭廣慧, 雷梅, 陳同斌, 等. 2008. 交通活動對公路兩側土壤和灰塵中重金屬含量的影響[J]. 環(huán)境科學學報, 28(10): 1937-1945.
韓東昱, 岑況, 龔慶杰. 2004. 北京市公園道路粉塵Cu, Pb, Zn含量及其污染評價[J]. 環(huán)境科學研究, 17(2): 10-13, 21.
何小艷, 趙洪濤, 李敘勇, 等. 2012. 不同粒徑地表街塵中重金屬在徑流沖刷中的遷移轉化[J]. 環(huán)境科學, 33(3): 810-816.
李崇. 沈陽城市灰塵中金屬的空間分布特征研究[D]. 沈陽: 遼寧大學: 2008.
李海燕, 石安邦, 瞿楊晟, 等. 2014. 北京奧林匹克公園地表顆粒物粒度特征分析[J]. 環(huán)境科學, 35(9): 3352-3357.
李曉燕, 劉艷青. 2013. 我國城市不同功能區(qū)地表灰塵重金屬分布及來源[J]. 環(huán)境科學, 34(9): 3648-3653.
李曉燕. 2013. 季節(jié)變化對貴陽市不同功能區(qū)地表灰塵重金屬的影響[J].環(huán)境科學, 34(6): 2407-2415.
李章平, 陳玉成, 楊學春, 等. 2006. 重慶市主城區(qū)街道地表物中重金屬的污染特征[J]. 水土保持學報, 20(1): 114-116, 138.
劉春華, 岑況. 2007. 北京市街道灰塵的化學成分及其可能來源[J]. 環(huán)境科學學報, 27(7): 1181-1188.
劉德鴻, 王發(fā)園, 周文利, 等. 2012. 洛陽市不同功能區(qū)道路灰塵重金屬污染及潛在生態(tài)風險[J]. 環(huán)境科學, 33(1): 253-259.
劉玉燕, 劉浩峰, 劉敏. 2009. 烏魯木齊市地表灰塵重金屬含量及其健康風險[J]. 干旱區(qū)研究, 26(5): 750-754.
任玉芬, 王效科, 歐陽志云, 等. 2013. 北京城區(qū)道路沉積物污染特性[J].生態(tài)學報, 33(8): 2365-2371.
唐榮莉, 馬克明, 張育新, 等. 2012. 北京城市道路灰塵重金屬污染的健康風險評價[J]. 環(huán)境科學學報, 32(8): 2006-2015.
王利軍, 盧新衛(wèi), 雷凱. 2012. 寶雞市街塵重金屬元素含量及其環(huán)境風險分析[J]. 土壤通報, 43(1): 200-205.
王小梅, 趙洪濤, 李敘勇. 2010. 北京市地面街塵與徑流中重金屬的污染特征[J]. 生態(tài)毒理學報, 5(3): 426-432.
魏復盛, 陳靜生, 吳燕玉, 等. 1991. 中國土壤環(huán)境背景值研究[J]. 環(huán)境科學, 12(4): 12-19.
向麗, 李迎霞, 史江紅, 等. 2010. 北京城區(qū)道路灰塵重金屬和多環(huán)芳烴污染狀況探析[J]. 環(huán)境科學, 31(1): 159-167.
張慧敏, 章明奎. 2007. 杭州不同功能區(qū)道路灰塵中污染物的分布和有效性[J]. 廣東微量元素科學, 14(12): 14-18.
張建強, 白石清, 渡邊泉. 2006. 城市道路粉塵、土壤及行道樹的重金屬污染特征[J]. 西南交通大學學報, 41(1): 68-73.
張一修, 王濟, 張浩. 2011. 貴陽市區(qū)地表灰塵重金屬污染分析與評價[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 20(1): 169-174.
章明奎. 2010. 浙江省城市汽車站地表灰塵中重金屬含量及其來源研究[J]. 環(huán)境科學學報, 30(11): 2294-2304.
鄭小康, 李春暉, 黃國和, 等. 2009. 保定城區(qū)地表灰塵污染物分布特征及健康風險評價[J]. 環(huán)境科學學報, 29(10): 2195-2202.
Distribution Characteristics and Their Influencing Factors of Heavy Metals in Urban Road Sediments
LI Haiyan, SHI Anbang
Beijing Engineering Research Center of Sustainable Urban Sewage System Construction and Risk Control, Beijing 100044, China
As the important carrier of heavy metals, urban road sediments may threaten humans health and urban water systems, thus they have been the important research object in the field of environmental sciences. In this paper, the research significances of spatial, particle size and speciation distribution characteristics as well as their influencing factors on heavy metals in road sediments was reviewed and discussed. This study pointed out the distribution characteristics of heavy metals (i.e., Zn, Cu, Cd and Pb) based on the comparative analysis of heavy metal concentrations in different functional areas among domestic cities. The results showed that Cu and Pb concentration in urban road sediments decreased in the order of industrial area, commercial area, traffic area, residential area and leisure area; the content of Zn followed the order as industrial area > traffic area > commercial area > residential area > leisure area; Cd concentration decreased in the order of traffic area > industrial area > commercial area > residential area > leisure area, and the concentrations of Zn and Pb fluctuated obviously. In general, the heavy metal contamination of industrial, traffic and commercial areas were more serious than other functional zones in China. Moreover, compared with the corresponding heavy metals' background concentration in soil of China, Cd was found to be the most serious one among these four metals. The differences of heavy metal accumulation in road sediments between domestic and foreign cities were systematically investigated, and the results revealed that the mean concentrations of heavy metals in China were lower than the values in the developed cities in Europe and America, while the contents of these metals in large-scaled cities were higher than the mean concentration in China. Particle size distribution, chemical fraction and bioavailability of heavy metals in urban sediments were analyzed. The impact of traffic activities (i.e., traffic flow, vehicle speed, the frequency of brake use and vehicles coming to a complete stop, vehicle type and road type, et al.), rainfall events, dry period, atmospheric wind action and other factors on the distribution of heavy metals in urban sediments were also studied. To a certain extent, vehicle speed and the frequency of brake use and vehicles coming to a complete stop may affect the heavy metal accumulation in road sediments more obviously than the traffic flow. There is no consensus on the influences of rainfall events and dry period on the distribution characteristics of heavy metals, however, the road sediments was a strong contributing factor to the degree of contamination of heavy metals in atmospheric fine particulate matter (PM2.5). Future studies should address on the following aspects, including but not limited to establishing standards of the classification of particulate matter particle, strengthening the analysis of the variation of heavy metals during the rainfall events, generating the conversion relationship between heavy metals in the road sediments and atmospheric particulate matter, and carrying out more research on the pollution characteristics of heavy metals in small-medium sized cities and rural-urban fringe zone.
road sediment; heavy metal; distribution characteristics; particle size distribution; chemical fraction; influencing factors
X142
A
1674-5906(2014)11-1852-09
李海燕,石安邦. 城市地表顆粒物重金屬分布特征及其影響因素分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(11): 1852-1860.
LI Haiyan, SHI Anbang. Distribution Characteristics and Their Influencing Factors of Heavy Metals in Urban Road Sediments [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1852-1860.
北京市自然科學基金項目(8142013);北京市哲學社會科學規(guī)劃項目(13CSC010)
李海燕(1975年生),女,教授,博士,碩士生導師。主要從事城市雨水徑流污染物遷移轉化規(guī)律方面的研究工作,E-mail: lihaiyan@bucea.edu.cn
2014-09-12