程 雁

(浙江師范大學(xué)文科綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，浙江金華 321004)

城市塵土主要是指附著、沉淀于城市人工鋪地及地面附著物、建筑物的裸露面上，未被固化黏結(jié)易于被地表徑流、雨水及大氣帶動(dòng)、運(yùn)移和飄浮的固體顆粒物．20世紀(jì)80年代中期至今，國(guó)外對(duì)城市灰塵的研究已達(dá)到一定的水平［1-3］．城市灰塵的理化性質(zhì)是研究的主體，其物理性質(zhì)集中在PM 2．5和PM 10，化學(xué)性質(zhì)集中在城市灰塵中的重金屬，特別是城市灰塵中的“鉛”［4-6］．目前研究揭示，微小顆粒物攜帶有毒重金屬、病毒等進(jìn)入人的呼吸道和肺部，會(huì)引發(fā)多種疾病，如：心臟病、肺病、呼吸道疾病、肺功能衰退等［7］．城市灰塵環(huán)境污染研究屬于城市環(huán)境學(xué)研究的范疇，不僅要研究城市灰塵的物質(zhì)成分，還要研究其物質(zhì)來(lái)源、遷移轉(zhuǎn)化等，其中污染物來(lái)源的判別一直是環(huán)境地球化學(xué)研究的一個(gè)難點(diǎn)，但來(lái)源辨析是城市灰塵防治、治理的基礎(chǔ)，是環(huán)境科學(xué)研究工作中不可繞過(guò)的課題．因此，本文利用因子分析方法研究了金華城市灰塵的物質(zhì)來(lái)源，以便為金華市環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)．

1 樣品采集與實(shí)驗(yàn)分析

1．1 樣品采集

以二環(huán)以內(nèi)的金華市區(qū)及郊區(qū)為研究區(qū)域，將金華市中心城區(qū)按1 km×1 km的網(wǎng)格劃分為基本采樣單元．在每個(gè)采樣單元內(nèi)再根據(jù)不同功能區(qū)(廠區(qū)、社區(qū)、商區(qū)、校區(qū)、醫(yī)區(qū)、園區(qū)、交通區(qū))進(jìn)行定點(diǎn)采樣．在每個(gè)功能區(qū)內(nèi)分別采集3～4個(gè)灰塵樣品，然后進(jìn)行充分混合，作為該功能區(qū)的最終樣品;同時(shí)，在郊區(qū)街道、工廠、居民區(qū)等地采集樣品，共采集樣品135個(gè)．采樣時(shí)用毛刷、塑料畚箕收集灰塵樣品，為防止人為原因?qū)е聵悠分亟饘傥廴荆蓸舆^(guò)程中避免使用金屬工具．

1．2 樣品處理及分析

研究表明城市街道灰塵中重金屬含量隨粒徑的減小而增加，目前的研究對(duì)于街道灰塵粒徑的選擇沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不利于各研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并影響了對(duì)灰塵中重金屬污染作出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)［8］．杜佩軒等研究表明灰塵粒徑基本都小于1 mm［4］．本文在參考國(guó)內(nèi)外研究對(duì)于灰塵粒徑選擇的基礎(chǔ)上，將粒徑小于500 μm的顆粒物作為灰塵的初始樣品，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)將樣品放烘箱內(nèi)60℃條件下烘干后，過(guò)35目篩，除去石塊、樹(shù)葉、雜草等雜質(zhì)，用密封聚氯乙稀袋保存?zhèn)溆?

2)取10 g左右過(guò)180目篩，過(guò)篩后的樣品用粉碎機(jī)研磨20 s;

3)稱取研磨后的灰塵樣品(4．000±0．005)g，放入聚氯乙烯環(huán)內(nèi)，用壓片機(jī)以30 t的壓力條件下保持20 s壓制成測(cè)試樣片，用吸塵器吸去表面顆粒物，編號(hào)后放入樣品袋．

樣品實(shí)驗(yàn)分析使用英國(guó)帕納科公司(原飛利浦公司)生產(chǎn)的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜分析儀Axios系統(tǒng)測(cè)定．

2 基于因子分析的城市灰塵來(lái)源辨析

近年來(lái)，受體污染源的確認(rèn)及污染物分布特征的定量評(píng)價(jià)開(kāi)始受到關(guān)注，不同來(lái)源的污染物在受體中的分布特點(diǎn)及其相互間關(guān)系的定量化研究成為環(huán)境研究的重要課題［9］．目前，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法如相關(guān)性分析、主成分分析、因子分析、聚類分析、化學(xué)質(zhì)量平衡法等被廣泛地應(yīng)用到重金屬的物源分析上［9-14］．本文在測(cè)試分析灰塵中所含元素濃度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用因子分析方法(FA)識(shí)別城市灰塵中各種可能的污染來(lái)源．

2．1 樣本相關(guān)性分析

由于因子分析是基于變量間的協(xié)方差矩陣，即包含在因子分析中的變量必須具有一定的相關(guān)性，如果變量間不存在相關(guān)，或者相關(guān)性很小，則不適合于因子分析法．本研究的各變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣表明各個(gè)變量之間存在著一定的相關(guān)性，滿足因子分析的要求．

2．2 因子提取

本文運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件包SPSS 13．0中的因子分析方法(Factor Analysis)，以主成分分析法(Principal components)作為因子提取方法，通過(guò)方差最大正交旋轉(zhuǎn)法(Varimax Procedure)對(duì)因子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后，以特征值(Eigenvalues)大于1的因子為公因子［15］，得到了各成分公因子的特征值和貢獻(xiàn)率(見(jiàn)表1)，共有4個(gè)因子的特征值大于1，這4個(gè)因子的特征值之和已占總方差的68．344%，因此，本文采用這4個(gè)因子代替14個(gè)原始變量．

表1 各因子的特征值和貢獻(xiàn)率

2．3 因子載荷矩陣分析

通過(guò)對(duì)提取出的各因子進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)負(fù)載矩陣分析(見(jiàn)表2)，可分別得到各個(gè)變量在各因子中所占據(jù)的相對(duì)重要性．

表2 最大方差旋轉(zhuǎn)因子分析結(jié)果

因子 1 與 Pb，Cu，Cr，Mn，Ni，F(xiàn)e 等元素的相關(guān)性較高．Pb，Cu，Cr等重金屬與交通環(huán)境密不可分．Pb主要來(lái)自汽車尾氣的排放，隨著無(wú)鉛汽油的推廣，汽車尾氣不再是灰塵中Pb的主要來(lái)源，但之前長(zhǎng)期使用含鉛汽油造成Pb大量沉降于地表，地面揚(yáng)塵使Pb再次進(jìn)入大氣，吸附在灰塵表面．據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)［16-18］報(bào)道，汽車尾氣顆粒物中鉛和鎳含量較高，在怠速狀態(tài)下向大氣排放量分別為0．571 mg/min 和 0．533 mg/min．Yeung 等［19］分析，汽油汽車和柴油汽車排放的尾氣中含有大量的Cu．汽車輪胎磨損或機(jī)動(dòng)車零部件侵蝕也會(huì)導(dǎo)致大氣或灰塵中 Cu，Cr，Mn，Ni等元素的增加．Pb等重金屬及其化合物廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中，所以灰塵中重金屬的含量受到工業(yè)生產(chǎn)的影響．含鉛煤炭的燃燒、銅等金屬及金屬合金的冶煉以及金屬產(chǎn)品使用等高溫作業(yè)過(guò)程等排放的煙塵會(huì)對(duì)地表灰塵重金屬的含量有一定的貢獻(xiàn)．另外，工業(yè)生產(chǎn)使用的金屬原材料、油漆、塑料、涂料中也含有較高濃度的重金屬，顏色鮮艷的涂料和油漆，其重金屬種類和含量就越多．可見(jiàn)，該因子與汽車尾氣排放和工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)．汽車尾氣和輪胎磨損產(chǎn)生的粉塵及工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢棄物直接或間接影響城市灰塵的產(chǎn)生和含量．

因子2僅與Ca，Mg元素的相關(guān)度較大(＞0．7)，而同其他成分相關(guān)系數(shù)較小，其中以Ca的負(fù)荷最大．Ca，Mg 與水泥生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)［20］，主要來(lái)源于與石灰石、磷灰石、鋁土礦、硅酸鹽等石料的高溫?zé)Y(jié)有關(guān)的工廠，或來(lái)源于水泥、石灰、耐火材料等建材揚(yáng)塵．所以，命名因子2為建筑塵，代表的是與建筑施工相關(guān)的排放源的影響．

因子3在Ti，V，Al等變量上的負(fù)荷因子較大( ＞0．7)．根據(jù)元素的富集因子分析［21-22］，Al，Ti等元素的富集因子較小，主要來(lái)源于土壤，通常稱之為地殼元素．在溯源分析中，Al，Ti被認(rèn)為是土壤貢獻(xiàn)的特征元素．對(duì)因子3負(fù)荷為0．736 5的V被認(rèn)為是重油燃燒排放物的代表元素［18］，根據(jù)各變量之間的相關(guān)系數(shù)表可知，在99．9%置信度內(nèi)，V與Ni的相關(guān)程度最高，其次是Ti，因子3可能受到土壤揚(yáng)塵或燃油燃燒顆粒物的影響．

因子4在Zn，S元素上的負(fù)荷較大(＞0．6)，S是煤煙塵的特征元素，Zn在燃煤飛灰中有較高的含量［23］．郭平等［24］研究了不同功能區(qū)城市土壤中的重金屬含量，發(fā)現(xiàn)居民區(qū)Zn含量異常高，可能與居民產(chǎn)生的生活垃圾有關(guān)．我國(guó)將生活垃圾主要分為居民生活垃圾、街道保潔垃圾和集團(tuán)垃圾3類［25］．居民生活垃圾主要由易腐有機(jī)物、煤灰、泥沙、塑料、紙類等構(gòu)成;街道保潔垃圾的成分與居民生活垃圾相似，但是泥沙、枯枝落葉和商品包裝物較多;集團(tuán)垃圾是指機(jī)關(guān)、學(xué)校和第三產(chǎn)業(yè)等在生活和工作過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物．生活垃圾組成復(fù)雜，受多種因素影響，如自然環(huán)境、氣候條件、居民生活習(xí)性等．故認(rèn)為Zn，S與居民區(qū)、工廠等排放的廢棄物有關(guān)，因子4主要來(lái)源于居民區(qū)、集團(tuán)產(chǎn)生的生活垃圾和燃煤燃燒．

2．4 因子得分分析

因子分析的數(shù)學(xué)模型是將變量表示為公因子的線性組合，由于公因子能反映原始變量的相關(guān)關(guān)系，用公因子代表原始變量時(shí)，更利于描述研究對(duì)象的特征，因而往往需要反過(guò)來(lái)將公因子表示為變量的線性組合，即因子得分

式中：Fjk為因子j在樣本k上的因子得分;Wij為第i個(gè)變量在第j個(gè)因子處的因子得分系數(shù);Xik是第i個(gè)變量在第k個(gè)樣品處的標(biāo)準(zhǔn)化值．

因子得分系數(shù)矩陣如表2，各采樣點(diǎn)的因子得分略．根據(jù)各采樣點(diǎn)因子得分大小(將物源解析為因子得分最大的類型)進(jìn)行分類的結(jié)果為：

第1公因子得分較高的有25個(gè)灰塵樣品．根據(jù)分析，污染物主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車尾氣排放和工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)．所分析樣品多采集于汽車南站、雙龍大橋等交通區(qū)，或采集于金屬相關(guān)行業(yè)冶煉廠，分析結(jié)果與實(shí)際采樣點(diǎn)位置相符合．可見(jiàn)，機(jī)動(dòng)車等交通工具尾氣排放和工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣物對(duì)城市灰塵中Pb，Cr，Ni等元素的影響最為嚴(yán)重．

第2公因子得分最大的采樣點(diǎn)有36個(gè)，部分樣品采于建筑施工地、水泥廠、采礦區(qū)等附近，因受水泥、石灰等建材揚(yáng)塵影響，樣品中的Ca元素含量相對(duì)較高;有些采樣點(diǎn)位于典型的交通區(qū)，附近沒(méi)有建筑施工的影響，從因子得分表看出，交通區(qū)樣品因子1的得分僅次于因子2，因此，可認(rèn)為采樣點(diǎn)同時(shí)受到建筑揚(yáng)塵和交通塵的影響．

46個(gè)灰塵樣品的第3公因子得分最大，可歸其來(lái)源為土壤塵．樣品來(lái)源按采樣位置和類型可分為2類：第1`類屬于居民區(qū)、園區(qū)及校區(qū)綠化帶旁的路面塵．秋冬季采樣時(shí)風(fēng)力為2～3級(jí)，綠化帶內(nèi)的土壤表層顆粒在風(fēng)的作用下容易再次揚(yáng)起降落在地表，灰塵來(lái)源很大一部分來(lái)源于土壤塵;第2類屬于郊區(qū)的街道或新建工廠的路面塵．郊區(qū)未開(kāi)發(fā)土地面積大，荒地或裸地的地表顆粒容易在一定外動(dòng)力條件下發(fā)生遷移，粗顆粒以滾動(dòng)和跳動(dòng)方式搬運(yùn)，細(xì)顆粒以懸浮方式發(fā)生遷移，土壤顆粒的搬遷致使街道地表灰塵的沉降累積，而且工廠燃料燃燒、貨車等燃油燃燒導(dǎo)致了環(huán)境中V元素的增加．總而言之，地表裸露成了土壤塵來(lái)源的主要原因，燃油燃料的燃燒加劇了環(huán)境中V的增加．

第4公因子得分最大的采樣點(diǎn)有28個(gè)，多數(shù)樣品分布在文教區(qū)及社區(qū)．根據(jù)野外調(diào)查，文教區(qū)及社區(qū)附近小攤、餐館的燃煤使用可能是S含量較高的原因之一;其次，居民區(qū)生活垃圾以及家用車廢氣排放、工廠燃油燃煤也會(huì)對(duì)環(huán)境中Zn含量產(chǎn)生影響．

3 結(jié)論

本文利用因子分析方法，揭示了灰塵污染物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和污染物間的內(nèi)在相關(guān)性及差異性，并識(shí)別出污染物的主要成分，在多元分析的結(jié)果中解析出各類污染物的來(lái)源．分析結(jié)果表明：

1)金華城市灰塵主要有4類來(lái)源：冶金交通塵、建筑塵、土壤塵和燃煤塵，其貢獻(xiàn)率分別為23．727%，17．559%，16．531%，10．526%．

2)根據(jù)因子得分結(jié)果，結(jié)合采樣地環(huán)境及一些人文因素分析：冶金交通塵主要來(lái)源于廠區(qū)、交通區(qū)等;建筑塵有直接來(lái)源于建筑工地、建材生產(chǎn)地附近，或來(lái)源于因頻繁清掃路面而產(chǎn)生的水泥揚(yáng)塵;社區(qū)、校區(qū)等的綠化帶以及郊區(qū)、新建區(qū)的裸露地表對(duì)土壤塵影響較大;燃煤塵主要來(lái)源于工廠、社區(qū)等燃煤廢氣物．

［1］Leharne S，Charlesworth D，Chowdhry B．A survey of metal levels in street dusts in an inner London neighbourhood［J］．Environment International，1992，18(3)：263-270．

［2］Manno E，Varrica D，Dongarra G．Metal distribution in road dust samples collected in an urban area close to a petrochemical plant at Gela，Sicily［J］．Atmospheric Environment，2006，40(30)：5929-5941．

［3］Anagnostopoulou M A，Day J P．Lead concentration and isotope ratios in street dust in major cities in Greece in relation to the use of lead in petrol［J］．Science of The Total Environment，2006，367(2)：791-799．

［4］杜佩軒，田暉，韓永明，等．城市灰塵粒徑組成及環(huán)境效應(yīng)——以西安市為例［J］．巖石礦物學(xué)雜質(zhì)，2002，21(1)：93-98．

［5］王金達(dá)，劉景雙，于君寶，等．沈陽(yáng)市城區(qū)土壤和灰塵中鉛的分布特征［J］．中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2003，23(3)：300-304．

［6］杜佩軒，趙阿寧，田暉．西安市街道灰塵中重金屬鉛的環(huán)境異常［J］．物探與化探，2006，30(3)：276-280．

［7］杜堅(jiān)．西安市可吸入顆粒物中重金屬分布規(guī)律［J］．陜西地質(zhì)，2005，23(2)：76-83．

［8］Al-Rajhi M A，Al-Shayeb S M，Seaward M R D，et al．Particle size effect for metal pollution analysis of atmospherically deposited dust［J］．Atmospheric Environment，1996，30(1)：145-153．

［9］高吉喜，段飛舟，香寶．主成分分析在農(nóng)田土壤環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］．地理研究，2006，25(5)：836-842．

［10］De-Miguel E，Liamas J F，Chacón E，et al．Origin and patterns of distribution of trace element in street dust：Unleaded petrol and urban lead［J］．Atmospheric Environment，1997，31(17)：2733-2740．

［11］Tokalioglu S，Senol K．Multivariate analysis of the data and speciation of heavy metals in street dust samples from the organized industrial district in kayseri(Turkey)［J］．Atmospheric Environment，2006，40(16)：2797-2805．

［12］宋宇，唐孝炎，方晨，等．北京市大氣細(xì)粒子的來(lái)源分析［J］．環(huán)境科學(xué)，2002，23(6)：22-27．

［13］劉威德，封躍鵬，賈紅，等．青島市大氣顆粒物來(lái)源的定量解析——化學(xué)質(zhì)量平衡方法［J］．環(huán)境科學(xué)研究，1998，11(5)：51-54．

［14］劉瑞民，王學(xué)軍，陶澍，等．天津表土PAHs的空間主成分與污染源分析［J］．地理科學(xué)進(jìn)展，2005，24(3)：109-117．

［15］李小玉，肖篤寧，何興元，等．中國(guó)內(nèi)陸河流域綠洲發(fā)育度的綜合評(píng)價(jià)［J］．地理學(xué)報(bào)，2006，61(8)：855-864．

［16］王明星．用因子分析法研究大氣氣溶膠的來(lái)源［J］．大氣科學(xué)，1985，9(1)：73-81．

［17］Al-Khashman O A．Heavy metal distribution in dust，street dust and soils from the work place in karak industrial estate，Jordan［J］．Atmospheric Environment，2004，38(39)：6803-6812．

［18］Meza-Figueroa D，O-Villanueva M D I，Parra M L D I，et al．Heavy metal distribution in dust from elementary school in Hermosillo，Sonora，Mexico［J］．Atmospheric Environment，2007，41(2)：276-288．

［19］Yeung Z L L，Kwok R C W，Yu K N．Determination of multi-element profiles of street dust using energy dispersive X-ray fluorescence(EDXRF)［J］．Applied Radiation and Isotopes，2003，58(3)：339-346．

［20］韓應(yīng)建，趙德山，湯大綱，等．太原市冬季大氣氣溶膠的源識(shí)別［J］．環(huán)境科學(xué)研究，1988，1(1)：25-30．

［21］劉曉琳，王雪梅，張仁健，等．太原市冬季氣溶膠污染特征及來(lái)源分析［J］．中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2006，3(4)：494-499．

［22］王淑蘭，柴發(fā)合，張遠(yuǎn)航，等．成都市大氣顆粒物污染特征及其來(lái)源分析［J］．地理科學(xué)，2004，24(4)：488-492．

［23］張晶，陳宗良，王瑋．北京市大氣小顆粒的污染源解析［J］．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18(1)：62-67．

［24］郭平，謝忠雷，李軍，等．長(zhǎng)春市土壤重金屬污染特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］．地理科學(xué)，2005，25(1)：108-112．

［25］趙由才．生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．