黃寶瑩，周妍姿，常文靜，李枝堅，曾輝

北京大學(xué)深圳研究生院城市規(guī)劃與設(shè)計學(xué)院，廣東 深圳 518055

灰塵中各重金屬元素通常來源于自然環(huán)境過程（風(fēng)化、土壤水分轉(zhuǎn)移、干濕沉降）或者人類生產(chǎn)和生活行為（如交通、工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等）（方鳳滿等，2010）。相較于土壤中的重金屬污染，城市灰塵的物質(zhì)成分更加復(fù)雜，且具有多樣化的污染來源，造成非點源型污染。由于其特殊的理化性質(zhì)，灰塵中的重金屬元素在一定外力作用下通過呼吸、飲食和皮膚暴露等過程直接進入人體（Soltani et al.，2015）。其次，灰塵可以通過降水或路面清潔等過程形成地表徑流進入水循環(huán)（Liu et al.，2016），進而進入食物鏈累積威脅人類和生態(tài)安全。灰塵重金屬機理的復(fù)雜性與危害的嚴峻性，引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注與研究。

國外對灰塵的重金屬污染問題研究已有 30余年的歷史，而國內(nèi)相關(guān)研究報道多集中在過去的十余年里。從現(xiàn)有的研究成果看，國內(nèi)外的研究工作重點聚焦于灰塵重金屬污染監(jiān)測（Miguel et al.，1997；Chon et al.，1998；Han et al.，2016；Pan et al.，2017），自然和人為活動過程對灰塵重金屬污染及其空間分異的影響（Y?ld?r?m et al.，2016；Gabarrón et al.，2017），不同城市功能區(qū)灰塵重金屬污染的時空分異特征（孫宗斌等，2014；唐榮莉等，2012；Trujillo-González et al.，2016），生態(tài)風(fēng)險評估及其毒理效應(yīng)等（Lee et al.，2013；Soltani et al.，2015）。其中，城市地區(qū)由于在各種自然環(huán)境過程的背景下聚集了大量的人口和生產(chǎn)與生活行為，灰塵重金屬污染過程和行為極為復(fù)雜，環(huán)境敏感性程度極高，因而也成為該領(lǐng)域研究的熱點區(qū)域。

深圳市是我國對外開放的窗口城市，也是過去30余年中國快速城市化和工業(yè)化的典型城市。由于短期內(nèi)人口急劇增加，加之社會經(jīng)濟發(fā)展速度極快，深圳市一直非常重視包括重金屬污染的基礎(chǔ)研究和治理工作在內(nèi)的區(qū)域環(huán)境保護問題。關(guān)于土壤、河湖底泥、各類水體和紅樹林等敏感生物群落的重金屬研究均已比較深入（鄭茂坤等，2009；劉永偉等，2010；時運紅等，2017；程珊珊等，2018），但關(guān)于城市灰塵的重金屬污染問題研究仍缺乏足夠的關(guān)注。本研究擬在深圳市按照功能區(qū)差異進行系統(tǒng)采樣，全面監(jiān)測各類灰塵樣品中8種主要重金屬的含量水平，分析城市功能區(qū)差異對灰塵重金屬污染水平的影響，對照國內(nèi)外相關(guān)城市的研究成果解析深圳市灰塵重金屬污染的個性化特征，利用兩種生態(tài)風(fēng)險評估方法對深圳市道路灰塵的重金屬污染風(fēng)險進行評估，以期為相關(guān)的環(huán)境管理工作提供基礎(chǔ)研究和科學(xué)決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

深圳市（113°46′—114°37′E，22°27′—22°52′N）地處廣東省南部，屬典型南方濱海丘陵低山地帶，區(qū)域面積1996.85 km2，人口1302.66萬。境內(nèi)屬亞熱帶海洋性氣候，年平均氣溫22.4 ℃，雨量充足，年均降雨量1933.3 mm。過去近40年的快速城市化發(fā)展進程，使得全市近一半的區(qū)域被改造成為城市建成區(qū)，全境工業(yè)化過程使得深圳市成為我國最重要的制造業(yè)基地，也是我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)分布比較集中的區(qū)域。

1.2 樣品采集與處理

把深圳市土地利用類型歸納為工業(yè)用地、交通用地、商住用地、自然林地、農(nóng)業(yè)用地（園地）和未利用地6種功能區(qū)域類型，以及垃圾處置場所（包括垃圾填埋、焚燒兩類場所）與飲用水源區(qū)2類對重金屬污染高度敏感的功能區(qū)類型。在綜合考慮區(qū)域均衡、每種功能區(qū)類型的樣本數(shù)量大致平衡的基礎(chǔ)上，按照均勻布點原則對整個深圳市（不包括內(nèi)伶仃島）進行全域覆蓋，共設(shè)置98個樣點（圖1）。其中各城市功能區(qū)的樣本數(shù)分別為工業(yè)用地13個、交通用地39個、商住用地15個、垃圾處置場所5個、自然林地8個、農(nóng)業(yè)用地（園地）5個、未利用地7個和飲用水源區(qū)6個。在至少連續(xù)3 d天氣晴好的條件下，于2015年4—5月間，選擇晴朗風(fēng)力不大的時間進行樣品采集。以樣點為中心向外擴散10 m×10 m正方形區(qū)域，采用梅花式均勻布點選擇道路兩側(cè)進行灰塵采樣，將采樣點的5個分樣共100 g左右的灰塵樣品混合均勻，作為待測樣品。在室溫避光條件下風(fēng)干灰塵樣品，用四分法取10 g樣品，經(jīng)球形研磨機處理后，過200目（孔徑0.074 mm）尼龍篩保存。

圖1 深圳市道路灰塵采樣點分布圖Fig. 1 Geographical location of the road dust sampling points in Shenzhen

采用經(jīng)預(yù)實驗加以改進的EPA3051A方法，取0.1 g樣品加入8 mL HNO3、2 mL H2O2置于微波消解儀（Ethos1）中消解，每個樣品設(shè)3個重復(fù)，誤差在±5%之內(nèi)。所有試劑均采用 BVⅢ級純度并且使用超純水，以純試劑無樣品為空白對照，以國家標(biāo)準(zhǔn)GSS-16為參照并進行分析質(zhì)量控制，測定值在規(guī)定范圍內(nèi)。內(nèi)標(biāo)法校正溶液中重金屬離子含量，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測定灰塵樣品中Mn、Ni、Cr、Cd、As、Zn、Pb和Cu 8種重金屬的濃度。

1.3 灰塵重金屬總體特征研究方法

在全部灰塵樣品測試分析完成后，采用Q-Q圖檢驗法對灰塵重金屬的監(jiān)測結(jié)果進行正態(tài)性檢驗。檢驗表明，本研究中8種重金屬監(jiān)測濃度基本符合對數(shù)正態(tài)分布，故采用樣本的幾何平均值（Geometric mean，Geo mean）與幾何標(biāo)準(zhǔn)差（Geometric standard deviation，Geo S.D.）來表征區(qū)域的污染水平及空間分布。運用SPSS軟件對深圳市及各功能區(qū)灰塵重金屬樣品監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析；對監(jiān)測數(shù)據(jù)作對數(shù)轉(zhuǎn)換，利用 ArcGIS軟件中的普通克里金插值法（王政權(quán)，1999），生成深圳市灰塵重金屬的空間分布圖，以便于后續(xù)基于像元水平的區(qū)域灰塵生態(tài)風(fēng)險綜合評估及不同生態(tài)風(fēng)險水平分區(qū)統(tǒng)計。

1.4 灰塵重金屬污染評價方法

鑒于目前還沒有針對灰塵重金屬污染的專用評價方法，本研究采用兩種經(jīng)常用于評估土壤重金屬污染的方法，即內(nèi)梅羅污染指數(shù)法（包括單項污染指數(shù)P和綜合污染指數(shù)Pn）和潛在生態(tài)危害指數(shù)法（包括單項生態(tài)危害指數(shù)E和綜合生態(tài)危害指數(shù)RI）對深圳市整體及城市功能分區(qū)中灰塵重金屬的污染程度及危害性進行綜合分析（Hakanson，1980；Cheng et al.，2007；Zhang et al.，2017；Elias et al.，2018）?；诟髦亟饘兕愋蜐舛瓤臻g插值的結(jié)果，利用兩種風(fēng)險分析方法計算了像元水平的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)情況，并統(tǒng)計了兩種不同方法各類生態(tài)風(fēng)險等級區(qū)域的結(jié)構(gòu)分配結(jié)果，以進一步弄清深圳市灰塵重金屬污染區(qū)域分異的細節(jié)差異。

其中，單項污染指數(shù)可用于計算各重金屬的污染程度，公式如下：

式中，Pi為i元素的污染指數(shù)，Ci為i元素的實際濃度，Si為i元素的背景值，選用深圳市的土壤背景值（中國環(huán)境監(jiān)測總站，1990）。i元素的單項污染指數(shù)P可由多個樣本的Pi幾何平均值來表示。

綜合污染指數(shù)可用于評價不同土地利用類型的綜合污染，公式如下：

式中，Pn為綜合污染指數(shù)，Pave為8種重金屬元素單項污染指數(shù)的平均值，Pmax為8種重金屬元素單項污染指數(shù)的最大值，表1為灰塵重金屬污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)。

表1 灰塵重金屬污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The grading standard of heavy metal pollution index in dust

潛在生態(tài)危害指數(shù)法識別了重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點，將重金屬累積程度、生態(tài)環(huán)境與毒理學(xué)相互結(jié)合，其公式如下：

式中，Ci為i元素的實際濃度，Si為i元素的背景值，Ti為i元素的毒性響應(yīng)系數(shù)，根據(jù)Hakanson（1980）制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性系數(shù)，Mn、Ni、Cr、Cd、As、Zn、Pb、Cu的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為1、2、2、30、10、1、5、5。i元素的單項生態(tài)危害指數(shù)E可由多個樣本的Ei幾何平均值來表示，綜合生態(tài)危害指數(shù)RI是8種重金屬元素的單項生態(tài)危害指數(shù)E的總和。表2為灰塵重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)。

表2 灰塵重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The grading standard of potential ecological risk index of heavy metals in dust

收集北京、廣州等12個國內(nèi)城市（Li et al.，2001；Duzgoren-Aydin et al.，2006；李崇等，2008；Zhang et al.，2009；方鳳滿等，2010；向麗等，2010；Hu et al.，2011；張一修等，2011；范佳民等，2014）以及渥太華、紐卡斯?fàn)柕?個國外城市（Miguel et al.，1997；Chatterjee et al.，1999；Sutherland et al.，2000；Rasmussen et al.，2001；Charlesworth et al.，2004；Ferreira-Baptista et al.，2005；Tsogas et al.，2009；Okorie et al.，2012；Saeedi et al.，2012；Soltani et al.，2015；）灰塵重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險評估研究案例結(jié)果，并與本研究結(jié)果進行對照分析，探討深圳市灰塵重金屬污染與國內(nèi)外相關(guān)城市之間的異同點。

2 結(jié)果與分析

2.1 灰塵重金屬污染的總體特征

不考慮灰塵樣本所屬城市土地利用類型或功能單元差異，深圳市所有灰塵樣品重金屬樣品檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果見表3。從表3可以看出，深圳市全市范圍內(nèi)灰塵重金屬污染總體上反映出兩個方面的顯著特征：

（1）變異系數(shù)反映了各樣點測試結(jié)果之間的平均變異程度，進而可以為污染成因分析提供基礎(chǔ)支撐。結(jié)果顯示深圳市灰塵中的Cd的變異系數(shù)明顯高于其他類重金屬元素，樣本的標(biāo)準(zhǔn)差大于均值，樣本之間的差異較大；As次之，變異系數(shù)為0.27；其余的重金屬元素變異系數(shù)較小，樣本之間的差異不大。

（2）利用兩種評估方法對深圳市灰塵重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險進行了單因子評估，基于內(nèi)梅羅指數(shù)的評估結(jié)果表明，深圳市灰塵中Cd、Zn、Pb和Cu屬于嚴重污染；Mn、Ni和Cr屬于中度污染；As最輕且低于背景值，屬于無污染。潛在生態(tài)危害指數(shù)評估結(jié)果顯示，深圳市灰塵中的Cd污染處于很強生態(tài)危害水平，Cu污染處于中等生態(tài)危害水平，其余6種重金屬類型均屬于輕微生態(tài)危害水平?；趦?nèi)梅羅指數(shù)的灰塵重金屬污染程度排序結(jié)果為Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Cr＞Ni＞Mn＞As，基于潛在生態(tài)危害指數(shù)的排序結(jié)果為 Cd＞Cu＞Pb＞As＞Cr＞Ni＞Zn＞Mn，二者之間的排序結(jié)果存在明顯差別。

表3 灰塵重金屬的描述性統(tǒng)計分析Table 3 Descriptive statistics of heavy metals in dust

2.2 灰塵重金屬污染空間分異特征

利用克里金插值法形成的深圳市灰塵 8種重金屬污染空間分異情況如圖2所示，白色區(qū)域為低于重金屬背景值水平地區(qū)。從圖中可以看出，各類重金屬空間分異格局可以分成兩種情形，Cu、Ni、Cr和As 4種元素類型屬于一種情形，即通常有幾個高濃度分布區(qū)域，其他地區(qū)濃度顯著小于集中分布區(qū)。Cu高濃度區(qū)域主要分布在深圳西部的沙井和觀瀾兩個街道辦，次高區(qū)域位于中西部地區(qū)的橫崗和坪山兩個街道辦；Ni的高值區(qū)域位于在西部地區(qū)從西鄉(xiāng)至沙井形成一個帶狀區(qū)域，中東部地區(qū)主要位于橫崗和坪山兩個街道辦；Cr污染的區(qū)域分異格局幾乎與Ni完全相同，只是特區(qū)內(nèi)的福田區(qū)也有一個小的高濃度分布中心；As的高濃度區(qū)域分布局限于3個局部區(qū)域，全市約2/3地區(qū)屬于低濃度分布區(qū)。

Mn、Zn、Pb和Cd則屬于另外一種空間分布格局，除各自均有較高濃度分布區(qū)域之外，凡人為活動密集區(qū)域的濃度水平均很高，只有很小的局部地區(qū)屬于低濃度分布區(qū)域。Mn的高濃度分布區(qū)域位于西鄉(xiāng)、光明、坪山和大鵬的東涌地區(qū)，低濃度分布區(qū)主要位于東中部地區(qū)的幾處山地區(qū)域；Cd的高濃度區(qū)域主要分布在坪山區(qū)以西的幾乎全部地區(qū)，坪山區(qū)以東的大鵬地區(qū)為低濃度分布區(qū)域；Zn的分布格局與Cd十分接近，但二者的極高濃度分布區(qū)有輕微差別，坪山區(qū)以西的低濃度點狀分布區(qū)的數(shù)量也多于Cd；Pb的情形最為特殊，其高濃度和較高濃度分布區(qū)域幾乎覆蓋了深圳市全境，只有一些局部點狀區(qū)域為低濃度分布區(qū)。

2.3 不同城市功能區(qū)灰塵重金屬污染特征

不同城市功能區(qū)灰塵樣本重金屬監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果參見圖 3，從中可以看出不同土地利用類型或特定城市功能區(qū)域與灰塵重金屬污染之間的關(guān)系存在著3個方面的顯著特點：（1）大部分重金屬類型的高濃度區(qū)域均為工業(yè)用地、交通用地、商住用地和垃圾集中處置場所。在這幾個功能分區(qū)中，道路兩側(cè)灰塵中重金屬含量大部分高于土壤背景值，除了As基本屬于無污染水平。（2）工業(yè)用地和商住用地是所有用地類型中高濃度污染區(qū)域分布比較集中的場所。其中工業(yè)用地在Mn、Pb和Cu三類重金屬灰塵污染的功能區(qū)分異中占據(jù)第一位，并且在其余重金屬類型中也是比較集中的分布場所。商住用地在Cr、As和Zn三類重金屬污染的功能區(qū)分異中占據(jù)第一位。而Ni和Cd兩種重金屬污染集中分布于垃圾處置場所。（3）在重金屬灰塵污染濃度的城市功能區(qū)分異格局中，絕大部分重金屬元素（Mn、Ni、Cr、Cd、As、Zn和Cu）高密度人為活動區(qū)域（工業(yè)用地、交通用地、商住用地和垃圾處置場所）的濃度水平顯著高于低密度人為活動區(qū)域（自然林地、農(nóng)業(yè)用地、未利用地和飲用水源區(qū)）（P＜0.05）；只有Pb元素高密度人為活動區(qū)域的濃度水平與低密度人為活動區(qū)域的差異相對較小。

2.4 灰塵重金屬的污染生態(tài)風(fēng)險綜合評價

圖2 灰塵重金屬的空間分布圖Fig. 2 Spatial distribution of heavy metals in dust

表4為針對不同城市功能區(qū)（用地類型）灰塵重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險綜合評價。根據(jù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)的評估結(jié)果，在不同重金屬元素類型對各功能區(qū)綜合污染指數(shù)的貢獻中，Cu對工業(yè)用地、交通用地、商住用地與農(nóng)業(yè)用地的貢獻最大，其余功能區(qū)類型中貢獻最大的為Cd。根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)（表1），所有功能區(qū)類型的整體污染狀況均為嚴重污染，各用地類型污染程度排序為垃圾處置場所＞工業(yè)用地＞商住用地＞交通用地＞農(nóng)業(yè)用地＞未利用地＞飲用水源區(qū)＞自然林地。根據(jù)潛在生態(tài)危害指數(shù)的評估結(jié)果，各不同功能區(qū)類型中，垃圾處置場所屬于很強生態(tài)危害區(qū)域，工業(yè)用地、交通用地、商住用地、農(nóng)業(yè)用地和未利用地均為強生態(tài)危害區(qū)域，而自然林地和飲用水源區(qū)屬于中等生態(tài)危害區(qū)域。功能區(qū)綜合污染水平排序結(jié)果為垃圾處置場所＞商住用地＞工業(yè)用地＞交通用地＞農(nóng)業(yè)用地＞未利用地＞飲用水源區(qū)＞自然林地，城市功能區(qū)灰塵重金屬污染的內(nèi)梅羅污染指數(shù)與潛在生態(tài)危害指數(shù)評估結(jié)果基本吻合。

圖3 不同城市功能區(qū)類型灰塵重金屬含量Fig. 3 Heavy metals contents in dust of different types of urban function areas

表4 深圳市不同城市功能區(qū)灰塵重金屬污染生態(tài)風(fēng)險綜合分析結(jié)果Table 4 Comprehensive analysis of ecological risks of dust heavy metal pollution in different urban function areas of Shenzhen

表5為像元水平的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)情況?；趦?nèi)梅羅指數(shù)法的不同污染風(fēng)險等級結(jié)構(gòu)統(tǒng)計結(jié)果顯示，各重金屬類型的區(qū)域分異特征大致呈現(xiàn)出兩種不同的格局，Mn、Ni、Cr和As 4種金屬類型嚴重污染區(qū)域類型比重相對較小，特別是 As元素以無污染和輕污染區(qū)域占據(jù)優(yōu)勢地位。Cd、Zn、Pb和Cu 4種金屬類型均以嚴重污染區(qū)域占據(jù)優(yōu)勢地位，超過75%以上的區(qū)域均為嚴重污染區(qū)域，無污染和輕污染區(qū)域比重都比較小，特別是Cd和Cu元素幾乎所有的區(qū)域都為嚴重污染區(qū)域?？紤]生物對重金屬的敏感程度，基于潛在生態(tài)危害指數(shù)法的不同污染風(fēng)險等級結(jié)構(gòu)統(tǒng)計結(jié)果顯示，Cd和Cu兩種重金屬元素在研究區(qū)中覆蓋了各種生態(tài)危害等級，尤其是Cd元素的極強生態(tài)危害區(qū)域占據(jù)優(yōu)勢。而其余重金屬元素的絕大部分像元均為輕微生態(tài)危害。

表5 兩種不同分析方法的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Table 5 Structural statistical results of two different analytical methods

2.5 灰塵重金屬污染與國內(nèi)外城市的比較

為從更大尺度橫向比較深圳市灰塵重金屬污染的程度和特點，本研究收集了北京、廣州等12個國內(nèi)城市以及渥太華、紐卡斯?fàn)柕?個國外城市灰塵重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險評估研究案例結(jié)果，并與本研究結(jié)果進行對照分析（表6）。結(jié)果表明，深圳市灰塵重金屬污染具有明顯的地區(qū)特異性。與國內(nèi)外城市相比，深圳市道路兩側(cè)灰塵8類重金屬含量均低于國內(nèi)外城市的總體平均水平。其中，深圳市道路灰塵的Cd污染水平顯著低于國內(nèi)外城市的平均水平，含量僅為平均水平不到30%。

3 討論

3.1 深圳市灰塵重金屬污染危害及生態(tài)風(fēng)險分析

總結(jié)本研究相關(guān)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于深圳市土壤背景值，除了 As元素以外，深圳市道路灰塵的其他7種重金屬均存在污染情況。按照內(nèi)梅羅污染指數(shù)分析結(jié)果，深圳市的Cd、Zn、Pb和Cu濃度均為最高等級污染水平，Mn、Ni和Cr 3種重金屬類型則處于中度污染水平。與國內(nèi)外城市灰塵重金屬污染狀況相比，盡管8種重金屬類型含量均小于國內(nèi)外城市平均水平（表6），但考慮到深圳市只有不到40年的城市發(fā)展歷史，其灰塵重金屬污染問題的快速發(fā)展需要給予極大的關(guān)注。進一步考慮重金屬污染的潛在危害程度，Cd元素屬于很強生態(tài)危害水平（表 3）。另外，從不同生態(tài)風(fēng)險等級區(qū)域的結(jié)構(gòu)組成情況看，一些污染程度相對嚴重的重金屬類型已經(jīng)形成覆蓋各種生態(tài)風(fēng)險水平區(qū)域的結(jié)構(gòu)特征，甚至以高風(fēng)險區(qū)域占據(jù)優(yōu)勢（表5），對城市健康帶來嚴重隱患。

已有研究結(jié)果表明，城市灰塵重金屬污染物含量通常高于城市土壤表層（Rasmussen et al.，2001；Ahmed et al.，2006；Ewen et al.，2009）。對比深圳市已有的研究報道發(fā)現(xiàn)，至少一些特定城市功能區(qū)內(nèi)（如農(nóng)業(yè)用地），重金屬元素（除As以外）在道路兩側(cè)灰塵中的濃度水平均遠遠高于土壤表層（鄭茂坤等，2009），這意味著灰塵重金屬污染對城市居民健康和人居環(huán)境安全威脅更大。由于特殊的理化性質(zhì)，灰塵中的重金屬元素可以通過呼吸、飲食和皮膚暴露等過程直接進入人體（唐榮莉等，2012；Soltani et al.，2015）。相關(guān)研究結(jié)果也已經(jīng)證明，灰塵暴露是重金屬Cd、Pb、Mn、Cr進入人體的主要途徑，而Cu、Zn、Ni多通過食物途徑進入人體（Lee et al.，2013）。鑒于深圳市高生態(tài)風(fēng)險的金屬元素類型主要分布在人為活動密集地區(qū)（圖2）和城市用地功能區(qū)內(nèi)（圖 3），今后道路灰塵重金屬污染管控的工作重點應(yīng)當(dāng)以Cd、Zn、Pb和Cu四類元素為主，特別是Cd、Cu兩種元素類型應(yīng)當(dāng)特別予以關(guān)注。

3.2 深圳市灰塵重金屬污染格局的成因分析

本研究發(fā)現(xiàn)，深圳市高密度人為活動區(qū)域的重金屬濃度水平顯著高于低密度人為活動區(qū)域，灰塵重金屬污染問題的產(chǎn)生絕大部分與人們的生產(chǎn)和生活行為有關(guān)，例如來源于工業(yè)生產(chǎn)（Zehetner et al.，2009；方鳳滿等，2010）、道路交通（Hu et al.，2011）、居民生活（李曉燕等，2013）、廢物處理（章明奎，2010）等過程。與此同時，灰塵作為一種受氣候影響顯著的媒介類型，其空間分布帶有強烈的不確定性，因而重金屬污染是上述各種路徑綜合影響的結(jié)果。不同功能區(qū)道路兩側(cè)灰塵重金屬污染特征能夠進一步刻畫城市化地區(qū)人為活動的影響細節(jié)（劉德鴻等，2012）。

在本研究區(qū)分的8類功能區(qū)中，工業(yè)用地和商住用地是所有用地類型中高濃度污染區(qū)域分布比較集中的場所。深圳市工業(yè)規(guī)模位居全國前列，主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)包括電子信息制造業(yè)、機械裝備、優(yōu)勢傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、電力和石油開采業(yè)等行業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)對全市經(jīng)濟增長做出巨大貢獻，但同時也造成了周邊環(huán)境有毒有害污染物的積累。其中，深圳市4種主要的重金屬污染物Cd、Zn、Pb、Cu可廣泛應(yīng)用于電鍍、化工、電子、機械、儀表、冶金、飼料等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并且較為普遍地存在于電池、燃料、玻璃、塑膠、油漆、醫(yī)藥和化妝品等工業(yè)產(chǎn)品中（李泗清等，2014；馮乙晴等，2017）。這些工業(yè)生產(chǎn)過程及其相關(guān)產(chǎn)品消費過程隨著深圳市人口的急劇增加，規(guī)模越來越大，生產(chǎn)和生活行為（工業(yè)生產(chǎn)、居民消費和廢物處置）成為人為活動占優(yōu)勢的工業(yè)用地與商住用地道路兩側(cè)灰塵重金屬污染問題產(chǎn)生的重要原因。

表6 不同城市灰塵重金屬質(zhì)量分數(shù)Table 6 Heavy metals contents in dust of different cities

深圳的道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水準(zhǔn)在全國名列前茅，2018年機動車保有量超過300×104輛，增長位居全國前三，道路交通對灰塵重金屬污染影響不容小覷。研究表明，交通過程中的機動車尾氣排放對沿線灰塵中As、Cd、Cu、Pb、Zn等重金屬污染具有強烈影響（Ewen et al.，2009；Hu et al.，2011；沈墨海等，2018）。此外，機動車運行過程中的輪胎磨損以及剎車過程引起的機械裝置磨損，也導(dǎo)致了道路兩側(cè)灰塵中較高含量的Cd、Zn、Cu等元素（秦偉等，2018）。特別值得注意的是，作為沿海城市，深圳市的交通用地除了市內(nèi)交通，還包括港口交通。深圳兩大港口群分布在寶安區(qū)、南山區(qū)、鹽田區(qū)及大鵬新區(qū)，以集裝箱運輸為主。盡管這4個區(qū)內(nèi)交通用地的重金屬含量與其他6個區(qū)相比不存在顯著性差異，但港區(qū)各重金屬含量均值均高于非港區(qū)。在兩者市內(nèi)交通壓力相當(dāng)?shù)那疤嵯?，港口頻繁的貨物運輸及裝卸等活動，在一定程度上給灰塵重金屬污染帶來較大隱患。

垃圾處置場所灰塵重金屬污染嚴重的原因相對簡單，其場內(nèi)道路交通僅限于垃圾轉(zhuǎn)運工作，車輛密度顯著小于城市工業(yè)區(qū)和生活區(qū)，意味著灰塵中的重金屬污染主要來源于垃圾處置過程中的分揀、破碎、攤鋪和焚燒等過程。其中，Cd、As、Zn、Pb由于沸點較高，在垃圾焚燒時，通過吸附在顆粒物上隨之排入周邊大氣環(huán)境（趙曦，2015），與本研究中垃圾處置場所的重金屬污染分布情況相吻合。

大部分農(nóng)業(yè)用地、自然林地、未利用地和飲用水源區(qū)等低密度人為活動區(qū)域的重金屬污染水平普遍偏低，這是這些區(qū)域交通密度小和沒有重要內(nèi)外部污染源的綜合反映。其重金屬污染主要來自于巖石和土壤風(fēng)化產(chǎn)生的重金屬成分（雷國建等，2013）。也有研究指出，農(nóng)藥、肥料、畜禽糞便等的不合理施用可導(dǎo)致農(nóng)田重金屬污染，如Cd、As、Pb等（Carbonell et al.，2011；樊霆等，2013；羅小玲等，2014）。深圳市快速的城市化致使自然用地、農(nóng)業(yè)用地面積急劇減少，這些低密度人為活動區(qū)域的外圍同樣受到人為活動干擾。同時，農(nóng)業(yè)用地、自然林地和飲用水源區(qū)關(guān)系著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)健康與食品質(zhì)量安全，因此這幾類功能區(qū)的灰塵重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險問題也不容忽視。

不同重金屬類型自身的污染形成特征以及深圳市社會經(jīng)濟發(fā)展的整體格局演變，導(dǎo)致道路兩側(cè)灰塵重金屬污染的空間分布格局呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。大部分金屬元素類型濃度在全市范圍內(nèi)呈現(xiàn)較明顯的高、低濃度區(qū)間分異，并且與工業(yè)生產(chǎn)和人為活動高密度區(qū)域的分布特征比較吻合，普遍表現(xiàn)為西高東低的空間分異格局。唯一稍顯例外的是Pb元素，在人為活動密度較低的大鵬新區(qū)仍有較高的濃度分布，這種情況與大亞灣和嶺澳兩個核電站的建設(shè)和運營有一定關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）深圳市道路灰塵中的重金屬濃度水平普遍高于土壤表層，對城市居民健康和人居環(huán)境安全威脅更大。相對于深圳市土壤背景值，除了 As元素以外，深圳市道路灰塵中的其他7種重金屬均存在污染情況。其中，基于內(nèi)梅羅指數(shù)的評估結(jié)果，Cd、Zn、Cu和Pb是深圳市道路兩側(cè)灰塵重金屬污染的主要污染物類型，屬于嚴重污染；Mn、Ni和Cr屬于中度污染?；跐撛谏鷳B(tài)危害指數(shù)的評估結(jié)果，Cd元素具有很強生態(tài)危害性，Cu元素具有中等生態(tài)危害性。

（2）在各城市功能區(qū)中，深圳市高密度人為活動區(qū)域的重金屬濃度水平顯著高于低密度人為活動區(qū)域，工業(yè)用地和商住用地是所有用地類型中高濃度污染區(qū)域分布比較集中的場所?；趦?nèi)梅羅污染指數(shù)的評估結(jié)果，所有功能區(qū)類型的整體污染狀況均為嚴重污染，其中Cd和Cu在各功能區(qū)類型中貢獻最大?；跐撛谏鷳B(tài)危害指數(shù)的評估結(jié)果，在各功能區(qū)類型中，垃圾處置場所區(qū)屬于很強生態(tài)危害區(qū)域。

（3）人為活動是深圳市道路兩側(cè)灰塵重金屬污染問題產(chǎn)生的主要成因。不同功能區(qū)道路兩側(cè)灰塵重金屬污染特征顯示了工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、日常生活和垃圾處置過程的組合影響，是深圳市高密度人為活動功能區(qū)灰塵重金屬污染問題產(chǎn)生的主導(dǎo)因素。不同重金屬類型自身的污染形成特征以及深圳市社會經(jīng)濟發(fā)展的整體格局演變，是道路兩側(cè)灰塵重金屬污染空間分異格局的直接成因。