阿迪萊·伊斯馬伊力，麥麥提吐?tīng)栠d·艾則孜,2,*，阿里木江·卡斯木，楊秀云

1. 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054 2. 新疆師范大學(xué)新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054

地表灰塵(surface dust)是附著、淀積于人工鋪地(道路、橋面、街道和廣場(chǎng)等)及地面附著物、建筑物的裸露面上，未被固化粘結(jié)，且易于在風(fēng)力、水力和重力作用下，反復(fù)飄浮、再淀積于地面，直接或間接暴露在灰塵中的固體顆粒物[1-2]。鑒于地表灰塵所處環(huán)境界面的特殊性及重要的源匯效應(yīng)，地表灰塵重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已成為眾多學(xué)者關(guān)注的城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一[1-4]。隨著區(qū)域城市化、工業(yè)化發(fā)展，城市地表灰塵中具有生物毒性的重金屬元素產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)越來(lái)越突出，對(duì)城市生態(tài)環(huán)境帶來(lái)危害[5-6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了不同城市地表灰塵、道路揚(yáng)塵重金屬污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明，在城市工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、生活排放和市政建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)的影響下，城市地表灰塵重金屬含量均超出相應(yīng)的土壤環(huán)境背景值，不同的重金屬元素在不同城市地表灰塵中呈現(xiàn)出不同的積累特征，不同城市地表灰塵重金屬污染程度與污染風(fēng)險(xiǎn)差異較大[7-11]。城市地表灰塵中研究較多的為Cd、Cr、Cu、Pb、As和Hg等元素，由于生物毒性較強(qiáng)，這些元素在城市地表灰塵中的富集具有重要的環(huán)境指示意義和較大的環(huán)境危害[12]。

克拉瑪依市是我國(guó)典型的石油城市之一，以原油和天然氣開(kāi)采、原油加工以及煉制行業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)，成為獨(dú)特的石油石化生產(chǎn)區(qū)[13-14]。石油生產(chǎn)、加工過(guò)程產(chǎn)生的污染物隨工業(yè)“三廢”進(jìn)入大氣、水和土壤系統(tǒng)，在人類(lèi)活動(dòng)和自然作用下飄浮淀積于地表，并對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成危害[15]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)不同城市地表灰塵重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面開(kāi)展了不少研究工作[10-12]，并取得了重要研究成果，但對(duì)于我國(guó)西北干旱區(qū)綠洲城市，其地表灰塵重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面缺乏較全面、系統(tǒng)的研究?？死斠朗凶鳛榈湫褪统鞘?，有必要評(píng)價(jià)其地表灰塵重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，從新疆克拉瑪依市克拉瑪依區(qū)采集52個(gè)地表灰塵樣品，分析其中Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6種重金屬元素含量，基于地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(NPI)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)(IER)，對(duì)地表灰塵重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為提高城市環(huán)境質(zhì)量以及改善人居環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區(qū)概況

克拉瑪依市位于準(zhǔn)噶爾盆地西部，天山北麓北部，加依爾山東南部，東瀕古爾班通古特沙漠?？死斠朗袣夂?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂颍嗄昶骄鶜鉁?.1 ℃，極端最高氣溫46.2 ℃，多年平均降水量108.9 mm，多年平均蒸發(fā)量約3 000 mm[16]。大風(fēng)是該區(qū)主要的災(zāi)害天氣之一，主要出現(xiàn)在春、夏和秋三季，大部分風(fēng)速均<5 m·s-1[17]。受地理位置和降水稀少的影響，克拉瑪依市全境以戈壁荒漠為主，土壤質(zhì)量低劣，區(qū)域原位土壤主要為棕鈣土、荒漠灰鈣土和灰棕色荒漠土。

克拉瑪依市是我國(guó)重要的石油石化基地和新疆重點(diǎn)建設(shè)的新型工業(yè)化城市，石油天然氣油層淺、儲(chǔ)量大，原油質(zhì)地優(yōu)良?？死斠朗?019年末總?cè)丝跒?62 347人(不含轄區(qū)內(nèi)兵團(tuán)人口)，其中，克拉瑪依區(qū)300 723人，占全市總?cè)丝诘?5.04%。2019年，全市生產(chǎn)總值972.9億元，第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為1.78∶68.83∶29.39。克拉瑪依市共轄4個(gè)市轄區(qū)，分別是克拉瑪依區(qū)、獨(dú)山子區(qū)、白堿灘區(qū)和烏爾禾區(qū)。本文研究區(qū)(采樣區(qū))為克拉瑪依區(qū)主城區(qū)，地理位置介于45°31'～45°39'N和84°49'～84°57'E，總面積53 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 The location of the study area and sampling points

1.2 樣品采集與測(cè)定

2018年9月無(wú)降水期，在風(fēng)速均<5 m·s-1的條件下，從克拉瑪依區(qū)采集了52個(gè)地表灰塵樣品。采樣點(diǎn)均分布在研究區(qū)內(nèi)不透水的瀝青、水泥面以及人行道上。根據(jù)克拉瑪依區(qū)面積與實(shí)際情況，在每個(gè)設(shè)定好的地表灰塵采樣區(qū)范圍內(nèi)用毛刷等非金屬類(lèi)工具取樣，除掉樣品中小石子等雜物，裝入聚乙烯密封袋。同時(shí)，利用手持全球定位系統(tǒng)(GPS)記錄每一個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度信息并記錄采樣點(diǎn)周?chē)沫h(huán)境情況。將所采集的樣品裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室后，在避光室溫條件下自然風(fēng)干，剔除礫石毛發(fā)等外來(lái)物質(zhì)，研磨過(guò)100目篩后備用。所有地表灰塵樣品委托新疆維吾爾自治區(qū)分析測(cè)試研究院測(cè)定Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6種元素的含量。測(cè)定過(guò)程中按國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)(GSS-12)和重復(fù)樣進(jìn)行質(zhì)量控制，各元素回收率均在允許范圍內(nèi)。元素含量檢測(cè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 重金屬含量檢測(cè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Execution standard for heavy metal content detection

1.3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

以新疆土壤背景值[22]作為參比值，采用單因子污染指數(shù)(Pi)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(NPI)[23]評(píng)價(jià)地表灰塵重金屬污染水平。其計(jì)算公式為：

Pi=ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi為重金屬i的污染指數(shù)；ci為重金屬i的實(shí)測(cè)濃度；Si為參比值；NPI為綜合污染指數(shù)；Pimax為最大污染指數(shù)；Piave為平均污染指數(shù)。Pi和NPI的污染風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 Pi和NPI污染等級(jí)劃分Table 2 Classification of pollution degree of Pi and NPI

1.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

1.4.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

H?kanson[24]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)法是從重金屬的生物毒性角度出發(fā)，能夠反映單個(gè)重金屬元素的污染水平，也能表達(dá)所有重金屬元素的綜合效應(yīng)。其計(jì)算公式為：

(3)

1.4.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)法

采用Rapant和Kordik[26]提出的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)(IER)，對(duì)地表灰塵重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警評(píng)估。

(4)

式中：IER為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)，IERi為第i種重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Pi為重金屬i的污染指數(shù)。RI和IER的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分如表3所示。

表3 RI和IER的等級(jí)劃分Table 3 Classification of risk degree of RI and IER

2 結(jié)果(Results)

2.1 地表灰塵重金屬含量

從克拉瑪依區(qū)地表灰塵重金屬含量分析結(jié)果(表4)可知，克拉瑪依區(qū)地表灰塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg等元素含量變化范圍分別為9.03～107.0、0.05～4.10、32.0～94.70、16.90～186.0、12.70～51.30和0～0.16 mg·kg-1。As、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg含量平均值分別為18.12、0.21、48.81、39.92、23.98和0.05 mg·kg-1。研究區(qū)地表灰塵中As、Cd、Cu、Pb和Hg等元素平均含量分別為新疆土壤背景值的1.61倍、1.75倍、1.50倍、1.23倍和2.94倍。Cr含量平均值低于新疆土壤背景值，但Cr含量最大值等于新疆土壤背景值的1.92倍。

表4 克拉瑪依區(qū)地表灰塵中重金屬含量統(tǒng)計(jì)(n=52)Table 4 Statistic of heavy metal concentrations of surface dusts in Karamay District (n=52)

研究區(qū)地表灰塵中As、Cd、Cu和Hg等元素含量的變異系數(shù)(CV)分別為0.76、2.74、0.67和0.75，呈現(xiàn)強(qiáng)變異(CV>0.50)[22]，表明這4種元素含量可能受到某些局部污染源的影響。地表灰塵中Cr和Pb含量的CV分別為0.20和0.35，呈現(xiàn)中等變異，表明這2種元素含量受外界的影響較小。偏度系數(shù)(SK)是用來(lái)幫助判斷數(shù)據(jù)序列分布規(guī)律性的指標(biāo)，取值通常在-3～3之間，其絕對(duì)值越大，表明偏斜程度越大。當(dāng)分布呈右偏態(tài)時(shí)，SK>0，稱(chēng)正偏態(tài)；當(dāng)分布為左偏態(tài)時(shí)，SK<0，稱(chēng)負(fù)偏態(tài)；峰度系數(shù)是表征概率密度分布曲線在平均值處峰值高低的特征數(shù)[27]。地表灰塵中As、Cd和Cu元素的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)較高，表明研究區(qū)地表灰塵中3種元素處于較高的積累狀況。

我國(guó)不同城市地表灰塵重金屬元素含量對(duì)比分析結(jié)果如表5所示，由表5可知，從對(duì)比的10個(gè)城市地表灰塵中6種元素含量平均值來(lái)看，克拉瑪依區(qū)地表灰塵中Hg、Cd、Pb和Cr等4種元素含量平均值均小于對(duì)比分析的其他10座城市。

表5 我國(guó)不同城市地表灰塵重金屬含量對(duì)比Table 5 Comparison of heavy metal concentrations of surface dust in different cities in China (mg·kg-1)

大體上，克拉瑪依區(qū)地表灰塵中As含量平均值小于北京和重慶，但大于石家莊、西安、烏魯木齊和庫(kù)爾勒。地表灰塵中As元素平均含量的最大值出現(xiàn)在重慶市，達(dá)到261.3 mg·kg-1，為克拉瑪依區(qū)的14.44倍；地表灰塵中Cd元素平均含量最大值出現(xiàn)在重慶市，達(dá)到5.02 mg·kg-1，為克拉瑪依區(qū)的23.90倍；地表灰塵中Cr元素平均含量最大值出現(xiàn)在北京市，達(dá)到167 mg·kg-1，為克拉瑪依區(qū)的3.42倍；Cu元素平均含量的最大值出現(xiàn)在成都市，達(dá)到100.0 mg·kg-1，為克拉瑪依區(qū)的2.51倍； Pb元素平均含量最大值出現(xiàn)在宜興市，達(dá)到263.3 mg·kg-1，為克拉瑪依區(qū)的11.02倍；Hg元素平均含量最大值出現(xiàn)在宜興市與烏魯木齊市，均達(dá)到0.14 mg·kg-1，均為克拉瑪依區(qū)的2.80倍。以上分析可以看出，克拉瑪依區(qū)地表灰塵中重金屬富集水平相對(duì)較低。

2.2 地表灰塵重金屬污染特征

由表6可知，克拉瑪依區(qū)地表灰塵中6種重金屬元素的單項(xiàng)污染指數(shù)(Pi)平均值依次為Hg(2.90)、Cd(1.78)、As(1.62)、Cu(1.50)、Pb(1.24)和Cr(0.99)。

表6 克拉瑪依區(qū)地表灰塵重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Table 6 Ecological risk of heavy metals in surface dust in Karamay District

地表灰塵中各元素平均值在輕微污染及以上，Hg元素污染比較嚴(yán)重，處于中度污染水平，As、Cu、Cd和Pb等4種元素處于輕度污染水平，Cr元素處于輕微污染水平；其中，Hg元素單項(xiàng)污染指數(shù)屬于中度污染的樣點(diǎn)占樣點(diǎn)總數(shù)的23.08%，As、Cu、Cd和Pb的單項(xiàng)污染指數(shù)屬于輕度污染的樣點(diǎn)分別占樣點(diǎn)總數(shù)的76.92%、55.77%、21.15%和59.62%，Cr屬于輕微污染的樣點(diǎn)占樣點(diǎn)總數(shù)的53.84%。研究區(qū)地表灰塵中6種重金屬元素的NPI介于0.94～24.64間，平均值為3.07，處于重度污染水平，其中，達(dá)到中度和重度污染的樣點(diǎn)分別占樣點(diǎn)總數(shù)的21.15%和30.76%。從結(jié)果來(lái)看，克拉瑪依區(qū)地表灰塵中大部分重金屬元素受人類(lèi)活動(dòng)的影響大，Hg元素是最主要的污染因子。

2.3 地表灰塵重金屬污染的空間分布格局

基于GIS技術(shù)與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析法，利用ArcGIS10.3軟件繪制了克拉瑪依區(qū)地表灰塵中6種重金屬元素的Pi和NPI值空間分布格局圖(圖2)。

由圖2可知，地表灰塵中Hg元素是污染程度和污染面積最大的元素，從研究區(qū)西北部到東南部依次出現(xiàn)中度、輕度和輕微污染。地表灰塵中Cd元素是污染程度和污染面積第二大元素，Cd元素在研究區(qū)西北部和西南部出現(xiàn)污染高值區(qū)，呈現(xiàn)為中度污染，其他區(qū)域主要是輕微污染和無(wú)污染，其中，無(wú)污染面積較廣。地表灰塵中As元素是污染程度和污染面積第三大元素，As元素在研究區(qū)西北部呈現(xiàn)小范圍的重度、中度污染區(qū)域以外，其他區(qū)域均為輕度污染。地表灰塵中Cu元素在研究區(qū)西北部呈現(xiàn)輕度污染，其他區(qū)域呈現(xiàn)輕微污染和無(wú)污染，輕度污染面積較廣。相關(guān)研究表明，城市地表灰塵中Hg元素來(lái)源復(fù)雜，是城市環(huán)境中主要的人為源元素，主要受化石燃料燃燒、電子工業(yè)以及生活垃圾的影響[37-38]。此外，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，研究區(qū)西北部為主要的工業(yè)區(qū)及老城區(qū)，建筑較密集，人類(lèi)活動(dòng)也較頻繁。相關(guān)研究中提到克拉瑪依市過(guò)渡季室外主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速為5.6 m·s-1，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)[17]。可以看出，西北風(fēng)可能是研究區(qū)西北部地表灰塵中Hg元素污染相對(duì)較高的原因之一。地表灰塵中Cu和As元素含量與交通排放和日常生活來(lái)源相關(guān)[39-41]。機(jī)動(dòng)車(chē)剎車(chē)塊及其他零件的磨損、尾氣的排放等交通活動(dòng)也是地表灰塵Cu和Hg元素來(lái)源之一[42]。以上分析可以看出，研究區(qū)地表灰塵中As、Cu和Hg等元素污染分布格局主要受到研究區(qū)工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、日常生活和商業(yè)活動(dòng)的影響。蔣炳言等[43]的研究表明，城市地表灰塵中Cd元素來(lái)源極其復(fù)雜，其主要來(lái)源為建筑物涂層脫落和墻面維修、多源大氣排放、電鍍金屬腐蝕以及城市綠地中長(zhǎng)期使用含Cd肥料等。地表灰塵中Pb元素在研究區(qū)東南部呈現(xiàn)無(wú)污染以外，其他區(qū)域均為輕微污染。Cr元素在研究區(qū)西北部呈現(xiàn)輕微污染，其他區(qū)域均為無(wú)污染。從Pb和Cr的污染水平與污染分布格局可以看出，研究區(qū)道路積塵中這2種元素污染分布主要受到城市土壤成土母質(zhì)等自然因子的影響。從地表灰塵中重金屬元素NPI的空間分布格局來(lái)看，NPI空間分布格局呈現(xiàn)了明顯的水平地帶性分布格局。

圖2 研究區(qū)地表灰塵重金屬Pi和NPI空間分布格局Fig. 2 Spatial distribution of Pi and NPI of heavy metals in surface dust in the study area

2.4 地表灰塵重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

以新疆土壤背景值作參比值，計(jì)算得到克拉瑪依區(qū)地表灰塵重金屬元素在各樣點(diǎn)的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(E)及RI，并根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。由表7可知，地表灰塵重金屬元素E的平均值從大到小依次為：Hg(115.5)、Cd(53.50)、As(16.18)、Cu(7.48)、Pb(6.18)和Cr(1.98)。研究區(qū)地表灰塵中重金屬As、Pb、Cr和Cu等元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值<40，處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平。Hg元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度極高，變幅為10.12～364.71之間，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)平均值為115.95，處于較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度也較高，變幅為12.25～1 025之間，其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為53.50，屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。可以看出，Hg和Cd是研究區(qū)最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。研究區(qū)RI變幅為54.89～1 117.33之間，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值為201.27，處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。其中，RI處于輕微、中等、較強(qiáng)和很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)數(shù)分別占總樣點(diǎn)數(shù)的48.08%、36.54%、13.46%和1.92%。

表7 研究區(qū)地表灰塵重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Table 7 The potential ecological risk index of heavy metals in surface dust in the study area

2.5 地表灰塵重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布格局

克拉瑪依區(qū)地表灰塵中重金屬E和RI的空間分布格圖如圖3所示。由圖3可知，各元素E空間分布格局與各元素Pi空間變異格局同步。研究區(qū)地表灰塵中As、Pb、Cr和Cu生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的空間分布格局比較相似，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)從研究區(qū)西北部向東南部呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)；Hg是克拉瑪依區(qū)地表灰塵中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高的元素，在研究區(qū)中部(市中心)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高，呈現(xiàn)為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，東南部為城市擴(kuò)展區(qū)域，呈現(xiàn)中等風(fēng)險(xiǎn)，其他區(qū)域均呈現(xiàn)較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。地表灰塵中Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高值區(qū)出現(xiàn)在研究區(qū)西北和西南住宅區(qū)，呈現(xiàn)很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)和較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，其他區(qū)域均呈現(xiàn)輕微風(fēng)險(xiǎn)。這說(shuō)明，Hg和Cd在研究區(qū)地表灰塵重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中是主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。

圖3 重金屬元素單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(E)空間分布Fig. 3 Spatial distribution of single ecological risk index (E) of heavy metals

由圖4可知，從研究區(qū)RI的空間分布格局來(lái)看，在研究區(qū)西北部和西南部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高，呈現(xiàn)較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)和很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，東南部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)低，呈現(xiàn)輕微風(fēng)險(xiǎn)，其他區(qū)域均呈現(xiàn)中等風(fēng)險(xiǎn)和輕微風(fēng)險(xiǎn)。整體來(lái)看，研究區(qū)地表灰塵中重金屬RI值空間分布格局呈現(xiàn)了明顯的水平地帶性分布格局。這與NPI值空間分布格局基本一致。

圖4 重金屬元素RI空間分布Fig. 4 Spatial distribution of RI of heavy metals

2.6 地表灰塵重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)價(jià)源于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，它更強(qiáng)調(diào)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)可能存在風(fēng)險(xiǎn)的警示研究[44]。按照Rapant和Kordik[26]給出的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)克拉瑪依區(qū)地表灰塵重金屬污染引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害進(jìn)行預(yù)警評(píng)估。由表8可知，地表灰塵中Hg、Cd、As、Pb、Cr和Cu等6種元素IER的平均值為1.899、0.783、0.618、0.236、-0.010和0.495。其中，Hg處于輕警，Cd、Pb、Cu和As等4種元素處于預(yù)警，Cr處于無(wú)警。研究區(qū)IER的變幅為-1.632～35.038之間，平均值為4.021，屬于中警。按照Rapant和Kordik[26]給出的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)，處于無(wú)警、預(yù)警、輕警、中警和重警的樣點(diǎn)數(shù)分別占樣點(diǎn)總數(shù)的21.15%、19.23%、13.46%、19.23%和26.92%。

表8 研究區(qū)地表灰塵重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警Table 8 Ecological risk index of heavy metals in surface dust in the study area

從IER的空間分布格局來(lái)看(圖5)，從研究區(qū)西北部向東南部呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)，依次呈現(xiàn)為重警、中警、輕警、預(yù)警和無(wú)警。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警高值區(qū)主要分布于研究區(qū)西北部，中部(市中心)和西南部其污染較嚴(yán)重，呈現(xiàn)較明顯的地帶性分布規(guī)律。

圖5 研究區(qū)地表灰塵重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估Fig. 5 Ecological risk warning assessment of heavy metals of surface dust in study area

3 討論(Discussion)

城市地表灰塵中重金屬元素通過(guò)各生態(tài)系統(tǒng)間的循環(huán)威脅生態(tài)系統(tǒng)安全，并通過(guò)不同途徑進(jìn)入人體，其在體內(nèi)過(guò)量蓄積對(duì)人體健康產(chǎn)生危害[10-11]。本研究發(fā)現(xiàn)，克拉瑪依區(qū)地表灰塵中As、Cd、Cu、Pb和Hg元素的含量較高，這些元素含量平均值超出新疆土壤背景值。其中，Hg的污染比較嚴(yán)重，表現(xiàn)為中度污染。從重金屬元素污染指數(shù)空間分布格局來(lái)看，地表灰塵中Hg元素也是克拉瑪依區(qū)地表灰塵中污染程度和污染面積最大的元素。由于本研究中的Hg元素是生物毒性相應(yīng)系數(shù)最大的元素，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)較高[6,8]。Cd元素為污染程度和污染面積第二大元素，在研究區(qū)西北部和西南部出現(xiàn)污染高值區(qū)，呈現(xiàn)為中度污染。在相關(guān)研究中，孫宗斌等[45]和范佳民等[46]等分別對(duì)天津市和淮南市城區(qū)地表灰塵重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)地表灰塵中Cd元素污染程度較嚴(yán)重，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平較高。從本研究潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)來(lái)看，Hg生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值表現(xiàn)為較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Hg元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)也處于輕警態(tài)勢(shì)，是研究區(qū)地表灰塵中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高的元素，是主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。Hg元素是城市環(huán)境中主要的人為源元素，來(lái)源較復(fù)雜，主要來(lái)自化石燃料燃燒、電子工業(yè)、造紙工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)的污染排放及

生活垃圾[47]。這些人為源重金屬粉塵和垃圾通過(guò)干濕沉降或堆放可影響地表灰塵重金屬富集，從而對(duì)周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生潛在危害。

近年來(lái)，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用H?kanson[24]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行了不同城市地表灰塵、道路灰塵重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但在評(píng)價(jià)的各環(huán)節(jié)均存在一定的局限性和不確定性。在地表灰塵重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，重金屬元素的生物有效性和各化學(xué)形態(tài)含量不可忽略，直接采用重金屬元素全量，而不考慮其生物有效性和各化學(xué)形態(tài)含量，在估算潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)增加風(fēng)險(xiǎn)的情況。此外，城市地表灰塵重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中沒(méi)有統(tǒng)一的參比值，本研究以新疆土壤環(huán)境背景值作為參比值，估算了克拉瑪依區(qū)地表灰塵重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果偏高。因此，制定一個(gè)適合我國(guó)實(shí)際的城市地表灰塵重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參比值將是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究的重點(diǎn)。

綜上所述，克拉瑪依區(qū)地表灰塵中As、Cd、Cu、Pb和Hg含量平均值分別為新疆土壤背景值的1.61倍、1.75倍、1.50倍、1.23倍和2.94倍。研究區(qū)地表灰塵中Hg處于中度污染，Cd、As、Cu和Pb處于輕度污染，Cr處于輕微污染水平。研究區(qū)地表灰塵中重金屬元素含量與污染水平高值區(qū)分布于研究區(qū)西北部。研究區(qū)地表灰塵中Hg處于較強(qiáng)水平，Cd處于中等水平，As、Cu、Pb和Cr處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平。RI平均值為201.27，處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)來(lái)看，Hg處于輕警，Cd、Pb、Cu和As等元素處于預(yù)警，Cr處于無(wú)警態(tài)勢(shì)。研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)平均值為4.021，呈現(xiàn)中警態(tài)勢(shì)。研究區(qū)地表灰塵中重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域主要分布于研究區(qū)西北部，RI和IER值從研究區(qū)西北部向東南部呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)。