秦伟¹, 周盼¹, 安塞¹, 郭硕¹, 刘露¹, 肖捷颖¹, 刘娟², 姬亚芹³
1. 河北科技大学 环境科学与工程学院, 石家庄 050018;
2. 河北兴襄环保科技有限公司, 邢台 054000;
3. 南开大学 环境科学与工程学院, 天津 300071
收稿日期: 2017-11-23; 修回日期: 2018-01-24; 录用日期: 2018-01-24
基金项目: 国家环保部环保公益性科研专项（No.201409004）；国家自然科学基金（No.41471027）；河北省自然科学基金（No.D2015208162）
作者简介: 秦伟(1992-), 男, E-mail:1053440484@qq.com
通讯作者（责任作者）: 肖捷颖, E-mail:jyxiao2014@126.com

摘要: 为了解石家庄采暖季铺装道路降尘中元素污染状况及生态风险，利用降尘缸收集市区4种类型道路的降尘样品，分析降尘PM_2.5中Na、K、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Al、Mg、Ca、Fe、Si等13种元素在不同类型道路、不同高度的含量特征，采用富集因子、主因子分析推测PM_2.5中元素来源，用潜在生态风险指数法评价重金属元素的生态风险.结果表明，主干道和支路降尘中元素含量最高，快速路最低，地壳元素Al、Si、K、Na更易在1.5 m高处富集，2.5 m高处多人为污染元素如Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb；富集因子和主成分分析显示采暖季道路降尘PM_2.5元素来源于燃煤燃油、交通（机动车尾气排放及零件老化磨损、轮胎磨损、道路扬尘）、建筑扬尘和生物质燃烧；富集因子范围0.35~100.45，地壳元素无富集，Cr富集因子平均值达100，生态风险指数高达320，富集程度极强且生态风险指数最大，应该引起足够重视.
关键词:道路降尘元素主成分分析富集因子生态风险评价
Element analysis and ecological risk assessment on road dust PM_2.5 from Shijiazhuang during heating season
QIN Wei¹, ZHOU Pan¹, AN Sai¹, GUO Shuo¹, LIU Lu¹, XIAO Jieying¹ , LIU Juan², JI Yaqin³
1. School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018;
2. Hebei Xingxiang Environmental Protection Technology Co. Ltd, Xingtai 054000;
3. School of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071
Received 23 November 2017; received in revised from 24 January 2018; accepted 24 January 2018
Supported by the Ministry of Environmental Protection Environmental Public Welfare Projects(No.201409004), the National Natural Science Foundation of China(No.41471027)and the Natural Science Foundation of Hebei Province(No.D2015208162)
Biography: QIN Wei(1992—), male, E-mail:1053440484@qq.com
^*Corresponding author: XIAO Jieying, E-mail:jyxiao2014@126.com
Abstract: In order to clarify the pollution situation and ecological risk of elements from city paved roads in Shijiazhuang during heating season, road dust samples were collected from 4 types of roads in urban area, and content of elements such as Na, K, Cr, Ni, Cu, Zn, As, Pb, Al, Mg, Ca, Fe and Si in PM_2.5 at different height and different road types were analyzed. The sources of elements in PM_2.5 were estimated by means of enrichment factor analysis and principal component analysis. The ecological risk of heavy metal was evaluated by potential ecological risk index. The results showed that content of elements in branch roads and main roads were generally high, while expressways were the lowest. Earth crustal elements such as Al, Si, K, Na were more easily enriched at the height of 1.5 m, while anthropogenic pollution elements such as Cr, Ni, Cu, Zn, As and Pb were easily enriched at 2.5 m height. Source analysis showed that pollution of road dust fall PM_2.5 from Shijiazhuang during heating season were compounded by coal, fuel, traffic (vehicle parts aging wear and exhaust emissions, tire wear, road dust), building dust and biomass combustion. The enrichment factors varied from 0.35 to 100.45. Crust elements were not enriched. Among all elements, Cr had the highest average enrichment factor of 100, and the ecological risk index of 320, which should be caught much more attention.
Key words: road dustelementprincipal component analysisenrichment factorecological risk assessment
1 引言(Introduction)道路降尘是交通扬尘和环境降尘的综合体(李树立等，2015)，也是大气环境中PM_2.5(动力学直径≤2.5 μm的颗粒物)的重要来源(李树立等，2017；王燕等，2016；方小珍等，2014).道路降尘中PM_2.5粒径小，比表面积大，更易富集污染物，而元素作为道路降尘的重要组成部分(王士宝等，2018；李铭煊等，2016)，能够在自然环境中迁移转化，通过摄食或呼吸被人体吸收引发各种疾病，对人体危害极大(李丽娟等，2014；林海鹏等，2012；姚振坤等，2010；熊秋林等，2015).相关研究主要集中在重金属元素和微量元素的污染分布特征、源解析、健康风险评价等方面(Huang et al., 2009；王红宇等，2014)，如国外有****用Pb同位素示踪法对韩国大田的重金属元素进行环境风险评估(Lee et al., 2015)；有研究发现沙特阿拉伯某市街道降尘重金属主要来源为机动车尾气(Al-Rajhi et al., 1996)；还有研究分析印度Delhi街道重金属元素来源(Banerjee，2003).国内有****用富集因子、变异系数等方法对长春地区重金属污染进行评价(赵兴敏等，2017)；亦有对吴淞工业区道路积尘中金属元素进行富集因子分析(韩婷等，2007)；还有研究单一元素和道路降尘的关系等(朱燕等，2009).但是目前针对城市道路降尘元素污染特征和生态风险评价的研究不多，对石家庄道路降尘细粒径PM_2.5中元素特征的研究更是少见.为弥补这一不足，针对大气环境污染较为严重的石家庄道路降尘进行元素特征分析并评价其生态风险，追溯污染根源，对准确理解城市道路尘污染特征以及未来有针对性的治理显得尤为重要.
2 材料和方法(Materials and methods)2.1 样品采集2.1.1 采样仪器及工具样品收集仪器包括依据GB/T15265-1994标准定制PVC材质的降尘缸(高30 cm，内径(15±0.2)cm)、样品袋、毛刷、镊子、瓷坩埚、搪瓷盘、感量0.01 mg电子天平、20目与200目泰勒标准筛、研钵.样品采集前，降尘缸要进行清洗、干燥、贴标签和密封处理.
2.1.2 采样点布置及采样时间道路降尘样品的收集按《环境空气降尘的测定重量法》进行，将符合标准的降尘缸布置在道路两侧路灯杆1.5 m和2.5 m高处，依据《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)选取石家庄市区快速路、主干道、次干道和支路4种类型道路各2条，每条路8个采样点，共计128个样品(图 1).采样时间从2014-11-06到2015-03-17.
图 1(Fig. 1)

图 1 采样点布置 Fig. 1Sample points distribution

2.1.3 样品处理尘样除杂质，烘干(105 ℃)、冷却(干燥器内3 d)，用泰勒标准筛(20目、200目)筛分，通过再悬浮装置(由进样装置、再悬浮箱、切割头和抽气装置组成，颗粒物通过进样装置进入再悬浮箱，通过切割头将PM_2.5采集到已筛选、称重的聚丙烯滤膜上，单个尘样的采集时间为10 min，采样流量为20 L·min^-1)，滤膜样品在恒温恒湿天平室平衡72 h后称重.取1/4附着尘样的滤膜，用HNO₃-HClO₄溶液对其进行微波消解，通过ICP-MS分析Na、K、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Al、Mg、Ca、Fe、Si等13种元素含量(河北省地矿中心实验室).在样品测量过程中，元素测定值的相对误差和相对标准偏差均小于5%，每测定10个样品，需进行空白测定和单点校准.
2.1.4 车流量统计利用行车记录仪统计车流量，其中快速路最多，支路最少；大型车主干道最多，中型车和小型车是快速路最多，所有类型车辆在支路最少.4种类型道路的车辆行驶速度大小顺序为快速路＞主干道＞次干道＞支路.
2.2 分析方法2.2.1 富集因子分析及评级方法采用富集因子法(梁俊宁等，2014)对元素的污染状况进行评价和污染级别的划分(表 1).依据参比元素选取原则(土壤含量丰富且性质稳定)，选取Al作为参比元素，土壤背景值来自《河北省A层土壤背景元素(总表)》，计算公式见式(1)：

(1)

表 1(Table 1)

表 1 富集因子分级标准(韩亚芬等，2015) Table 1 Grading standard of enrichment factor

表 1 富集因子分级标准(韩亚芬等，2015) Table 1 Grading standard of enrichment factor EF 富集程度 污染级别 ＜1 无 0 1~2 无-轻微 1 2~5 中度 2 5~20 显著 3 20~40 强烈 4 ≥40 极强 5

式中：c_i表示待测元素浓度，c_j表示参比元素浓度, B_i表示待测元素的背景值，B_j表示参比元素的背景值.
2.2.2 潜在生态风险指数评价法采用潜在生态风险指数法(王明仕等，2017)评价重金属元素对生态环境造成的危害，其中E_i为单个重金属潜在生态风险指数，RI为多个重金属的潜在生态风险指数，表 2为评价分级标准.计算公式见式(2)、(3).

(2)

(3)

表 2(Table 2)

表 2 重金属潜在生态风险分级标准 Table 2 Criteria for potential ecological risk index of heavy metals

表 2 重金属潜在生态风险分级标准 Table 2 Criteria for potential ecological risk index of heavy metals ei(单个元素生态风险) RI(多个元素生态风险) 等级 潜在风险水平 < 40 ＜150 Ⅰ 生态危害轻微 40~80 150~300 Ⅱ 生态危害中等 80~160 300~600 Ⅲ 生态危害高 160~320 ≥600 Ⅳ 生态危害很高 ≥320 Ⅴ 生态危害极高

式中：c_i表示样品浓度，c_j表示背景浓度，t_i表示第i种金属元素的毒性系数，本研究评价Pb、Zn、Cu、Cr、Ni、As等6种重金属元素的生态风险，毒性系数分别为5、1、5、5、5、10(陈景荣等，2016).
3 结果与分析(Results and analysis)3.1 石家庄市区道路降尘PM_2.5中元素污染水平将道路降尘样品PM_2.5中元素含量与背景值《河北省A层土壤背景元素(总表)》进行比值分析得：Na(0.56)、K(0.60)、Al(1.72)、Fe(2.24)、As(3.15)、Mg(3.68)、Ca(4.03)、Ni(4.70)、Zn(18.11)、Pb(18.80)、Cu(57.36)、Cr(159.16)，可知Na、K、Al、Fe、As、Mg、Ca、Ni污染程度较轻，Zn、Pb、Cu污染严重，Cr严重超标.
3.2 道路降尘PM_2.5中元素含量分布差异将不同类型道路降尘样品中元素含量值进行统计(图 2)，Al和Si等地壳元素含量最高，Pb、Ni、As等属于痕量元素，含量较低.快速路降尘PM_2.5中元素含量顺序为：Si＞Al＞Ca＞Fe＞Mg＞K＞Cr＞Na＞Cu＞Zn＞Pb＞Ni＞As；主干道：Al＞Si＞Ca＞Fe＞Mg＞K＞Cr＞Na＞Cu＞Zn＞Pb＞Ni＞As；次干道：Si> Al＞Ca＞Fe＞Mg＞K＞Cr＞Na＞Zn＞Cu＞Pb>Ni>As；支路：Al＞Si＞Fe＞Ca＞Mg＞Na＞Cr＞K＞Zn＞Cu＞Pb＞Ni＞As.每种类型道路元素含量值分布顺序大致相同，Al、Si＞Ca、Fe＞Mg＞K、Na、Cr＞Cu、Zn＞Pb＞Ni＞As.地壳元素除K外，Al、Si、Na在支路含量最高，Ca、Fe在主干道含量最高，Mg在次干道含量最高，Al、Si、Na、Ca、Fe、Mg含量均在快速路最低；人为污染元素除As外，Cr、Cu、Zn在主干道含量最高，Pb、Ni在支路含量最高，Cr、Cu、Zn、Pb、Ni含量均在快速路最低.快速路车速最快，车流量最大，主干道大型车数量远大于其他类型道路，因此可推断元素在快速路普遍偏低不仅与机动车数量相关，也与机动车种类和行驶速度更是密不可分；地壳元素在主干道、次干道和支路的含量差异可能与周围土壤背景浓度及建筑施工有关；Cr、Cu、Zn主要来源是零件磨损和机动车尾气排放，在主干道含量最高的原因可能与大型车数量多、载重量大致使磨损严重有关.
图 2(Fig. 2)

图 2 不同类型道路尘PM2.5元素含量 Fig. 2Analysis of elements content of road dust PM2.5 from different types of road

统计不同高度尘样中元素浓度(图 3)，Si、Fe、K和Na等4种元素浓度值在1.5 m高处大于2.5 m处，Al、Mg和Ca的浓度值在2.5 m处略大于1.5 m的原因可能与周围存在建筑施工行为有关，6种人为污染元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb均在2.5 m高处浓度值略高.
图 3(Fig. 3)

图 3 不同高度道路尘PM2.5元素含量 Fig. 3Analysis of element content of road dust PM2.5 at different heights

为了研究不同高度、不同道路类型元素含量间的差异是否具有统计学意义，运用SPSS软件分别将1.5 m与2.5 m及快速路、主干道、次干道、支路的元素含量两两进行相关样本非参数检验(表 3).由表 3可知，在0.05的显著性水平下，p(快-主)、p(快-支)、p(快-次)、p(快-次)＜0.05，具有显著性差异；p(次-支)、p(主-支)、p(1.5~2.5 m)＞0.05，无显著性差异.
表 3(Table 3)

表 3 相关样本非参数检验 Table 3 Nonparametric test of related samples

表 3 相关样本非参数检验 Table 3 Nonparametric test of related samples 道路类型 快-主 快-次 快-支 主-次 主-支 次-支 1.5~2.5 m p 0.002 0.028 0.007 0.019 0.861 0.075 0.166

3.3 道路降尘PM_2.5中元素来源分析3.3.1 富集因子分析PM_2.5中元素来源PM_2.5中各元素在不同类型道路、不同高度的富集因子值如表 4所示.将富集因子按采样点高度划分：除Ni元素外，Cr、Cu、Zn、As、Pb等5种人为污染元素富集因子值均是1.5 m小于2.5 m高处，Na、K、Mg、Ca、Fe等5种地壳元素富集因子为1.5 m大于2.5 m高处；且人为污染元素均有富集，Cu和Cr的富集程度达到极强，地壳元素富集程度与之相反，除Mg和Ca为中度富集外，其它4种元素均无富集或轻微富集.
表 4(Table 4)

表 4 道路降尘PM2.5中元素富集因子 Table 4 Element enrichment factors of road dust PM2.5

表 4 道路降尘PM2.5中元素富集因子 Table 4 Element enrichment factors of road dust PM2.5 元素种类 富集因子 高度 道路类型 1.5 m 2.5 m 快速路 主干道 次干道 支路 Na 0.38 0.32 0.28 0.35 0.44 0.34 K 0.47 0.39 0.35 0.47 0.63 0.09 Cr 88.21 112.68 107.80 119.98 99.26 49.03 Ni 2.96 2.93 2.28 2.65 2.95 2.67 Cu 30.44 40.65 33.42 41.99 40.06 17.90 Zn 11.16 12.05 8.78 13.51 14.55 7.57 As 2.08 2.12 2.03 1.47 2.82 2.04 Pb 11.40 12.26 9.88 12.52 13.81 9.7 Al 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 Mg 2.49 2.31 1.83 2.01 3.81 1.49 Ca 2.71 2.43 2.55 2.68 2.97 1.61 Fe 1.61 1.32 1.46 1.64 1.54 0.96

将富集因子按照道路类型对比：Cr和Cu在快速路富集程度最大，Cr极强富集，Cu显著富集，支路最小；Zn和Pb的富集程度在主干道最大，且两种元素皆为中度富集，支路最小；Na、K、As、Ni、Al、Mg、Ca、Fe等8种元素在每种类型道路上无富集或轻微富集.
3.3.2 主因子分析PM_2.5中元素来源采用SPSS软件对PM_2.5中13种元素浓度进行最大方差旋转因子分析，得到表 5所示结果.因子1与Zn、Cu、Cr、Ca的相关系数均大于0.8，与Cd的相关系数是0.72.Cu、Zn依次是机动车刹车片和油泵材料、轮胎磨损及燃煤的产物(臧飞等，2016)，Cr与机动车尾气排放、煤及石油的燃烧有关(李佳琦等，2015；王伟等，2015)，Ca是水泥、建筑尘的标识性元素(房春生等，2012)，Cd被认为是机动车燃油的重要标识元素(占长江等，2017)，因为采样点周围无工业区，因此可以推断因子1是机动车零件磨损、尾气排放、燃煤燃油和建筑尘的综合作用；因子2与Mg、Fe、Si相关系数依次为0.87、0.83、0.89，Pb的产生与机动车燃油有关(张帆等，2012)，Mg、Fe、Si主要为道路扬尘的产物(袁小燕等，2015)，Ni元素主要来源是燃油、燃煤及冶炼(武媛媛等，2017)，可认为因子2主要是道路扬尘及燃油；因子3与As有很好的相关性，As被认为是燃煤的标识元素(宋少洁等，2012)，因此因子3主要为燃煤.
表 5(Table 5)

表 5 道路尘PM2.5元素因子分析 Table 5 Elements factor analysis of road dust PM2.5

表 5 道路尘PM2.5元素因子分析 Table 5 Elements factor analysis of road dust PM2.5 元素 因子1 因子2 因子3 K -0.95 Cr 0.99 Ni 0.77 Cu 0.96 Zn 0.80 As 0.75 Cd 0.72 -0.69 Pb 0.66 0.65 Al 0.61 0.68 Mg 0.87 Ca 0.89 Fe 0.83 Si 0.89 方差贡献率 33.29% 32.70% 24.88% 累计贡献率 33.29% 65.99% 90.87% ??注：仅显示大于0.5的结果.

3.4 PM_2.5中重金属生态风险评估利用公式(2)和(3)计算重金属元素潜在风险指数(图 4).可知Cr生态风险指数最大；Cu的污染级别为Ⅲ级，危害高；Pb、As、Ni和Zn等4种元素指数较低，危害较轻.但RI达到511，表明采暖季道路降尘重金属元素的总体生态风险很高，需高度重视.
图 4(Fig. 4)

图 4 采暖季道路降尘重金属元素潜在生态风险 Fig. 4Potential ecological risk of heavy metal elements of road dust in heating season

4 结论(Conclusions)1) 道路降尘中除K、Al、As外，其他元素含量在支路和主干道最高，快速路最少；地壳元素大部分在1.5 m处含量较高，而人为污染元素在2.5 m处含量高.
2) 采暖季道路PM_2.5元素主要由交通源、燃煤燃油和生物质燃烧造成，且燃煤燃油造成的污染元素富集程度明显，机动车零件轮胎磨损、尾气排放是造成重金属元素富集的主要因素.
3) 重金属Cr、Cu的生态风险级别依次为Ⅰ、Ⅲ级，因此要减少交通污染及燃煤燃油的排放，降低其生态风险级别.

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