大气降尘是环境空气中粒径较大(空气动力学当量直径通常＞10 μm), 依靠自身重力以落尘形式自然降落于地表的颗粒物.它可以反映大气颗粒物的自然沉降量, 是地球表层“地-气”系统物质交换的一种形式, 具有重要的环境指示意义^{[1, 2]}.大气降尘中的重金属, 尤其是有毒重金属, 易沉积在植物、土壤和水中, 通过食物链的传递和累积, 从而对生态环境和人类健康造成严重的危害^[3~6].近年来, 我国城市大气中As、Cd、Cr、Mn、Ni和Pb等主要重金属含量均超过GB 3095-2012、欧盟《空气质量标准》和WHO《欧洲空气质量指南》中相应的年均标准限值或参考限值.城市大气降尘及其重金属污染日益严重, 已成为一个关系到国计民生的重大环境问题.随着我国社会经济的快速发展和居民生活水平的逐步提高, 人们对环境质量, 尤其是对大气环境质量的要求也越来越高.了解降尘重金属含量水平、污染特征以及由其引发的人体健康与生态环境风险具有重要的社会价值.

国内外专家学者通过主动采样或被动采样的方式收集大气降尘样品, 分析降尘中的重金属含量, 并对降尘重金属的含量水平^[7]、时空分布^{[8, 9]}、污染特征^[10~12]以及人体健康风险评价^[13~15]进行了大量研究.国外对大气降尘重金属研究工作开展较早, 早在20世纪70年代, 就有研究报道了丹麦哥本哈根地区大气降尘中Cu、Cd、Zn、Pb、Ni、Cr等重金属的沉降特性, 并探讨了哥本哈根地区的重金属含量的区域差异, 发现大气降尘和土壤中的重金属含量之间呈现正相关^[3].此外, 有学者研究了英格兰和威尔士的农田, 发现农田土壤重金属的25%~85%主要来自大气降尘^[16].国内近几年也陆续开展了大气降尘重金属研究, 如杨忠平等^[17]的研究发现长春市大气干湿沉降样品中重金属含量均明显高于表层土壤中重金属的含量; Gu^[15]和任春辉^[18]采用健康风险评价方法对灰尘中重金属的人体健康风险进行评估, 结果发现Cd是人类健康风险的主要影响因素, 农业区和居民区的人体健康风险最高.北京作为京津冀地区的核心城市, 又是我国政治、文化和对外交流中心.由于高度城市化和剧烈的人类活动, 加之特殊的气候环境和不利的地形条件, 近几年北京大气污染比较严重, 尤其是冬季频频遭受霾天气的侵袭, 多个监测站空气质量屡屡“爆表”.本文通过被动采样的方式采集了冬季北京城区及近郊区大气降尘样品, 利用ICP-MS测试了降尘中Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、Co、V、Bi、Mo等10种重金属的含量, 分析了北京冬季降尘重金属的含量水平, 计算了10种重金属的富集因子; 并在单因子污染指数法等传统单一污染评价方法的基础上, 综合降尘重金属的含量水平、富集程度、污染程度以及对生态环境构成的潜在风险等不同维度, 提出了“降尘重金属综合污染指数”模型, 对北京冬季降尘重金属的污染程度和生态风险进行了综合评估, 以期为城市降尘及大气重金属污染防治提供科学依据.

大气降尘采样严格按照国家标准《环境空气降尘的测定重量法GB/T 15265-1994》^[19]进行.集尘缸选用高30 cm、内径15 cm、缸底平整的圆筒形玻璃缸.采样点一般设在矮建筑物的屋顶或根据需要设在电线杆上(集尘缸统一设在离地面2.5 m高处, 收集该位置的大气降尘), 附近(10 m×10 m)无高大建筑, 且避开烟囱和交通主干道等点、线污染源的局部污染^[20].于2013年11月15日~2014年3月15日, 分两步在北京布设点位：一是在北京城区17个大气环境监测站附近布点, 以确保布点的代表性; 二是将第一批17个点位落到北京市地图上, 在落点稀疏区域以及北京城区外围的近郊地区均匀加密33个采样点(有1个采样点不便布设, 舍弃), 最终布设覆盖北京市整个城区及近郊区域49个有效采样点(如图 1)^[21], 进行同步平行(每个采样点采集3个样品)采样, 以最大程度地降低实验的不确定性, 提高实验的代表性和可信度.每个采样点收集的大气降尘样品的重量在100~1000 mg之间.降尘样品收集完成后, 用密封盖密封妥善保存, 防止存放过程中样品损失.

图 1

Fig. 1

图 1 北京大气降尘采样点位示意 Fig. 1 Map of atmospheric dust sampling points in Beijing

降尘中金属元素含量测试仪器为美国Perkin Elmer公司的Elan DRC II型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS), 分析方法符合《土壤环境质量标准(修订)GB 15618-2008》^[22]中有关土壤污染分析测试方法的要求.测试前, 所有样品均使用玛瑙研钵充分研磨, 过0.15 mm筛孔; 准确称取40 mg样品粉末于聚四氟乙烯内胆中, 加入0.6 mL HNO₃和2 mL HF, 封盖; 待静置后, 放入防腐高效溶样罐罐体(内部材质为特氟龙, PTFE, 如图 2), 在防腐烘箱内150℃加热24 h; 待冷却后, 加0.5 mL HClO₄, 并敞口放置在120℃的防腐电热板上至半干; 随后加入1 mL HNO₃和1 mL H₂O, 密闭置于防腐烘箱150℃回溶12 h; 冷却后将溶液转移至聚酯瓶内, 并用高纯水定容至40 mL.

图 2

Fig. 2

图 2 防腐高效溶样罐示意 Fig. 2 Schematic diagram of erosion-against high-efficiency digestion bomb

通过ICP-MS测定Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、Co、V、Bi、Mo 10种重金属以及参比过渡性金属元素Sc的含量.样品元素化学分析时采用国家海洋沉积物一级标准物质GBW07315、GBW07316以及美国地质调查局玄武岩标准物质BCR-2、BHVO-2作质量监控.本研究的数据分析在Excel 2007、SPSS 17.0和Origin 9.0软件中完成.

富集因子法是用于研究大气降尘以及颗粒物中元素的富集程度以及判断、评价元素的自然来源和人为来源的普遍方法^[23].富集因子(enrichment factor, EF)的计算公式为:

(1)

式中, EF为富集因子系数, C_i为研究元素的含量(mg ·kg^-1); C_n为所选参比元素的含量(mg ·kg^-1); (C_i/C_n)_sample和(C_i/C_n)_background分别为环境样品和土壤背景中研究元素与参比元素含量的比值.根据范晓婷等^[24]关于参比元素的选取要求：①与目标元素相关性小; ②化学性质稳定; ③必须是自然来源, 本文选用了研究中同步测试的地壳中普遍存在的且人为污染来源较少、化学稳定性好、分析结果精确度高的低挥发性稀土金属元素Sc.各金属元素的背景值取北京地区A层土壤对应金属元素平均值^[25].通常大气降尘中某元素EF值大小不仅可以反映出大气降尘中元素的富集程度, 还可定性判断和评价元素的初步来源及其贡献.根据大气降尘中元素的EF值的大小, 本研究将大气降尘中重金属元素的富集程度分为5个级别, 具体分级情况见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 EF与大气降尘中元素的富集程度的关系 Table 1 Relationship between EF and enrichment degree of chemical elements in dustfall 富集因子(EF) EF≤1 1 < EF≤10 10 < EF≤100 100 < EF≤1000 EF＞1000 富集程度 基本无富集或微量富集 轻度富集 中度富集 高度富集 超富集 等级 1 2 3 4 5 来源 地壳或土壤源 自然源和人为源共同作用 人为污染源 人为污染源 人为污染源

表 1 EF与大气降尘中元素的富集程度的关系 Table 1 Relationship between EF and enrichment degree of chemical elements in dustfall

单因子污染指数法、地积累指数法以及潜在生态风险指数法等单一重金属污染评价方法被大量应用于对大气降尘重金属污染进行分析评价^{[26, 27]}.地累积指数(geo-accumulation index, I_geo)是1969年由德国科学家Muller提出的用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标. I_geo综合考虑了自然界地质过程造成的背景值的变化以及人为活动对环境的影响, 是反映重金属分布的自然变化特征和判别人为活动对环境影响的重要参数.近年来, 地累积指数法被广泛用于土壤风沙尘、大气颗粒物以及燃煤电厂周边积尘等的重金属污染特征研究.潜在生态风险指数是1980年瑞典科学家Hakanson提出的基于元素丰度响应和污染物的协同效应的定量指标^[26], 是目前大气颗粒物、土壤和沉积物中重金属污染程度及潜在生态风险评价最为常用方法之一^[27].该方法不仅反映了特定沉积物中单一重金属的潜在生态危害, 同时还考虑了多种重金属的综合生态效应, 并定量划分出重金属的潜在生态风险等级, 是表征重金属对生态环境影响程度的综合指标.

为了综合评价北京降尘重金属污染及风险, 论文在上述单一污染评价方法的基础上, 以综合评估降尘重金属的污染程度和生态风险为目的, 从降尘中重金属含量水平、富集程度、污染程度及对生态环境构成的潜在风险出发, 提出了“降尘重金属综合污染指数”的方法和模型. “降尘重金属综合污染指数”选择相关评价指标, 对降尘中主要重金属污染物(Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、Co、V等)进行综合污染指数的计算, 科学合理、全面综合地确定北京市应重点关注的降尘重金属指标.本文主要研究对象为北京市降尘重金属, 采用《土壤环境质量标准(修订)》(GB 15618-2008)中居住用地土壤(城乡居住区、学校、宾馆、游乐场所、公园、绿化用地等地土壤)第二级标准值, 即保障居民健康生活的土壤临界值.降尘重金属综合污染指数(integrated pollution index of the dust heavy metal, IPI.dhm)计算公式如下：

(2)

式中, PI₁为降尘重金属背景比值的归一化系数, 参照《中国土壤元素背景值》中北京地区A层土壤对应金属元素平均值^[25], 表征社会经济活动对北京市降尘重金属影响的程度; PI₁的取值在0.15以上的重金属, 为降尘中显著污染因子. PI₂为降尘重金属单因子污染指数的归一化系数, 参照《土壤环境质量标准(修订)》(GB 15618-2008)中居住用地土壤二级标准, 反映北京市降尘中各重金属对污染的贡献率; PI₂的取值在0.15以上的重金属, 为降尘中显著污染因子. PI₃为降尘重金属地累积指数I_geo的归一化系数, 在地累积指数计算结果的基础上进行归一化处理, 反映北京市降尘重金属的污染程度; PI₃的取值在0.15以上的重金属, 为降尘中显著污染因子. PI₄为降尘重金属潜在生态风险指数E_rⁱ的归一化系数, 在潜在生态风险指数计算结果的基础上进行归一化处理, 反映北京市降尘重金属的潜在生态危害程度; PI₄的取值在0.15以上的重金属为降尘中显著污染因子. IPI.dhm为降尘重金属最终的综合污染指数, 由上述4项污染分指数加和计算得到. IPI.dhm的取值在0.5以上的重金属, 为降尘中显著污染因子.

根据降尘重金属含量测试结果, 分别统计了北京城区(样本数为36)及郊区(样本数为13)冬季大气降尘中10种重金属元素含量的平均值、标准偏差以及变异系数.从统计结果可以看出, 北京冬季大气降尘不同重金属元素之间含量差异非常大, Cd、Bi和Mo含量较少, 平均值不足10 mg ·kg^-1; Co、Ni和V含量较多, 平均值在10~100 mg ·kg^-1之间; 而Pb、Cr、Cu和Zn含量很多, 平均值均超过100 mg ·kg^-1, 并且Pb、Cr、Cu和Zn在城区的含量(分别为147.1、195.9、239.2和713.2 mg ·kg^-1)明显高于郊区的含量(分别为91.6、125.1、131.9和514.5 mg ·kg^-1).北京城区降尘中重金属V、Ni、Co、Zn、Cu的变异系数在0.17~0.45之间; Bi、Mo、Cd、Pb的变异系数在0.56~0.76之间; Cr的变异系数最高, 为1.33.北京郊区冬季大气降尘重金属元素含量的变异系数相对城区要小得多, 除Zn和Bi(变异系数分别为0.48和0.50)略大外, 其余8种重金属元素的变异系数均小于0.45.由此说明, 北京城区相比郊区, 人口更密集、交通更繁忙、生产生活活动更剧烈, 人为活动对降尘重金属污染的贡献较大.

为了直观地表现出降尘中重金属含量的分布, 本文运用Origin 9.0绘图软件分别绘制了重金属Co、Mo、Cd、Bi [图 3(a)]以及V、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb [图 3(b)]的箱线图.从图 3可以看出, 重金属Co、Cd、Mo、Bi、Cr、Pb存在极端异常值; Ni、Zn、Cu和V的含量分布较Co、Cd、Mo、Bi、Cr和Pb的分布更对称、更集中.

图 3

Fig. 3

图 3 北京降尘重金属含量箱线图 Fig. 3 Boxplots of dust heavy metal concentrations in Beijing

为了研究北京冬季降尘中重金属的污染水平, 计算了供暖期北京城区和近郊降尘中10种重金属元素(镉Cd、铅Pb、铬Cr、铜Cu、镍Ni、锌Zn、钴Co、钒V、铋Bi、钼Mo)的均值、背景值、一级超标率、二级超标率.其中, “均值”为剔除极端值和异常值后取的降尘重金属含量的算术平均值; “背景值”参考文献[25]; “一级限值”和“二级限值”参考GB 15618-1995《土壤环境质量标准》、GB 15618-2008《土壤环境质量标准(修订)》中规定的一级标准值和二级标准值(其中, Bi和Mo的一级标准值和二级标准值, 以及Co和V的一级标准值, 现行的标准中均未给出推荐值); “背景比值”取重金属含量的“平均值”与“背景值”的比值; “一级超标率”和“二级超标率”分别为超出一级限值的样本数与总样本数的百分比以及与超出二级限值的样本数与总样本数的百分比.

从表 2可以看出, 北京城区降尘中大部分重金属存在不同程度的污染. V含量的平均值与土壤环境背景值接近, 且所有样本数据均未超标, 不存在污染. Co含量的平均值略高于土壤环境背景值, 且所有样本数据均未超标, 不存在污染. Cr和Ni含量的平均值超出土壤环境背景值1倍左右, 且其超出一级标准值的样本数与总样本数的百分比均为93.9%, 超出二级标准值的样本数与总样本数的百分比分别为3%和66.7%, 存在中度污染. Mo和Bi含量的平均值分别超出对应土壤环境背景值的3.7和7.4倍, 在降尘中的含量较高, 由于无对应的环境标准值作参考, 其超标情况及污染状况未知. Pb的平均含量为相应土壤环境背景值的5.5倍, 所有样本数据均超出一级标准值, 但只有9.1%的样本数据超过二级标准值, 属于中度污染. Zn和Cu的平均含量分别为相应土壤环境背景值的9.5和10.7倍, 其超出一级标准值的样本数与总样本数的百分比均为100%, 超出二级标准值的样本数与总样本数的百分比分别为97%和93.9%, 属于重度污染. Cd的平均含量高达相应土壤环境背景值的28.1倍, 其超出一级标准值、二级标准值的样本数与总样本数的百分比均为100%, 存在严重污染.

表 2 (Table 2)

表 2 北京城区降尘重金属污染水平 Table 2 Pollution levels of dust heavy metals in Beijing City 重金属 均值/mg·kg-1 背景值/mg·kg-1 一级限值/mg·kg-1 二级限值/mg·kg-1 背景比值 一级超标率/% 二级超标率/% Bi 3.3 0.4 — — 8.4 — — Cd 2.8 0.1 0.200 0.300 28.1 100 100 Co 14.7 12.7 — 50 1.2 — 0 Cr 136.1 61 90 300 2.2 93.9 3 Cu 242.7 22.6 35 100 10.7 100 93.9 Mo 9.4 2 — — 4.7 — — Ni 61.0 26.9 40 50 2.3 93.9 66.7 Pb 143.6 26 35 300 5.5 100 9.1 V 79.7 82.4 — 200 1.0 — 0 Zn 703.3 74.2 100 250 9.5 100 97

表 2 北京城区降尘重金属污染水平 Table 2 Pollution levels of dust heavy metals in Beijing City

从表 3可以看出, 北京近郊降尘中大部分重金属存在不同程度的污染. V含量的平均值与土壤环境背景值接近, 且所有样本数据均未超标, 不存在污染. Co含量的平均值略高于土壤环境背景值, 且所有样本数据均未超标, 不存在污染. Ni和Cr含量的平均值超出土壤环境背景值1倍左右, 且其超出一级标准值的样本数与总样本数的百分比分别为87.5%和100%, 超出二级标准值的样本数与总样本数的百分比分别为37.5%和6.3%, 存在中度污染. Mo和Bi含量的平均值分别超出对应土壤环境背景值的1.9和3.7倍, 在降尘中的含量较高, 由于无对应的环境标准值作参考, 其超标情况及污染状况未知. Pb的平均含量为相应土壤环境背景值的3.6倍, 所有样本数据均超出一级标准值, 但无样本数据超过二级标准值, 属于中度污染. Cu和Zn的平均含量分别为相应土壤环境背景值的6.4和7.7倍, 其超出一级标准值的样本数与总样本数的百分比均为100%, 超出二级标准值的样本数与总样本数的百分比分别为100%和81.2%, 污染较重. Cd的平均含量高达相应土壤环境背景值的19.8倍, 其超出一级标准值、二级标准值的样本数与总样本数的百分比均为100%, 存在严重污染.

表 3 (Table 3)

表 3 北京近郊降尘重金属污染水平 Table 3 Pollution levels of dust heavy metals in Beijing suburbs 重金属 均值 /mg·kg-1 背景值 /mg·kg-1 一级限值 /mg·kg-1 二级限值 /mg·kg-1 背景比值 一级超标率 /% 二级超标率 /% Bi 1.9 0.4 — — 4.7 — — Cd 2.0 0.1 0.200 0.300 19.8 100 100 Co 17.4 12.7 — 50 1.4 — 0 Cr 128.3 61 90 300 2.1 100 6.3 Cu 144.9 22.6 35 100 6.4 100 81.2 Mo 5.8 2 — — 2.9 — — Ni 51.5 26.9 40 50 1.9 87.5 37.5 Pb 93.5 26 35 300 3.6 100 0 V 82.9 82.4 — 200 1.0 — 0 Zn 572.2 74.2 100 250 7.7 100 100

表 3 北京近郊降尘重金属污染水平 Table 3 Pollution levels of dust heavy metals in Beijing suburbs

根据富集因子EF值的定义, 分别计算了北京城区和郊区冬季大气降尘中10种重金属元素的平均富集因子(EF).由计算结果可知, 北京城区和郊区降尘中重金属元素的平均富集因子(EF)排序有差异, 分别为Co < V < Ni < Cr < Mo < Cu < Bi < Pb < Zn < Cd和V < Co < Ni < Cr < Mo < Pb < Bi < Zn < Cu < Cd; 但北京城区和郊区降尘重金属的富集程度基本一致, 并且重金属Ni、Cr、Mo、Cu、Bi、Pb、Zn、Cd在城区和郊区均呈现出轻度以上的富集, 其中Ni、Cr、Mo、Cu、Bi、Pb、Zn为轻度富集, 受自然源和人为源共同作用; 而Cd达到中等程度富集, 主要受人为污染源影响.

为直观地表现出降尘中重金属含量的分布, 本文运用Origin 9.0绘图软件分别绘制了重金属V、Cr、Co、Ni、Pb[图 4(a)]以及Cu、Zn、Mo、Cd、Bi[图 4(b)]的箱线图.从图 4可以看出, 重金属Cu、Zn、Mo、Cd、Bi的富集因子普遍高于V、Cr、Co、Ni、Pb, 并且Cr、Co、Cu、Cd的富集因子存在极端异常值; 而其他6种重金属的富集因子分布更对称、更集中.

图 4

Fig. 4

图 4 北京降尘重金属富集因子箱线图 Fig. 4 Boxplots of dust heavy metals EF values in Beijing

本文利用1.3.2节构建的“降尘重金属综合污染指数”对北京冬季大气降尘中V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb等8种主要重金属污染物进行综合污染指数的计算, 进而综合评价北京大气降尘中重金属的污染状况.根据降尘重金属综合污染指数的定义及计算公式, 本文依次计算了北京城区和郊区冬季大气降尘中V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb等8种主要重金属污染物的背景比值(BR)的归一化系数(PI₁)、单因子污染指数(SPI)的归一化系数(PI₂)、地累积指数(I_geo)的归一化系数(PI₃)、潜在生态风险指数(E_rⁱ)的归一化系数(PI₄)以及最终计算的北京城区和郊区冬季降尘中重金属的综合污染指数(IPI.dhm)分别如表 4和表 5所示.其中, Mean代表降尘中重金属含量的平均值, 单位mg ·kg^-1; BR代表降尘重金属含量的平均值与相应重金属的土壤背景值的比值; SPI代表降尘重金属的单因子污染指数; I_geo代表降尘重金属的地累积指数;E_rⁱ代表降尘重金属的潜在生态风险系数.

表 4 (Table 4)

表 4 北京城区冬季降尘重金属污染综合评价结果 Table 4 Integrated pollution evaluation of dust heavy metals in winter in Beijing City 重金属 Mean/mg·kg-1 BR PI1 SPI PI2 Igeo PI3 Eri PI4 IPI.dhm Cd 2.8 28.1 1 0.31 0 4.2 1 988 1 3 Co 14.7 1.2 0.01 0.31 0 -0.4 0.02 5 0 0.03 Cr 136.1 2.2 0.05 0.42 0.1 0.6 0.23 5 0 0.38 Cu 242.7 10.7 0.36 0.81 0.45 2.7 0.68 56 0.05 1.55 Ni 61 2.3 0.05 0.41 0.09 0.5 0.21 11 0.01 0.36 Pb 143.6 5.5 0.17 0.5 0.18 1.7 0.47 30 0.03 0.84 V 79.7 1 0 0.4 0.08 -0.5 0 2 0 0.08 Zn 703.3 9.5 0.31 1.41 1 2.6 0.66 7 0.01 1.97

表 4 北京城区冬季降尘重金属污染综合评价结果 Table 4 Integrated pollution evaluation of dust heavy metals in winter in Beijing City

从表 4计算的结果来看, 北京城区冬季降尘中重金属的背景比值的归一化系数(PI₁)排序为Cd>Cu>Zn>Pb>Ni>Cr>Co>V, 其中Cd、Cu和Zn的PI₁值大于0.3, 这3种重金属是北京市降尘中受社会经济活动影响程度极强的重金属, 此外Pb的PI₁值大于0.15, 也是北京市降尘中受社会经济活动影响程度较强的重金属; 单因子污染指数的归一化系数(PI₂)排序为Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>V>Co>Cd, 其中Zn和Cu的PI₂值大于等于0.45, 这两种重金属是北京市降尘中对污染的贡献率极高的重金属, 此外Pb的PI₂值大于0.15, 也是北京市降尘中对污染的贡献率较高的重金属; 地累积指数的归一化系数(PI₃)排序为Cd>Cu>Zn>Pb>Cr>Ni>Co>V, 其中Cd、Cu、Zn、Pb、Cr和Ni的PI₃值均不小于0.15, 是冬季北京城区降尘中污染程度较高的重金属, 且Cd、Cu、Zn和Pb在城区降尘中污染程度极高; 潜在生态风险指数的归一化系数(PI₄)排序为Cd>Cu>Pb>Ni>Zn>Cr>Co>V, 除Cd以外的重金属的PI₄值均不超过0.05, Cd是冬季北京城区降尘中唯一潜在生态危害程度极高的重金属.最终计算的北京城区冬季降尘中重金属的综合污染指数(IPI.dhm)排序为Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>V>Co, 并且Cd、Zn、Cu和Pb的IPI.dhm值均大于0.8, 是北京市降尘中显著污染因子, 其中Cd和Zn的IPI.dhm值分别高达3.00和1.97, 是冬季北京城区降尘中极显著污染因子.

从表 5计算的结果来看, 北京近郊冬季降尘中重金属的背景比值的归一化系数(PI₁)排序为Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>Co>V, 其中Cd、Zn和Cu的PI₁值均大于0.25, 这3种重金属是北京市降尘中受社会经济活动影响程度极强的重金属, 此外Pb的PI₁值接近0.15, 也是北京市降尘中受社会经济活动影响程度较强的重金属; 单因子污染指数的归一化系数(PI₂)排序为Zn>Cr>Cu>V>Co>Ni>Pb>Cd, 其中Zn、Cr和Cu的PI₂值大于等于0.3, 这3种重金属是北京市降尘中对污染的贡献率极高的重金属, 此外V和Co的PI₂值大于0.15, 也是北京市降尘中对污染的贡献率较高的重金属; 地累积指数的归一化系数(PI₃)排序为Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>Co>V, 其中Cd、Zn、Cu、Pb、Cr和Ni的PI₃值均不小于0.25, 是冬季北京城区降尘中污染程度较高的重金属, 且Cd、Zn、Cu和Pb在城区降尘中污染程度极高; 潜在生态风险指数的归一化系数(PI₄)排序为Cd>Cu>Pb>Ni>Zn>Cr>Co>V, 除Cd以外的重金属的PI₄值均不超过0.05, Cd是冬季北京城区降尘中唯一潜在生态危害程度极高的重金属.最终计算的北京近郊冬季降尘中重金属的综合污染指数(IPI.dhm)排序为Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>Co>V, 并且Cd、Zn、Cu、Pb和Cr的IPI.dhm值均不小于0.7, 是北京市降尘中显著污染因子, 其中Cd和Zn的IPI.dhm值分别高达3.00和2.06, 是冬季北京近郊降尘中极显著污染因子.

表 5 (Table 5)

表 5 北京近郊冬季降尘重金属污染综合评价结果 Table 5 Integrated pollution evaluation of dust heavy metals in winter in Beijing suburbs 重金属 Mean/mg·kg-1 BR PI1 SPI PI2 Igeo PI3 Eri PI4 IPI.dhm Cd 2.0 19.8 1.00 0.20 0.00 3.6 1.00 599 1.00 3.00 Co 17.4 1.4 0.02 0.35 0.16 -0.3 0.13 5 0.01 0.31 Cr 128.3 2.1 0.06 0.49 0.31 0.6 0.33 5 0.01 0.70 Cu 144.9 6.4 0.29 0.48 0.30 2 0.64 29 0.05 1.28 Ni 51.5 1.9 0.05 0.34 0.15 0.3 0.27 9 0.01 0.48 Pb 93.5 3.6 0.14 0.31 0.12 1.2 0.47 22 0.03 0.76 V 82.9 1.0 0.00 0.41 0.23 -0.9 0.00 2 0.00 0.23 Zn 572.2 7.7 0.36 1.14 1.00 2.2 0.69 6 0.01 2.06

表 5 北京近郊冬季降尘重金属污染综合评价结果 Table 5 Integrated pollution evaluation of dust heavy metals in winter in Beijing suburbs

(1) 北京冬季降尘重金属Cd、Bi和Mo含量的平均值不足10 mg ·kg^-1; Co、Ni和V含量的平均值在10~100 mg ·kg^-1之间; 而Pb、Cr、Cu和Zn含量的平均值均超过100 mg ·kg^-1.并且城区降尘重金属Pb、Cr、Cu、Zn的含量(分别为147.1、195.9、239.2和713.2 mg ·kg^-1)明显高于郊区(分别为91.6、125.1、131.9和514.5 mg ·kg^-1).

(2) 北京冬季降尘重金属Bi、Cu、Ni、Pb微量富集, 主要来源于地壳或土壤源; Cd、Cr、Mo、Zn轻度富集, 受自然源和人为源共同作用.

(3) 北京城区冬季降尘中重金属的综合污染指数(IPI.dhm)排序为Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>V>Co, 并且Cd、Zn、Cu和Pb的IPI.dhm值均大于0.8, 是北京市降尘中显著污染因子, 其中Cd和Zn的IPI.dhm值分别高达3.00和1.97, 是冬季北京城区降尘中极显著污染因子.北京近郊冬季降尘中重金属的综合污染指数(IPI.dhm)排序为Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>Co>V, 并且Cd、Zn、Cu、Pb和Cr的IPI.dhm值均不小于0.7, 是北京市降尘中显著污染因子, 其中Cd和Zn的IPI.dhm值分别高达3.00和2.06, 是冬季北京近郊降尘中极显著污染因子.