昌吉市隶属于新疆昌吉州，南依天山山脉，北接准噶尔盆地，西毗呼图壁县，东临乌鲁木齐市。地理位置介于北纬43°06′—45°20′，东经86°24′—87°37′之间(图1)。南北长约260 km，东西宽约30 km，总面积约8215 km²。地势由南向北逐级降低，整体落差约为4000 m，气候类型为大陆性干旱气候，多年平均气温、1月和7月平均气温分别为6.8 ℃、−17.5 ℃和24 ℃，多年平均降水量和潜在蒸发量依次为190 mm和1780 mm，常年风向以西北和东南风为主^[26]。昌吉市地理位置优越，矿产资源丰富，素有“西域咽喉”的美誉，是东联内地，西出中亚、欧洲的黄金通道和桥头堡，地区经济增长以第二、第三产生为主。

2019年10月，根据昌吉城市整体规划和道路网分布特点，利用800 m×800 m网格，初步预设采样点位置，选择最近道路为理论采样点，结合研究区实际情况，最终确定采样点的地理位置。使用毛刷和簸箕等非金属工具采集道路积尘样品，每个积尘样品均由50 m×50 m样点范围内6—8个子样点的道路积尘混合而成，放入自封的聚乙烯塑料袋中，重约200 g，共采集52个道路积尘样品(图1)。所有样品中Ni、Cu、As、Cd、Hg和Pb元素含量的测定均委托《新疆维吾尔自治区分析测试研究院》完成。测定过程中按国家土壤标准参比物质(GSS-12)和重复样进行质量控制，各元素检测的相关参数见表1。

污染负荷指数(Pollution load Index, PLI)是Tomlinson等提出的一种用以评价重金属污染等级水平的评价方法^[27]，其能展示重金属的污染程度及时空变化特征，亦能综合评价区域环境质量状况，其表达式为：

式中，C_i为重金属元素i的质量分数，B_i为重金属元素i的新疆土壤背景值^[28]；PLI为重金属的污染负荷指数；污染分级标准为：CF≤0.7或PLI≤1为无污染，0.7<CF≤1为轻微污染，1<CF≤2或1<PLI≤2为轻度污染，2<CF≤3或2<PLI≤3为中度污染，CF>3或PLI>3为重度污染^[28]。

潜在生态风险指数(Potential ecological risk, RI)，是由瑞典科学家Håkanson从沉积学角度提出的生态风险评价方法^[29]，该评价方法综合评估了环境介质中各重金属元素的联合效应及其对生物的毒理差异性，使其评价结果更具生物学参考价值。

式中，RI_j为6种重金属元素对j样点产生的综合潜在生态风险指数，Eⁱ_j为j样点重金属元素i产生的单因素潜在生态风险指数；Cⁱ_j和cⁱ_j分别为j样点元素i的污染指数和实测含量；cⁱ_r为元素i的参比值；Tⁱ为元素i的毒性系数，反映重金属的生物毒理性及其响应特性，Ni、Cu、As、Cd、Hg和Pb的毒性系数依次为：5、5、10、30、40、5^[29]。

环境风险预警指数(IER)，用于开展道路积尘重金属元素可能存在的环境风险的预警研究^[30]。

式中，IER为环境风险预警指数，P_i为重金属元素产生的单项污染指数，污染分级标准为:IER≤0无警；0<IER≤1预警；1<IER≤3轻警；3<IER≤5中警；IER>5重警^[30]。

据统计(表2)，昌吉市道路积尘中Ni、Cu、As、Cd、Hg和Pb等6种重金属元素变幅分别为：20.00—66.00、30.00—101.00、7.82—12.70、0.14—0.31、0.02—0.16、19.00—104.00 mg·kg⁻¹，平均值为26.35、59.33、9.92、0.21、0.05、46.83 mg·kg⁻¹，依次为新疆土壤背景值的0.99、2.22、0.89、1.71、2.76、2.41倍，经统计6种元素含量的最大值依次为新疆土壤背景值的2.48、3.78、1.13、2.58、9.53、5.36倍。昌吉市道路积尘中Hg和Cd的含量较相邻地区属同一发展等级的新疆石河子市道路积尘重金属含量明显较低，这可能主要与石河子市工业化程度和原煤消耗量更高相关^[25]。研究区道路积尘中Ni和Cu含量的变异系数(CV)分别为27%和30%，属中等变异(16%<CV≤36%)，Hg和Pb含量的CV值依次为51%、42%，属高度变异(CV>36%)^[31]，表明道路积尘中Ni、Cu、Hg和Pb元素含量的空间差异较大。

从表3可知，昌吉市道路积尘中6种重金属元素单项污染指数(CF)平均值的递减顺序为：Hg(2.76)、Pb(2.41)、Cu(2.22)、Cd(1.71)、Ni(0.99)、As(0.88)，其中Hg、Pb和Cu属于中度污染，Cd为轻度污染，Ni和As为轻微污染。从污染点位占有率来看，属于中度、重度污染的样点占比，Hg为42.31%、26.92%，Pb为32.69%、21.15%，Cu为34.64%、17.30%；Ni和As分别有73.07%、86.54%的样点呈轻微污染；Cd属轻度污染的样点为92.30%。6种元素联合产生的污染负荷指数(PLI)的变幅介于0.98—3.34之间，平均值为1.68，呈轻度污染态势。PLI呈轻度、中度污染的点位占比依次为92.30%和7.70%。整体来看，研究区Hg、Pb和Cu的污染风险相对较大，Hg为最大的污染元素。

基于地统计学理论与GIS技术，利用GS+ 9.0确定6种元素的CF和PLI的最佳变异函数理论模型，并将其参数导入ArcGIS 10.3，采用Inverse Distance Weighting插值法，绘制昌吉市道路积尘中6种元素CF和PLI的空间分布图(图2)。由图2可见，研究区道路积尘中Hg是污染程度与污染面积最大的元素，中度及重度污染覆盖了研究区大部；Pb和Cu分别为研究区第二、第三大污染元素，污染高值区集中分布在研究区中部(市中心)；As为研究区污染程度最小的元素，除局部地区表现为轻度污染外，其他区域以轻微污染为主；Cd处于轻度污染的样点以绝对优势占据着研究区；Ni的污染程度呈现由研究区南部向北递减的分布格局，南部研究区以轻度污染为主，其他区域以轻微污染为主。整体来看，Cu、Hg和Pb这3种元素CF的空间分布格局基本一致，其污染高值区(中度、重度污染)主要位于市中心。此区域为城市主干道、次干道交汇地，车流量、道路密度、汽车启停频率以及怠速时间较其他区域偏高；此外，其为城市集中供热、供电、加油、加气、汽车维修、建材等城市重金属释放活动的主要集中地。研究表明^[32]，交通运输是城市环境中Pb污染的最大来源，主要来源于含Pb汽油的历史残留、车辆含Pb零部件的磨损。Nriagu ^[33]研究发现，在使用含Pb汽油长达半个多世纪的美国，通过汽油释放到空气中的Pb约为7.0×10⁹ kg。2010年，美国华盛顿州，因铅轮平衡块(含铅量约为95%的车轮配重块)重量的损失释放到城市环境中的Pb全年约为4.0×10⁴ kg^[34]。铅蓄电池中含Pb量约为整车含Pb量的90%，这些电池中的Pb可能因碰撞或泄露释放到路面^[35]。Lifset等^[36]研究表明，美国每年从刹车片磨损中释放出的Cu约为1.42×10⁶ kg。在2000年，欧洲因刹车磨损而释放的Cu约为2.4×10⁶ kg，占Cu所有来源的48%^[37]。我国油田的生气母质中Hg的平均含量介于36—668 μg·kg⁻¹之间^[38]，汽油中存在Hg²⁺、Hg⁰和颗粒态Hg^[39]，轮胎磨损和燃油泄漏是道路积尘中Hg的重要来源^[40]。Cd、As和Ni污染的空间分布格局总体相似，其污染高值区主要分布在研究区南部。经实地调查与资料分析发现，研究区南部的电气工业园、机械工业园与汽车修理厂可能是导致这3种元素含量偏高的重要原因。研究表明，城市道路积尘中Cd的来源复杂，主要与城市多源大气的排放、园林绿化中含Cd化肥的施用、机械加工与金属电镀等城市人为活动相关^[41]。工厂燃煤、燃油、金属电镀、轴承生产排放的工业粉尘中包含大量的As和Ni^[42]。从PLI的空间分布来看，PLI的高值区主要位于昌吉市政府和吉祥花园小区附近，在研究区其他大部区域则表现为轻度污染态势。根据6种元素CF的污染程度与空间分布规律可知，研究区PLI的空间分布格局主要受到Hg、Pb和Cu元素CF的叠加控制。

潜在生态风险分级标准是Håkanson基于沉积物的种类和毒理差异性对研究对象产生的潜在生态风险等级划分的结果。由公式(3)可知，综合潜在生态风险(RI)的大小与污染物的种类和毒性强弱密切相关，根据马建华等^[43]学者的研究成果，对其划分标准进行调整：首先，根据Håkanson划定的RI的第一级界限值(150)除以8种污染物的毒性系数(133)，得到单位毒性系数(150/133≈1.13)；其次，计算6种重金属元素毒性系数的总和(ΣStⁱ=St^Ni(5)+St^Cu(5)+St^As(10)+St^Cd(30)+St^Hg(40)+St^Pb(5)=95)；最后，将前两步计算结果相乘并向上取十位整数，得到调整后的第一级界限值(即95×1.13=107.35≈110)；此后每级界限值较上一级乘以2即可得到。本研究中的6种重金属元素毒性系数的最大值(St^Hg=40)与Håkanson研究的污染物的毒性系数的最大值(St^PCB=St^Hg=40)相同，根据Håkanson对单因素潜在生态风险(Er)污染等级划分规则，本文调整前后Er的分级标准一致。RI和Er污染等级划分标准见表4。

从表5可见，研究区各重金属元素单因素潜在生态风险指数(Er)平均值的递减顺序为：Hg(110.52)、Cd(51.29)、Pb(12.07)、Cu(11.11)、As(8.56)、Ni(4.95)。Ni、Cu、As和Pb所有样点Er的值均小于40，呈现轻微生态风险。Cd和Hg元素Er的平均值分别属于中等和较强生态风险，其中Cd处于轻微和中等生态风险的样点占比依次为1.92%和98.08%，Hg元素Er的值介于52.94—381.17之间，呈现中等、较强、很强、极强生态风险的样点占比分别为30.76%、59.61%、7.69%、1.92%。研究区6种元素联合产生的综合潜在生态风险指数(RI)的平均值为198.81，变化范围介于121.22—483.43之间，根据RI调整后的分级标准可知，RI的平均值属于中等生态风险等级，RI呈现中等、较强、很强生态风险的样点占比依次为76.92%、21.15%、1.92%，其中Hg对各样点RI的贡献率介于43.67%—78.84%之间，平均贡献为55.59%。由此可见，Hg和Cd为研究区最主要的生态风险元素。研究表明^{[23, 44]}，Hg和Cd为极具生物毒性的两种元素，且其各样点元素含量均高于新疆土壤背景值，表明人类活动对这两种元素的富集效应较为明显。因此，昌吉市在城市化进程中应注重道路积尘中Hg和Cd等生物毒性较强的重金属元素的风险管控。鉴于重金属的危害程度主要取决于其富集总量和赋存形态(生物毒性)，在城市环卫洒水车内加入可溶于水的磷酸氢二钾(K₂HPO₄)和偏硅酸钠(Na₂SiO₃)两种钝化剂能有效抑制道路飞灰和重金属污染的双重目的^[45]。综上对昌吉市涉重金属生产企业的污染管控、道路积尘的清扫和灰尘钝化剂的综合施用对降低昌吉市中、高生态风险区的危害尤为关键。

研究区6种元素Er和RI的空间分布见图3。经对比分析发现，6种元素CF(图2)和Er(图3)的空间变异格局基本同步。总体来看，Cu、Hg、Cd和Pb等4种元素Er的空间分布特征较为相似，其生态风险高值区集中分布在车流、人流以及商业活动频率较高的市中心。Ni元素Er的变化特征呈现为由研究区南部向北部递减的分布格局，地带性分异特性较为明显。As元素Er的分布格局与其他5种元素差异较大，其生态风险高值区分布在研究区边缘，而市中心却为低生态风险区。研究区6种元素RI的高值区集中分布市中心，其空间分布格局与图3e极为相似，表明研究区RI的空间分布格局主要受到Hg元素的影响。这主要与Hg的富集水平和毒性系数相关。

开展重金属对城市生态系统潜在的环境风险的预警研究，对于防止或降低其生态危害尤为关键^[46]。由表6可知，6种元素单项环境风险预警指数(IER_i)平均值的递减顺序为：Hg(1.76)、Pb(1.41)、Cu(1.22)、Cd(0.71)、Ni(−0.01)、As(−0.11)，其中Ni和As属于无警(IER_i≤0)，Cd为预警(0<IER_i≤1)，Hg、Pb和Cu为轻警(1<IER_i≤3)。各样点6种元素联合产生的环境风险预警指数(IER)介于0.04—18.87之间，平均值为4.98，属于中警。经统计IER处于预警、轻警、中警、重警的样点占比依次为1.92%、23.07%、32.69%、42.30%，其中Hg和Pb对IER的贡献分别为35.38%、28.36%。

由IER的空间分布图(图4)可知，研究区6种元素的预警等级，主要表现为由研究区内部向外围逐级降低的分布格局，其中重度和中度预警主要集中分布在研究区中部，研究区东北部和西南部预警等级相对较低。这与RI和PLI空间变化趋势基本一致。综上分析，研究区RI、PLI和IER的空间分布格局主要受到Hg元素的影响，即Hg是研究区最主要的污染元素和生态风险元素。

为探析昌吉市道路积尘重金属污染的生态风险，相较于我国东、中、西部地区有何特点，分别在不同地区各选取5个城市进行对比。从表7可见，15个对比城市中Ni、Cu、As、Cd、Hg和Pb元素单因素潜在生态风险指数(Er)的最大值分别出现在常州、北京、宝鸡、北京、开封、开封，依次为研究区的3.14、5.05、3.46、19.26、3.98、3.04倍，分别呈现轻微、中等、轻微、极强、极强和轻微风险。各城市综合潜在生态风险指数(RI)的递减顺序依次为北京、洛阳、开封、宝鸡、常州、淮南、乌鲁木齐、天津、库尔勒、克拉玛依、石家庄、南京、西安、包头、太原。大体上，研究区道路积尘中重金属污染的生态风险低于我国东、中、西部地区的对比城市。这主要与昌吉市工业化、城市化以及经济发展水平相对较低相关。此外，昌吉市先后荣获“国家卫生城市”、“全国环境综合整治优秀城市”、“国家园林城市”和“全国文明城市”等荣誉称号，表明昌吉市在城市环境保护、污染防治等方面治理有方，使其城市生态环境具有良好的基底值。

（1）昌吉市道路积尘中Ni、Cu、As、Cd、Hg和Pb等6种重金属含量的平均值为26.35、59.33、9.92、0.21、0.05、46.83 mg·kg⁻¹，依次为新疆土壤背景值的0.99、2.22、0.89、1.71、2.76、2.41倍，其中Hg、Pb和Cu属于中度污染，Cd为轻度污染，Ni和As呈现轻微污染，6种元素的平均污染负荷指数为1.68，属于轻度污染。

（2）从生态风险来看，Hg和Cd分别属较强和中等风险，Ni、Cu、As和Pb均为轻微生态风险，综合潜在生态风险指数的平均值为198.1，呈现中等生态风险；平均环境风险预警指数为4.98，属于中度预警态势，其中Ni和As为无警，Cd为预警，Hg、Pb和Cu为轻警。

（3）昌吉市道路积尘中6种重金属元素PLI、RI、IER的空间分布较为相似，其空间分布格局主要受Hg和Pb的影响。因此，昌吉市在城市开发建设过程中应加大对Hg和Pb等生物重毒性较大的污染元素的风险管控。