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城市地表灰尘主要来自大气沉降、城市交通、工程建设、工业生产等各种非点源所产生的颗粒物质，由于不透水地面在城市区域分布广泛，沉积于不透水层的地表灰尘易受所在地区人类生产生活影响和较为频繁的扰动和干扰，其物质组成和来源更为复杂[1-3]。同时，在外动力作用下，地表灰尘容易扬起悬浮于空气之中，在“扬起—沉降—扬起”这个交替循环过程中，影响环境质量，并通过手口间接摄入、呼吸和皮肤接触等途径被人体吸收、积累，从而对人体健康产生危害[4-5]。另外，在降雨的冲刷作用下，地表灰尘可以进入水循环系统，从而造成间接污染[6]，成为影响城市环境质量和威胁居民健康的潜在因素。因此，对于城市地表灰尘的环境污染及人群暴露风险评价成为学术界长期的研究热点。
近几年来，国内外众多学者对于地表灰尘的中重金属污染研究已有大量报道，主要集中在重金属来源识别[7-9]、污染特征[10-11]、赋存形态[12-14]、生态风险及健康风险评价[15-17]等方面，空间污染分布涉及较少，且已有研究表明，绝大多数城市的地表灰尘具有重金属富集积累的趋势，污染特征与当地的自然地理、生产、生活等因素相关。银川市作为典型的内陆城市，干旱少雨、风大沙多，颗粒物污染一直是影响本地空气质量的重要因素，特别是在供暖季对银川市环境空气质量的影响最为显著[18]。部分学者关注到了银川市的重金属污染问题，认为银川市春季风沙期和冬季采暖期是银川市一年中PM2.5中重金属元素在的强污染期[19]，宁东燃煤电厂周边表层土壤中Pb、Cd和Hg存在富集，其中Cd和Hg富集明显[20]；银川湿地底泥中Cd富集程度最高，Hg的富集程度最低，总体上As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素平均含量均小于一级自然背景值[21]，但关于地表灰尘中重金属污染还鲜研究。
地表灰尘分布范围广，污染物质大多来自区域内部短时间内的累积，可以起到更好的指示作用[2]，为了解银川市地表尘中重金属的污染累积和空间分布特征，揭示生产生活对地表尘中重金属污染的影响，揭示其环境来源，评估健康风险，本研究采集银川市工业区、文教区、住宅区、商业区、交通区以及公园等不同功能区的41个地表灰尘样品，采用原子吸收分光光度法、原子荧光法测定不同功能区地表灰尘中Pb、Hg、As、Cr、Cd、Cu、Zn和Ni的含量，以期为银川市重金属污染防治及人群健康风险管理提供一定的理论和科学依据。
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于2019年2月26日至3月9日对银川市地表灰尘进行采样，总样品数为41个，其中住宅区9个、交通区8个、文教区7个、公园6个、工业区6个、商业区5个（图1）。采样时选择无风无雨天气，采样位置总体选择离地面1 m以上的窗台或建筑物表面。每个采样点利用刷子清扫附近5处地表灰尘样品，现场利用四分法混合成一个综合样品。每个样品重约10 g，放入锡箔纸袋中。同时，利用GPS记录采样点位置，并记录四周环境状况。采集的灰尘样品带回实验室，自然风干，过100 mm筛，剔除砂粒、毛发等杂物，贮存于棕色广口瓶中，4 ℃保存备用。
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准确秤取0.3 g样品，采用HNO3-HCl-HF-HClO4四酸消解法，全自动消解仪进行样品消解。金属元素Pb、Cd使用石墨炉原子吸收分光光度法测定其含量，Cr、Cu、Zn元素使用火焰原子吸收分光光度法测定其含量，Hg和As 元素采用原子荧光法测定其含量。每个样品重复2次，取平均值，样品相对偏差<3%。实验过程中采用国家标准土壤样品(GSS-3、GSS-4、GSS-8) 进行准确度和精密度质量控制，准确度和精密度范围为2.03%—10.38%、0.16%—6.73%，标准曲线除镉元素R2=0.998外，其它元素标准曲线R2均>0.999，测定结果满足质控要求。
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地表灰尘中重金属污染评价的方法很多[5,22]，不同方法的侧重点不同，通过对比分析，本研究采用近年来广泛使用的地累积指数法[23]进行地表灰尘的重金属污染水平评价，该方法不仅考虑自然因素的影响，而且注重人为活动的干扰作用，其计算公式为：
式中，Igeo表示地累积指数；Ci表示灰尘中重金属i的含量；Bi表示重金属i的环境背景值，本研究采用宁夏土壤元素背景值[24]；k为常数，k =1.5。
根据Igeo数值的大小，可以将重金属污染程度分为 7 个等级[25]，即Igeo≤0 无污染；0<Igeo<1 轻度污染；1<Igeo<2 偏中度污染；2<Igeo<3 中度污染；3<Igeo<4 偏重度污染；4<Igeo<5 重度污染；Igeo≥5 严重污染。
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本研究所测的这8种重金属均为与人类健康有关的非致癌物质，Cd 、Cr、As和Ni同时又具有致癌风险。地表灰尘中的重金属可经手口直接摄入、呼吸吸入以及皮肤接触吸收等途径进入人体，根据美国环保署(2013年)推荐的方法[26-27]，重金属非致癌风险和致癌风险评价模型如下：
式中，CR表示致癌风险；ADDi表示各种途径平均日剂量（mg·kg−1·d−1），包括手口直接摄入、呼吸吸入和皮肤接触吸收；CFS表示致癌率（mg·kg−1·d−1），Cd为6.3，Cr为42，As 为15.1，Ni为0.84[28-29]。
式中，HQ表示非致癌风险；RfDi表示非致癌物经某种途径摄入的日均推荐剂量（mg·kg−1·d−1）,US EPA 提供的8种重金属的RfDi见表1。
对于致癌风险，若CR>10－6，则该物质表现出致癌风险；对于非致癌风险，若 HQ>1，则该物质表现出非致癌风险。
儿童和成人通过手口直接摄入、呼吸吸入和皮肤接触吸收这3种途径摄入重金属的计算公式如下：
式中，ADDoral表示居民通过手口直接摄入的重金属（mg·kg−1·d−1）；ADDdermal表示居民通过皮肤接触摄入的重金属（mg·kg−1·d−1）；ADDinhale表示居民通过呼吸摄入的重金属（mg·kg−1·d−1）。表2列出了评价模型里各参数的含义和取值[26-28]。
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对测定数据作统计分析，结果见表3，经单样本 K-S检验，表明所有重金属元素均符合正态分布。
统计结果显示，测定样品中8种金属元素中除As元素平均含量与中国和宁夏的土壤背景值接近，Cr和Ni元素部分功能区略高与背景值外，其余重金属元素平均含量均明显高于背景值，说明银川市地表尘中存在重金属富集的现象。银川市地表灰尘中重金属含量与宁夏土壤背景值比值的平均值排序为Cd（8.0）>Hg（7.9）>Zn（3.7）>Cu（2.3）>Pb（1.6）>Cr（1.3）>Ni（1.0）>As（0.9），特别是Hg和Cd，平均含量高于宁夏背景值的7.9倍和8倍，说明银川市地表灰尘重金属以Hg和Cd污染为主，与宝鸡市[30]、克拉玛依市[31]、兰州市[14]等城市的研究结果一致，表明Hg和Cd更易在地表灰尘中富集。
变异系数能够反映土壤重金属元素的区域差异性，银川市地表尘中8种重金属变异系数大小顺序为: Hg（1.44）>Cr（0.87）>Cd（0.62）>Ni（0.55）>Zn（0.48）>Pb（0.34）>Cu（0.26）>As（0.18）。其中，Hg的变异系数>1，属于高度变异，说明该元素可能受某些局部污染源的显著影响；Cr、Cd、Ni变异系数在0.5—1之间，属于中等变异，表明地表灰尘中这3种元素含量可能受人类活动影响，具有局部污染源；Zn、Cu、Pb、As变异系数小于0.5，属弱变异，表明地表灰尘中这4 种微量元素含量受外界的影响较小[28].
为了全面和直观反映银川城区中重金属含量空间分布特征，利用 ArcGIS 软件，采用普通克里金插值法绘制出银川城区 8种重金属含量的空间分布图。从图2 可以看出，AS—Cd元素的分布格局相似，其高值主要分布在银川市的东部和中南部地区；Cr—Ni元素的分布格局相似，其高值主要分布在银川市的中南部地区，其余区域浓度均较低；Cu元素浓度高值地区出现在银川市东北和中南部；Hg元素浓度高值区主要分布在东部区域，西部浓度较低，中部浓度最低；Pb元素浓度高值区位于银川市西部地区，东北角出现次高峰；Zn元素浓度高值区在银川市东部区域并向西逐渐降低。结合实地调查，研究区东部为兴庆区辖区，该区域人口稠密，住宅、商贸城、物流园等分布较多，As、Cd、Zn、Cu、Hg等元素在该地区含量较高，可能与该地区生活、交通密度较高有关；研究区中南部属西夏区辖区，主要是工业园区，包括机械铸造、化肥厂、西夏热电厂、硅材料公司等企业均集中在本地域，工业生产活动可能是As、Cd、Cr、Ni、Cu元素污染的潜在源之一；此外，研究区东北角分布有银川市最大的汽车商贸城、德胜工业园区，银川市城市客运汽车站也位于该区域，工业生产活动和高强度交通污染排放叠加可能是该区域出现Pb、Cu、Zn污染高值的重要因素之一。
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表4显示了银川市不同功能区地表灰尘中重金属元素的含量特征，各功能区地表灰尘中重金属元素的含量见图3。从表4和图3可以看出，所有重金属元素在公园浓度最低，Zn、Cu、Cd和 Pb在商业区样点的浓度较高， Ni、Cr在交通区样点的浓度最高，Hg在文教、住宅、交通区样点的浓度较高， As除公园外，其它功能区差异不大。本研究商业区Zn、Cu、Cd和 Pb浓度较高，与赵一莎等[14]对兰州市不同功能区地表灰尘中重金属污染研究结果一致，梁青芳等[32]研究发现宝鸡市商业区Pb、Zn、As 含量较高。一般认为，人类的交通活动和尾气排放是地表灰尘重金Zn、Cu、Cd和 Pb的重要来源之一[14,33]。银川市人口密度较低，商业区相较于交通区往往具有更稠密的城市人口和交通量，这可能是商业区地表灰尘污染较重的重要因素。
本研究中公园重金属元素浓度最低，一方面是因为公园人流和车流量较小，另一方面与公园内植物茂盛，对重金属有一定的吸收作用有关。值得注意的是，银川市文教区和住宅区地表灰尘中Hg浓度较高，Pb、Zn浓度在商业区最高外，文教区和住宅区浓度也较高。一般情况下，煤炭燃烧、汽车尾气被认为是影响Hg累积的最大排放源[34-35]，同时工业活动、装修材料的老化、脱落等也会造成Hg的积累[36]，本研究采样区基本上临近交通密集的主干道，受到交通工具和居民生活影响较大，同时，近两年银川市采取了集中供热、燃料替代等大气污染防治措施，虽然市区燃煤供暖锅炉大幅减少，但是煤炭燃烧对Hg的累积影响依然存在。而汽车尾气排放、轮胎及车辆镀金部分磨损均能释放大量的Pb、Zn等元素[32]，因而交通污染和煤炭燃烧、人类活动等可能是造成文教和住宅区地表灰尘中Hg、Zn、Pb浓度较高的主要因素。
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利用式（1）计算出银川城区地表灰尘中各重金属的地累积指数，结果见表5及图4。可以看出，银川城区地表灰尘中8种重金属的平均Igeo含量顺序为: Cd>Hg>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>As。其中Cd的Igeo均值为2.146，为中度污染；Hg、Zn的Igeo均值介于1到2之间，为偏中度污染；Cu、Pb的Igeo均值介于0到1之间，为轻度污染；As、Ni、Cr的Igeo均值小于0，为无污染。值得注意的是，Hg元素有4.88%采样点属于重度及以上污染水平，34.15%的采样点属于中污染级，说明Hg元素点状污染特征明显。银川市的地表灰尘中Cd和Hg污染问题应引起关注。
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采用公式（4）至（6），对成人和儿童通过手口直接摄入、呼吸吸入和皮肤接触吸收这3种途径摄入重金属进行计算，结果见表6。儿童和成人对于地表灰尘中8种重金属的日均摄入剂量顺序均为手口直接摄入>皮肤接触吸收>呼吸吸入，表明经手口摄入是地表灰尘进入人体的主要途径，且手口直接摄入剂量远大于皮肤接触吸收和口鼻呼吸吸入剂量。各种途径下，儿童的日均摄入量均高于成人的日均摄入量，对于不同重金属的日均摄入量的均值顺序依次为：Zn>Cu >Pb>Cr>Ni>As>Hg>Cd。
采用公式（2）和（3），计算得出8种重金属的非致癌风险和致癌风险。图5（a）表明，各种重金属元素对儿童和成人的非致癌风险值依次为Cr（2.81×10−1和1.51×10−1）>Pb（1.13×10−1和1.46×10−2）>As（1.07×10−1和3.56×10−2）>Cu（1.57×10−2和2.03×10−3）>Zn（8.91×10−3和1.15×10−3）>Hg（6.88×10−3和8.97×10−4）>Ni（1.98×10−3和1.05×10−3）>Cd（1.01×10−3和6.88×10−4），非致癌风险值均小于 1，在可接受的标准范围内(HQ<1)，说明这8种重金属对居民不存在明显的非致癌健康风险。但需要注意的是，虽然在地表灰尘中Cr、Pb和As元素的富集程度并不高，但由于其在地表灰尘中的质量分数较大，且日均推荐剂量（RfDi）极低，对儿童和成人的非致癌风险值在数量级上已经接近阈值，其潜在的危害不容忽视。
对于致癌风险而言，4种重金属的致癌风险值均超过美国EPA推荐的致癌水平，如图5（b）所示，呈现出潜在的致癌风险，对于儿童和成人，致癌风险值依次为Cr（3.5×10−3和1.82×10−3）、As（4.63×10−4和1.18×10−4）、Ni（3.29×10−5和1.71×10−5）、Cd（5.75×10−6和6.89×10−6）。同一种重金属对儿童的非致癌风险和致癌风险均高于成人，所以灰尘重金属更易对儿童产生健康风险。
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银川市城区地表灰尘中重金属元素之间的相关分析结果见表7。由表7可知，银川市地表灰尘中AS与Cu、Cd、Pb、Zn之间、Cu与Cd、Cr、Zn、Ni之间两两呈极显著正相关（P<0.01），表明它们之间具有较大的同源性和复合污染，各元素间相互关系比较复杂。
为进一步探讨银川市城区地表灰尘中重金属元素的环境来源，对8种重金属元素的测定结果进行主成分分析，分析结果见表8。经旋转后共提取出3个特征值，其累积方差贡献率为76.6%。第一组主成分中载荷较高的元素有 AS、Cu、Cd、Ni和Cr，方差贡献率达43.87%；Pb和Zn在第二组主成分载荷较大，方差贡献率为21.63%；第三组主成分上Hg的载荷较大，方差贡献率为21.63%。值得注意的是Pb和Zn在第一主成分和第二主成分上均有较高的载荷，提示Pb 和Zn含量可能由多种因素控制，存在两种不同的来源。
结合多元统计、重金属空间分布（图2）和功能区分布特征（表4），第一主成分中Cu、Cd元素在银川市东北部的商业区和中南部的工业区含量较高，特别是银川市金凤万达商业街、新华百货广场以及银川隆基硅材料有限公司附近样点浓度较高，说明其受交通和工业生产排放影响较大；Ni、Cr浓度高值出现的交通区位于银川市中南地区，该区域货车流量大，且距离西夏区工业园区较近，分布有机械铸造、硅电材料、耐磨材料等工业企业，表明其可能受到交通和工业排放的叠加影响。值得注意的是，本研究中As和Ni的平均含量等于或小于宁夏土壤背景值，表明其受人为影响较小，可能来源于成土母质[37-38]。因此，综合分析该主成分可能来源于工业源、交通源和自然源。
第二主成分中Pb和Zn元素在商业区含量较高。Zn-Pb 元素组合被看作是交通污染的特征[39]，汽车的轮胎磨损是Zn的主要来源，轮胎磨损后的含Zn粉尘与大气尘埃一起进入表层土壤[40-41]，从而造成锌的累积，本研究中Zn元素高值主要分布在银川市人口和交通密集的东部地区，包括王府井商业广场、新华百货商业广场等商业广场交通流量大的地点Zn浓度较高，说明交通尾气排放可能是地表灰尘中Zn的主要来源之一。Pb元素的空间分布与Zn元素明显不同，高值分布在银川市西部地区，高值样点为西夏区文化馆商业广场，该样点是银川市西部人流量、车流量最为密集的商业区之一，说明交通源是造成Pb在银川市西部地区较高的因素之一，但基于空间分布的差异性，推测可能还存在其他污染源。对周边土地利用调查发现，银川市西夏热电厂位于银川市西南部，承担着银川市中心城区西夏区和金凤区的采暖供热，设计供热面积达2573万m2，已有研究表明，煤炭燃烧和汽车尾气排放被认为是Pb的重要来源[38,42]，而银川市主导风向为北风和东南风，该风向下有利于将热电厂灰尘输送至周边地区，加之热电厂燃煤常年由货车运输，货运流量较大，因而推测认为汽车尾气和煤炭燃烧的叠加使银川市西部地区地表灰尘出现Pb浓度较高的现象。因此，综合分析该主成分可能来源于交通源和煤炭燃烧.
第三组主成分上，Hg的载荷较大，空间分布上Hg元素在银川市东部地区的住宅、文教和交通区浓度最高、其次是西部地区。环境中的Hg 元素被认为主要来源于煤的燃烧[43]，而本研究中Hg元素高值区均出现的银川市燃煤供热站（厂）集中的西部和东部地区，与该结论一致，因此，推测该主成分可能来源于煤炭燃烧。
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（1）银川市城区地表灰尘中八种重金属均存在不同程度的富集，其中Cd 和Hg含量显著高于宁夏土壤元素背景值，表明地表灰尘重金属以Cd 和Hg污染为主；Ni和As含量低于或接近于宁夏土壤元素背景值，受人类影响较小。地积累指数评价显示，地表灰尘中As、Ni和Cr呈现无污染水平，Cu和Pb为轻污染水平，Hg 和Zn为偏中度污染，Cd为中度污染。
（2） Zn、Cu、Cd和Pb在商业区样点的浓度较高，Cr 在交通区浓度最高，在公园浓度最低；Hg在住宅、商业、交通区浓度较高，在公园浓度最低；Ni和As在各功能区的浓度较均匀。各功能区相比较而言商业区的污染状况最为严重。
（3）本研究中8种重金属的非致癌风险值均<1，未超过EPA推荐的非致癌水平，而4种致癌重金属的致癌风险值超过10−6，超过EPA推荐的致癌水平，呈现出潜在的致癌风险，且重金属对儿童的非致癌风险和致癌风险均高于成人，所以灰尘重金属更易对儿童产生健康风险。
（4）银川市城区地表灰尘中，AS与Cu、Cd、Pb、Zn元素，Cu与Cd、Cr、Zn、Ni元素在0.01水平上显著相关，推断它们之间具有较大的同源性或复合污染。主成分分析表明，AS、Cu、Cd、Ni、Cr可能来源于自然源、工业源和交通源；Pb和Zn可能来源于交通源和煤炭燃烧；Hg在银川市东部和西部浓度较高，可能来源于煤炭燃烧。加强燃煤烟尘治理和汽车燃油质量是改善银川市地表灰尘重金属污染的重要措施。
银川市城区地表灰尘重金属污染分布特征及健康风险评价
Pollution characteristics and health risk assessment of heavy metals of surface dust in urban areas of Yinchuan
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摘要: 为了解银川市城区地表灰尘中重金属污染特征及其健康风险，采集不同功能区的41个地表灰尘样品，采用原子吸收分光光度法和原子荧光法测定了地表灰尘中八种重金属含量，应用地累积指数、GIS 空间分析、相关分析和主成分分析等方法对重金属的污染特征、空间分布、可能来源进行分析，利用美国国家环保局(US EPA)推荐的健康风险评价模型，对儿童和成人的致癌和非致癌健康风险进行评估。结果表明，银川市城区地表灰尘中重金属含量与宁夏土壤背景值比值排序为Cd（8.0）＞Hg（7.9）＞Zn（3.7）＞Cu（2.3）＞Pb（1.6）＞Cr（1.3）＞Ni（1.0）＞As（0.9），除Ni和As外，各种重金属呈不同程度的富集，特别是Cd 和Hg富集较重。地累积指数范围为−0.627—2.146，其中，As、Ni和Cr呈现无污染水平，Cu和Pb为轻污染水平，Hg和Zn为偏中度污染，Cd为中度污染。不同功能区中，Zn、Cu、Cd和Pb在商业区的浓度较高，Ni、Cr 在交通区浓度最高，Hg在住宅、文教、交通区浓度较高，As除公园外，在各功能区的浓度相对较均匀。健康风险评价表明8种重金属的非致癌风险均小于1，未超过EPA推荐的非致癌水平，但Cr、As、Ni、Cd 4种重金属的致癌风险均超过EPA推荐的致癌水平，呈现出潜在的致癌风险，且相比成人，重金属更易对儿童产生健康风险。相关分析和主成分分析表明AS、Cu、Cd、Ni和Cr之间，Pb和Zn之间具有相似的来源，其中AS、Cu、Cd、Ni和Cr来源为自然源、工业源和交通源；Pb和Zn来源为交通源和煤炭燃烧，Hg来源为煤炭燃烧。Abstract: In order to understand the pollution characteristics and health risk of heavy metals in surface dust of Yinchuan city, a total of 41 surface dust samples were collected from different functional areas,AAS and AFS were used to measure the content of eight heavy metals in surface dust.The pollution characteristics,spatial distribution and possible sources of heavy metals were analyzed by means of Geo-accumulation index (Igeo),GIS spatial analysis and correlation analysis and principal component analysis.The carcinogenic and non-carcinogenic health risks for children and adults were assessed using health risk assessment models recommended by the US Environmental Protection Agency (USEPA).The results showed that the ratio of heavy metal content in Yinchuan urban surface dust to soil background value in Ningxiawas Cd(8.0)>Hg(7.9)>Zn(3.7)>Cu(2.3)>Pb(1.6)>Cr(1.3) >Ni(1.0)>As(0.9), except for Ni and As, all kinds of heavy metals were enriched to different degrees, especially Cd and Hg.The Igeo ranged from −0.627 to 2.146, As, Ni and Cr showed nopollution level, Cu and Pb showed light pollution level, Hg and Zn showed light to moderate pollution level and Cd showed moderate pollution level. The contents of Zn, Cu, Cd and Pb were higher in the commercial areas, Cr and Ni were higher in the traffic areas, Hg was higher in the residential, cultural,educational and traffic areas, and As was relatively uniform in each functional area except parks. The human health risk assessment indicated that the non−carcinogenic risk of eight heavy metals in this study were less than 1, which did not exceed the non-carcinogenic level recommended by USEPA. However, the carcinogenic risks of Cr, As, Ni, Cd all exceed the carcinogenic levelsrecommended by the USEPA, presenting a potential carcinogenic risk. Compared with adults, heavy metals are more likely to cause health risks to children. Correlation and principal component analysis indicated that there may be similar sources between As, Cu, Cd, Ni and Cr, and between Pb and Zn, among which, the main sources of As, Cu, Cd, Ni and Cr were natural, industrial and traffic sources. The accumulation of Pb and Zn was mainly affected by traffic sources and coal combustion, while Hg was mainly originated from coal combustion.
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Key words:
- surface dust /
- heavy metals /
- pollution characteristics /
- risk assessment /
- Yinchuan urban district
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城市地表灰尘主要来自大气沉降、城市交通、工程建设、工业生产等各种非点源所产生的颗粒物质，由于不透水地面在城市区域分布广泛，沉积于不透水层的地表灰尘易受所在地区人类生产生活影响和较为频繁的扰动和干扰，其物质组成和来源更为复杂[1-3]。同时，在外动力作用下，地表灰尘容易扬起悬浮于空气之中，在“扬起—沉降—扬起”这个交替循环过程中，影响环境质量，并通过手口间接摄入、呼吸和皮肤接触等途径被人体吸收、积累，从而对人体健康产生危害[4-5]。另外，在降雨的冲刷作用下，地表灰尘可以进入水循环系统，从而造成间接污染[6]，成为影响城市环境质量和威胁居民健康的潜在因素。因此，对于城市地表灰尘的环境污染及人群暴露风险评价成为学术界长期的研究热点。
近几年来，国内外众多学者对于地表灰尘的中重金属污染研究已有大量报道，主要集中在重金属来源识别[7-9]、污染特征[10-11]、赋存形态[12-14]、生态风险及健康风险评价[15-17]等方面，空间污染分布涉及较少，且已有研究表明，绝大多数城市的地表灰尘具有重金属富集积累的趋势，污染特征与当地的自然地理、生产、生活等因素相关。银川市作为典型的内陆城市，干旱少雨、风大沙多，颗粒物污染一直是影响本地空气质量的重要因素，特别是在供暖季对银川市环境空气质量的影响最为显著[18]。部分学者关注到了银川市的重金属污染问题，认为银川市春季风沙期和冬季采暖期是银川市一年中PM2.5中重金属元素在的强污染期[19]，宁东燃煤电厂周边表层土壤中Pb、Cd和Hg存在富集，其中Cd和Hg富集明显[20]；银川湿地底泥中Cd富集程度最高，Hg的富集程度最低，总体上As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素平均含量均小于一级自然背景值[21]，但关于地表灰尘中重金属污染还鲜研究。
地表灰尘分布范围广，污染物质大多来自区域内部短时间内的累积，可以起到更好的指示作用[2]，为了解银川市地表尘中重金属的污染累积和空间分布特征，揭示生产生活对地表尘中重金属污染的影响，揭示其环境来源，评估健康风险，本研究采集银川市工业区、文教区、住宅区、商业区、交通区以及公园等不同功能区的41个地表灰尘样品，采用原子吸收分光光度法、原子荧光法测定不同功能区地表灰尘中Pb、Hg、As、Cr、Cd、Cu、Zn和Ni的含量，以期为银川市重金属污染防治及人群健康风险管理提供一定的理论和科学依据。
1. 材料与方法（Materials and methods）
1.1 样品采集
于2019年2月26日至3月9日对银川市地表灰尘进行采样，总样品数为41个，其中住宅区9个、交通区8个、文教区7个、公园6个、工业区6个、商业区5个（图1）。采样时选择无风无雨天气，采样位置总体选择离地面1 m以上的窗台或建筑物表面。每个采样点利用刷子清扫附近5处地表灰尘样品，现场利用四分法混合成一个综合样品。每个样品重约10 g，放入锡箔纸袋中。同时，利用GPS记录采样点位置，并记录四周环境状况。采集的灰尘样品带回实验室，自然风干，过100 mm筛，剔除砂粒、毛发等杂物，贮存于棕色广口瓶中，4 ℃保存备用。
1.2 灰尘样品重金属含量分析
准确秤取0.3 g样品，采用HNO3-HCl-HF-HClO4四酸消解法，全自动消解仪进行样品消解。金属元素Pb、Cd使用石墨炉原子吸收分光光度法测定其含量，Cr、Cu、Zn元素使用火焰原子吸收分光光度法测定其含量，Hg和As 元素采用原子荧光法测定其含量。每个样品重复2次，取平均值，样品相对偏差<3%。实验过程中采用国家标准土壤样品(GSS-3、GSS-4、GSS-8) 进行准确度和精密度质量控制，准确度和精密度范围为2.03%—10.38%、0.16%—6.73%，标准曲线除镉元素R2=0.998外，其它元素标准曲线R2均>0.999，测定结果满足质控要求。
1.3 重金属污染水平评价
地表灰尘中重金属污染评价的方法很多[5,22]，不同方法的侧重点不同，通过对比分析，本研究采用近年来广泛使用的地累积指数法[23]进行地表灰尘的重金属污染水平评价，该方法不仅考虑自然因素的影响，而且注重人为活动的干扰作用，其计算公式为：
Igeo=log2CikBι (1) 式中，Igeo表示地累积指数；Ci表示灰尘中重金属i的含量；Bi表示重金属i的环境背景值，本研究采用宁夏土壤元素背景值[24]；k为常数，k =1.5。
根据Igeo数值的大小，可以将重金属污染程度分为 7 个等级[25]，即Igeo≤0 无污染；0<Igeo<1 轻度污染；1<Igeo<2 偏中度污染；2<Igeo<3 中度污染；3<Igeo<4 偏重度污染；4<Igeo<5 重度污染；Igeo≥5 严重污染。
1.4 重金属健康风险评价
本研究所测的这8种重金属均为与人类健康有关的非致癌物质，Cd 、Cr、As和Ni同时又具有致癌风险。地表灰尘中的重金属可经手口直接摄入、呼吸吸入以及皮肤接触吸收等途径进入人体，根据美国环保署(2013年)推荐的方法[26-27]，重金属非致癌风险和致癌风险评价模型如下：
CR=∑(ADDi×CFS) (2) 式中，CR表示致癌风险；ADDi表示各种途径平均日剂量（mg·kg−1·d−1），包括手口直接摄入、呼吸吸入和皮肤接触吸收；CFS表示致癌率（mg·kg−1·d−1），Cd为6.3，Cr为42，As 为15.1，Ni为0.84[28-29]。
HQ=∑(ADDiRfDi) (3) 式中，HQ表示非致癌风险；RfDi表示非致癌物经某种途径摄入的日均推荐剂量（mg·kg−1·d−1）,US EPA 提供的8种重金属的RfDi见表1。
Cr Ni Cu Zn As Cd Pb Hg RfDoral 3.00×10−3 2.00×10−2 4.00×10−2 3.00×10−1 3.00×10−4 1.00×10−3 3.50×10−3 3.00×10−4 RfDinh 2.86×10−5 2.06×10−2 4.02×10−2 3.00×10−1 3.01×10−4 5.71×10−5 3.52×10−3 3.00×10−4 RfDder 6.00×10−5 5.40×10−3 1.20×10−2 6.00×10−2 1.23×10−4 2.50×10−5 5.25×10−4 2.40×10−5 | Show Table
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对于致癌风险，若CR>10－6，则该物质表现出致癌风险；对于非致癌风险，若 HQ>1，则该物质表现出非致癌风险。
儿童和成人通过手口直接摄入、呼吸吸入和皮肤接触吸收这3种途径摄入重金属的计算公式如下：
ADDoral=C×IRoral×EF×EDBW×AT×10−6 (4) ADDinh=C×EF×ED×IRinhPEF×AT×BW (5) ADDdermal=C×SA×SL×ABS×EF×EDBW×AT×10−6 (6) 式中，ADDoral表示居民通过手口直接摄入的重金属（mg·kg−1·d−1）；ADDdermal表示居民通过皮肤接触摄入的重金属（mg·kg−1·d−1）；ADDinhale表示居民通过呼吸摄入的重金属（mg·kg−1·d−1）。表2列出了评价模型里各参数的含义和取值[26-28]。
表 2 健康风险评价模型参数取值Table 2. Parameters values of health risk assessment model参数Parameter 含义Meaning 单位Unit 成人Adult 儿童Children IRoral 经手口直接摄入灰尘速率Soil ingestion rate mg·d−1 100 200 IRinh 呼吸速率Respiratory rate m3·d−1 20 7.6 EF 接触频率Exposure frequency d·a−1 350 350 ED 暴露时间Exposure duration a 24 6 BW 平均体重Body weight kg 61.8 15.9 AT 平均寿命Average lifetime exposure d 非致癌风险为365×ED，致癌风险为365×70 PEF 颗粒排放因子Particles emission factor m3·kg−1 1.36×109 1.36×109 SA 皮肤暴露面积Skin surface area cm2·d−1 5700 2800 SL 皮肤黏着度Skin adhesion mg·(cm2·d)−1 0.07 0.2 ABS 皮肤吸收因子 Skin absorption factor — 砷（As），ABS=0.03，其他元素ABS=0.001 | Show TableDownLoad:
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2. 结果与讨论(Results and discussion)
2.1 银川城区地表灰尘中重金属的含量水平和空间分布
对测定数据作统计分析，结果见表3，经单样本 K-S检验，表明所有重金属元素均符合正态分布。
表 3 银川城区地表灰尘重金属的描述性统计（mg·kg−1）Table 3. Descriptive statistical results of heavy metals in surface dust in urban area of Yinchuan金属元素Element 极小值Minimum 极大值Maximum 中值Median 均值Mean 标准偏差SD 变异系数/%CV 检出率/%Detection rate 中国背景值Background value of China 宁夏背景值Background value of Ningxia Hg 0.010 1.431 0.115 0.165 0.237 1.436 100 0.065 0.021 As 6.060 14.300 10.800 10.842 1.938 0.179 100 11.2 11.9 Cu 21.645 88.624 50.266 51.638 13.613 0.264 100 22.6 22.1 Pb 15.293 71.060 31.700 32.068 10.860 0.339 100 26 20.6 Cd 0.232 1.974 0.750 0.880 0.548 0.623 100 0.097 0.11 Cr 45.972 503.832 65.383 80.312 70.152 0.873 100 61 60.6 Zn 87.030 520.813 185.481 218.614 104.938 0.480 100 74.2 58.8 Ni 22.087 161.679 35.105 37.818 20.884 0.552 100 26.922 36.5 Note:Sample quantity n=41，Repeat each sample twice. | Show TableDownLoad:
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统计结果显示，测定样品中8种金属元素中除As元素平均含量与中国和宁夏的土壤背景值接近，Cr和Ni元素部分功能区略高与背景值外，其余重金属元素平均含量均明显高于背景值，说明银川市地表尘中存在重金属富集的现象。银川市地表灰尘中重金属含量与宁夏土壤背景值比值的平均值排序为Cd（8.0）>Hg（7.9）>Zn（3.7）>Cu（2.3）>Pb（1.6）>Cr（1.3）>Ni（1.0）>As（0.9），特别是Hg和Cd，平均含量高于宁夏背景值的7.9倍和8倍，说明银川市地表灰尘重金属以Hg和Cd污染为主，与宝鸡市[30]、克拉玛依市[31]、兰州市[14]等城市的研究结果一致，表明Hg和Cd更易在地表灰尘中富集。
变异系数能够反映土壤重金属元素的区域差异性，银川市地表尘中8种重金属变异系数大小顺序为: Hg（1.44）>Cr（0.87）>Cd（0.62）>Ni（0.55）>Zn（0.48）>Pb（0.34）>Cu（0.26）>As（0.18）。其中，Hg的变异系数>1，属于高度变异，说明该元素可能受某些局部污染源的显著影响；Cr、Cd、Ni变异系数在0.5—1之间，属于中等变异，表明地表灰尘中这3种元素含量可能受人类活动影响，具有局部污染源；Zn、Cu、Pb、As变异系数小于0.5，属弱变异，表明地表灰尘中这4 种微量元素含量受外界的影响较小[28].
为了全面和直观反映银川城区中重金属含量空间分布特征，利用 ArcGIS 软件，采用普通克里金插值法绘制出银川城区 8种重金属含量的空间分布图。从图2 可以看出，AS—Cd元素的分布格局相似，其高值主要分布在银川市的东部和中南部地区；Cr—Ni元素的分布格局相似，其高值主要分布在银川市的中南部地区，其余区域浓度均较低；Cu元素浓度高值地区出现在银川市东北和中南部；Hg元素浓度高值区主要分布在东部区域，西部浓度较低，中部浓度最低；Pb元素浓度高值区位于银川市西部地区，东北角出现次高峰；Zn元素浓度高值区在银川市东部区域并向西逐渐降低。结合实地调查，研究区东部为兴庆区辖区，该区域人口稠密，住宅、商贸城、物流园等分布较多，As、Cd、Zn、Cu、Hg等元素在该地区含量较高，可能与该地区生活、交通密度较高有关；研究区中南部属西夏区辖区，主要是工业园区，包括机械铸造、化肥厂、西夏热电厂、硅材料公司等企业均集中在本地域，工业生产活动可能是As、Cd、Cr、Ni、Cu元素污染的潜在源之一；此外，研究区东北角分布有银川市最大的汽车商贸城、德胜工业园区，银川市城市客运汽车站也位于该区域，工业生产活动和高强度交通污染排放叠加可能是该区域出现Pb、Cu、Zn污染高值的重要因素之一。
2.2 不同功能区地表灰尘中重金属含量水平
表4显示了银川市不同功能区地表灰尘中重金属元素的含量特征，各功能区地表灰尘中重金属元素的含量见图3。从表4和图3可以看出，所有重金属元素在公园浓度最低，Zn、Cu、Cd和 Pb在商业区样点的浓度较高， Ni、Cr在交通区样点的浓度最高，Hg在文教、住宅、交通区样点的浓度较高， As除公园外，其它功能区差异不大。本研究商业区Zn、Cu、Cd和 Pb浓度较高，与赵一莎等[14]对兰州市不同功能区地表灰尘中重金属污染研究结果一致，梁青芳等[32]研究发现宝鸡市商业区Pb、Zn、As 含量较高。一般认为，人类的交通活动和尾气排放是地表灰尘重金Zn、Cu、Cd和 Pb的重要来源之一[14,33]。银川市人口密度较低，商业区相较于交通区往往具有更稠密的城市人口和交通量，这可能是商业区地表灰尘污染较重的重要因素。
表 4 银川市不同功能区地表灰尘中重金属含量特征（mg·kg−1）Table 4. Contents of heavy metal in surface dust from different functional areas of Yinchuan（mg·kg−1）功能区Areas Hg As Cu Pb Cd Cr Zn Ni 文教区（n=7） 范围Range 0.036—1.431 9.160—13.700 38.000— 70.000 16.900— 37.100 0.360— 0.710 62.000— 68.000 162.300— 508.300 26.000— 36.933 均值±标准差Mean±SD 0.294±0.466 10.573±1.446 48.955±10.424 30.732±6.206 0.530±0.102 64.257±1.957 225.226±115.819 33.274±3.324 住宅区（n=9） 范围Range 0.010—0.830 8.820—12.900 33.800—57.000 26.041—55.900 0.547—1.710 59.707—97.000 110.417—520.800 25.533—41.000 均值±标准差Mean±SD 0.177±0.237 11.158±1.189 45.989±7.406 36.178±8.290 0.972±0.393 73.046±12.794 219.245±113.565 35.108±4.213 公园（n=6） 范围Range 0.035—0.122 7.940—11.900 21.645—55.350 15.293—30.792 0.244—0.814 50.466—61.363 87.030—183.667 25.475—37.521 均值±标准差Mean±SD 0.081±0.034 9.186±1.348 44.630±11.327 21.086±5.173 0.429±0.196 56.704±4.112 143.301±39.136 31.371±4.824 商业区（n=5） 范围Range 0.116—0.195 10.050—14.300 55.065—70.446 29.340—71.060 0.750—1.854 66.861—78.405 207.792—470.167 34.505—38.650 均值±标准差Mean±SD 0.160±0.026 12.710±1.483 63.201±6.378 44.127±14.425 1.390±0.512 71.724±4.449 355.585±110.110 36.899±1.800 交通区（n=8） 范围Range 0.089—0.227 8.410—13.600 29.507—88.624 15.923—44.435 0.258—1.875 46.717—503.832 123.775—251.416 25.500—161.679 均值±标准差Mean±SD 0.157±0.049 11.330±1.820 55.453±20.645 31.031±9.053 1.048±0.608 120.71±145.306 206.070±44.059 49.119±42.763 工业区（n=6） 范围Range 0.034—0.161 6.060—13.800 47.071—66.633 17.310—39.714 0.232—1.974 45.972—146.671 114.930—244.419 22.087—59.854 均值±标准差Mean±SD 0.098±0.040 10.130±2.388 55.528±6.670 29.776±7.277 0.955±0.621 86.840±33.995 187.851±40.998 39.332±12.404 | Show TableDownLoad:
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图 3 银川城区不同功能区地表灰尘中重金属元素含量图Figure 3. Contents of heavy metal in surface dust from Yinchuan本研究中公园重金属元素浓度最低，一方面是因为公园人流和车流量较小，另一方面与公园内植物茂盛，对重金属有一定的吸收作用有关。值得注意的是，银川市文教区和住宅区地表灰尘中Hg浓度较高，Pb、Zn浓度在商业区最高外，文教区和住宅区浓度也较高。一般情况下，煤炭燃烧、汽车尾气被认为是影响Hg累积的最大排放源[34-35]，同时工业活动、装修材料的老化、脱落等也会造成Hg的积累[36]，本研究采样区基本上临近交通密集的主干道，受到交通工具和居民生活影响较大，同时，近两年银川市采取了集中供热、燃料替代等大气污染防治措施，虽然市区燃煤供暖锅炉大幅减少，但是煤炭燃烧对Hg的累积影响依然存在。而汽车尾气排放、轮胎及车辆镀金部分磨损均能释放大量的Pb、Zn等元素[32]，因而交通污染和煤炭燃烧、人类活动等可能是造成文教和住宅区地表灰尘中Hg、Zn、Pb浓度较高的主要因素。
2.3 银川城区地表灰尘中重金属污染评价
利用式（1）计算出银川城区地表灰尘中各重金属的地累积指数，结果见表5及图4。可以看出，银川城区地表灰尘中8种重金属的平均Igeo含量顺序为: Cd>Hg>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>As。其中Cd的Igeo均值为2.146，为中度污染；Hg、Zn的Igeo均值介于1到2之间，为偏中度污染；Cu、Pb的Igeo均值介于0到1之间，为轻度污染；As、Ni、Cr的Igeo均值小于0，为无污染。值得注意的是，Hg元素有4.88%采样点属于重度及以上污染水平，34.15%的采样点属于中污染级，说明Hg元素点状污染特征明显。银川市的地表灰尘中Cd和Hg污染问题应引起关注。
表 5 银川城区地表灰尘重金属的Igeo及其不同污染程度样点百分数Table 5.Igeo of heavy metals in surface dust and the number of samples in different pollution categories in Yinchuan 元素Element Igeo 不同污染程度样点百分数Percentage of sites at Different pollution levels/% 范围Range 平均Average 无污染Non 轻污染Light 偏中污染Partial moderate 中污染Moderate 偏重污染Strong 重污染Very strong 极重污染Extremely strong Hg −1.655—5.506 1.837 2.44 9.76 48.87 34.15 — 2.44 2.44 As −1.559—−0.320 −0.743 100.00 — — — — — — Cu −0.615—1.419 0.590 4.88 80.49 14.63 — — — — Pb −1.015—1.201 0.025 46.34 51.22 2.44 — — — — Cd 0.493—3.581 2.146 — 9.75 34.15 31.71 24.39 — — Cr −0.984—2.471 −0.350 85.36 12.20 2.44 — — — — Zn −0.019—2.562 1.182 2.44 26.83 58.54 12.19 − — — Ni −1.310—1.562 −0.627 95.12 2.44 2.44 — — — — Note:Sample quantity n=41，Repeat each sample twice | Show TableDownLoad:
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图 4 银川城区地表灰尘中重金属地累积指数Figure 4. Igeo of heavy metal in surface dust of different functional areas ofYinchuan Yinchuan2.4 银川城区地表灰尘中重金属健康风险评价
采用公式（4）至（6），对成人和儿童通过手口直接摄入、呼吸吸入和皮肤接触吸收这3种途径摄入重金属进行计算，结果见表6。儿童和成人对于地表灰尘中8种重金属的日均摄入剂量顺序均为手口直接摄入>皮肤接触吸收>呼吸吸入，表明经手口摄入是地表灰尘进入人体的主要途径，且手口直接摄入剂量远大于皮肤接触吸收和口鼻呼吸吸入剂量。各种途径下，儿童的日均摄入量均高于成人的日均摄入量，对于不同重金属的日均摄入量的均值顺序依次为：Zn>Cu >Pb>Cr>Ni>As>Hg>Cd。
表 6 不同途径暴露下儿童和成人对重金属的日均摄入量（μg·(g·d)−1）Table 6. Average daily intake of heavy metals for children and adults via different exposure pathway（μg·(g·d)−1）途径pathway 手口摄入Smoke 呼吸吸入Breath 皮肤接触 Skin 儿童Children 成人Adult 儿童Children 成人Adult 儿童Children 成人Adult Hg 1.993×10−6 2.564×10−7 5.569×10−11 3.771×10−11 5.581×10−9 1.023×10−9 As 2.970×10−5 5.768×10−6 3.132×10−10 8.482×10−10 9.415×10−7 2.014×10−6 Cu 6.228×10−4 8.012×10−5 1.740×10−8 1.178×10−8 1.744×10−6 3.197×10−7 Pb 3.868×10−4 4.976×10−5 1.081×10−8 7.317×10−9 1.083×10−6 1.985×10−7 Cd 9.101×10−7 4.683×10−7 2.543×10−11 6.887×10−11 2.548×10−9 5.450×10−9 Cr 8.303×10−5 4.272×10−5 2.320×10−9 6.283×10−9 2.325×10−7 4.972×10−7 Zn 2.637×10−3 3.392×10−4 7.368×10−8 4.988×10−8 7.383×10−6 1.353×10−6 Ni 3.910×10−5 2.012×10−5 1.092×10−9 2.959×10−9 1.095×10−7 2.341×10−7 | Show TableDownLoad:
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采用公式（2）和（3），计算得出8种重金属的非致癌风险和致癌风险。图5（a）表明，各种重金属元素对儿童和成人的非致癌风险值依次为Cr（2.81×10−1和1.51×10−1）>Pb（1.13×10−1和1.46×10−2）>As（1.07×10−1和3.56×10−2）>Cu（1.57×10−2和2.03×10−3）>Zn（8.91×10−3和1.15×10−3）>Hg（6.88×10−3和8.97×10−4）>Ni（1.98×10−3和1.05×10−3）>Cd（1.01×10−3和6.88×10−4），非致癌风险值均小于 1，在可接受的标准范围内(HQ<1)，说明这8种重金属对居民不存在明显的非致癌健康风险。但需要注意的是，虽然在地表灰尘中Cr、Pb和As元素的富集程度并不高，但由于其在地表灰尘中的质量分数较大，且日均推荐剂量（RfDi）极低，对儿童和成人的非致癌风险值在数量级上已经接近阈值，其潜在的危害不容忽视。
图 5 重金属对成人和儿童的非致癌风险及致癌风险Figure 5. Non−carcinogenic and carcinogenic risks of heavy metal for children and adults对于致癌风险而言，4种重金属的致癌风险值均超过美国EPA推荐的致癌水平，如图5（b）所示，呈现出潜在的致癌风险，对于儿童和成人，致癌风险值依次为Cr（3.5×10−3和1.82×10−3）、As（4.63×10−4和1.18×10−4）、Ni（3.29×10−5和1.71×10−5）、Cd（5.75×10−6和6.89×10−6）。同一种重金属对儿童的非致癌风险和致癌风险均高于成人，所以灰尘重金属更易对儿童产生健康风险。
2.5 银川城区地表灰尘中重金属灰尘重金属源解析
银川市城区地表灰尘中重金属元素之间的相关分析结果见表7。由表7可知，银川市地表灰尘中AS与Cu、Cd、Pb、Zn之间、Cu与Cd、Cr、Zn、Ni之间两两呈极显著正相关（P<0.01），表明它们之间具有较大的同源性和复合污染，各元素间相互关系比较复杂。
表 7 银川城区地表灰尘中重金属的相关分析Table 7. Correlation analysis of the heavy metals in surface dust of YinchuanHg As Cu Pb Cd Cr Zn Ni Hg 1 As 0.360* 1 Cu 0.214 0.492** 1 Pb 0.187 0.409** 0.385* 1 Cd 0.036 0.554** 0.405** 0.568** 1 Cr 0.029 0.203 0.451** 0.273 0.362* 1 Zn 0.394* 0.570** 0.444** 0.331* 0.315* 0.074 1 Ni 0.052 0.265 0.494** 0.279 0.411** 0.985** 0.13 1 注：*. 在0.05 水平（双侧）上显著相关P<0.05. **. 在 0.01 水平（双侧）上显著相关P<0.01. | Show TableDownLoad:
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为进一步探讨银川市城区地表灰尘中重金属元素的环境来源，对8种重金属元素的测定结果进行主成分分析，分析结果见表8。经旋转后共提取出3个特征值，其累积方差贡献率为76.6%。第一组主成分中载荷较高的元素有 AS、Cu、Cd、Ni和Cr，方差贡献率达43.87%；Pb和Zn在第二组主成分载荷较大，方差贡献率为21.63%；第三组主成分上Hg的载荷较大，方差贡献率为21.63%。值得注意的是Pb和Zn在第一主成分和第二主成分上均有较高的载荷，提示Pb 和Zn含量可能由多种因素控制，存在两种不同的来源。
表 8 银川城区地表灰尘中重金属的主成分分析Table 8. Principal component analysis of heavy metals in surface dust of YinchuanPC1 PC2 PC3 Hg 0.344 0.146 0.592 As 0.730 0.413 −0.066 Cu 0.758 0.006 0.139 Pb 0.657 0.531 −0.436 Cd 0.727 0.004 −0.525 Cr 0.676 −0.678 0.233 Zn 0.589 0.559 0.144 Ni 0.721 −0.635 0.228 特征值 3.51 1.65 0.968 累计方差 43.874 64.501 76.602 | Show TableDownLoad:
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结合多元统计、重金属空间分布（图2）和功能区分布特征（表4），第一主成分中Cu、Cd元素在银川市东北部的商业区和中南部的工业区含量较高，特别是银川市金凤万达商业街、新华百货广场以及银川隆基硅材料有限公司附近样点浓度较高，说明其受交通和工业生产排放影响较大；Ni、Cr浓度高值出现的交通区位于银川市中南地区，该区域货车流量大，且距离西夏区工业园区较近，分布有机械铸造、硅电材料、耐磨材料等工业企业，表明其可能受到交通和工业排放的叠加影响。值得注意的是，本研究中As和Ni的平均含量等于或小于宁夏土壤背景值，表明其受人为影响较小，可能来源于成土母质[37-38]。因此，综合分析该主成分可能来源于工业源、交通源和自然源。
第二主成分中Pb和Zn元素在商业区含量较高。Zn-Pb 元素组合被看作是交通污染的特征[39]，汽车的轮胎磨损是Zn的主要来源，轮胎磨损后的含Zn粉尘与大气尘埃一起进入表层土壤[40-41]，从而造成锌的累积，本研究中Zn元素高值主要分布在银川市人口和交通密集的东部地区，包括王府井商业广场、新华百货商业广场等商业广场交通流量大的地点Zn浓度较高，说明交通尾气排放可能是地表灰尘中Zn的主要来源之一。Pb元素的空间分布与Zn元素明显不同，高值分布在银川市西部地区，高值样点为西夏区文化馆商业广场，该样点是银川市西部人流量、车流量最为密集的商业区之一，说明交通源是造成Pb在银川市西部地区较高的因素之一，但基于空间分布的差异性，推测可能还存在其他污染源。对周边土地利用调查发现，银川市西夏热电厂位于银川市西南部，承担着银川市中心城区西夏区和金凤区的采暖供热，设计供热面积达2573万m2，已有研究表明，煤炭燃烧和汽车尾气排放被认为是Pb的重要来源[38,42]，而银川市主导风向为北风和东南风，该风向下有利于将热电厂灰尘输送至周边地区，加之热电厂燃煤常年由货车运输，货运流量较大，因而推测认为汽车尾气和煤炭燃烧的叠加使银川市西部地区地表灰尘出现Pb浓度较高的现象。因此，综合分析该主成分可能来源于交通源和煤炭燃烧.
第三组主成分上，Hg的载荷较大，空间分布上Hg元素在银川市东部地区的住宅、文教和交通区浓度最高、其次是西部地区。环境中的Hg 元素被认为主要来源于煤的燃烧[43]，而本研究中Hg元素高值区均出现的银川市燃煤供热站（厂）集中的西部和东部地区，与该结论一致，因此，推测该主成分可能来源于煤炭燃烧。
3. 结论（Conclusion）
（1）银川市城区地表灰尘中八种重金属均存在不同程度的富集，其中Cd 和Hg含量显著高于宁夏土壤元素背景值，表明地表灰尘重金属以Cd 和Hg污染为主；Ni和As含量低于或接近于宁夏土壤元素背景值，受人类影响较小。地积累指数评价显示，地表灰尘中As、Ni和Cr呈现无污染水平，Cu和Pb为轻污染水平，Hg 和Zn为偏中度污染，Cd为中度污染。
（2） Zn、Cu、Cd和Pb在商业区样点的浓度较高，Cr 在交通区浓度最高，在公园浓度最低；Hg在住宅、商业、交通区浓度较高，在公园浓度最低；Ni和As在各功能区的浓度较均匀。各功能区相比较而言商业区的污染状况最为严重。
（3）本研究中8种重金属的非致癌风险值均<1，未超过EPA推荐的非致癌水平，而4种致癌重金属的致癌风险值超过10−6，超过EPA推荐的致癌水平，呈现出潜在的致癌风险，且重金属对儿童的非致癌风险和致癌风险均高于成人，所以灰尘重金属更易对儿童产生健康风险。
（4）银川市城区地表灰尘中，AS与Cu、Cd、Pb、Zn元素，Cu与Cd、Cr、Zn、Ni元素在0.01水平上显著相关，推断它们之间具有较大的同源性或复合污染。主成分分析表明，AS、Cu、Cd、Ni、Cr可能来源于自然源、工业源和交通源；Pb和Zn可能来源于交通源和煤炭燃烧；Hg在银川市东部和西部浓度较高，可能来源于煤炭燃烧。加强燃煤烟尘治理和汽车燃油质量是改善银川市地表灰尘重金属污染的重要措施。
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图 3 银川城区不同功能区地表灰尘中重金属元素含量图
Figure 3. Contents of heavy metal in surface dust from Yinchuan
图 4 银川城区地表灰尘中重金属地累积指数
Figure 4. Igeo of heavy metal in surface dust of different functional areas ofYinchuan Yinchuan
图 5 重金属对成人和儿童的非致癌风险及致癌风险
Figure 5. Non−carcinogenic and carcinogenic risks of heavy metal for children and adults
Cr Ni Cu Zn As Cd Pb Hg RfDoral 3.00×10−3 2.00×10−2 4.00×10−2 3.00×10−1 3.00×10−4 1.00×10−3 3.50×10−3 3.00×10−4 RfDinh 2.86×10−5 2.06×10−2 4.02×10−2 3.00×10−1 3.01×10−4 5.71×10−5 3.52×10−3 3.00×10−4 RfDder 6.00×10−5 5.40×10−3 1.20×10−2 6.00×10−2 1.23×10−4 2.50×10−5 5.25×10−4 2.40×10−5
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表 2 健康风险评价模型参数取值
Table 2. Parameters values of health risk assessment model
参数Parameter 含义Meaning 单位Unit 成人Adult 儿童Children IRoral 经手口直接摄入灰尘速率Soil ingestion rate mg·d−1 100 200 IRinh 呼吸速率Respiratory rate m3·d−1 20 7.6 EF 接触频率Exposure frequency d·a−1 350 350 ED 暴露时间Exposure duration a 24 6 BW 平均体重Body weight kg 61.8 15.9 AT 平均寿命Average lifetime exposure d 非致癌风险为365×ED，致癌风险为365×70 PEF 颗粒排放因子Particles emission factor m3·kg−1 1.36×109 1.36×109 SA 皮肤暴露面积Skin surface area cm2·d−1 5700 2800 SL 皮肤黏着度Skin adhesion mg·(cm2·d)−1 0.07 0.2 ABS 皮肤吸收因子 Skin absorption factor — 砷（As），ABS=0.03，其他元素ABS=0.001
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表 3 银川城区地表灰尘重金属的描述性统计（mg·kg−1）
Table 3. Descriptive statistical results of heavy metals in surface dust in urban area of Yinchuan
金属元素Element 极小值Minimum 极大值Maximum 中值Median 均值Mean 标准偏差SD 变异系数/%CV 检出率/%Detection rate 中国背景值Background value of China 宁夏背景值Background value of Ningxia Hg 0.010 1.431 0.115 0.165 0.237 1.436 100 0.065 0.021 As 6.060 14.300 10.800 10.842 1.938 0.179 100 11.2 11.9 Cu 21.645 88.624 50.266 51.638 13.613 0.264 100 22.6 22.1 Pb 15.293 71.060 31.700 32.068 10.860 0.339 100 26 20.6 Cd 0.232 1.974 0.750 0.880 0.548 0.623 100 0.097 0.11 Cr 45.972 503.832 65.383 80.312 70.152 0.873 100 61 60.6 Zn 87.030 520.813 185.481 218.614 104.938 0.480 100 74.2 58.8 Ni 22.087 161.679 35.105 37.818 20.884 0.552 100 26.922 36.5 Note:Sample quantity n=41，Repeat each sample twice.
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表 4 银川市不同功能区地表灰尘中重金属含量特征（mg·kg−1）
Table 4. Contents of heavy metal in surface dust from different functional areas of Yinchuan（mg·kg−1）
功能区Areas Hg As Cu Pb Cd Cr Zn Ni 文教区（n=7） 范围Range 0.036—1.431 9.160—13.700 38.000— 70.000 16.900— 37.100 0.360— 0.710 62.000— 68.000 162.300— 508.300 26.000— 36.933 均值±标准差Mean±SD 0.294±0.466 10.573±1.446 48.955±10.424 30.732±6.206 0.530±0.102 64.257±1.957 225.226±115.819 33.274±3.324 住宅区（n=9） 范围Range 0.010—0.830 8.820—12.900 33.800—57.000 26.041—55.900 0.547—1.710 59.707—97.000 110.417—520.800 25.533—41.000 均值±标准差Mean±SD 0.177±0.237 11.158±1.189 45.989±7.406 36.178±8.290 0.972±0.393 73.046±12.794 219.245±113.565 35.108±4.213 公园（n=6） 范围Range 0.035—0.122 7.940—11.900 21.645—55.350 15.293—30.792 0.244—0.814 50.466—61.363 87.030—183.667 25.475—37.521 均值±标准差Mean±SD 0.081±0.034 9.186±1.348 44.630±11.327 21.086±5.173 0.429±0.196 56.704±4.112 143.301±39.136 31.371±4.824 商业区（n=5） 范围Range 0.116—0.195 10.050—14.300 55.065—70.446 29.340—71.060 0.750—1.854 66.861—78.405 207.792—470.167 34.505—38.650 均值±标准差Mean±SD 0.160±0.026 12.710±1.483 63.201±6.378 44.127±14.425 1.390±0.512 71.724±4.449 355.585±110.110 36.899±1.800 交通区（n=8） 范围Range 0.089—0.227 8.410—13.600 29.507—88.624 15.923—44.435 0.258—1.875 46.717—503.832 123.775—251.416 25.500—161.679 均值±标准差Mean±SD 0.157±0.049 11.330±1.820 55.453±20.645 31.031±9.053 1.048±0.608 120.71±145.306 206.070±44.059 49.119±42.763 工业区（n=6） 范围Range 0.034—0.161 6.060—13.800 47.071—66.633 17.310—39.714 0.232—1.974 45.972—146.671 114.930—244.419 22.087—59.854 均值±标准差Mean±SD 0.098±0.040 10.130±2.388 55.528±6.670 29.776±7.277 0.955±0.621 86.840±33.995 187.851±40.998 39.332±12.404
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表 5 银川城区地表灰尘重金属的Igeo及其不同污染程度样点百分数
Table 5.
Igeo of heavy metals in surface dust and the number of samples in different pollution categories in Yinchuan 元素Element Igeo 不同污染程度样点百分数Percentage of sites at Different pollution levels/% 范围Range 平均Average 无污染Non 轻污染Light 偏中污染Partial moderate 中污染Moderate 偏重污染Strong 重污染Very strong 极重污染Extremely strong Hg −1.655—5.506 1.837 2.44 9.76 48.87 34.15 — 2.44 2.44 As −1.559—−0.320 −0.743 100.00 — — — — — — Cu −0.615—1.419 0.590 4.88 80.49 14.63 — — — — Pb −1.015—1.201 0.025 46.34 51.22 2.44 — — — — Cd 0.493—3.581 2.146 — 9.75 34.15 31.71 24.39 — — Cr −0.984—2.471 −0.350 85.36 12.20 2.44 — — — — Zn −0.019—2.562 1.182 2.44 26.83 58.54 12.19 − — — Ni −1.310—1.562 −0.627 95.12 2.44 2.44 — — — — Note:Sample quantity n=41，Repeat each sample twice
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表 6 不同途径暴露下儿童和成人对重金属的日均摄入量（μg·(g·d)−1）
Table 6. Average daily intake of heavy metals for children and adults via different exposure pathway（μg·(g·d)−1）
途径pathway 手口摄入Smoke 呼吸吸入Breath 皮肤接触 Skin 儿童Children 成人Adult 儿童Children 成人Adult 儿童Children 成人Adult Hg 1.993×10−6 2.564×10−7 5.569×10−11 3.771×10−11 5.581×10−9 1.023×10−9 As 2.970×10−5 5.768×10−6 3.132×10−10 8.482×10−10 9.415×10−7 2.014×10−6 Cu 6.228×10−4 8.012×10−5 1.740×10−8 1.178×10−8 1.744×10−6 3.197×10−7 Pb 3.868×10−4 4.976×10−5 1.081×10−8 7.317×10−9 1.083×10−6 1.985×10−7 Cd 9.101×10−7 4.683×10−7 2.543×10−11 6.887×10−11 2.548×10−9 5.450×10−9 Cr 8.303×10−5 4.272×10−5 2.320×10−9 6.283×10−9 2.325×10−7 4.972×10−7 Zn 2.637×10−3 3.392×10−4 7.368×10−8 4.988×10−8 7.383×10−6 1.353×10−6 Ni 3.910×10−5 2.012×10−5 1.092×10−9 2.959×10−9 1.095×10−7 2.341×10−7
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表 7 银川城区地表灰尘中重金属的相关分析
Table 7. Correlation analysis of the heavy metals in surface dust of Yinchuan
Hg As Cu Pb Cd Cr Zn Ni Hg 1 As 0.360* 1 Cu 0.214 0.492** 1 Pb 0.187 0.409** 0.385* 1 Cd 0.036 0.554** 0.405** 0.568** 1 Cr 0.029 0.203 0.451** 0.273 0.362* 1 Zn 0.394* 0.570** 0.444** 0.331* 0.315* 0.074 1 Ni 0.052 0.265 0.494** 0.279 0.411** 0.985** 0.13 1 注：*. 在0.05 水平（双侧）上显著相关P<0.05. **. 在 0.01 水平（双侧）上显著相关P<0.01.
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表 8 银川城区地表灰尘中重金属的主成分分析
Table 8. Principal component analysis of heavy metals in surface dust of Yinchuan
PC1 PC2 PC3 Hg 0.344 0.146 0.592 As 0.730 0.413 −0.066 Cu 0.758 0.006 0.139 Pb 0.657 0.531 −0.436 Cd 0.727 0.004 −0.525 Cr 0.676 −0.678 0.233 Zn 0.589 0.559 0.144 Ni 0.721 −0.635 0.228 特征值 3.51 1.65 0.968 累计方差 43.874 64.501 76.602
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