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地表灰尘中重金属可以通过“手-口”、呼吸和皮肤接触等方式进入人体，损害人类健康[1]。一方面，重金属在自然环境和机体组织中不可降解[2]。另一方面，重金属具有持久性、生物积累和生物放大作用[3]。一些重金属即使在低浓度下也会对人类健康造成严重的危害，例如儿童智力下降、破坏中枢神经系统和免疫系统、影响内脏器官机能等[4]。城市居民主要居住在高层建筑中，因此城市公园是人民休闲娱乐的主要活动区域，尤其对老人、儿童和孕妇等需要户外活动的特殊群体[5]。此外，儿童喜欢重复吮吸“手/手指”，而且其消化系统对重金属的吸收率高[6]，这可能会造成儿童比成年人摄入更多的重金属。因此，研究城市城区公园地表灰尘中重金属污染是十分必要的。
近几年，城市公园地表灰尘中重金属引起国内外学者的广泛关注，主要对重金属污染特征、空间特征、风险评价和污染源解析等方面做了一系列的研究，如西安市[7]、长春市[8]、包头市[9]、南京市[10]、北京市[5]、石家庄市[11]等地。山西省大同市位于黄土高原和内蒙古高原接壤处，是山西省北部重要的工业城市。为解决资源短缺和生态环境污染等问题，大同市近二十年一直致力于向绿色旅游城市转型。截至于2019年，大同市城区绿化覆盖率和人均绿地面积分别为42.87%和15.88 m2[12]。因此，开展大同市城区公园地表灰尘中重金属污染特征的相关性研究对城市污染控制和城市规划具有重要的科学意义。
本研究对大同市城区8个公园（图1）地表灰尘进行研究，分析测试样品中Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的含量，采用内梅罗综合污染指数法、地累计指数法和健康风险评价模型对重金属污染进行评价，并利用正定矩阵分析模型（PMF）辨识重金属污染源，以期为大同市城市绿色、可持续发展提供科学数据支撑。
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山西省大同市位于山西省最北端，紧邻内蒙古和河北省（图1）。地理坐标为：北纬39°03′— 40°44′，东经112°34′— 114°33′。根据《大同市2020年统计年鉴》，截至2019年底，大同市市区人口为168.2万，占全市总人口的48.58%，城镇化率为65.62%[12]。大同市属温带大陆性季风气候，年平均气温10.3 ℃，年降雨量400 mm，集中于7月和8月，全年盛行西北风。冬季受内蒙古高压控制，寒冷干燥[13].
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本研究于2021年4月对大同市具有典型性、人流量较大且在居民区附近的8个城区公园进行地表灰尘样品采集，包括大同公园、儿童公园、明堂公园、智家堡公园、城墙公园、御河公园（YH Park）、绿轴公园和文瀛湖公园。各公园采样点数量由各公园面积确定（图1），其中大同公园、儿童公园、明堂公园、智家堡公园、绿轴公园和城墙公园样品数量为6个，御河公园和文瀛湖公园样品数量为12个，共采集60个样品。采样地点主要设置在各个公园的入口、花坛周围、广场和休闲活动场所（如：亭子、座椅、游乐场和健身场），利用毛刷和塑料铲收集地面表层的尘土。每个表层灰尘样品由3个子样品组成，每个样品重量不小于20 g。采集结束后，将样品带回实验室后，置于烘箱中，在40 ℃条件下烘干至恒重，再使用塑料夹子去除毛发、石砾、树叶、果壳皮等异物。最后，将样品依次通过60目筛和200目筛得到灰尘样品，再保存于自封袋内。
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称取灰尘样品0.1 g放于消解罐中，依次加入4 mL的HNO3、1.5 mL的HF和1.5 mL的H2O2进行微波消解。消解结束后，使用5%的稀HNO3将消解罐中溶液转移至50 mL容量瓶定容，用0.45 μm的有机滤头进行过滤，低温保存。最后，使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定样品中重金属（Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb）含量。同时设置10%的空白对照、10%的平行对照和国家土壤标准物质（GBW07401）进行质量控制，其中Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的试验值与标准值的相对标准偏差分别为：4.7%、6.9%、4.4%、2.8%、9.2%、6.4%、4.2%、6.7%、2.9%和3.7%，均小于10%，满足质量控制要求，测试结果准确。
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内梅罗综合污染指数法是一种评价重金属污染的传统方法，该方法同时考虑了平均值和最大值的影响，能反应多种重金属的联合污染水平[14]。计算公式为：
式中，Ci、Si、Pi为重金属元素i的实测值、对应的山西省A层土壤重金属元素平均值[15]及单因子污染指数；
$ \overline{{P}_{i}} $ 、Pimax是单因子污染指数的平均值、最大值；PN是内梅罗综合污染指数。评价分级标准，见表1。 -
地累积指数法（Igeo）通过与当地土壤中重金属元素的背景值进行比较来评价土壤污染程度[2]。计算公式如下：
式中，Cs为样品中重金属含量；Cb为山西省A层土壤重金属元素平均值；1.5是反映不同地区由于土壤母质差异导致的背景值波动。地累积指数法的污染程度分为7个等级：当Igeo ≤ 0时，未受污染（Class 1）；当0 < Igeo ≤ 1时，未污染到中度污染（Class 2）；当1 < Igeo ≤ 2时，中度污染（Class 3）；当2 < Igeo ≤ 3时，中度至重度污染（Class 4）；当3 < Igeo≤ 4时，严重污染（Class 5）；当4 < Igeo ≤ 5时，严重或极严重污染（Class 6）；当Igeo > 5时，严重污染（Class 7）。
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本研究采用美国环境保护署推出的健康风险评价模型计算大同市城区公园地表灰尘中重金属经3种方式（经口摄入、皮肤接触和呼吸吸入）对成人和儿童造成的非致癌和致癌健康风险评价[2]。计算公式如下：
成人
儿童
式中，ADDing、ADDinh、ADDderm分别表示通过手-口摄入、呼吸吸入、皮肤接触3种途径污染物平均日摄入量（mg·(kg·d)−1）；c为样品中重金属含量（mg·kg−1）；CF为转换因子（1×10−6 kg·mg−1）；EF为接触频率；ED为暴露持续时间；AT为平均暴露时间；BW为平均体重；IRg是土壤摄入的频率；IRh是呼吸速率；FSPO是土壤中空气中颗粒物的比例（0.15）；PLAF为从土壤中吸入颗粒物的截留率（0.75）；PM10是可吸入颗粒物的比例（0.15 mg·m−3）；SA为暴露皮肤表面积；AF为皮肤吸收系数；ABS为皮肤吸收系数（0.001），模型参数详见表2。
通过计算致癌风险（CR和TCR）、危险商（HI和HQ）来评估大同市城区公园地表灰尘中重金属对成人和儿童造成的致癌和非致癌健康风险，计算公式如下：
式中，SF和RfD分别为致癌斜率因子和非致癌参考计量（mg·(kg·d)−1），详见表2。当HQ < 1或HI < 1时，非致癌风险在可接受范围内；当HQ > 1或HI > 1，具有非致癌风险。当CR < 10−6或TCR < 10−6时，不存在致癌风险；当10−6 < CR < 10−4或10−6 < TCR < 10−4时，致癌风险在可接受范围内；当CR > 10−4或TCR > 10−4时，具有致癌风险。
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目前，关于重金属源解析方法主要有主成分分析/绝对主成分分数(PCA/APCS)、UMIX模型、正定矩阵分析模型（PMF）、绝对主成分分析-多元线性回归模型（APCS-MLR）、化学质量平衡模型（CMB）。其中，PMF模型是由芬兰的Paatero和Tapper于1993年提出[16]，该模型是基于因子分析法改进的源解析模型，该模型具有无需事先获取详细的源成分谱、对因子分解矩阵进行非负约束、可较好处理缺失及不精确的数据等特点[3]，即：首先将重金属元素含量矩阵分解为因子贡献和因子残差矩阵，然后基于各个重金属污染源的特征来确定不同因子的贡献率[17]。此外，PMF模型通过剔除异常值使Min.R2大于80%、所有因子均为正值、所有因素累积解释大于80%的总方差，这使得重金属污染源判别更加可信[18]。计算公式如下：
式中，Xij为样品重金属含量矩阵中的对应元素（j化学物质的第i个样本），gik为污染源贡献矩阵对应元素（贡献矩阵k源因素第i个样本），ƒkj为因子指纹谱矩阵对应元素，eij为残差矩阵对应元素。
通过PMF模型最小化目标函数Q，得到最优含量矩阵和源剖面：
式中，uij为第i个样本的第j种化学物质的不确定度。当重金属含量低于或等于相应的方法检出限（MDL）时，uij计算为：
当重金属含量超过相应的MDL时，uij计算为：
式中，σ是相对标准偏差，c是每个重金属元素的含量。
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大同市各城区公园与其它城市公园地表灰尘中重金属含量结果如表3和表4所示。大同市城区公园地表灰尘中Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的平均含量分别为141.83、936.34、14.75、35.93、41.53、198.37、24.45、1.95、63.39 mg·kg−1，分别是山西省土壤背景值（下文称背景值）的2.56、1.76、1.46、1.20、1.81、3.12、2.69、19.10、4.31倍。其中，Cr、Cu、Zn、As、Cd和Pb污染严重，超标率均为100%，最高含量分别是背景值的5.87、7.78、11.76、4.67、51.10、11.05倍。重金属变异系数的大小代表其受外界因素影响的程度[19]，大同市城区公园地表灰尘中各重金属元素的变异系数排序分别为：Cu > Zn > Pb > Cr > 35% > As > Cd > Mn > Co > Ni > 15%。其中，Cu、Zn、Pb和Cr的变异系数大于0.35，属于高度变异；As、Cd、Mn、Co和Ni的变异系数大于15%，属于中度变异，这表明大同市城区公园地表灰尘中重金属受人为活动影响很大、空间分布不均匀[20]。
从不同公园来看，Mn、Cu、Zn和Pb的含量在明堂公园最高。一般认为，Cu、Zn和Pb主要来自工业生产、机动车尾气和轮胎摩损等[21-22]。明堂公园位于大同市老城区，四面邻路，繁忙的交通活动是导致其地表灰尘中Cu、Zn和Pb的富集的主要原因。对于Co、Ni、As和Cd，大同公园、儿童公园、智家堡公园、城墙公园和明堂公园的平均含量普遍高于御河公园、绿轴公园和文瀛湖公园。此外，大同市城区公园灰尘中As由西北向东南递减：儿童公园(38.45 mg·kg−1) > 大同公园(38.19 mg·kg−1)> 智家堡公园(29.60 mg·kg−1) > 绿轴公园(21.81 mg·kg−1) > 城墙公园(19.75 mg·kg−1) > 御河公园(19.62 mg·kg−1) > 文瀛湖公园（18.90 mg·kg−1）。这主要由两方面造成，一方面大同市主导风向为西北风，另一方面大同市西北方向为煤炭中转区和工业区（图1），煤炭运输及生产过程中将产生大量携带As的粉尘，并随大气运动进入城市环境中[2]。
与国内其它城市研究结果相比（表4），大同市城区公园地表灰尘中Cr、Mn、As和Cd的含量明显高于其它城市公园，这可能与大同市是一座典型的煤炭城市有关，而煤炭的开发与利用会排放大量重金属[23]。对于Ni、Cu和Zn而言，大同市公园低于包头市公园和长春市公园，高于其它城市公园，这可能是由于大同市、包头市和长春市均属于煤炭工业城市，而工业生产往往伴随着高频率的交通运输，这些活动将产生大量携带Cu、Zn和Cd的灰尘[21]。对于Pb而言，大同市公园低于包头市公园和焦作市公园，高于其它城市公园。整体来看，大同市城区公园地表灰尘中重金属含量属于中上等水平。
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大同市各城区公园地表灰尘中重金属单因子污染指数和内梅罗综合污染指数结果如图2和表5所示。大同市城区公园地表灰尘中Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的单因子污染指数分别为1.03、0.94、0.67、0.65、1.00、1.48、1.67、6.26和2.82。其中，Cd属于重度污染，Pb属于中度污染，Cr、Zn和As属于轻度污染，其它重金属元素属于清洁。以上结果说明Cd和Pb污染严重，是大同市城区各公园主要的污染因子。
大同市城区公园地表灰尘中重金属内梅罗综合污染指数（PN）范围为7.27—36.71，平均值为13.90，警戒线、轻度污染、中度污染和重度污染分别占1.11%、45.56%、19.44%和33.89%。研究区各公园内梅罗综合污染指数均属于重度污染，其中，大同公园和明堂公园大部分重金属元素为重度污染，其它公园大部分重金属元素为轻度污染。各公园内梅罗综合污染指数平均值排序为：城墙公园 > 智家堡公园 > 大同公园 > 御河公园 > 儿童公园 > 绿轴公园 > 文瀛湖公园 > 明堂公园，均为重度污染，表明大同市城区公园地表灰尘中重金属受人类活动影响很大。
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如表6和图3所示，大同市城区公园地表灰尘中重金属地积累指数从大到小顺序为：Cd > Pb > Zn > As > Cr > Mn > Cu > Co > Ni。其中，Cd的平均地积累指数最大为3.59，属于严重污染；Pb的平均地积累指数为1.45，属于中度污染；Zn、As、Cr、Mn和Cu的平均地积累指数分别为0.95、0.77、0.69、0.19和0.10，属于未污染到中度污染；其它重金属属于未污染。
对于Cd而言，75.00%的Cd地积累指数属于严重污染。这一结果表明，Cd污染在研究地区的严重性和普遍性。其中，智家堡公园和城墙公园Cd的地积累指数分别为4.07和4.04，属于严重或极严重污染；大同公园（3.89）、御河公园（3.82）、儿童公园（3.75）、绿轴公园（3.62）和文瀛湖公园（3.01）都属于严重污染；明堂公园（2.67）属于中度至重度污染。对于Pb而言，16.67%的Pb地积累指数属于中度至重度污染，80.00%的Pb地积累指数属于中度污染，3.33%属于未污染到中度污染。研究区各公园地表灰尘中Pb的地积累指数均属于中度污染。对于其它重金属，大同公园（Zn: 1.45; As: 1.48）、儿童公园（As: 1.49）、智家堡公园（Zn: 1.42; As: 1.12）、城墙公园（Zn: 1.42）、文瀛湖公园（Cr: 1.27）和明堂公园（Cr: 1.07; Cu: 1.31; Zn: 1.42）属于中度污染，其它公园地表灰尘中重金属属于未污染和未污染到中度污染状态。整体上看，大同市各城区公园地表灰尘中重金属地累计指数排序为：城墙公园 > 大同公园 > 明堂公园 > 智家堡公园 > 儿童公园 >文瀛湖公园 > 御河公园 > 绿轴公园。
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（1）非致癌健康风险评价
大同市城区各公园地表灰尘中重金属对成人和儿童造成的健康风险评价结果如表7所示。重金属元素对成人造成的非致癌健康风险依次为：1 > Mn > As > Cr > Pb > Co > Cd > Ni > Cu > Zn；对儿童造成的非致癌健康风险依次为：Mn > As > Cr > 1 > Pb > Co > Cd> Ni > Cu > Zn。由此可见，大同市公园地表灰尘中各重金属对成人造成的非致癌健康风险均在可接受范围内，而对儿童而言，Mn（5.67）、As（1.63）和Cr（1.52）均造成非致癌健康风险。从重金属进入人体的3种途径来看，经呼吸吸入途径对成人和儿童造成的非致癌风险最大，其次是经口摄入途径和皮肤接触途径。大同市公园地表灰尘中重金属对成人造成的非致癌健康风险均在可接受范围内，其顺序为：明堂公园、文瀛湖公园、智家堡公园、大同公园、儿童公园、城墙公园、绿轴公园和御河公园。与成人不同，大同市公园地表灰尘中重金属经呼吸吸入和经口摄入途径对儿童都造成非致癌健康风险。此外，儿童喜欢吮吸手或手指，这极大的增加了重金属进入其身体的可能性。因此，暴露在公园灰尘中的儿童应注意手和嘴巴时刻保持清洁，并避免吮吸手或手指现象。大同市各城区公园地表灰尘中重金属对儿童造成的非致癌健康风险顺序依次为：明堂公园（10.6）、文瀛湖公园（10.3）、智家堡公园（10.2）、大同公园（9.71）、城墙公园（9.58）、儿童公园（9.36）、绿轴公园（8.21）和御河公园（7.57），均远大于安全阀值（1.0），这对人体健康造成了极大的潜在健康风险，需要引起人们的关注。
（2）致癌健康风险评价
如表7所示，大同市公园地表灰尘中重金属元素对成人和儿童造成的致癌健康风险顺序为：Cr > Co > As > Cd > Ni，均小于安全阀值（1 × 10−4）。其中，只有Cr（2.86 × 10−5）对成人和Cr（4.24 × 10−5）、Co（1.02 × 10−6）儿童造成的致癌风险指数在可接受范围内（10−6 < CR < 10−4或10−6 < TCR < 10−4）。因此，大同市公园地表灰尘中重金属对儿童和成人不造成致癌健康风险。大同市公园地表灰尘中重金属元素对儿童和成人造成的致癌健康风险顺序为：文瀛湖公园、明堂公园、城墙公园、御河公园、儿童公园、绿轴公园、大同公园和智家堡公园，均在可接受范围内。
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重金属的来源是否一致可以通过相关性判断[14]。对各重金属含量作相关性分析（图4），结果发现重金属Cr和Mn（r = 0.82)，Cr和Ni（r = 0.62)，Cr和Pb（r = 0.63)，Mn和Co（r = 0.61)，Mn和Ni（r = 0.73)，Mn和Pb（r = 0.76)，Co和Ni（r = 0.80)，Co和Pb（r = 0.73)，Ni和Cu（r = 0.52)，Ni和Zn（r = 0.61)，Ni和Pb（r = 0.83)，Cu和Zn（r = 0.54)，Zn和Pb（r = 0.67)均在0.01水平上显著相关，Ni与Cr、Mn、Co、Cu、Zn、Pb相关性显著，表明研究区地表灰尘中重金属与人为来源关系密切，可能为复合污染源（土壤母质、工业活动和交通运输）导致[5]。As和Cd与其它重金属元素在0.01和0.05水平上不显著相关，表明As和Cd的污染源不同于其它重金属。
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本文采用软件EPA PMF 5.0对大同市城区公园地表灰尘中重金属进行污染源分析，9种重金属的信噪比（S/N）均大于1，被设定为“Strong”，总含量指标设定为“Total Variable (Defaults to Weak)”。迭代运行次数设置为20下，然后设定不同的因子数为2、3、4、5，分别进行PMF模型运算。当因子数为4时，QRobust与QTrue的差值最小，绝大多数残差在-3和3之间服从正态分布，运行预测含量与观察含量相关性良好（除Cu和Mn之外，其它重金属元素r2均大于0.5），表明PMF模型源解析结果可靠[24]。PMF结果如图5所示，影响重金属积累的最优因素有4个。4个污染源因子对公园地表灰尘中重金属的贡献率分别为26.3%、13.9%、37.8%和21.9%。
在因子1中，As的贡献率最大（53.3%），而其它重金属元素的贡献率都小于30%。As 常常被认为是煤炭燃烧的示踪剂，它们常以飞灰的形式释放到大气环境中，然后沉积形成地表灰尘[2]。大同市是一座典型的煤炭城市，而煤炭的开发与利用会排放大量As[23]。虽然大同市近二十年一直致力于解决环境污染问题，但是由大气沉降和大气降水进入土壤和灰尘中重金属可能通过跳跃、蠕动和再悬浮等方式进入城市环境中[25-26]。因此，因子1可以解释为燃污染源。在因子2中，Cd的权重较大，为63.5%。研究发现，大气、水和土壤中Cd污染主要与金属冶炼、垃圾焚烧和化石燃料燃烧有关[27-28]。大同市工业区主要位于城区的西北方向和西南方向（图1），这可能是造成大同公园、儿童公园、智家堡公园、城墙公园和御河公园中Cd含量较高的主要原因。因此，因子2可能与工业活动有关。在因子3中，Cr、Mn、Ni、Cu和Co的贡献都有很高的贡献率，其贡献率分别为65.1%、45.6%、38.9%、33.5%和31.2%，这些元素一般与成岩成因的土壤母质有关[5]。Ni和Co的来源可以被认为是自然背景，因为它们在地表灰尘中的平均浓度都低于相应的土壤背景值 (表3)。同时，Mn和Cr也可能与自然来源有关，它们都已被证实广泛存在于成土过程和土壤母质中[29]。此外，大同市属于温带大陆性气候，春季和冬季干旱少雨且风大[12]，富集在土壤和灰尘中的重金属元素会进行大气运动扩散。因此，因子3代表土壤母质。在因子4中，Zn和Pb的贡献率最大，分别为58.5%和25.0%。Zn和Pb在大同市中心城区公园富集程度较高，且随着距离市中心的距离增加其富集程度逐渐降低（表6）。由于Zn具有抗氧化和增加金属硬度的性能，因此Zn被大量的应用于润滑剂和轮胎的生产中[30-31]。此外，离中心城区越近，车流量越大，机动车尾气排放或轮胎磨损都会可能以灰尘的形式进入公园[5]。因此，因子4可以解释为交通污染源。
综上所述，大同市公园地表灰尘中重金属污染源主要为土壤母质和燃煤污染源。长期的矿产开采和工业生产活动造成大同市环境中重金属富集严重，这给城市污染治理带来新的挑战。因此，结合污染源解析结果和大同市区域情况提出如下管控建议：（1）加强对城市裸露地表进行绿化，来减少土壤造成的扬尘污染；（2）将城区西北方向和西南方向工业区内有烟尘污染的工厂企业布局到主风向的侧风方向；（3）加大对工厂企业环保检查程度，并及时维护和更新环保设备。
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（1）大同市城区公园地表灰尘中重金属Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb分别是山西省土壤背景值的2.56、1.76、1.46、1.20、1.81、3.12、2.69、19.10和4.31倍。其中，Cr、Cu、Zn、As、Cd和Pb超标率均为100%。
（2）大同市城区公园地表灰尘中重金属污染评价结果显示，Cd污染最为严重，是大同市城区公园污染得主要因子。
（3）大同市各公园地表灰尘中重金属对成人造成的非致癌健康风险均在可接受范围内，而对儿童造成的非致癌健康风险均远大于安全阀值。As、Ni、Cr、Co和Cd对成人和儿童造成得致癌风险均不高于安全阈值。
（5）PMF模型结果显示，大同市城区公园地表灰尘中重金属污染源及贡献率依次为土壤母质、燃煤污染源、交通污染源和工业源。
基于PMF模型的大同市城区公园地表灰尘中重金属污染评价及来源解析
Pollution assessment and source analysis of surface dust heavy metals in parks of Datong city based on Positive matrix factorization model
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摘要: 为了解大同市城区公园地表灰尘中重金属污染特征、风险评估及污染来源，于2021年4月采集大同市8个城区公园60个地表灰尘样品，利用内梅罗综合污染指数、地累积指数和健康风险评价模型评估重金属污染，并采用正定矩阵分析模型辨识重金属污染来源及其贡献率。结果表明，大同市城区公园地表灰尘中Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的平均含量分别为141.83、936.34、14.75、35.93、41.53、198.37、24.45、1.95、63.39 mg·kg-1。其中，Cr、Cu、Zn、As、Cd和Pb污染严重，超标率为100%；内梅罗综合污染指数和地累积污染指数结果显示，大同市城墙公园污染最为严重，主要污染因子是Cd； Mn对成人和儿童造成的非致癌健康风险最大，其次是As和Cr；经呼吸吸入途径造成的非致癌健康风险高于其它2种途径；大同市各公园对成人造成的非致癌健康风险均在可接受范围内，而对儿童造成的非致癌健康风险均远大于安全阀值。As、Ni、Cr、Co和Cd对成人和儿童造成的致癌健康风险均不高于安全阈值。该研究区域公园地表灰尘中重金属的主要来源依次是：土壤母质（37.8%）＞ 燃煤污染源（26.3%）＞交通污染源（21.9%）＞ 工业源（13.9%）。Abstract: In this study, 60 surface dust samples from 8 urban parks in Datong City were collected from April, 2021 to understand the pollution characteristics and sources of heavy metals. Nemerow comprehensive pollution index, Geo-accumulation index and health risk assessment model were used to assess heavy metal pollution, and the sources and contribution rates of heavy metal were analyzed by the Positive matrix factorization model (PMF). The results show that the concentration of surface dust heavy metals from urban parks in Datong city are 141.83, 936.34, 14.75, 35.93, 41.53, 198.37, 24.45, 1.95 and 63.39 mg·kg-1, respectively. Among them, Cr, Cu, Zn, As, Cd and Pb are seriously polluted, and the rate of overstandard is 100%. The results of Nemero comprehensive pollution index and Geo-accumulation index show that Chengqiang Park in Datong city is the most polluted, and Cd is the main pollution factor. Mn poses the greatest non-cancer health risk for adults and children, followed by As and Cr. The non-cancer health risk posed by inhalation is higher than other two routes. The non-cancer health risks posed by each park in Datong city for adults are all within the acceptable range, while the non-cancer health risks for children are much higher than the safety threshold value. The cancer health risks of As, Ni, Cr, Co and Cd for adults and children are not higher than the safety threshold value. The main sources of surface dust heavy metals from the park in this study were as follows: combined pollution sources of soil parent material (37.8%) > coal pollution sources (26.3%) > transportation sources (31.9%) > industry sources(13.9%), respectively.
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Key words:
- PMF /
- urban park /
- surface dust /
- heavy metals /
- source analysis /
- Datong City
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图 2 大同市城区公园地表灰尘中重金属单因子污染指数
Figure 2. Single factor pollution index of surface dust heavy metal from urban park in Datong City
图 3 大同市各公园地表灰尘中重金属地累计指数
Figure 3. Geo-accumulation index of surface dust heavy metals from each urban park in Datong City
图 4 大同市城区公园地表灰尘中重金属相关性
Figure 4. Correlation of surface dust heavy metals from urban parks in Datong City
图 5 大同市城区公园地表灰尘中重金属PMF因子贡献率
Figure 5. Factor contributions from PMF of surface dust heavy metals from urban parks in Datong City
表 1 内梅罗综合污染指数法分级标准
Table 1. Classification criteria of Nemerow composite pollution index method
单因子污染指数
Single pollution index污染水平
Pollution grade内梅罗综合污染指数
Nemerow comprehensive pollution index污染水平
Pollution gradePi ≤ 1 清洁 PN ≤ 0.7 清洁 1 < Pi ≤ 2 轻度污染 0.7 < PN ≤ 1.0 尚清洁 2 < Pi ≤ 3 中度污染 1.0 < PN ≤ 2.0 轻度污染 Pi > 3 重度污染 2.0 < PN ≤ 3.0 中度污染 PN > 3.0 重度污染 
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表 2 重金属健康风险评估模型参数[2]
Table 2. Parameter used in health risk assessment model of heavy metal
重金属
Heavy metalRfDing RfDinh RfDderm SFderm 参数
Parameter单位
Unit儿童
Child成人
AdultCr 3×10−3 6×10−5 2.86×10−5 4.2×10 ED a 6 24 Mn 4.6×10−2 1.84×10−3 1.43×10−5 BW kg 19.2 61.8 Co 2×10−2 1.60×10−2 5.71×10−6 9.8 EF d·a−1 350 350 Ni 2×10−2 5.4×10−3 2.06×10−2 8.4×10−1 AT days 365×ED (非致癌) Cu 4×10−2 1.2×10−2 4×10−2 365×76 (致癌) Zn 0.3 0.06 0.3 IRg mg·d−1 200 100 As 3×10−4 1.23×10−4 3.01×10−4 1.5 IRh m3·d−1 7.5 14.5 Cd 1×10−3 1×10−5 1×10−3 7.05 AF mg·(cm2·d)−1 0.2 0.07 Pb 3.5×10−3 5.25×10−3 3.52×10−3 SA cm2·d−1 1600 4350
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表 3 大同市各城区公园地表灰尘中重金属含量（mg·kg-1）
Table 3. Concentration of surface dust heavy metals from each urban park in Datong city
研究区域Study area Cr Mn Co Ni Cu Zn As Cd Pb 大同公园 DT Park 104.06 871.42 16.19 36.37 43.51 259.61 38.19 2.27 71.80 儿童公园 ER Park 115.00 810.77 15.25 37.24 37.76 165.59 38.45 2.07 55.56 明堂公园 MT Park 174.36 1092.37 13.69 39.30 85.10 254.40 19.43 0.97 82.99 智家堡公园 ZJB Park 92.05 1077.39 14.88 33.27 30.43 254.43 29.60 2.56 61.91 城墙公园 CQ Park 145.47 973.55 17.03 40.16 59.83 202.54 19.75 2.52 73.13 御河公园 YH Park 125.59 711.32 13.38 34.02 31.95 178.28 19.62 2.17 52.58 绿轴公园 LZ Park 115.65 811.00 12.53 30.21 30.74 122.43 21.81 1.89 56.72 文瀛湖公园 WYH Park 200.30 1042.23 13.37 34.09 28.65 169.97 18.90 1.23 50.86 最小值 Min 56.94 501.31 6.79 19.45 22.95 93.77 15.22 0.64 41.51 最大值 Max 324.37 2185.83 22.63 51.39 178.16 746.76 42.46 5.21 162.37 平均值 Mean 141.83 936.34 14.75 35.93 41.53 198.37 24.45 1.95 63.39 标准差 SD 53.14 250.00 2.58 5.91 29.83 94.34 8.50 0.66 23.97 变异系数 CV 37.47% 26.70% 17.50% 16.46% 71.84% 47.56% 34.76% 33.84% 37.80% 山西省土壤背景值 55.30 532.00 10.10 29.90 22.90 63.50 9.10 0.10 14.70
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表 4 大同市与其它城市公园地表灰尘中重金属含量（mg·kg-1）
Table 4. Concentration of surface dust heavy metals from each urban park in Datong city and other cities
研究城市
Study cities时间Time Cr Mn Co Ni Cu Zn As Cd Pb 西安市[7] Xian City 2009.4 98.30 580.50 32.30 35.80 91.00 337.20 11.80 147.40 长春市[8] Changchun City 2013.6 59.28 23.08 37.82 169.26 0.33 69.12 包头市[9] Baotou City 2014.5 154.10 504.40 52.90 25.10 26.90 49.70 6.50 0.30 36.20 南京市[10] Nanjing City 2014.6 81.29 45.32 168.28 526.66 10.77 5.18 147.35 焦作市[4] Jiaozuo City 2016.12 112.07 473.77 25.27 51.07 49.85 374.30 23.08 1.25 55.26 北京市[5] Beijing City 2017.4 78.87 521.70 8.78 22.25 52.06 10.02 80.27 石家庄市[11] Shijiazhuang City 2020.9* 33.52 305.24 49.01 306.24 10.65 1.10 66.46 大同市Datong City 2021.4 141.83 936.34 14.75 35.93 41.53 198.37 24.45 1.95 63.39 注：*，文章发表时间.
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表 5 各城区公园表层尘中重金属内梅罗综合污染评价结果
Table 5. Results of Nemerow comprehensive pollution evaluation of surface dust heavy metal in each urban park
研究区域
Study area综合污染指数范围（平均值）
Comprehensive pollution index
range（Mean value）样品中重金属数占总样品数的比例
The proportion of samples of heavy metals to total samples警戒线
Warning line轻度污染
Mild pollution中度污染
Medium pollution重度污染
Heavy pollution大同公园 DT Park 14.82—17.69（16.09） 1.85% 40.74% 11.11% 46.30% 儿童公园 ER Park 13.15—16.71（14.64） 0.00% 48.15% 14.81% 37.04% 明堂公园 MT Park 7.27—8.35 (7.75) 0.00% 38.89% 20.37% 40.74% 智家堡公园 ZJB Park 13.70—36.71（18.11） 1.85% 51.85% 11.11% 35.19% 城墙公园 CQ Park 13.92—23.08（18.71） 0.00% 40.74% 25.93% 33.33% 御河公园 YH Park 14.04—17.59（15.54） 0.93% 45.37% 25.00% 28.70% 绿轴公园 LZ Park 13.09—13.81（13.34） 5.56% 51.85% 18.52% 24.07% 文瀛湖公园 WYH Park 7.66—12.37 (10.07) 0.00% 46.30% 21.30% 32.41% 大同市 Datong City 7.27—36.71（13.90） 1.11% 45.56% 19.44% 33.89%
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表 6 各城区公园表层尘中重金属地累积指数结果
Table 6. Results of Geo-accumulation indices of surface dust heavy metal in each urban park
研究区域Study area Cr Mn Co Ni Cu Zn As Cd Pb 大同公园 DT Park 0.33 0.13 0.10 -0.30 0.34 1.45 1.48 3.89 1.70 儿童公园 ER Park 0.47 0.02 0.01 -0.27 0.14 0.80 1.49 3.75 1.33 明堂公园 MT Park 1.07 0.45 -0.15 -0.19 1.31 1.42 0.51 2.67 1.91 智家堡公园 ZJB Park 0.15 0.43 -0.03 -0.43 -0.18 1.42 1.12 4.07 1.49 城墙公园 CQ Park 0.81 0.29 0.17 -0.16 0.80 1.09 0.53 4.04 1.73 御河公园 YH Park 0.60 -0.17 -0.18 -0.40 -0.10 0.90 0.52 3.82 1.25 绿轴公园 LZ Park 0.48 0.02 -0.27 -0.57 -0.16 0.36 0.68 3.62 1.36 文瀛湖公园 WYH Park 1.27 0.39 -0.18 -0.40 -0.26 0.84 0.47 3.01 1.21 大同市 Datong city 0.69 0.19 -0.06 -0.34 0.10 0.95 0.77 3.59 1.45
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表 7 大同市城区各公园地表灰尘中重金属对成人和儿童的健康风险评价
Table 7. Health risk assessment for adults and children of surface dust heavy metals from each urban parks in Datong city
研究区域
Study area成人 Adult 儿童 Child HQing HQinh HQderm HI CR/TCR HQing HQinh HQderm HI CR/TCR 大同市
Datong CityCr 8.13 × 10−2 3.31 × 10−2 2.60 × 10−2 1.40 × 10−1 2.86 × 10−5 9.30 × 10−1 1.96 × 10−1 3.98 × 10−1 1.52 × 100 4.24 × 10−5 Mn 3.47 × 10−2 7.09 × 10−3 3.40 × 10−1 3.83 × 10−1 3.98 × 10−1 4.20 × 10−2 5.23 × 100 5.67 × 100 Co 1.25 × 10−3 1.29 × 10−5 1.34 × 10−2 1.47 × 10−2 6.90 × 10−7 1.44 × 10−2 7.61 × 10−5 2.06 × 10−1 2.20 × 10−1 1.02 × 10−6 Ni 3.09 × 10−3 9.30 × 10−5 9.11 × 10−6 3.19 × 10−3 1.45 × 10−7 3.53 × 10−2 5.51 × 10−4 1.40 × 10−4 3.60 × 10−2 2.15 × 10−7 Cu 1.75 × 10−3 4.75 × 10−5 5.32 × 10−6 1.80 × 10−3 1.99 × 10−2 2.80 × 10−4 8.16 × 10−5 2.03 × 10−2 Zn 1.12 × 10−3 4.58 × 10−5 3.44 × 10−6 1.17 × 10−3 1.29 × 10−2 2.72 × 10−4 5.25 × 10−5 1.32 × 10−2 As 1.40 × 10−1 2.79 × 10−3 4.25 × 10−4 1.44 × 10−1 1.77 × 10−7 1.61 × 100 1.66 × 10−2 6.55 × 10−3 1.63 × 100 2.62 × 10−7 Cd 3.34 × 10−3 2.71 × 10−3 1.01 × 10−5 6.04 × 10−3 6.56 × 10−8 3.80 × 10−2 1.61 × 10−2 1.55 × 10−4 5.43 × 10−2 9.70 × 10−8 Pb 2.98 × 10−2 1.62 × 10−4 9.01 × 10−5 3.00 × 10−2 3.41 × 10−1 9.59 × 10−4 1.38 × 10−3 3.44 × 10−1 All 2.97 × 10−1 4.61 × 10−2 3.80 × 10−1 7.23 × 10−1 2.97 × 10−5 3.40 × 100 2.73 × 10-1 5.84 × 100 9.51 × 100 4.40 × 10−5 大同公园 DT Park 3.57 × 10−1 3.88 × 10−2 3.51 × 10−1 7.47 × 10−1 2.22 × 10−5 4.08 × 100 2.30 × 10−1 5.39 × 100 9.71 × 100 3.30 × 10−5 儿童公园 ER Park 3.53 × 10−1 4.06 × 10−2 3.30 × 10−1 7.25 × 10−1 2.44 × 10−5 4.05 × 100 2.40 × 10−1 5.07 × 100 9.36 × 100 3.62 × 10−5 明堂公园 MT Park 3.02 × 10−1 5.30 × 10−2 4.41 × 10−1 7.97 × 10−1 3.61 × 10−5 3.46 × 100 3.14 × 10−1 6.78 × 100 1.06 × 101 5.36 × 10−5 智家堡公园 ZJB Park 3.03 × 10−1 3.69 × 10−2 4.22 × 10−1 7.63 × 10−1 1.97 × 10−5 3.47 × 100 2.19 × 10−1 6.49 × 100 1.02 × 101 2.92 × 10−5 城墙公园 CQ Park 2.80 × 10−1 4.75 × 10−2 3.96 × 10−1 7.24 × 10−1 3.05 × 10−5 3.21 × 100 2.82 × 10−1 6.09 × 100 9.58 × 100 4.53 × 10−5 御河公园 YH Park 2.46 × 10−1 4.03 × 10−2 2.94 × 10−1 5.80 × 10−1 2.63 × 10−5 2.81 × 100 2.39 × 10−1 4.52 × 100 7.57 × 100 3.90 × 10−5 绿轴公园 LZ Park 2.57 × 10−1 3.86 × 10−2 3.27 × 10−1 6.24 × 10−1 2.43 × 10−5 2.94 × 100 2.28 × 10−1 5.03 × 100 8.21 × 100 3.60 × 10−5 文瀛湖公园 WYH Park 2.94 × 10−1 5.88 × 10−2 4.28 × 10−1 7.81 × 10−1 4.13 × 10−5 3.37 × 100 3.49 × 10−1 6.57 × 100 1.03 × 101 6.13 × 10−5
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