長春市城區近地表灰塵粒度特征及其環境意義

楊忠平，張 強，張 梁，李 達，盧文喜，辛 欣

1.重慶大學土木工程學院，重慶 400045

2.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室（重慶大學），重慶 400030

3.吉林大學環境與資源學院，長春 130021

0 引言

在普遍關注城市大氣污染、水污染、噪聲污染等對環境造成危害的同時，人們對灰塵在城市環境災害發生中的媒介、傳播、引發等作用卻普遍認識不足、重視不夠［1］。實際上，城市灰塵是一種物質組成和來源極其復雜的環境介質，其作為大量污染物（如重金屬、多環芳烴等）的受納體而成為城市環境污染的重要起源和指示器［1－5］，吸附在城市灰塵中的污染物通過大氣干濕沉降等途徑持續地大量輸入到地表環境中，對城市環境的生物地球化學循環造成持久的負面影響［2］；并且，與土壤中污染物相比，吸附在灰塵中的污染物更易通過吸入、攝入及接觸而對人體健康構成潛在威脅［3］。其已成為環境和人類健康的最為重要的威脅之一，引起了人們的廣泛關注［1－10］。

國內外對城市灰塵的研究主要集中于對街道灰塵（地面灰塵）和大氣灰塵（懸浮顆粒為主）中重金屬及多環 芳 烴 等 污 染 物 的 污 染 水 平［3－4，7－8，10］、時 空 分布［11－12］、風險評估［9］和粒徑組成特征及其與重 金屬污染水平的關系［12－14］等。近年來，研究者已開始關注離地面一定高度的樹葉及其他植物葉面灰塵的污染狀況及其環境指示意義［5－6］。盡管如此，目前針對高度在1.5m左右（與人體平均高度大體相當）更易為人體接觸的近地表灰塵的研究僅有零星開展［15－17］。然而，近地表大氣塵是大氣顆粒物及地表揚塵的混合物，具有自己獨特的性質和污染特征，因此通過系統的研究可直接獲取對人體健康的影響因素，對城市環境的治理、環境遷移轉化機理及環境健康效應的研究具有重要意義［18］。

粒度分布是表征顆粒物行為最主要的參數，顆粒物的全部性質均與粒度有關，且大多數元素的含量隨著灰塵粒徑的減小而增大［15］，因此，城市灰塵對人體和環境造成危害的程度與灰塵顆粒物的粒度組成特征有著直接關系。同時對灰塵進行粒度分級也是進行污染源甄別的重要手段之一［15－19］。

隨著城市社會經濟的發展，長春市城區環境已受到一定程度的重金屬污染［20－21］。但研究者對在城市環境災害發生中起媒介、傳播、引發等作用的城市灰塵的研究比國內其他城市明顯滯后［19－23］，尤其是對其粒徑特征的研究明顯不足。鑒于此，筆者對長春市城區近地表（約1.5m）的灰塵樣品進行了系統采集，并采用激光粒度儀測試了其粒度組成，以期深入掌握長春市城區灰塵污染特征和來源。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

為了更好地反映研究區內城市近地表灰塵污染的空間分布特征，使樣品具有代表性和典型性，本研究采用了網格化均勻布點。樣品采集控制范圍為環城公路以內，沿南北和東西軸線共采集34件（圖1）。采樣密度為1件/km2，部分單元加密為2件/km2，每件樣品由3～5個子樣等量均勻混合而成，質量約30g。樣品均用軟毛刷收集于離地面高度為1.5m左右的木質窗臺、門框以及閱報欄等平臺上；置于紙質樣品袋內，編號、封口和儲存運輸［15－18］。采樣時遠離公路、建筑和拆遷現場、工廠等明顯污染源，剔除采樣平臺上的雜物，對平臺上有明顯水泥、鐵屑等風化剝落物的則進行移點采樣，以避免局部污染，樣品采集全過程未接觸金屬工具。野外采用GPS測定各采樣點位地理坐標，并標注于1∶5萬野外工作手圖上。工作前期和工作期間天氣晴好，無明顯降水，采樣結束后即送至實驗室干燥保存，備分析用。

圖1 研究區位置及采樣點分布Fig.1 Studied area and sampling location map

1.2 粒徑分析

樣品委托吉林大學測試科學實驗中心進行粒度分析。所有樣品在實驗室風干，測試前先將采集的樣品用2mm尼龍篩過篩，剔除碎屑、礫石類物質和其他雜物。粒徑分析采用激光粒度分析儀（JL9200型，濟南微納儀器有限公司生產，測量范圍為0.1～300.0μm）進行檢測，檢測中以六偏磷酸鈉為分散劑，蒸餾水為分散介質，超聲時間120s，本次測量范圍設定為0.1～300.0μm，分42個粒級，重復測定3次，重復測量誤差小于2%。

2 結果及討論

2.1 城市近地表灰塵的粒度組成特征

由表1數據經計算可知：長春市城區近地表灰塵以粗粉粒組（10.00～80.00μm）為主，占樣品粒度組成的51.43%～83.83%，平均71.28%；黏粒組（＜5.00μm）占7.70%～27.10%，平均為14.75%；細粉 粒（5.00～10.00μm）組 分 占 6.20% ～22.19%，平均為13.05%。值得注意的是，從表1的最后一列經計算可知，近地表灰塵中粗顆粒（粒徑80.00～100.00μm，極細砂）體積分數極低，平均僅占粒度組成的1.00%左右。這一粒度組成特征明顯區別于以較粗的砂礫為主要組成的城市街道灰塵［14，24－25］。

由各采樣點累積體積分數分布（表1）可見：累積體積分數為90%（D90）時所對應的粒徑范圍為33.99～67.37μm，平均48.63μm，變異系數0.15，表明城市近地表灰塵中粒徑小于48.63μm的顆粒約占總體積的90%；小于80.00μm的顆粒平均體積百分數為93.02%～100.00%，占絕對優勢；粒徑小于10.00μm的可吸入顆粒（particulate matter，PM10）的顆粒體積分數為14.00%～48.57%，平均為27.76%；粒徑小于2.50μm的可入肺顆粒物（PM2.5）的平均累積體積分數為7.32%（3.76%～12.67%，變異系數0.28，PM10和PM2.5體積分數均遠大于城市街道灰塵相同粒組［14，24］?？傮w而言，長春市城區近地表灰塵顆粒物較細，粗粉粒組占絕對優勢。

2.2 城市近地表灰塵粒度曲線及粒度參數特征

顆粒物能否在外動力的作用下揚起懸浮，與其粒徑大小密切相關，僅細顆粒物才能在外動力作用下揚起成為污染物，且相同質量條件下，細顆粒物的表面積更大，對重金屬元素離子的吸附能力更強。城市灰塵粒度分布特征可直接反映灰塵對人體產生的負影響。顆粒物直徑的大小決定顆粒物最終進入人體的部位：小于10.00μm的顆粒物可進入鼻腔；小于7.00μm的可進入咽喉；小于3.00μm的可達支氣管；小于1.00μm的則可深達肺泡［26］。因此，城市灰塵粒度分布規律成為研究熱點。

粒度頻率曲線能較直觀地反映沉積物各個粒級的含量，可反映出沉積物的中值粒徑以及沉積物粗細部分的相對大小。

研究中，通常用中值粒徑（D50）和算術平均粒徑（Dav）來描述不同粒徑組成的粒子群平均粒徑。從表1可見：長春市城區近地表灰塵中值粒徑為10.75～32.88μm，平均中值粒徑為21.54μm，變異系數為0.25；算術平均粒徑范圍為14.85～33.56 μm，平均算術平均粒徑為24.24μm，變異系數0.19。從變異系數可知，各采樣點間平均粒徑差異較小，從而說明平均中值粒徑和平均算術平均粒徑基本能代表長春市城區近地表灰塵粒徑的平均水平。

表1 城市近地表灰塵粒徑分布特征Table 1 Granulometric composition of urban dust near the ground in Changchun，China

與長春市大氣干濕沉降平均粒徑（約34.00 μm）相比［22］，城市近地表灰塵中值粒徑和算術平均粒徑均略小，但與長春市大氣降塵平均粒徑大體相當（約25.00μm）［22］，同時也大大小于城市街道灰塵的平均粒徑（昆明87.10μm，北京100.00μm，上海146.30μm）［14，24－25］。

從長春市城區近地表灰塵的粒徑頻率分布（圖2）可見，各采樣點粒徑分布較一致，粒徑頻率分布曲線呈非正態性和雙峰性，尤其是南北軸線方向這種規律更加明顯。這一特點反映出城市近地表灰塵的多源性和來源的相對穩定性，通常認為是由于遠近距離對粗細顆粒物的混合搬運結果，與現代塵暴降塵的粒度分布模式相似，說明近地表灰塵沉積仍是風積作用的繼續［27］。同時，這一分布特點與城市街道灰塵的粒徑 頻率分布曲線一致［14，22－23］，但與長 春市大氣降塵的粒度分布的三峰或四峰特征有所不同［22］。圖2a和b中分別可見2個峰值：一個峰值較高，對應粒徑為22.63～49.43μm；另一個峰值較低且波峰較寬，對應粒徑因采樣點不同略有差異，粒徑大致分布在1.02～3.28μm。

研究［28］表明：粒徑小于125.00μm 的顆粒容易吸附在皮膚上，并更易被胃酸溶解而被人體吸收；而粒徑小于100.00μm的顆粒物容易在一定的外動力條件下（如風、車輛行駛）以懸浮方式進入大氣并長期滯留和運移；粒徑小于66.00μm的顆粒物在微風的作用下極易揚起，是城市大氣顆粒污染物的主要來源，一般在雨水或靜風下才會降落到地表。一般認為，對人體健康危害最大的是10.00μm以下的顆粒物，其可以自由進入人體呼吸道，使變性源、過敏源的載體增加，導致城市居民呼吸道疾病患者增多，尤其容易使兒童免疫功能下降，慢性咽炎、支氣管哮喘發病率增加，同時可使老人眼部、呼吸道患病率增加［29］。從城市近地表灰塵的粒徑分布特征來看，城市近地表灰塵顆粒物粒徑均小于100.00 μm，很容易在外動力條件下再次揚起并呈懸浮搬運狀態，且小于10.00μm和2.50μm的顆粒物所占比例偏高（分別為27.76%和7.32%），因此長春市城區近地表灰塵所帶來的生態環境效應不應被忽視。

粒度參數是綜合反映沉積物粒度特征及沉積環境的量化指標，通常用分選系數、偏度、峰度和粉砂黏粒比等綜合反映。

長春市城區近地表灰塵的分選系數為12.3～25.3（表2），平均值達17.3（變異系數0.15），說明近地表灰塵分選極差。

偏度可判斷分布的對稱性，并表明平均值與中位數的相對位置。長春市城區近地表灰塵的偏度為0.12～0.58（平均0.40，變異系數0.10），為正偏，平均值向中位數較細方向移動，粗粒總體在樣品中占優勢，與頻率曲線反映出的特征一致，同時與長春市大氣降塵分布特征一致［22］。

峰度即是衡量曲線的峰凸程度。城市近地表灰塵樣品的峰度為0.56～1.34（平均0.87，變異系數0.16），即近地表灰塵峰態為中等偏窄，與長春市大氣降塵峰態分布大體一致［22］。這說明近地表灰塵中至少有一部分顆粒物是未經環境改造直接進入環境的［14］，與頻率曲線反映出的特征一致。

圖2 長春市城區近地表灰塵典型粒徑頻率分布Fig.2 Frequency curve of urban dust near the ground in Changchun

粉砂黏粒比反映了風塵堆積物種“基本粒組”與“挾持粒組”的比例關系，這種關系主要取決于風塵來源區粉塵和黏粒的產率以及來源區的干濕狀態或生物氣候條件［14］。長春市近地表灰塵粉砂黏粒比變化范圍為1.85～8.48（平均4.69，變異系數為0.35）（表2），表明長春市近地表灰塵主要以“基本粒組”為主，“挾持粒組”相對較低。

2.3 城市近地表灰塵粒度空間變化特征

為分析長春市城區近地表灰塵粒徑分布的空間變化特征，分別沿長春市南－北和東－西中軸線各布設了一條剖面（圖1）。從圖3可見：無論從南至北，還是從東到西，城市近地表灰塵的中值粒徑、算術平均粒徑以及粒徑小于10.00μm的顆粒所占體積分數均無顯著差別。但小于10.00μm的顆粒所占體積分數呈現出自東向西略為增大的趨勢（圖3）。同時注意到，城市中心區域算術平均粒徑、中值粒徑以及小于10.00μm的顆粒所占體積分數較城市邊緣區域變化范圍小。這可能說明城市中心區域的近地表灰塵來源相對單一，而邊緣區域的城市近地表灰塵來源相對復雜，具有多源性和復雜性。

3 結論

1）長春市城區近地表灰塵以粗粉粒組（10.00～80.00μm）為主，占樣品粒度組成的51.43%～83.83%，平均71.28%；黏粒組（＜5.00μm）占7.70%～27.10%，平均為14.75%；細粉粒（5.00～10.00μm）組分占6.20%～22.19%，平均13.05%。

2）粒度參數分析表明，長春市城區近地表灰塵平均中值粒徑和算術平均粒徑分別為21.58μm和24.24μm。總體為分選極差、雙峰中等偏窄不對稱的粗粉粒。

3）近地表灰塵顆粒物粒徑均小于100.00μm，極易在外動力條件下再次揚起并呈懸浮搬運狀態。小于10.00μm和2.50μm的顆粒物所占比例偏高（分別為27.76%和7.32%），故長春市城區近地表灰塵所帶來的生態環境效應不宜被忽視。

表2 城市近地表灰塵粒徑粒度參數Table 2 Grain size parameters of urban dust near the ground in Changchun，China

圖3 長春市城區近地表灰塵粒徑空間變化特征Fig.3 Spatial variation of gain size distribution of urban dust near the ground in Changchun，China

4）粒徑分布無明顯空間變化，同時城市中心區域算術平均粒徑、中值粒徑以及小于10.00μm的顆粒所占比例較城市邊緣區域變化范圍小。這可能說明城市中心區域的近地表灰塵來源相對單一，而邊緣區域的城市近地表灰塵來源相對復雜，具有多源性和復雜性。

5）粒徑頻率分布曲線呈非正態性和雙峰性，這一特點反映出多源性和相對穩定性，說明其大氣運動對近距離粗細顆粒物的混合搬運結果，與現代塵暴降塵和城市街道灰塵的粒度分布模式相似，說明近地表灰塵沉積仍是風積作用的繼續。

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