城市大氣降塵污染研究進(jìn)展

楊 蕓 阮 麗 包躍躍 李建武

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 311300;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，杭州 310000)

城市化是一個國家或地區(qū)實現(xiàn)工業(yè)化、現(xiàn)代化不可逾越的發(fā)展階段，是當(dāng)代世界各國走向現(xiàn)代化的必然趨勢［1－3］。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市大氣降塵污染問題日益突出，并相繼出現(xiàn)了一系列城市的社會和生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重制約城市居民的健康和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［4－5］。由于城市大氣降塵研究與人類健康息息相關(guān)，并包含了特定的環(huán)境信息和指示作用［6，7］。因此，許多國家開展了對城市環(huán)境大氣降塵的廣泛研究［8－10］。

國內(nèi)過去主要集中于對大氣懸浮顆粒物的研究，而對城市降塵的研究起步較晚且報道較少。直到2004年，杜佩軒等才系統(tǒng)地提出了城市降塵的概念、研究內(nèi)容與方法［11］。近年在我國許多大城市，如北京、上海、重慶等地，陸續(xù)開展了城市降塵研究［12－15］。城市大氣降塵研究對探究全球環(huán)境變化、區(qū)域大氣環(huán)境污染有效環(huán)境防治與管理，都具有十分重要的意義。本文從城市大氣降塵概念入手，闡述了城市降塵的顆粒組成、礦物組成與元素地球化學(xué)特征，探討城市大氣降塵污染現(xiàn)狀及其危害，著重介紹了城市大氣降塵污染物源示蹤研究的最新方法與研究進(jìn)展，以期為大氣環(huán)境污染的有效整治和改善城市生態(tài)環(huán)境的決策與管理提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 城市大氣降塵

20世紀(jì)70年代，《Nature》最早報道了城市大氣降塵的相關(guān)研究［16］。隨著城市環(huán)境污染的日益加劇，城市大氣降塵逐漸引起廣泛的關(guān)注。大氣降塵通常指空氣中粒徑大于10μm的固體顆粒物的總稱，是衡量空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)。環(huán)境學(xué)家研究大氣降塵多偏重空氣污染，生態(tài)學(xué)家研究大氣降塵多偏重對人體的危害，氣象學(xué)家研究大氣降塵多偏重于其形成機(jī)制，地球化學(xué)家研究大氣降塵多偏重地表物質(zhì)循環(huán)與元素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、特征等。朱禮學(xué)［17］從土壤地球化學(xué)研究的角度，指出城市降塵主要是指附著、沉淀于城市人工鋪地(道路、橋面、街面、廣場)及地面附著物、建筑物的裸露面上，未被固化粘結(jié)易于被地表徑流、雨水及大氣帶動、運移和飄浮的粒徑小于20目的固體顆粒物;常靜等［18］則認(rèn)為城市大氣降塵主要指來自大氣沉降和城市交通、建筑、工業(yè)等各種非點源所產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)，在風(fēng)力、水力及重力作用下，沉積在城市不透水地面，形成的地表降塵即是城市降塵的研究范疇。

2 城市降塵的理化特征

2.1 粒度特征

粒度是指大氣降塵顆粒物質(zhì)的大小，是表征顆粒物行為最主要的參數(shù)顆粒，物的全部性質(zhì)都與粒徑有關(guān)［18，19］。王冠［20］等對蘭州市城市降塵的研究表明，粒度分布總體上呈雙峰分布特征，樣品分選性差，塵粒物主要與土壤塵和人為排放源有關(guān)。李玉霖［21］等通過對蘭州市沙塵與非沙塵天氣降塵的粒度特征的研究表明，降塵粒度參數(shù)都屬于正偏態(tài)曲線、分選差、呈尖窄峰態(tài)類型，與蘭州黃土粒度特征有一定的相似性。管清玉［22］等則指出在蘭州市塵暴呈三峰分布模式，具有向粗、細(xì)顆粒區(qū)間延伸的特點。因此，城市降塵的沉降速率明顯受到粒徑大小的影響，粒徑越大，沉降速率越大［23］。另外，降塵粒徑分布也是影響城市降塵中重金屬含量和存在形態(tài)的重要因素［24］。不同粒級顆粒對污染物含量有不同的貢獻(xiàn)率。一般顆粒物粒級越小，其比表面積和表面吸附力越大，所吸附的污染物含量越高［25，26］。

2.2 礦物組成

城市大氣降塵的礦物組成是與其物質(zhì)來源密切相關(guān)的，研究城市降塵的礦物組成一方面為研究降塵的物質(zhì)來源提供了方向，另一方面也為了解元素的賦存狀態(tài)提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。城市降塵的礦物成分復(fù)雜，礦物X衍射分析顯示，降塵主要由石英、微斜長石、鈉鐵長石、方解石、白云石、菱鐵礦、赤鐵礦、伊利石、綠泥石、高嶺石、鈉鐵閃石及一些非晶質(zhì)礦物組成，其中石英的含量最多［27］。

2.3 化學(xué)元素組成

不同源區(qū)的降塵具有不同的化學(xué)組成特征。大氣降塵的化學(xué)元素組成可分為無機(jī)和有機(jī)組分兩大部分 ［28－30］。無機(jī)組分主要以常量元素為主，包括 SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2等;痕量元 素 Li、Be、Ba、Cr、Co、Ni、Cu、As、Se、Mo、Cd、Sb、Pb、Zn、Ti、Sc、Rb、Cs、Ag 等。如對南京市大氣降塵的研究結(jié)果表明［31］，降塵中Cr、Fe、Mn含量與土壤背景值比較接近(表1)，而As、Cd、Cu、Hg、Mo、Ni、Pb、Se、Zn含量范圍變化較大，顯著高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸担尸F(xiàn)不同程度的富集。

表1 南京市大氣降塵重金屬含量(ppm)

3 城市降塵的重金屬污染

城市降塵中重金屬污染是反映城市環(huán)境污染狀況的重要指標(biāo)之一。由于城市人口眾多，降塵中重金屬的含量較高［32］，通常城市降塵中重金屬含量會普遍高于土壤背景值，表現(xiàn)出較高的累積特征［33］，污染程度與城市不同功能區(qū)有關(guān)，如交通區(qū)尤其十字路口處，城市降塵中重金屬的含量最高。王平利等［34］對成都市大氣降塵研究表明，Hg、As和Pb含量峰值出現(xiàn)在城市交通干道的十字路口區(qū)域，并且呈點狀分布;而Pb、Zn、Cu等，則與沿交通要道呈線狀分布［35］。沈陽、成都、北京等［35－37］城市降塵的研究均表明，降塵重金屬污染以工業(yè)區(qū)最為嚴(yán)重，其次為繁華商業(yè)區(qū)和交通區(qū)，公園和校園區(qū)域污染較小。

重金屬對環(huán)境的危害首先取決于其化學(xué)活性，其次才取決于其含量［38］。不同化學(xué)活性及生物有效性的重金屬，生物吸收利用程度大不相同［39］。高連存等［40］發(fā)現(xiàn)城市降塵中Cu主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)、Pb和Zn主要以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、Cr主要以殘渣態(tài)存在。而香港城市降塵中Pb、Zn主要以碳酸鹽和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)形式存在［41］。城市降塵中Cr、Cd、Pb存在形式稍有差異，但其性質(zhì)穩(wěn)定，不易遷移轉(zhuǎn)化，對環(huán)境的危害較持久。因此，土壤與大氣降塵的重金屬污染物化學(xué)形態(tài)及其轉(zhuǎn)化與物源研究已得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。

城市大氣降塵污染(包括PM2.5)的判源分析，已成為環(huán)境研究中的熱點問題。常用的判源方法包括統(tǒng)計學(xué)、透射電子顯微鏡、元素地球化學(xué)、環(huán)境磁學(xué)和同位素指紋方法等。陳天虎等［27］通過透射電子顯微鏡法，鑒別出合肥城市降塵礦物成分，并揭示出城市大氣污染物來源以地表揚(yáng)塵為主。多元素組合分析法，能有效指示污染物來源［42］。環(huán)境磁學(xué)方法已應(yīng)用于地表降塵重金屬判源研究，磁化率方法比傳統(tǒng)的實驗室分析快且不具破壞力，在實際應(yīng)用中可與環(huán)境分析法互為印證，可提高在不同環(huán)境介質(zhì)中追蹤污染物來源的能力［43］。近年來，同位素分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土壤與大氣降塵污染判源分析［44－46］。Lee等［44］通過首爾地表降塵中206Pb與207pb的比值研究表明，降塵中的Pb主要來源于工業(yè)污染源，而不是含鉛汽油。Pb同位素示蹤技術(shù)也可以很好的揭示大氣鉛的來源［45－47］。常向陽等［48］通過分析珠江三角洲部分城區(qū)汽車尾氣、土壤、大氣塵埃和氣溶膠等的鉛同位素組成，闡明了該地區(qū)的嚴(yán)重汽車尾氣鉛污染與工業(yè)生產(chǎn)中鉛、銅、鋅和鉈等產(chǎn)生污染來源。

［1］張甘霖．城市土壤的生態(tài)服務(wù)功能演變與城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)［J］．科技導(dǎo)報，2005，23(3):16－19．

［2］Marina Stroganova．Soils of Moscow and Urban Environment［M］．Moscow:Russian Federation．1998，1－120．

［3］張林泉．城市化與可持續(xù)發(fā)展［J］．中國人口與資源與環(huán)境，2000，10(3):49 －53．

［4］魏復(fù)盛，騰恩江，吳國平，等．我國4個大城市空氣PM2．5、可吸入顆物污染及其化學(xué)組成［J］中國環(huán)境監(jiān)測，2001，17(增):1－6．

［5］魏復(fù)盛，胡偉，吳國平，等．空氣污染對兒童肺功能指標(biāo)影響的初步分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2001，17(增):61－66．

［6］倪劉建，張甘霖，周立祥．南京市不同功能區(qū)冬季大氣降塵的沉降通量和粒度分布［J］．城市環(huán)境與城市生態(tài)，2006，19(2):27－29．

［7］杜佩軒，田暉，韓永明，等．城市灰塵粒徑組成及環(huán)境效應(yīng)－以西安市為例川［J］．巖石礦物學(xué)雜志，2002，21(1):93－98．

［8］Ferreira－ Baptista L，De Miguele．Geochemistry and Risk Assessment of Street Dust in Luanda，Angola:A tropical urban environment ［J］．Atmospheric Environment，2005，39:4501 －4512．

［9］Xie S，Dearing J A，Boyle J F．Association between Magnetic Properties and Element Concentrations of Liverpool Street Dust and Its Implications［J］．Journal of Applied Geophysics．2001，48:83 －92．

［10］Norman M，Johansson C．Studies of Some Measures to Reduce Road Dust Emissions from Paved Roads in Scandinavia ［J］．Atmospheric Environment，2006，40:6154－6164．

［11］杜佩軒，田暉，韓永明．城市灰塵概念、研究內(nèi)容與方法［J］．陜西地質(zhì)，2004，22(1):73－79．

［12］潘虹梅．金華城市灰塵的理化特征及環(huán)境影響［D］．金華:浙江師范大學(xué)大學(xué)，2009．

［13］梁濤，史正濤，劉志國．昆明市街道灰塵粒度特征及其環(huán)境意義［J］．長江流域資源與環(huán)境，2011，1(1):122－128．

［14］常靜，劉敏，李先華等．上海城市地表灰塵重金屬污染粒級效應(yīng)與生物有效性［J］．環(huán)境科學(xué)，2008，29(12):3489－3495．

［15］王學(xué)松．城市道路不同粒徑沉積物中Pb的污染特征［J］．淮海工學(xué)院學(xué)(自然科學(xué)版)，2005，14(1):62－65．

［16］Day J P，Harl M，Robinson M S．Lead in urban dust，Nature．1975，253:243－245．

［17］朱禮學(xué)．城市塵土地球化學(xué)調(diào)查的意義及構(gòu)想［J］．四川地質(zhì)學(xué)報，2003，23(3):174 －175．

［18］常靜，劉敏，侯立軍等．城市地表灰塵的概念、污染特征與環(huán)境效應(yīng)［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2007，18(5):1153－1158．

［19］商翎．元素生態(tài)地球化學(xué)及其應(yīng)用［M］．沈陽:遼寧大學(xué)出版社，1997．154－277．

［20］王冠，夏敦勝，陳發(fā)虎，等．蘭州市街道塵埃粒度空間變化特征［J］．環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33(3):67－72．

［21］李玉霖，拓萬全，崔建坦．蘭州市沙塵和非沙塵天氣降塵的粒度特征比較［J］．中國沙漠，2006，26(4):644－647．

［22］管清玉，潘保田，李瓊，等．蘭州市塵暴過程中降塵粒度特征探析［J］．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，24(6):87－90．

［23］羅瑩華．韶關(guān)市大氣顆粒物地球化學(xué)特征與源解析研究［D］．長沙:中南大學(xué)，2006．

［24］劉春華，岑況．北京市街道灰塵粒度特征及其來源解析［J］．環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，27(6):1006－1012．

［25］Wang W H，Wong M H，Lehame S，et a1．Fractionation and biotoxicity of heavy metals in urban dusts collected from HongKong and London［J］．Environmental Geochemistry andHealth，1998，20:185 －198．

［26］王學(xué)松．城市道路不同粒徑沉積物中Pb的污染特征［J］．淮海工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，14(1):62－65．

［27］陳天虎，徐慧芳．大氣降塵TEM觀察及其環(huán)境礦物學(xué)意義．巖石礦物學(xué)雜志，2003，22(4):425－428．

［28］楊麗萍，陳發(fā)虎張成君．蘭州市大氣降塵的化學(xué)特性［J］．蘭州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，38(5):115－120．

［29］張寧，李利平，王式功，等．蘭州市城區(qū)與背景點冬季大氣氣溶膠中主要無機(jī)離子的組成特征［J］．環(huán)境化學(xué)，2008，27(4):497－498．

［30］劉永春，賀泓．大氣顆粒物化學(xué)組成分析［J］．化學(xué)進(jìn)展，2007，19(10):1621－1631．

［31］李山泉，楊金玲，阮心玲，張甘霖．南京市大氣沉降中重金屬特征及對土壤環(huán)境的影響［J］．中國環(huán)境科學(xué)，2014，34(1):22－29．

［32］張菊．上海城市街道灰塵重金屬污染研究［D］．上海:華東師范大學(xué)，2005．

［33］史貴濤，陳振樓，王利等．上海城市公園灰塵重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險評價叨．城市環(huán)境與城市生態(tài)，2006，19(4):40－43．

［34］王平利．成都市近地表大氣塵的環(huán)境地球化學(xué)特征［D］．四川:成都理工大學(xué)，2004．

［35］AI－Rajhi M A，Seaward M R D．Metal levels in indoor and outdoor dust in Riyadh．Saudi Arabia［J］．Environmental International，1996，22(3):315 －324．

［36］王金達(dá)，劉景雙，于君寶等．沈陽市城區(qū)土壤和灰塵中鉛的分布特征［J］．中國環(huán)境科學(xué)，2003，23(3):300－304．

［37］韓東昱，岑況，龔慶杰．北京市公園道路粉塵Cu、Pb、Zn含量及其污染評價［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2004，17(2):10－13．

［38］錢嫦萍，陳振樓，畢春娟等．潮灘沉積物重金屬生物地球化學(xué)研究進(jìn)展［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2002，15(2):49－51．

［39］王慎強(qiáng)，陳懷滿，司友斌．我國土壤環(huán)境保護(hù)研究回顧和展望［J］．土壤，1999，3l(5):255－260．

［40］高連存，馮素萍，何桂華等．不同粒徑降塵中痕量金屬元素Cu、Pb、Zn、Cr的形成分析［J］．環(huán)境科學(xué)研究，1995，8(4):35－39．

［41］Li X D，Poon C，Liu P S．Heavy metal contamination of urban soils and street dusts in Hong Kong ［J］．Applied Geochemistry，2001，16(1l．12):1361 －1368．

［42］張晶，陳宗良，王瑋．北京市大氣小顆粒物的污染源解析［J］．環(huán)境科學(xué)學(xué)報，1998，18(1):62－69．

［43］葛淑蘭，石學(xué)法，韓貽兵．南黃海海底沉積物的磁化率特征［J］．科學(xué)通報，2001，46(增刊):34－38．

［44］Lee P K，Yu Y H，Yun S T，et a1．Metal contamination and solid phase partitioning of metals in urban roadside sediments［J］．Chemosphere，2005，60:672－689．

［45］Chiar adia M，Chenhall B E．Identification of historical lead source of dusts and recent lake sediments from an industrialized area:indications from lead isotopes［J］．The Science of the Total Environment，1997，20(5):107 －1281．

［46］Munksqaard N C．Lead isotope ratios determined by ICP － MS:Monitoring of mining － derived metal Particulate in atmospheric fallout，Northern，Australia［J］．Science of the Total Environment，1998，217(2):113 －1251．

［47］高志友，尹觀，倪師軍．成都市城市環(huán)境鉛同位素地球化學(xué)特征［J］．中國巖溶，2004，23(4):267－2721．

［48］常向陽，朱炳泉．元素－同位素示蹤在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用［J］．廣州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002，1(3):67－701．