楊忠平，張 強(qiáng)，張 梁，李 達(dá)，盧文喜，辛 欣

1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045

2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)），重慶 400030

3.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長(zhǎng)春 130021

0 引言

在普遍關(guān)注城市大氣污染、水污染、噪聲污染等對(duì)環(huán)境造成危害的同時(shí)，人們對(duì)灰塵在城市環(huán)境災(zāi)害發(fā)生中的媒介、傳播、引發(fā)等作用卻普遍認(rèn)識(shí)不足、重視不夠［1］。實(shí)際上，城市灰塵是一種物質(zhì)組成和來(lái)源極其復(fù)雜的環(huán)境介質(zhì)，其作為大量污染物（如重金屬、多環(huán)芳烴等）的受納體而成為城市環(huán)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(guò)大氣干濕沉降等途徑持續(xù)地大量輸入到地表環(huán)境中，對(duì)城市環(huán)境的生物地球化學(xué)循環(huán)造成持久的負(fù)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(guò)吸入、攝入及接觸而對(duì)人體健康構(gòu)成潛在威脅［3］。其已成為環(huán)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(guān)注［1－10］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)城市灰塵的研究主要集中于對(duì)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(huán) 芳 烴 等 污 染 物 的 污 染 水 平［3－4，7－8，10］、時(shí) 空 分布［11－12］、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［9］和粒徑組成特征及其與重 金屬污染水平的關(guān)系［12－14］等。近年來(lái)，研究者已開始關(guān)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(huán)境指示意義［5－6］。盡管如此，目前針對(duì)高度在1.5m左右（與人體平均高度大體相當(dāng)）更易為人體接觸的近地表灰塵的研究?jī)H有零星開展［15－17］。然而，近地表大氣塵是大氣顆粒物及地表?yè)P(yáng)塵的混合物，具有自己獨(dú)特的性質(zhì)和污染特征，因此通過(guò)系統(tǒng)的研究可直接獲取對(duì)人體健康的影響因素，對(duì)城市環(huán)境的治理、環(huán)境遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理及環(huán)境健康效應(yīng)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(shù)，顆粒物的全部性質(zhì)均與粒度有關(guān)，且大多數(shù)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(duì)人體和環(huán)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(guān)系。同時(shí)對(duì)灰塵進(jìn)行粒度分級(jí)也是進(jìn)行污染源甄別的重要手段之一［15－19］。

隨著城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，長(zhǎng)春市城區(qū)環(huán)境已受到一定程度的重金屬污染［20－21］。但研究者對(duì)在城市環(huán)境災(zāi)害發(fā)生中起媒介、傳播、引發(fā)等作用的城市灰塵的研究比國(guó)內(nèi)其他城市明顯滯后［19－23］，尤其是對(duì)其粒徑特征的研究明顯不足。鑒于此，筆者對(duì)長(zhǎng)春市城區(qū)近地表（約1.5m）的灰塵樣品進(jìn)行了系統(tǒng)采集，并采用激光粒度儀測(cè)試了其粒度組成，以期深入掌握長(zhǎng)春市城區(qū)灰塵污染特征和來(lái)源。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

為了更好地反映研究區(qū)內(nèi)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(wǎng)格化均勻布點(diǎn)。樣品采集控制范圍為環(huán)城公路以內(nèi)，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(gè)子樣等量均勻混合而成，質(zhì)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(zhì)窗臺(tái)、門框以及閱報(bào)欄等平臺(tái)上；置于紙質(zhì)樣品袋內(nèi)，編號(hào)、封口和儲(chǔ)存運(yùn)輸［15－18］。采樣時(shí)遠(yuǎn)離公路、建筑和拆遷現(xiàn)場(chǎng)、工廠等明顯污染源，剔除采樣平臺(tái)上的雜物，對(duì)平臺(tái)上有明顯水泥、鐵屑等風(fēng)化剝落物的則進(jìn)行移點(diǎn)采樣，以避免局部污染，樣品采集全過(guò)程未接觸金屬工具。野外采用GPS測(cè)定各采樣點(diǎn)位地理坐標(biāo)，并標(biāo)注于1∶5萬(wàn)野外工作手圖上。工作前期和工作期間天氣晴好，無(wú)明顯降水，采樣結(jié)束后即送至實(shí)驗(yàn)室干燥保存，備分析用。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Studied area and sampling location map

1.2 粒徑分析

樣品委托吉林大學(xué)測(cè)試科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行粒度分析。所有樣品在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，測(cè)試前先將采集的樣品用2mm尼龍篩過(guò)篩，剔除碎屑、礫石類物質(zhì)和其他雜物。粒徑分析采用激光粒度分析儀（JL9200型，濟(jì)南微納儀器有限公司生產(chǎn)，測(cè)量范圍為0.1～300.0μm）進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)中以六偏磷酸鈉為分散劑，蒸餾水為分散介質(zhì)，超聲時(shí)間120s，本次測(cè)量范圍設(shè)定為0.1～300.0μm，分42個(gè)粒級(jí)，重復(fù)測(cè)定3次，重復(fù)測(cè)量誤差小于2%。

2 結(jié)果及討論

2.1 城市近地表灰塵的粒度組成特征

由表1數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可知：長(zhǎng)春市城區(qū)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(xì)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(jīng)計(jì)算可知，近地表灰塵中粗顆粒（粒徑80.00～100.00μm，極細(xì)砂）體積分?jǐn)?shù)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(qū)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(diǎn)累積體積分?jǐn)?shù)分布（表1）可見：累積體積分?jǐn)?shù)為90%（D90）時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑范圍為33.99～67.37μm，平均48.63μm，變異系數(shù)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?jǐn)?shù)為93.02%～100.00%，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；粒徑小于10.00μm的可吸入顆粒（particulate matter，PM10）的顆粒體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)為7.32%（3.76%～12.67%，變異系數(shù)0.28，PM10和PM2.5體積分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)大于城市街道灰塵相同粒組［14，24］?？傮w而言，長(zhǎng)春市城區(qū)近地表灰塵顆粒物較細(xì)，粗粉粒組占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2.2 城市近地表灰塵粒度曲線及粒度參數(shù)特征

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

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

研究中，通常用中值粒徑（D50）和算術(shù)平均粒徑（Dav）來(lái)描述不同粒徑組成的粒子群平均粒徑。從表1可見：長(zhǎng)春市城區(qū)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(shù)為0.25；算術(shù)平均粒徑范圍為14.85～33.56 μm，平均算術(shù)平均粒徑為24.24μm，變異系數(shù)0.19。從變異系數(shù)可知，各采樣點(diǎn)間平均粒徑差異較小，從而說(shuō)明平均中值粒徑和平均算術(shù)平均粒徑基本能代表長(zhǎng)春市城區(qū)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(zhǎng)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(shù)平均粒徑均略小，但與長(zhǎng)春市大氣降塵平均粒徑大體相當(dāng)（約25.00μm）［22］，同時(shí)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(zhǎng)春市城區(qū)近地表灰塵的粒徑頻率分布（圖2）可見，各采樣點(diǎn)粒徑分布較一致，粒徑頻率分布曲線呈非正態(tài)性和雙峰性，尤其是南北軸線方向這種規(guī)律更加明顯。這一特點(diǎn)反映出城市近地表灰塵的多源性和來(lái)源的相對(duì)穩(wěn)定性，通常認(rèn)為是由于遠(yuǎn)近距離對(duì)粗細(xì)顆粒物的混合搬運(yùn)結(jié)果，與現(xiàn)代塵暴降塵的粒度分布模式相似，說(shuō)明近地表灰塵沉積仍是風(fēng)積作用的繼續(xù)［27］。同時(shí)，這一分布特點(diǎn)與城市街道灰塵的粒徑 頻率分布曲線一致［14，22－23］，但與長(zhǎng) 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(gè)峰值：一個(gè)峰值較高，對(duì)應(yīng)粒徑為22.63～49.43μm；另一個(gè)峰值較低且波峰較寬，對(duì)應(yīng)粒徑因采樣點(diǎn)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(dòng)力條件下（如風(fēng)、車輛行駛）以懸浮方式進(jìn)入大氣并長(zhǎng)期滯留和運(yùn)移；粒徑小于66.00μm的顆粒物在微風(fēng)的作用下極易揚(yáng)起，是城市大氣顆粒污染物的主要來(lái)源，一般在雨水或靜風(fēng)下才會(huì)降落到地表。一般認(rèn)為，對(duì)人體健康危害最大的是10.00μm以下的顆粒物，其可以自由進(jìn)入人體呼吸道，使變性源、過(guò)敏源的載體增加，導(dǎo)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(fā)病率增加，同時(shí)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(lái)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(dòng)力條件下再次揚(yáng)起并呈懸浮搬運(yùn)狀態(tài)，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(zhǎng)春市城區(qū)近地表灰塵所帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)不應(yīng)被忽視。

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

長(zhǎng)春市城區(qū)近地表灰塵的分選系數(shù)為12.3～25.3（表2），平均值達(dá)17.3（變異系數(shù)0.15），說(shuō)明近地表灰塵分選極差。

偏度可判斷分布的對(duì)稱性，并表明平均值與中位數(shù)的相對(duì)位置。長(zhǎng)春市城區(qū)近地表灰塵的偏度為0.12～0.58（平均0.40，變異系數(shù)0.10），為正偏，平均值向中位數(shù)較細(xì)方向移動(dòng)，粗?？傮w在樣品中占優(yōu)勢(shì)，與頻率曲線反映出的特征一致，同時(shí)與長(zhǎng)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(shù)0.16），即近地表灰塵峰態(tài)為中等偏窄，與長(zhǎng)春市大氣降塵峰態(tài)分布大體一致［22］。這說(shuō)明近地表灰塵中至少有一部分顆粒物是未經(jīng)環(huán)境改造直接進(jìn)入環(huán)境的［14］，與頻率曲線反映出的特征一致。

圖2 長(zhǎng)春市城區(qū)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(fēng)塵堆積物種“基本粒組”與“挾持粒組”的比例關(guān)系，這種關(guān)系主要取決于風(fēng)塵來(lái)源區(qū)粉塵和黏粒的產(chǎn)率以及來(lái)源區(qū)的干濕狀態(tài)或生物氣候條件［14］。長(zhǎng)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(shù)為0.35）（表2），表明長(zhǎng)春市近地表灰塵主要以“基本粒組”為主，“挾持粒組”相對(duì)較低。

2.3 城市近地表灰塵粒度空間變化特征

為分析長(zhǎng)春市城區(qū)近地表灰塵粒徑分布的空間變化特征，分別沿長(zhǎng)春市南－北和東－西中軸線各布設(shè)了一條剖面（圖1）。從圖3可見：無(wú)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(shù)平均粒徑以及粒徑小于10.00μm的顆粒所占體積分?jǐn)?shù)均無(wú)顯著差別。但小于10.00μm的顆粒所占體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出自東向西略為增大的趨勢(shì)（圖3）。同時(shí)注意到，城市中心區(qū)域算術(shù)平均粒徑、中值粒徑以及小于10.00μm的顆粒所占體積分?jǐn)?shù)較城市邊緣區(qū)域變化范圍小。這可能說(shuō)明城市中心區(qū)域的近地表灰塵來(lái)源相對(duì)單一，而邊緣區(qū)域的城市近地表灰塵來(lái)源相對(duì)復(fù)雜，具有多源性和復(fù)雜性。

3 結(jié)論

1）長(zhǎng)春市城區(qū)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(xì)粉粒（5.00～10.00μm）組分占6.20%～22.19%，平均13.05%。

2）粒度參數(shù)分析表明，長(zhǎng)春市城區(qū)近地表灰塵平均中值粒徑和算術(shù)平均粒徑分別為21.58μm和24.24μm?？傮w為分選極差、雙峰中等偏窄不對(duì)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(dòng)力條件下再次揚(yáng)起并呈懸浮搬運(yùn)狀態(tài)。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(zhǎng)春市城區(qū)近地表灰塵所帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)不宜被忽視。

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

圖3 長(zhǎng)春市城區(qū)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(wú)明顯空間變化，同時(shí)城市中心區(qū)域算術(shù)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(qū)域變化范圍小。這可能說(shuō)明城市中心區(qū)域的近地表灰塵來(lái)源相對(duì)單一，而邊緣區(qū)域的城市近地表灰塵來(lái)源相對(duì)復(fù)雜，具有多源性和復(fù)雜性。

5）粒徑頻率分布曲線呈非正態(tài)性和雙峰性，這一特點(diǎn)反映出多源性和相對(duì)穩(wěn)定性，說(shuō)明其大氣運(yùn)動(dòng)對(duì)近距離粗細(xì)顆粒物的混合搬運(yùn)結(jié)果，與現(xiàn)代塵暴降塵和城市街道灰塵的粒度分布模式相似，說(shuō)明近地表灰塵沉積仍是風(fēng)積作用的繼續(xù)。

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