長春市城區(qū)近地表灰塵粒度特征及其環(huán)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(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室（重慶大學），重慶 400030

3.吉林大學環(huán)境與資源學院，長春 130021

0 引言

在普遍關(guān)注城市大氣污染、水污染、噪聲污染等對環(huán)境造成危害的同時，人們對灰塵在城市環(huán)境災害發(fā)生中的媒介、傳播、引發(fā)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(zhì)組成和來源極其復雜的環(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，對城市環(huán)境的生物地球化學循環(huán)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(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］。

國內(nèi)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(huán) 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(guān)系［12－14］等。近年來，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(zhì)和污染特征，因此通過系統(tǒng)的研究可直接獲取對人體健康的影響因素，對城市環(huán)境的治理、環(huán)境遷移轉(zhuǎn)化機理及環(huán)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(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(jīng)濟的發(fā)展，長春市城區(qū)環(huán)境已受到一定程度的重金屬污染［20－21］。但研究者對在城市環(huán)境災害發(fā)生中起媒介、傳播、引發(fā)等作用的城市灰塵的研究比國內(nèi)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(qū)近地表（約1.5m）的灰塵樣品進行了系統(tǒng)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(qū)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(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。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、門框以及閱報欄等平臺上；置于紙質(zhì)樣品袋內(nèi)，編號、封口和儲存運輸［15－18］。采樣時遠離公路、建筑和拆遷現(xiàn)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(jié)束后即送至實驗室干燥保存，備分析用。

圖1 研究區(qū)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(zhì)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(chǎn)，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(zhì)，超聲時間120s，本次測量范圍設(shè)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(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)計算可知：長春市城區(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(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］。

由各采樣點累積體積分數(shù)分布（表1）可見：累積體積分數(shù)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(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數(shù)為93.02%～100.00%，占絕對優(yōu)勢；粒徑小于10.00μm的可吸入顆粒（particulate matter，PM10）的顆粒體積分數(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）的平均累積體積分數(shù)為7.32%（3.76%～12.67%，變異系數(shù)0.28，PM10和PM2.5體積分數(shù)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(qū)近地表灰塵顆粒物較細，粗粉粒組占絕對優(yōu)勢。

2.2 城市近地表灰塵粒度曲線及粒度參數(shù)特征

顆粒物能否在外動力的作用下?lián)P起懸浮，與其粒徑大小密切相關(guān)，僅細顆粒物才能在外動力作用下?lián)P起成為污染物，且相同質(zhì)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(chǎn)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(guī)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(shù)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(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，各采樣點間平均粒徑差異較小，從而說明平均中值粒徑和平均算術(shù)平均粒徑基本能代表長春市城區(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(qū)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(tài)性和雙峰性，尤其是南北軸線方向這種規(guī)律更加明顯。這一特點反映出城市近地表灰塵的多源性和來源的相對穩(wěn)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(jié)果，與現(xiàn)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(xù)［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(fā)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(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%），因此長春市城區(qū)近地表灰塵所帶來的生態(tài)環(huán)境效應不應被忽視。

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，通常用分選系數(shù)、偏度、峰度和粉砂黏粒比等綜合反映。

長春市城區(qū)近地表灰塵的分選系數(shù)為12.3～25.3（表2），平均值達17.3（變異系數(shù)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(shù)的相對位置。長春市城區(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)較細方向移動，粗?？傮w在樣品中占優(yōu)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(shù)0.16），即近地表灰塵峰態(tài)為中等偏窄，與長春市大氣降塵峰態(tài)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(jīng)環(huán)境改造直接進入環(huán)境的［14］，與頻率曲線反映出的特征一致。

圖2 長春市城區(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)系主要取決于風塵來源區(qū)粉塵和黏粒的產(chǎn)率以及來源區(qū)的干濕狀態(tài)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(shù)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(qū)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(shè)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(shù)平均粒徑以及粒徑小于10.00μm的顆粒所占體積分數(shù)均無顯著差別。但小于10.00μm的顆粒所占體積分數(shù)呈現(xiàn)出自東向西略為增大的趨勢（圖3）。同時注意到，城市中心區(qū)域算術(shù)平均粒徑、中值粒徑以及小于10.00μm的顆粒所占體積分數(shù)較城市邊緣區(qū)域變化范圍小。這可能說明城市中心區(qū)域的近地表灰塵來源相對單一，而邊緣區(qū)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(jié)論

1）長春市城區(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。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(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%），故長春市城區(qū)近地表灰塵所帶來的生態(tài)環(huán)境效應不宜被忽視。

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）粒徑分布無明顯空間變化，同時城市中心區(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。這可能說明城市中心區(qū)域的近地表灰塵來源相對單一，而邊緣區(qū)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(tài)性和雙峰性，這一特點反映出多源性和相對穩(wěn)定性，說明其大氣運動對近距離粗細顆粒物的混合搬運結(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，說明近地表灰塵沉積仍是風積作用的繼續(xù)。

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