福州市道路灰塵中Cu的分布規(guī)律及影響因素*

盧 欣 陳秀玲，3# 朱甜英 黃雨振 周笑笑

(1.福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；3.福建師范大學(xué)地理研究所，福建 福州 350007)

Cu作為參與人體代謝過(guò)程的重要組分，為人體所必需，但其含量一旦超過(guò)肝臟的處理水平，會(huì)嚴(yán)重威脅人體健康[1-2]。在人口密集、高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)聚集的城市區(qū)域，多種來(lái)源的含Cu粉塵會(huì)通過(guò)大氣沉降持續(xù)在道路表面累積，使城市道路灰塵成為了重要的“匯”，可用于反映和指示區(qū)域內(nèi)Cu元素的排放和累積情況[3]。且由于這些含Cu的道路灰塵容易在外力作用下進(jìn)入水體和大氣，最終通過(guò)呼吸道、皮膚及消化系統(tǒng)等途徑被人體吸收，對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，因此對(duì)城市地區(qū)進(jìn)行道路灰塵中Cu分布研究意義重大。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于城市道路灰塵中Cu元素的主要來(lái)源已達(dá)成較一致的認(rèn)識(shí)，主要包括車(chē)輛及路面磨損、制造及建筑工業(yè)[4]4639，[5]161，且常將其作為交通源污染的標(biāo)志性元素[6]。但在此基礎(chǔ)上，城市道路灰塵中Cu元素的空間分布規(guī)律和影響因素還有待進(jìn)一步探究。

福州市是全國(guó)首批生態(tài)文明典范城市，同時(shí)又是海西經(jīng)濟(jì)區(qū)的前沿城市。近年來(lái)，城市的加速發(fā)展給環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力。已有研究表明，福州市公園地表灰塵中Cu已達(dá)到嚴(yán)重污染程度[7]，倉(cāng)山區(qū)道路灰塵中Cu的手-口攝食途徑非致癌風(fēng)險(xiǎn)(兒童)和皮膚接觸途徑非致癌風(fēng)險(xiǎn)(成人和兒童)較Cr、Mn、Ni、Zn、Pb、Co等元素大，而這兩種途徑正是該地區(qū)重金屬暴露風(fēng)險(xiǎn)最大的途徑[8]?？梢?jiàn)，基于福州市城市發(fā)展過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境的高標(biāo)準(zhǔn)，其城市灰塵中Cu污染已必須予以重視，但目前的相關(guān)研究均是將其與多種重金屬元素一起進(jìn)行整體探討，對(duì)比各元素在一定區(qū)域范圍內(nèi)或區(qū)域內(nèi)不同功能區(qū)的分布特征及污染評(píng)價(jià)，而缺乏基于城市灰塵中Cu元素可能來(lái)源的分析，更缺乏針對(duì)性深入探討道路灰塵中Cu的分布及影響因素。鑒于此，本研究選擇福州市不同等級(jí)、交通狀況、主要潛在污染源的典型道路機(jī)動(dòng)車(chē)道灰塵作為研究對(duì)象，試圖多角度探究Cu的影響因素、各影響因素下的含量水平、分布特征及規(guī)律，以期為福州市道路灰塵中Cu污染的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

福州市位于中國(guó)東南沿海，25°15′N(xiāo)～26°39′N(xiāo)、118°8′E～120°31′E。地勢(shì)自西向東傾斜，地貌屬典型河口盆地。氣候?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，每年平均有2次臺(tái)風(fēng)登陸市境。

海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)確立后，福州市經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速發(fā)展階段，市內(nèi)建筑及地鐵修建工程大范圍實(shí)施，使得大氣環(huán)境中粉塵顆粒物明顯增加。

課題組選擇福州市臺(tái)江區(qū)、鼓樓區(qū)、倉(cāng)山區(qū)、馬尾區(qū)、晉安區(qū)、閩侯縣內(nèi)的26條道路，于雨后至少7 d、晴朗無(wú)風(fēng)天氣，用毛刷和塑料鏟采集道路機(jī)動(dòng)車(chē)道的道路灰塵。采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1，采樣時(shí)每條道路上設(shè)置3～5個(gè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)附近采集4～5個(gè)樣品，經(jīng)充分混合作為最終樣品，共計(jì)102個(gè)，于聚乙烯塑料袋中密封保存。采樣過(guò)程中詳細(xì)記錄各道路等級(jí)、交通通行狀況及周?chē)饕獫撛谖廴驹矗瑫r(shí)為探究交通量對(duì)道路灰塵重金屬含量的影響，第1次統(tǒng)計(jì)了各道路車(chē)流量[9]。隨后，考慮到道路通行高峰與非高峰、工作日與休息日間的車(chē)流量存在較大差異，特改進(jìn)車(chē)流量統(tǒng)計(jì)方案，在第1次統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用機(jī)械計(jì)數(shù)器進(jìn)行第2次統(tǒng)計(jì)，得到各道路工作日通行高峰期(7：30—8：30、17：30—18：30)和非高峰期(10：00—11：00、15：00—16：00)1 h車(chē)流量，通過(guò)4個(gè)時(shí)段平均值求取各道路1 h車(chē)流量。本研究最終選用第2次統(tǒng)計(jì)的車(chē)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本研究對(duì)于道路等級(jí)的定義主要結(jié)合《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》(CJJ 37—2012)，將主干道定義為連接城市各分區(qū)以交通功能為主、雙向車(chē)道>4車(chē)道的干道；次干道定義為承擔(dān)主干道與分區(qū)間交通集散作用、兼有服務(wù)功能，雙向車(chē)道≥4車(chē)道的干道；支路定義為連接次干道和街坊路、以服務(wù)功能為主，雙向車(chē)道<4車(chē)道的道路。采樣道路基本情況見(jiàn)表1。

圖1 道路灰塵采樣點(diǎn)分布

表1 采樣道路基本情況

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

道路灰塵樣品在室溫下自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)，用瑪瑙研缽研磨，過(guò)200目尼龍篩后，采用HF-HNO3-HClO4法[10]進(jìn)行消解。Cu含量采用X-Serie Ⅱ型電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)儀測(cè)定，以Rh和Re為內(nèi)標(biāo)對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，每個(gè)樣品測(cè)試兩次，平行測(cè)試相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<5%。為保證實(shí)驗(yàn)方法可靠，每批樣品中還測(cè)定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)——暗棕壤(GSS-1)、黃棕壤(GSS-3)，所有樣品回收率控制在80%～120%。

2 結(jié)果與分析

2.1 道路灰塵中Cu含量

所有道路灰塵中Cu平均質(zhì)量濃度為82.62 mg/kg(見(jiàn)表2)，除南三環(huán)樣點(diǎn)1及侯官路樣點(diǎn)1，其余樣點(diǎn)的Cu均超過(guò)福建省土壤背景值(21.6 mg/kg)[11]，處于較高累積水平，部分地區(qū)Cu污染嚴(yán)重。其中，Cu質(zhì)量濃度最小值為13.72 mg/kg，出現(xiàn)在侯官路樣點(diǎn)1，最大值為218.08 mg/kg，出現(xiàn)在南二環(huán)樣點(diǎn)3。所有道路灰塵中Cu分布總體差異性很大，變異系數(shù)達(dá)0.51，這表明福州市道路灰塵中Cu含量受人為活動(dòng)的影響明顯。

2.2 不同等級(jí)道路灰塵中Cu

Cu在不同等級(jí)道路間的分布具有一定差異，且同一等級(jí)道路上各樣點(diǎn)Cu含量的變異系數(shù)呈較高水平。由表3可見(jiàn)，Cu質(zhì)量濃度最大值218.08 mg/kg出現(xiàn)在主干道，最小值13.72 mg/kg出現(xiàn)在支路；各等級(jí)道路灰塵中Cu平均質(zhì)量濃度為主干道(94.13 mg/kg)>次干道(86.76 mg/kg)>支路(69.38 mg/kg)。

2.3 不同主要潛在污染源下道路灰塵中Cu

由表4可見(jiàn)，道路灰塵中Cu質(zhì)量濃度最大值(218.08 mg/kg)所在道路主要潛在污染源為交通活動(dòng)，最小值(13.72 mg/kg)所在道路主要潛在污染源為居民生活。各主要潛在污染源下道路灰塵中Cu富集水平表現(xiàn)為交通活動(dòng)>工業(yè)活動(dòng)>城市建設(shè)>居民生活，且同種主要潛在污染源下各道路灰塵中Cu含量仍存在較大差異。

表2 道路灰塵中Cu質(zhì)量濃度

表3 不同等級(jí)道路車(chē)流量及灰塵中Cu質(zhì)量濃度

表4 不同主要潛在污染源下道路車(chē)流量及灰塵中Cu質(zhì)量濃度

3 討 論

3.1 各等級(jí)道路車(chē)流量及灰塵中Cu分布

由表5可知，與其他城市相比，本研究中福州市道路灰塵Cu含量總體處于較低水平。但本研究中福州市各道路灰塵中Cu含量普遍超過(guò)福建省土壤背景值(見(jiàn)表2)，且平均質(zhì)量濃度達(dá)到福建省土壤背景值的3.825倍，說(shuō)明福州市道路灰塵仍存在一定程度的Cu污染。同時(shí)，所有樣點(diǎn)及部分道路各樣點(diǎn)間的變異系數(shù)較大，指示Cu污染可能僅存在于受人為活動(dòng)影響強(qiáng)烈的部分樣點(diǎn)及局部區(qū)域，而具體的影響因素則需要進(jìn)一步探究。

有研究表明，交通活動(dòng)中剎車(chē)系統(tǒng)、車(chē)體、輪胎及路面的磨損是城市道路中Cu元素的最主要來(lái)源[4]4639，其含量通常與交通量成正比[5]165。福州市各等級(jí)道路的平均車(chē)流量差異明顯，表現(xiàn)為主干道>次干道>支路(見(jiàn)表3)，其Cu平均濃度也呈現(xiàn)相同特征，這與前人在希臘[22]和美國(guó)馬薩諸塞州[23]進(jìn)行的各等級(jí)道路灰塵重金屬含量研究結(jié)果一致。因此，可認(rèn)為福州市道路灰塵中Cu含量同樣總體與車(chē)流量成正比，普遍受到交通活動(dòng)的影響。

表5 部分城市道路灰塵中Cu質(zhì)量濃度對(duì)比

所有道路樣點(diǎn)灰塵中Cu平均濃度與車(chē)流量的散點(diǎn)未呈現(xiàn)明顯線性關(guān)系(見(jiàn)圖2)，且車(chē)流量相近的同一等級(jí)道路上，各道路灰塵中Cu含量差異較大。因此，雖可認(rèn)為福州市道路灰塵中Cu含量總體與車(chē)流量成正比，但具體到各道路，車(chē)流量對(duì)于Cu含量的影響程度是不相同的，且可能受車(chē)流量以外多種因素的綜合影響。

圖2 道路灰塵中Cu平均質(zhì)量濃度與車(chē)流量的散點(diǎn)圖

一般而言，排除周?chē)h(huán)境及其他影響，僅考慮交通排放，車(chē)流量接近的同一等級(jí)道路灰塵中Cu含量應(yīng)呈現(xiàn)相似分布特征，且與車(chē)流量成正比。為進(jìn)一步探究除車(chē)流量外其他影響因素及其對(duì)道路灰塵Cu分布的影響，分別將各主干道、次干道、支路車(chē)流量與其道路灰塵中Cu平均質(zhì)量濃度分布特征進(jìn)行對(duì)比。

如圖3所示，在主干道則徐大道、福峽路、烏龍江中大道，道路灰塵中Cu平均濃度分布與車(chē)流量呈相似趨勢(shì)，但南二環(huán)和福灣路的車(chē)流量雖處于同等級(jí)道路中的中等水平，但Cu平均濃度卻處于較高水平，推測(cè)在車(chē)流量的影響上還疊加了其他致使Cu含量增加的因素。結(jié)合道路周?chē)h(huán)境及交通情況，發(fā)現(xiàn)通行能力接近飽和的南二環(huán)和福灣路在高峰期均有緩行或擁堵情況。自20世紀(jì)30年代以來(lái)，Cu被廣泛用于汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)，剎車(chē)片成為機(jī)動(dòng)車(chē)中含Cu最高的零件組分[24]149，由制動(dòng)系統(tǒng)磨損帶來(lái)的Cu占總的交通活動(dòng)排放Cu的90%[25]。因此，同一道路等級(jí)、相近的車(chē)流量下，車(chē)輛通行不暢可能造成車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的額外磨損，并在道路灰塵中表現(xiàn)出明顯的Cu富集。而在南三環(huán)，車(chē)流量為同等級(jí)道路最高，但Cu平均濃度卻最低?？紤]到南三環(huán)是一條城市快速路，其紅綠燈、人行斑馬線和出口交匯處明顯較其他主干道少，車(chē)輛行駛順暢，無(wú)需經(jīng)歷由于頻繁停車(chē)減速行為帶來(lái)的制動(dòng)系統(tǒng)額外磨損，因此其較低的Cu平均濃度可再次驗(yàn)證，較高車(chē)流量下，道路通行狀況可能是道路灰塵中Cu含量的重要影響因素。

圖3 各主干道車(chē)流量與道路灰塵中Cu平均質(zhì)量濃度分布

由圖4可見(jiàn)，次干道中六一中路、五一中路、工業(yè)路、排尾路的車(chē)流量處于同等級(jí)道路中等水平，但其Cu平均濃度處于較高水平，新保路和金桔路的車(chē)流量處于同等級(jí)道路的較低水平，但其Cu平均濃度卻處于較高水平。究其原因，可能是六一中路和五一中路周邊多大型商場(chǎng)，人流量大，紅路燈及人行斑馬線多，路口常出現(xiàn)較長(zhǎng)距離的擁堵，因此其Cu平均濃度偏高仍然與道路通行狀況有關(guān)。工業(yè)路和排尾路兩側(cè)及周邊均存在大型或多處小型建材市場(chǎng)、汽車(chē)修理廠、鋼材及塑料加工廠等工業(yè)類(lèi)點(diǎn)狀污染源。鋼鐵生產(chǎn)、冶煉、金屬加工及機(jī)械制造排放的煙塵被認(rèn)為是大氣Cu污染的重要原因[26]，大氣中含Cu的顆粒物沉降到道路表面，成為這些道路灰塵中Cu的重要來(lái)源，因此工業(yè)路和排尾路道路灰塵中Cu平均濃度相對(duì)偏高則可能與周?chē)藶榛顒?dòng)類(lèi)型有關(guān)。新保路在采樣期間兩側(cè)有多個(gè)大型樓盤(pán)正在建設(shè)，通行車(chē)輛中貨車(chē)占比較大，且存在明顯的路面積塵現(xiàn)象。建筑施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生富含Cu元素的金屬、材料碎屑和粉塵，再加之貨車(chē)行駛過(guò)程中剎車(chē)?yán)镆r的磨損量是普通客車(chē)的1.5倍[24]149，多種來(lái)源的Cu元素不斷富集于道路灰塵中又得不到及時(shí)清掃，必然使得該道路灰塵中Cu含量較一般情況更高。因此，道路兩側(cè)的城市建設(shè)、道路清潔不力及貨車(chē)占比高都可能是導(dǎo)致新保路車(chē)流量較小但Cu平均濃度較高的原因。金桔路車(chē)流量較其他次干道小，周?chē)矡o(wú)城市建設(shè)、工業(yè)活動(dòng)等明顯污染源，主要Cu來(lái)源可能與其每天上、下午所設(shè)的臨時(shí)菜市場(chǎng)和小吃攤有關(guān)。此時(shí)段中，載有菜品的車(chē)輛及人員大量聚集，一方面致使道路通行不暢，增加了交通活動(dòng)的Cu排放；另一方面，所產(chǎn)生的成分復(fù)雜的生活垃圾及污水，也可能帶來(lái)額外的Cu元素。綜上，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，次干道周?chē)闹饕藶榛顒?dòng)類(lèi)型、道路通行情況、車(chē)輛類(lèi)型、清潔程度都會(huì)影響道路灰塵中Cu含量。

圖4 各次干道車(chē)流量與道路灰塵中Cu平均質(zhì)量濃度分布

由圖5可見(jiàn)，支路各道路灰塵中Cu平均濃度與其車(chē)流量分布呈現(xiàn)大體一致趨勢(shì)，但湖塘路、高新一路和創(chuàng)新路道路灰塵中Cu平均濃度相對(duì)車(chē)流量分布明顯偏高。高新一路和創(chuàng)新路處于工業(yè)園區(qū)內(nèi)；湖塘路周邊存在汽配廠、玻璃廠、塑料加工廠等工業(yè)類(lèi)點(diǎn)狀污染源，及多個(gè)中大型物流公司的存在所導(dǎo)致的重型貨車(chē)占比較大，路面積塵明顯的現(xiàn)象。可再次證明，道路周邊存在工業(yè)類(lèi)污染源、重型貨車(chē)通行和路面清潔不到位，均可能導(dǎo)致Cu含量偏高。

圖5 各支路車(chē)流量與道路灰塵中Cu平均質(zhì)量濃度分布

綜合分析認(rèn)為，相似車(chē)流量下，交通不暢及存在重型貨車(chē)通行的路段，會(huì)由于車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的額外磨損，在道路灰塵中表現(xiàn)出明顯的Cu富集。且除交通活動(dòng)外，道路周?chē)I(yè)活動(dòng)、城市建設(shè)、居民生活等主要潛在污染源的存在和道路清潔程度均是道路灰塵中Cu含量的重要影響因素。

3.2 道路灰塵中Cu分布

為進(jìn)一步驗(yàn)證道路交通不暢對(duì)道路灰塵中Cu濃度的影響，篩選出7個(gè)位于路口附近的樣點(diǎn)，將其與同一道路上的其他樣點(diǎn)的Cu質(zhì)量濃度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6。在道路的特定區(qū)域，如環(huán)形車(chē)道和紅綠燈路口，總會(huì)由于交通流模式的變化，而導(dǎo)致一定程度的擁堵減速或停車(chē)行為，從而釋放額外的Cu元素。所選擇的7條道路中，樣點(diǎn)1均位于路口附近。除排尾路外，與其他樣點(diǎn)相比，路口附近樣點(diǎn)的Cu濃度均處于較高水平，再次驗(yàn)證通行不暢確實(shí)會(huì)導(dǎo)致道路灰塵中Cu含量的增加，且在路口附近表現(xiàn)明顯。排尾路樣點(diǎn)1道路灰塵中Cu含量低于該路其他樣點(diǎn)，則可能因?yàn)樵撀匪诘貐^(qū)整體受工業(yè)制品加工活動(dòng)影響，而樣點(diǎn)1雖位于路口附近，但因兩側(cè)僅分布居民區(qū)，與其他樣點(diǎn)相比，未受明顯工業(yè)活動(dòng)影響。這也說(shuō)明，雖然道路通行不暢會(huì)導(dǎo)致額外Cu排放，但與工業(yè)活動(dòng)形成的點(diǎn)狀污染源相比影響較小。

圖6 路口附近樣點(diǎn)與同道路其他樣點(diǎn)道路灰塵中Cu質(zhì)量濃度對(duì)比

由圖7可見(jiàn)，有貨車(chē)通行或停放的樣點(diǎn)(新保路樣點(diǎn)4，福光路樣點(diǎn)1、4，湖塘路樣點(diǎn)1、2)道路灰塵中Cu含量明顯比同一道路其他樣點(diǎn)高。這同樣驗(yàn)證了相似車(chē)流量下，存在貨車(chē)通行的路段會(huì)表現(xiàn)出明顯的Cu富集。

圖7 有貨車(chē)通行或停放樣點(diǎn)與同道路其他樣點(diǎn)灰塵中Cu質(zhì)量濃度對(duì)比

3.3 各主要潛在污染源下道路車(chē)流量及灰塵中Cu分布

由表4可見(jiàn)，雖然所有道路都是在交通活動(dòng)影響的基礎(chǔ)上再疊加各自主要潛在污染源的影響，但疊加城市建設(shè)影響下的道路和僅交通活動(dòng)影響下道路灰塵中Cu平均濃度與其平均車(chē)流量表現(xiàn)出相似的比例關(guān)系，且同一道路上存在施工現(xiàn)場(chǎng)的樣點(diǎn)相較其他樣點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)明顯的Cu含量增加現(xiàn)象，總體而言，福州市城市建設(shè)對(duì)道路灰塵Cu含量的影響不明顯。這可能是因?yàn)樗x擇的受城市建設(shè)影響的6條道路中，僅華林路和新保路存在明顯施工揚(yáng)塵，其他道路均設(shè)置有隔離擋板或噴水抑塵裝置，此舉措使得施工過(guò)程中產(chǎn)生的含Cu粉塵影響范圍較小，因此對(duì)道路灰塵中Cu含量的整體影響不大。而疊加工業(yè)活動(dòng)或居民生活影響下道路的平均車(chē)流量?jī)H為交通活動(dòng)影響下道路的31%和26%，但其道路灰塵中Cu平均質(zhì)量濃度卻達(dá)到了交通活動(dòng)影響下的94%和56%，據(jù)此可看出工業(yè)活動(dòng)和居民生活對(duì)福州市道路灰塵中Cu含量具有較大影響，其中工業(yè)活動(dòng)的影響最顯著。

4 結(jié) 論

(1) 福州市各等級(jí)道路灰塵中Cu平均質(zhì)量濃度為主干道(94.13 mg/kg)>次干道(86.76 mg/kg)>支路(69.38 mg/kg)，總體與車(chē)流量成正比，普遍受到交通活動(dòng)的影響。

(2) 相似車(chē)流量下，交通不暢及存在重型貨車(chē)通行的路段，會(huì)由于車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的額外磨損，在道路灰塵中表現(xiàn)出明顯的Cu富集。

(3) 除交通活動(dòng)外，道路周?chē)I(yè)活動(dòng)、城市建設(shè)、居民生活等主要潛在污染源的存在和道路清潔程度均是道路灰塵中Cu含量的重要影響因素，其中工業(yè)活動(dòng)污染源的影響最顯著。