空氣顆粒物研究進(jìn)展

梁立東，李明文

(黑河市林業(yè)科學(xué)院，黑龍江 黑河 164300)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展、城市化持續(xù)的推進(jìn)、化石能源使用的增加，空氣顆粒物已成為首要的空氣污染物，是危害世界環(huán)境和公共健康的主要影響因素之一，因而備受世界各國政府和公眾廣泛關(guān)注?？諝忸w粒物根據(jù)粒徑大小可以分為超細(xì)顆粒物PM1.0(Dp≤1.0 μm)、細(xì)顆粒物PM2.5(Dp≤2.5 μm)、可吸入顆粒物PM10(Dp≤10 μm)和總懸浮顆粒物TSP(Dp≤100 μm)[1]?？諝忸w粒物可分為自然和人為來源兩大類。自然來源包括土壤揚(yáng)塵、火山噴發(fā)灰、森林火災(zāi)煙和海洋成分鹽等，這種危害具有時限性、不可預(yù)見性和無法控制。人為來源包括化石能源燃料、生物質(zhì)燃料和工業(yè)生產(chǎn)等，多數(shù)集中在世界上工業(yè)比較發(fā)達(dá)、人口密集的地區(qū)，危害具有時間長、范圍廣等特點(diǎn)[2]?？諝忸w粒物中對人體各器官和組織危害較大的主要是指可吸入顆粒物PM10，因為可吸入顆粒物PM10在空氣中的幾乎不能重力沉降，能夠長期在空氣中懸浮，因其含有大量有機(jī)物、重金屬和微生物成分，能夠形成具有強(qiáng)致病性的空氣污染物。其中，細(xì)顆粒物PM2.5的危害更大，它能夠直接到達(dá)人體肺部的支氣管和肺泡，通過滲透作用進(jìn)入人體血液，對人體健康的危害遠(yuǎn)大于可吸入顆粒物PM10[3]。目前，國內(nèi)外對空氣顆粒物的研究重點(diǎn)已從可吸入顆粒物PM10逐漸轉(zhuǎn)向PM2.5和超細(xì)顆粒物PM1.0，相對而言，超細(xì)顆粒物PM1.0的研究還較少。在過去60多年間，國內(nèi)外許多學(xué)者對空氣顆粒物開展較為系統(tǒng)的研究，涉及空氣顆粒物對生態(tài)環(huán)境、氣候變化和人體健康等不同領(lǐng)域造成的影響[4,5]。

1 空氣顆粒物國外研究進(jìn)展

進(jìn)入20世紀(jì)以來，人類在經(jīng)歷了倫敦?zé)熿F事件(1952年)、日本四日市哮喘病事件(1955年)和墨西哥波薩里卡事件(1959年)等世界性的空氣污染事故以后，開始進(jìn)入從關(guān)注空氣污染到研究治理空氣污染的轉(zhuǎn)變。20世紀(jì)70年代人們對空氣顆粒物的研究進(jìn)入快速發(fā)展期，由主要關(guān)注全顆粒物的化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物[6]，到之后的借助光學(xué)顯微鏡獲得了空氣顆粒物粒徑圖集[7]，使人們對顆粒物的研究從全顆粒物化學(xué)分析進(jìn)入單顆粒物觀測階段。20世紀(jì)80年代主要對單顆粒物的形貌、粒度、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和礦物組成等方面進(jìn)行了深入的研究，分別從礦物學(xué)、形態(tài)學(xué)、化學(xué)成分及顆粒物之間各種效應(yīng)關(guān)系等方面涌現(xiàn)了大量研究成果[8]。

1.1 空氣顆粒物對人體健康影響研究

空氣顆粒物對人體健康的影響始于20世紀(jì)80年代，美國研究首次提出了可吸入顆粒物PM10對人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[9]。隨著空氣顆粒物相關(guān)工作的推進(jìn)，學(xué)者們開始關(guān)注細(xì)顆粒物PM2.5和超細(xì)顆粒物PM1.0的相關(guān)特性和對身體的危害[8]。在全球不同地區(qū)、不同大氣污染背景、不同人群研究結(jié)果已經(jīng)證實，長期或短期暴露于空氣顆粒物中，可導(dǎo)致某些疾病的發(fā)病率和死亡率升高，特別是呼吸系統(tǒng)及心腦血管疾病[9,10]。歐洲對29個城市進(jìn)行一項研究發(fā)現(xiàn)，PM10日濃度每增加10 μg·m-3，死亡率將增加0.62%；美國對20個城市進(jìn)行了同樣的研究發(fā)現(xiàn)，PM10日濃度每增加10 μg·m-3，死亡率增加0.46%[11,12]；在后續(xù)對其他亞洲城市的研究中發(fā)現(xiàn)，PM10每增加10 μg·m-3將導(dǎo)致死亡率增加0.5%[13]。美國開展的一項長達(dá)16年(1982—1998年)的隊列跟蹤研究，隨訪了共50萬名研究對象，發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度每升高10 μg·m-3，人群總死亡率、心血管疾病和肺癌死亡率可分別增加4%、6%和8%，冠心病的入院率、心肌梗死入院率、先天性心臟病發(fā)生率、呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率分別提高1.89%、2.25%、1.85%、2.07%[14,15]。

1.2 空氣顆粒物與植被之間相互關(guān)系研究

20世紀(jì)70年代不同學(xué)者開始進(jìn)行有關(guān)植物滯納顆粒物能力方面研究，早期主要關(guān)注不同植物群落對空氣中一些重金屬顆粒物以及有毒工業(yè)廢棄物的清除功能[8,16]。隨著相關(guān)研究的深入，學(xué)者們開展有關(guān)單顆粒物與植物群落、個體以及組織器官的相互關(guān)系研究[17]。近年來，關(guān)于森林植物調(diào)控空氣顆粒物的報道也不斷增加。英國學(xué)者對不同樹種葉片移除空氣顆粒物研究中，發(fā)現(xiàn)松類單位葉片附著密度大于柏類，針葉樹種高于闊葉樹種[18]，在后續(xù)對其他樹種的研究中也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律[19,20]。挪威學(xué)者對不同針闊喬木樹種滯納空氣顆粒物能力的研究中發(fā)現(xiàn)，針葉樹種滯納空氣顆粒能力強(qiáng)于闊葉樹種[21]，后續(xù)研究還發(fā)現(xiàn)某些闊葉樹種具有“自清潔”特性，因此造成其滯納空氣顆粒物能力較差[22]。從不同林分在不同風(fēng)速設(shè)定情況下對PM2.5沉降速率研究中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速3～9 m·s-1，PM2.5沉降速率0.1～2.9 cm·s-1。通過對比不同樹種對PM2.5沉降速率影響得出，針葉林沉降速率大于闊葉林[8,19]。美國學(xué)者在研究綠化樹種凈化空氣顆粒物和氣體污染物的試驗中發(fā)現(xiàn)，55個城市的綠化樹種能夠從空氣中移除約214 900 t的PM10，價值約為9.69億美元，滯納污染物711 300 t，合計價值達(dá)38.28億美元[8,23]。另一項美國城市森林對PM2.5滯納能力研究中發(fā)現(xiàn)，10個城市森林植物對PM2.5的滯納能力為4.7～64.5 t，價值量為110萬～6 010萬美元[8,24]。

2 空氣顆粒物國內(nèi)研究進(jìn)展

我國對空氣顆粒物的研究始于20世紀(jì)70年代，主要是頒布了相關(guān)政策法規(guī)和大量的治理研究工作。2008年以后，北京、上海和廣州等全國多個大城市相繼發(fā)生了嚴(yán)重的霧霾現(xiàn)象，促使學(xué)者開展對PM10、PM2.5和PM1.0等空氣顆粒物的研究[8]。目前對空氣顆粒物的研究大多集中在來源組分、時空變化、氣象因素、人體健康、大氣能見度、植被及其滯納等方面。

2.1 空氣顆粒物對人體健康影響研究

現(xiàn)階段大家把空氣顆粒物選為判斷空氣質(zhì)量的重要評價指標(biāo)，之前有關(guān)空氣顆粒物的研究大部分集中在來源組分、時空變化規(guī)律及其影響因素方面，但其對人類健康造成危害的研究更應(yīng)該引起人們的關(guān)注[25,26]。全球每年由于空氣顆粒物污染，所導(dǎo)致的呼吸系統(tǒng)疾病引起死亡人數(shù)超過200萬人[27]，從空氣動力學(xué)上講，直徑大于30 μm的空氣顆粒物很容易沉降到地面，對人類健康的危害較小，主要引起上呼吸道感染等疾病。而直徑小于10 μm的可吸入顆粒物PM10對人類健康有較大危害，尤其細(xì)顆粒PM2.5對人類健康危害更大。許多學(xué)者研究表明不同粒徑空氣顆粒物能滲透到人體的不同器官，依據(jù)空氣動力學(xué)原理，直徑在2.5～10 μm空氣顆粒物則可直接進(jìn)入下吸道的支氣管；直徑小于2.5 μm空氣顆粒物可到達(dá)肺泡，并長期黏附在肺泡上；直徑小于1.0 μm的空氣顆粒物透過肺泡進(jìn)入到血液，進(jìn)一步到人體的其他器官和組織中[28]。長期暴露在空氣顆粒物污染環(huán)境下會引起人體呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)等疾病[29](郭玉明等，2008)。另有研究表明，人群住院率與空氣顆粒物濃度具有一定的相關(guān)性，如果人們在顆粒物PM10濃度大于150 μg·m-3的環(huán)境中長期暴露，人體肺功能會降低3%～6%[30,31]。蘭州市2005—2007年，由于空氣顆粒物濃度超標(biāo)導(dǎo)致污染，引起疾病入院的患者人數(shù)就達(dá)到了3.52萬人次，其中呼吸系統(tǒng)疾病患者人數(shù)為15 300人、心腦血管統(tǒng)疾病患者人數(shù)為19 900人[32]。

空氣顆粒物污染不僅對人體健康能夠造成嚴(yán)重的危害，而且還能夠?qū)ι鐣?jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失，通過估算空氣顆粒物污染對我國社會經(jīng)濟(jì)造成的損失研究得出，空氣顆粒物污染(主要是PM10)因影響我國國民健康造成高達(dá)1 065億美元社會經(jīng)濟(jì)損失，大約相當(dāng)于2009年我國GDP總價值的2.1%[25]。2004年我國111個城市由PM10污染引發(fā)的流行病造成共計290億美元的社會經(jīng)濟(jì)損失，意味著在一定程度上制約了社會生產(chǎn)力的發(fā)展[25,33]。2016年京津冀地區(qū)13個城市因PM2.5污染引起的健康經(jīng)濟(jì)損失總量達(dá)1 342.9億元[34]。

2.2 空氣顆粒物與植被之間相互影響研究

空氣顆粒物具有來源廣泛、成分復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，其中含有的重金屬元素具有不能降解的特性[35]。研究發(fā)現(xiàn)在粒徑小于10 μm顆粒物中約有75%～90%的重金屬元素，且顆粒物的粒徑越小所含重金屬元素成分越高，通過空氣的干濕沉降直接進(jìn)入到地表土壤之中，被植物生長吸收利用轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，但重金屬含量超過一定的閾值時，會產(chǎn)生富集作用，長期累積的重金屬元素會對植物生長產(chǎn)生一定的影響[36,37]。當(dāng)植物葉片吸附顆粒物造成污染后，葉綠素a和葉綠素b含量的比值呈顯著升高的趨勢，葉綠素的總含量呈顯著降低的趨勢，造成植物葉片出現(xiàn)黃化癥狀，滯塵能力下降[38]。植物葉片長期吸附顆粒物，會造成氣孔堵塞使氣體交換受阻，導(dǎo)致葉片溫度升高而出現(xiàn)壞死現(xiàn)象，造成植株生理機(jī)能的減弱和消失[39]。顆粒物污染可以降低植物利用太陽總輻射的效率，從而降低植物光合作用效率，也有研究發(fā)現(xiàn)顆粒物污染可對植物造成易染病、遺傳結(jié)構(gòu)改變等間接影響[40]。

植物吸收、滯納空氣顆粒物主要以葉片為載體，葉片的微結(jié)構(gòu)對吸收、滯納的能力有顯著影響，與氣孔的大小、葉脈結(jié)構(gòu)、葉表皮的粗糙度、蠟質(zhì)層、絨毛和分泌黏液等因素有關(guān)[8]。很多學(xué)者利用所在地域的森林植被條件，測量當(dāng)?shù)赜写硇缘纳种脖粚τ诳諝忸w粒物滯納的能力研究，得出了相對一致結(jié)果。就樹種而言，針葉樹種的滯納空氣顆粒物的能力要高于闊葉樹種[41,42]，闊葉樹種主要以柳樹(Salixspp.)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、槐樹(Sophorajaponica)、欒樹(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、五角楓(AcermonoMaxim)等滯納空氣顆粒物能力較強(qiáng)，而銀杏(GinkgobilobaL.)、楊樹(Populusspp.)、櫟類(Quercusspp.)等樹種滯納空氣顆粒物能力較差[43,44]。就同一樹種在不同的地點(diǎn)和時間，其滯納空氣顆粒物能力也不相同，在污染嚴(yán)重的地區(qū)其滯納空氣顆粒物能力要高于環(huán)境較清潔的地區(qū)，植物葉片生長旺盛時期比葉片剛展葉或者掉落時期滯納吸收顆粒物的能力要高[45,46]。就不同林齡林分而言，中齡林、近成熟林的滯納吸收顆粒物能力要高于幼齡林[47]。自1949年以來，中國森林資源發(fā)展變化經(jīng)歷了過量消耗、治理恢復(fù)、快速增長的過程，森林面積穩(wěn)步增長，截至2013年我國森林面積達(dá)到20 796萬hm2，滯塵量為58.45億t·a-1[48]。

3 小結(jié)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們越來越關(guān)注城市環(huán)境空氣質(zhì)量問題?？諝庵蠵M10、PM2.5和PM1.0能夠攜帶病菌、重金屬元素等污染物，對人體健康構(gòu)成了嚴(yán)重危害，因其范圍廣、沉降困難等原因，造成其治理和控制非常困難，已經(jīng)成為世界各國政府以及學(xué)者們共同研究解決的重要問題。目前國內(nèi)外對空氣顆粒物做了大量研究工作，取得了豐碩的成果，但是在很多方面還有待研究與完善，例如對空氣顆粒物的形成、遷移和轉(zhuǎn)化機(jī)制不清，缺少對空氣顆粒物時間和空間尺度上連續(xù)完整的監(jiān)測。同時在獲得特殊污染背景下空氣顆粒物對健康效應(yīng)，采取相應(yīng)措施防護(hù)降低其危害還有很長的路要走，不僅需要從源頭上控制污染物的排放，使用清潔能源，還需要空氣環(huán)境監(jiān)測、植被治理與健康效應(yīng)等研究者緊密合作以及全民的參與和積極支持，健康中國也一定會在社會各界的共同努力中實現(xiàn)。