環(huán)境磁學(xué)在大氣顆粒物污染中的研究進(jìn)展

蘇志華

摘? 要：環(huán)境磁學(xué)具有簡便、快捷、經(jīng)濟(jì)和無破壞性等特點(diǎn)，在大氣顆粒物污染中發(fā)揮了重要作用。該研究總結(jié)了環(huán)境磁學(xué)在大氣顆粒物污染中的研究進(jìn)展，包括指示污染程度劃分污染范圍、分離污染源和示蹤沉積過程、重建區(qū)域污染歷史這3個方面。最后根據(jù)環(huán)境磁學(xué)本身的特點(diǎn)，指出環(huán)境磁學(xué)未來的發(fā)展方向是大氣顆粒物重金屬示蹤及源解析。

關(guān)鍵詞：環(huán)境磁學(xué)? ?大氣顆粒物? ?重金屬? ?磁學(xué)參數(shù)

中圖分類號：X823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（a）-0048-06

Research Progress of Environmental Magnetism in Atmospheric Particulate Pollution

SU Zhihua

（School of Management Science and engineering， Guizhou University of Finance and Economics， Guiyang， Guizhou Province， 550025? China）

Abstract： Environmental Magnetism has the characteristics of simplicity， rapidity， economy and non-destructive， and plays an important role in atmospheric particulate pollution. This study summarizes the research progress of environmental magnetism in atmospheric particulate matter pollution， including indicating pollution degree， dividing pollution scope， separating pollution sources and tracing deposition process， and reconstructing regional pollution history. Finally， according to the characteristics of Environmental Magnetism， it is pointed out that the future development direction of Environmental Magnetism is heavy metal tracing and source analysis of atmospheric particulate matter.

Key Words： Environmental magnetism; Atmospheric particulate matter; Heavy metal; Magnetic parameters

大氣顆粒物是大氣中存在的各種固態(tài)和液態(tài)顆粒狀物質(zhì)的總稱，根據(jù)粒徑不同可分為總懸浮顆粒物（TSP）、可吸入顆粒物（PM10）和細(xì)顆粒物（PM2.5）等[1]。粒徑是評估大氣顆粒物毒性和危害性的重要參數(shù)，粒徑越小通常對生物和環(huán)境的影響就越大。大氣顆粒物可吸附各種重金屬、有機(jī)化合物等有毒有害物質(zhì)，是大氣中多種污染物的“載體”和“催化劑”[2]。另外，大氣顆粒物對光有吸收和散射效果，會引起大氣能見度下降，并進(jìn)一步誘發(fā)霧霾天氣[3]。大氣顆粒物的化學(xué)組成（尤其是微量重金屬組分）決定了污染物的毒性效應(yīng)，對人體健康具有特殊意義[4-5]。因此，研究大氣顆粒物的組成成分及變化顯得尤為重要。化學(xué)分析方法（比如AAS和ICP-MS）一直是分析大氣顆粒物成分的傳統(tǒng)方法，但該方法操作復(fù)雜，容易污染環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本較高，不適合進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測和大范圍使用[6-7]。

環(huán)境磁學(xué)通過研究環(huán)境中磁性礦物的變化規(guī)律，依據(jù)磁性參數(shù)的涵義研究環(huán)境過程與人類活動的關(guān)系，揭示環(huán)境變化的規(guī)律和驅(qū)動機(jī)制。伴隨著磁學(xué)儀器的不斷改良，磁學(xué)參數(shù)的測試越來越簡便、快速、準(zhǔn)確、無損和環(huán)保，對于監(jiān)測大氣顆粒物污染越來越有利[8-9]。各種環(huán)境系統(tǒng)均不同程度地含有外源性磁性污染物，其磁性特征與自然環(huán)境中原生和次生的磁性礦物在結(jié)構(gòu)、形態(tài)、類型、濃度及粒徑組成上均存在顯著差異[8-10]。另外，環(huán)境介質(zhì)中的磁性往往與賦存其上的重金屬含量相關(guān)，磁性顆粒是重金屬的強(qiáng)吸附劑和載體[11]。這兩個要素是環(huán)境磁學(xué)監(jiān)測大氣顆粒物污染的理論基礎(chǔ)。

1? 主要的磁學(xué)參數(shù)

環(huán)境磁學(xué)通過對磁性礦物載體進(jìn)行系統(tǒng)的磁參數(shù)測量，應(yīng)用相關(guān)比值及巖石磁學(xué)實驗判斷樣品中磁性礦物的含量、磁疇狀態(tài)、種類及其組合關(guān)系，從而提取物質(zhì)來源、形成環(huán)境、搬運(yùn)過程和沉積作用等綜合信息，進(jìn)而判定污染情況。在所有的磁學(xué)參數(shù)中，磁化率是磁性礦物含量的重要替代指標(biāo)，應(yīng)用最為廣泛。質(zhì)量磁化率（χ）和低頻率磁化率（χfd）通?？捎脕碇甘据^為嚴(yán)重的污染[12]。另外，飽和等溫剩磁（SIRM）可作為鐵磁性礦物含量的粗略量度，特別是當(dāng)樣品磁性很弱時，SIRM可取代磁化率而成為大氣微粒的指示器[13]。非磁滯剩磁（ARM）反映了磁性礦物顆粒的磁疇信息，由單疇晶粒的含量控制，χARM是單位偏轉(zhuǎn)場下的單位質(zhì)量非磁滯剩磁[14]。雖然χ、SIRM和ARM在某種程度上均可指示磁性礦物的含量，但SIRM和ARM還受到形狀和粒度等因素的影響，而χ受粒度的影響最?。⊿P顆粒除外），測量最為方便，是反映磁性礦物含量常用指標(biāo)[15]。χfd、ARM/χ、SIRM/χ、ARM/SIRM、Day圖和FORC圖是指示磁性礦物粒度的代用指標(biāo)，ARM獲得曲線和反向退磁曲線、磁化率隨溫度變化曲線（χ-T曲線）、剩磁溫度變化曲線（J-T曲線）及磁滯回線（magnetic hysteresis loop）主要用于判別磁性礦物種類與組成[16]。

2? 環(huán)境磁學(xué)在顆粒物監(jiān)測中的應(yīng)用

環(huán)境磁學(xué)從20世紀(jì)80年代中期開始用于監(jiān)測大氣顆粒物污染，并呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢[17]。大氣顆粒物經(jīng)過污染源排放進(jìn)入大氣中，首先受到風(fēng)力作用，然后經(jīng)過干沉降、濕沉降和徑流等因素，最終沉積在水體、土壤、街道和植物等不同的環(huán)境介質(zhì)上（如圖1所示），從而導(dǎo)致磁學(xué)的研究對象也有所不同，主要包括沉積物、土壤、街道塵埃和植物葉片等。環(huán)境磁學(xué)在指示大氣顆粒物的污染程度和范圍、分離污染源和重建污染歷史等方面取得了大量成果。

2.1 指示污染程度和劃分污染范圍

早在1997年，HAY等[8]應(yīng)用表土樣品的頻率磁化率結(jié)果成功圈定了英格蘭的污染區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn)，磁化率分布和重金屬富積因子等值線圖重合較好，證明磁學(xué)方法能有效地指示污染程度，劃分出污染范圍[18]。有記錄顯示磁性礦物含量在工業(yè)區(qū)、密集街區(qū)及交通要道等區(qū)域呈現(xiàn)高值[11]，新城區(qū)磁性礦物含量較低[19]，表明污染呈現(xiàn)明顯的空間分布差異，工業(yè)區(qū)高于帶狀交通區(qū)，帶狀交通區(qū)高于商業(yè)區(qū)，新城區(qū)的污染最輕。樹葉的磁性特征主要受到沉積于其表面的大氣顆粒物控制[20]。研究發(fā)現(xiàn)，樹葉附塵的磁性礦物含量和粒徑隨道路距離的增大而減小，交通污染的嚴(yán)重區(qū)域區(qū)局限于距公路約2m寬的條帶狀區(qū)域內(nèi)，而且植被和降水可有效地減少大氣中的磁性礦物含量，進(jìn)而影響污染程度和范圍[21]。城市不同功能區(qū)的磁學(xué)參數(shù)明顯不同，磁化率的大小按工業(yè)區(qū)、居民區(qū)、城市公園綠化區(qū)依次降低，磁性顆粒粒徑隨著距污染源距離的增加而減少，磁化率最大值通常出現(xiàn)在工廠污染源附近[22]。

綜上，工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和城市建設(shè)等不同來源的磁性顆粒物排放進(jìn)入大氣后，受干沉降和濕沉降的影響，距離污染源越近的位置，磁性顆粒物越容易到達(dá)，磁性礦物的含量越高，指示污染越嚴(yán)重，反之則不容易到達(dá)和累積，污染逐漸減弱。污染源附近的環(huán)境系統(tǒng)往往呈現(xiàn)出以污染源為中心的環(huán)狀污染特征，風(fēng)力的作用會導(dǎo)致環(huán)狀沿主導(dǎo)風(fēng)向拉伸，如圖2（a）所示;而公路兩側(cè)的磁性參數(shù)則會出現(xiàn)條帶狀分布特征，總體上越靠近公路磁性礦物濃度越高，粒度也越粗，如圖2（b）所示。

2.2 分離污染源和示蹤沉積過程

一個地區(qū)的污染，通常是多種不同污染作用的綜合。污染源從大類上分為自然源和人為源，自然源由自然因素所致，通常較為簡單，而人為源較為復(fù)雜，通常包括工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和城市建設(shè)等。環(huán)境磁學(xué)方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于污染源的分離，ROBERTSON等[23]綜合運(yùn)用環(huán)境磁學(xué)和地球化學(xué)方法，以英國Manchester市中心的路面沉積物為研究對象，發(fā)現(xiàn)了道路沉積物中的磁性礦物的主要來源于汽車尾氣而不是土壤。GODDU等[24]通過測試印度道路降塵中的粒度和多項磁性參數(shù)，指出研究區(qū)域可能存在多個污染源。蘭州市降塵的χlf、SIRM、SOFT、HIRM、S-300磁學(xué)參數(shù)與As、Ba、Mn、Cu、Pb等金屬在第一主成分中相關(guān)性較高，表明了重金屬與磁性礦物相互伴生，磁性顆粒是重金屬載體，進(jìn)一步可推測出人類活動是重金屬的主要來源[11]。開展礦物微觀形貌的觀察有助于準(zhǔn)確確定污染源，李勇等[25]對安徽省鳳陽縣不同功能區(qū)的降塵樣品進(jìn)行研究，證明降塵在磁學(xué)特征相似的情況下，需結(jié)合其礦物成分、微觀形貌和粒度特征進(jìn)行區(qū)分，建立降塵與污染源之間的聯(lián)系。

多元統(tǒng)計分析在大氣顆粒物污染源解析中發(fā)揮了重要作用，其中主成分分析方法應(yīng)用最為廣泛。主成分分析方法將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，求出不同的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)，并將其轉(zhuǎn)換成不同的主成分，然后用不同緯度的平面坐標(biāo)圖標(biāo)示分析結(jié)果，進(jìn)而直觀地判定不同磁學(xué)參數(shù)與重金屬的相關(guān)關(guān)系[26]。另外，聚類分析和因子分析也是較為常用的多元分析方法。重要的是，一個地區(qū)的大氣環(huán)境污染不僅與本地的排放有關(guān)，還與周邊地區(qū)的排放緊密相關(guān)[27]。通常利用拉格朗日方法研究周圍地區(qū)的大氣輸送路徑，確定某地區(qū)大氣環(huán)境污染的外部來源，探討大氣污染物擴(kuò)散狀況與周邊地區(qū)的關(guān)系[28]。

2.3 重建區(qū)域污染歷史，恢復(fù)污染事件

對于沉積剖面和柱狀巖芯，在年代學(xué)的基礎(chǔ)上運(yùn)用環(huán)境磁學(xué)可恢復(fù)以前發(fā)生的主要污染事件，重建區(qū)域污染歷史。OLDFIELD[29]對應(yīng)用環(huán)境磁學(xué)芬蘭泥炭剖面進(jìn)行分析，指出富含磁性顆粒的大氣降塵從1860年（大約為工業(yè)革命開始的時候）加速增加，到第二次世界大戰(zhàn)以后達(dá)到峰值。MORRIS等[30]證明了Hamilton港沉積物上部30～70 cm之間磁性礦物含量增加，與該段時間污染加強(qiáng)有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，朝向鋼鐵廠方向的樹干年輪鉆芯樣品的SIRM值與對應(yīng)年份鋼鐵產(chǎn)量高度相關(guān)，表明樹木木質(zhì)部分所含的磁性顆粒在年輪之間并不能進(jìn)行橫向遷移，可以用年輪鉆芯的磁性參數(shù)來反映大氣顆粒物的污染歷史[31]。MA等[32]等對臨汾市水庫沉積物開展磁學(xué)和地球化學(xué)研究，建立了磁學(xué)參數(shù)、地球化學(xué)參數(shù)和大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的回歸方程，并應(yīng)用復(fù)合污染指數(shù)（ACPI）成功重建該區(qū)域的大氣污染歷史。CHAPARRO等[33]對韓國海岸帶海灘沉積物開展磁學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)沉積物中磁性礦物的高濃度對應(yīng)于較高的放射性核素變化，證明沉積物磁性參數(shù)對污染事件的良好指示作用。總之，環(huán)境磁學(xué)參數(shù)的變化不僅可以指示污染事件的發(fā)生，還可以劃分不同的污染階段，指示污染程度的變化歷史（如圖3所示）。

3? 問題與展望

3.1 存在問題

環(huán)境磁學(xué)是地球物理的一個新興學(xué)科，其優(yōu)勢在于能快速、無損、經(jīng)濟(jì)地反映環(huán)境重金屬污染程度，但目前這一優(yōu)勢被越來越弱化。首先，環(huán)境磁學(xué)只是一種間接的方法，要想對重金屬的定量評估只能依賴常規(guī)的化學(xué)分析;其次，隨著分析儀器的不斷進(jìn)步，目前化學(xué)分析也能做到實時在線、無損、快速的定量檢測。環(huán)境磁學(xué)盡管在部分研究中建立了磁學(xué)參數(shù)和污染物（重金屬）濃度的定量化模型。但是，磁學(xué)參數(shù)變化與城市降塵重金屬污染是否存在必然關(guān)系等關(guān)鍵問題仍然存在疑問。因此，磁學(xué)方法并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)測試和分析方法，而是為化學(xué)方法的樣品采集提供理論指導(dǎo)，使有限的樣品數(shù)量能準(zhǔn)確和可靠地反映大氣顆粒物的污染情況。

3.2 環(huán)境磁學(xué)未來的發(fā)展方向

介于化學(xué)分析得到的元素含量不能準(zhǔn)確地反映污染物來源，而環(huán)境磁學(xué)可以通過分析樣品磁性顆粒的種類、形貌及其磁學(xué)參數(shù)來反映其來源。因此，環(huán)境磁學(xué)未來的研究重點(diǎn)是探索環(huán)境磁學(xué)相對于地球化學(xué)在源解析方面的優(yōu)勢，重點(diǎn)關(guān)注顆粒物重金屬源解析及示蹤，將環(huán)境磁學(xué)與地球化學(xué)結(jié)合，并開展更深入的微觀研究，例如電子探針、透射電鏡、同步輻射等，以準(zhǔn)確地了解磁性顆粒的微觀結(jié)構(gòu)與組成特征，從而獲得更準(zhǔn)確的源解析結(jié)果。

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