城市大气降尘污染研究进展

杨 芸 阮 丽 包跃跃 李建武

(1.浙江农林大学环境与资源学院，杭州 311300;2.中国农业科学院茶叶研究所，杭州 310000)

城市化是一个国家或地区实现工业化、现代化不可逾越的发展阶段，是当代世界各国走向现代化的必然趋势［1－3］。随着城市化进程的加快，城市大气降尘污染问题日益突出，并相继出现了一系列城市的社会和生态环境问题，严重制约城市居民的健康和经济的发展［4－5］。由于城市大气降尘研究与人类健康息息相关，并包含了特定的环境信息和指示作用［6，7］。因此，许多国家开展了对城市环境大气降尘的广泛研究［8－10］。

国内过去主要集中于对大气悬浮颗粒物的研究，而对城市降尘的研究起步较晚且报道较少。直到2004年，杜佩轩等才系统地提出了城市降尘的概念、研究内容与方法［11］。近年在我国许多大城市，如北京、上海、重庆等地，陆续开展了城市降尘研究［12－15］。城市大气降尘研究对探究全球环境变化、区域大气环境污染有效环境防治与管理，都具有十分重要的意义。本文从城市大气降尘概念入手，阐述了城市降尘的颗粒组成、矿物组成与元素地球化学特征，探讨城市大气降尘污染现状及其危害，着重介绍了城市大气降尘污染物源示踪研究的最新方法与研究进展，以期为大气环境污染的有效整治和改善城市生态环境的决策与管理提供科学参考依据。

1 城市大气降尘

20世纪70年代，《Nature》最早报道了城市大气降尘的相关研究［16］。随着城市环境污染的日益加剧，城市大气降尘逐渐引起广泛的关注。大气降尘通常指空气中粒径大于10μm的固体颗粒物的总称，是衡量空气质量的重要指标。环境学家研究大气降尘多偏重空气污染，生态学家研究大气降尘多偏重对人体的危害，气象学家研究大气降尘多偏重于其形成机制，地球化学家研究大气降尘多偏重地表物质循环与元素迁移转化规律、特征等。朱礼学［17］从土壤地球化学研究的角度，指出城市降尘主要是指附着、沉淀于城市人工铺地(道路、桥面、街面、广场)及地面附着物、建筑物的裸露面上，未被固化粘结易于被地表径流、雨水及大气带动、运移和飘浮的粒径小于20目的固体颗粒物;常静等［18］则认为城市大气降尘主要指来自大气沉降和城市交通、建筑、工业等各种非点源所产生的颗粒物质，在风力、水力及重力作用下，沉积在城市不透水地面，形成的地表降尘即是城市降尘的研究范畴。

2 城市降尘的理化特征

2.1 粒度特征

粒度是指大气降尘颗粒物质的大小，是表征颗粒物行为最主要的参数颗粒，物的全部性质都与粒径有关［18，19］。王冠［20］等对兰州市城市降尘的研究表明，粒度分布总体上呈双峰分布特征，样品分选性差，尘粒物主要与土壤尘和人为排放源有关。李玉霖［21］等通过对兰州市沙尘与非沙尘天气降尘的粒度特征的研究表明，降尘粒度参数都属于正偏态曲线、分选差、呈尖窄峰态类型，与兰州黄土粒度特征有一定的相似性。管清玉［22］等则指出在兰州市尘暴呈三峰分布模式，具有向粗、细颗粒区间延伸的特点。因此，城市降尘的沉降速率明显受到粒径大小的影响，粒径越大，沉降速率越大［23］。另外，降尘粒径分布也是影响城市降尘中重金属含量和存在形态的重要因素［24］。不同粒级颗粒对污染物含量有不同的贡献率。一般颗粒物粒级越小，其比表面积和表面吸附力越大，所吸附的污染物含量越高［25，26］。

2.2 矿物组成

城市大气降尘的矿物组成是与其物质来源密切相关的，研究城市降尘的矿物组成一方面为研究降尘的物质来源提供了方向，另一方面也为了解元素的赋存状态提供了一定的物质基础。城市降尘的矿物成分复杂，矿物X衍射分析显示，降尘主要由石英、微斜长石、钠铁长石、方解石、白云石、菱铁矿、赤铁矿、伊利石、绿泥石、高岭石、钠铁闪石及一些非晶质矿物组成，其中石英的含量最多［27］。

2.3 化学元素组成

不同源区的降尘具有不同的化学组成特征。大气降尘的化学元素组成可分为无机和有机组分两大部分 ［28－30］。无机组分主要以常量元素为主，包括 SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2等;痕量元 素 Li、Be、Ba、Cr、Co、Ni、Cu、As、Se、Mo、Cd、Sb、Pb、Zn、Ti、Sc、Rb、Cs、Ag 等。如对南京市大气降尘的研究结果表明［31］，降尘中Cr、Fe、Mn含量与土壤背景值比较接近(表1)，而As、Cd、Cu、Hg、Mo、Ni、Pb、Se、Zn含量范围变化较大，显著高于当地土壤背景值，呈现不同程度的富集。

表1 南京市大气降尘重金属含量(ppm)

3 城市降尘的重金属污染

城市降尘中重金属污染是反映城市环境污染状况的重要指标之一。由于城市人口众多，降尘中重金属的含量较高［32］，通常城市降尘中重金属含量会普遍高于土壤背景值，表现出较高的累积特征［33］，污染程度与城市不同功能区有关，如交通区尤其十字路口处，城市降尘中重金属的含量最高。王平利等［34］对成都市大气降尘研究表明，Hg、As和Pb含量峰值出现在城市交通干道的十字路口区域，并且呈点状分布;而Pb、Zn、Cu等，则与沿交通要道呈线状分布［35］。沈阳、成都、北京等［35－37］城市降尘的研究均表明，降尘重金属污染以工业区最为严重，其次为繁华商业区和交通区，公园和校园区域污染较小。

重金属对环境的危害首先取决于其化学活性，其次才取决于其含量［38］。不同化学活性及生物有效性的重金属，生物吸收利用程度大不相同［39］。高连存等［40］发现城市降尘中Cu主要以有机结合态、Pb和Zn主要以铁锰氧化物结合态、Cr主要以残渣态存在。而香港城市降尘中Pb、Zn主要以碳酸盐和铁锰氧化物结合态形式存在［41］。城市降尘中Cr、Cd、Pb存在形式稍有差异，但其性质稳定，不易迁移转化，对环境的危害较持久。因此，土壤与大气降尘的重金属污染物化学形态及其转化与物源研究已得到国内外学者的广泛重视。

城市大气降尘污染(包括PM2.5)的判源分析，已成为环境研究中的热点问题。常用的判源方法包括统计学、透射电子显微镜、元素地球化学、环境磁学和同位素指纹方法等。陈天虎等［27］通过透射电子显微镜法，鉴别出合肥城市降尘矿物成分，并揭示出城市大气污染物来源以地表扬尘为主。多元素组合分析法，能有效指示污染物来源［42］。环境磁学方法已应用于地表降尘重金属判源研究，磁化率方法比传统的实验室分析快且不具破坏力，在实际应用中可与环境分析法互为印证，可提高在不同环境介质中追踪污染物来源的能力［43］。近年来，同位素分析技术被广泛应用于土壤与大气降尘污染判源分析［44－46］。Lee等［44］通过首尔地表降尘中206Pb与207pb的比值研究表明，降尘中的Pb主要来源于工业污染源，而不是含铅汽油。Pb同位素示踪技术也可以很好的揭示大气铅的来源［45－47］。常向阳等［48］通过分析珠江三角洲部分城区汽车尾气、土壤、大气尘埃和气溶胶等的铅同位素组成，阐明了该地区的严重汽车尾气铅污染与工业生产中铅、铜、锌和铊等产生污染来源。

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