长春市城区近地表灰尘粒度特征及其环境意义

杨忠平，张 强，张 梁，李 达，卢文喜，辛 欣

1.重庆大学土木工程学院，重庆 400045

2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室（重庆大学），重庆 400030

3.吉林大学环境与资源学院，长春 130021

0 引言

在普遍关注城市大气污染、水污染、噪声污染等对环境造成危害的同时，人们对灰尘在城市环境灾害发生中的媒介、传播、引发等作用却普遍认识不足、重视不够［1］。实际上，城市灰尘是一种物质组成和来源极其复杂的环境介质，其作为大量污染物（如重金属、多环芳烃等）的受纳体而成为城市环境污染的重要起源和指示器［1－5］，吸附在城市灰尘中的污染物通过大气干湿沉降等途径持续地大量输入到地表环境中，对城市环境的生物地球化学循环造成持久的负面影响［2］；并且，与土壤中污染物相比，吸附在灰尘中的污染物更易通过吸入、摄入及接触而对人体健康构成潜在威胁［3］。其已成为环境和人类健康的最为重要的威胁之一，引起了人们的广泛关注［1－10］。

国内外对城市灰尘的研究主要集中于对街道灰尘（地面灰尘）和大气灰尘（悬浮颗粒为主）中重金属及多环 芳 烃 等 污 染 物 的 污 染 水 平［3－4，7－8，10］、时 空 分布［11－12］、风险评估［9］和粒径组成特征及其与重 金属污染水平的关系［12－14］等。近年来，研究者已开始关注离地面一定高度的树叶及其他植物叶面灰尘的污染状况及其环境指示意义［5－6］。尽管如此，目前针对高度在1.5m左右（与人体平均高度大体相当）更易为人体接触的近地表灰尘的研究仅有零星开展［15－17］。然而，近地表大气尘是大气颗粒物及地表扬尘的混合物，具有自己独特的性质和污染特征，因此通过系统的研究可直接获取对人体健康的影响因素，对城市环境的治理、环境迁移转化机理及环境健康效应的研究具有重要意义［18］。

粒度分布是表征颗粒物行为最主要的参数，颗粒物的全部性质均与粒度有关，且大多数元素的含量随着灰尘粒径的减小而增大［15］，因此，城市灰尘对人体和环境造成危害的程度与灰尘颗粒物的粒度组成特征有着直接关系。同时对灰尘进行粒度分级也是进行污染源甄别的重要手段之一［15－19］。

随着城市社会经济的发展，长春市城区环境已受到一定程度的重金属污染［20－21］。但研究者对在城市环境灾害发生中起媒介、传播、引发等作用的城市灰尘的研究比国内其他城市明显滞后［19－23］，尤其是对其粒径特征的研究明显不足。鉴于此，笔者对长春市城区近地表（约1.5m）的灰尘样品进行了系统采集，并采用激光粒度仪测试了其粒度组成，以期深入掌握长春市城区灰尘污染特征和来源。

1 材料与方法

1.1 样品采集

为了更好地反映研究区内城市近地表灰尘污染的空间分布特征，使样品具有代表性和典型性，本研究采用了网格化均匀布点。样品采集控制范围为环城公路以内，沿南北和东西轴线共采集34件（图1）。采样密度为1件/km2，部分单元加密为2件/km2，每件样品由3～5个子样等量均匀混合而成，质量约30g。样品均用软毛刷收集于离地面高度为1.5m左右的木质窗台、门框以及阅报栏等平台上；置于纸质样品袋内，编号、封口和储存运输［15－18］。采样时远离公路、建筑和拆迁现场、工厂等明显污染源，剔除采样平台上的杂物，对平台上有明显水泥、铁屑等风化剥落物的则进行移点采样，以避免局部污染，样品采集全过程未接触金属工具。野外采用GPS测定各采样点位地理坐标，并标注于1∶5万野外工作手图上。工作前期和工作期间天气晴好，无明显降水，采样结束后即送至实验室干燥保存，备分析用。

图1 研究区位置及采样点分布Fig.1 Studied area and sampling location map

1.2 粒径分析

样品委托吉林大学测试科学实验中心进行粒度分析。所有样品在实验室风干，测试前先将采集的样品用2mm尼龙筛过筛，剔除碎屑、砾石类物质和其他杂物。粒径分析采用激光粒度分析仪（JL9200型，济南微纳仪器有限公司生产，测量范围为0.1～300.0μm）进行检测，检测中以六偏磷酸钠为分散剂，蒸馏水为分散介质，超声时间120s，本次测量范围设定为0.1～300.0μm，分42个粒级，重复测定3次，重复测量误差小于2%。

2 结果及讨论

2.1 城市近地表灰尘的粒度组成特征

由表1数据经计算可知：长春市城区近地表灰尘以粗粉粒组（10.00～80.00μm）为主，占样品粒度组成的51.43%～83.83%，平均71.28%；黏粒组（＜5.00μm）占7.70%～27.10%，平均为14.75%；细粉 粒（5.00～10.00μm）组 分 占 6.20% ～22.19%，平均为13.05%。值得注意的是，从表1的最后一列经计算可知，近地表灰尘中粗颗粒（粒径80.00～100.00μm，极细砂）体积分数极低，平均仅占粒度组成的1.00%左右。这一粒度组成特征明显区别于以较粗的砂砾为主要组成的城市街道灰尘［14，24－25］。

由各采样点累积体积分数分布（表1）可见：累积体积分数为90%（D90）时所对应的粒径范围为33.99～67.37μm，平均48.63μm，变异系数0.15，表明城市近地表灰尘中粒径小于48.63μm的颗粒约占总体积的90%；小于80.00μm的颗粒平均体积百分数为93.02%～100.00%，占绝对优势；粒径小于10.00μm的可吸入颗粒（particulate matter，PM10）的颗粒体积分数为14.00%～48.57%，平均为27.76%；粒径小于2.50μm的可入肺颗粒物（PM2.5）的平均累积体积分数为7.32%（3.76%～12.67%，变异系数0.28，PM10和PM2.5体积分数均远大于城市街道灰尘相同粒组［14，24］。总体而言，长春市城区近地表灰尘颗粒物较细，粗粉粒组占绝对优势。

2.2 城市近地表灰尘粒度曲线及粒度参数特征

颗粒物能否在外动力的作用下扬起悬浮，与其粒径大小密切相关，仅细颗粒物才能在外动力作用下扬起成为污染物，且相同质量条件下，细颗粒物的表面积更大，对重金属元素离子的吸附能力更强。城市灰尘粒度分布特征可直接反映灰尘对人体产生的负影响。颗粒物直径的大小决定颗粒物最终进入人体的部位：小于10.00μm的颗粒物可进入鼻腔；小于7.00μm的可进入咽喉；小于3.00μm的可达支气管；小于1.00μm的则可深达肺泡［26］。因此，城市灰尘粒度分布规律成为研究热点。

粒度频率曲线能较直观地反映沉积物各个粒级的含量，可反映出沉积物的中值粒径以及沉积物粗细部分的相对大小。

研究中，通常用中值粒径（D50）和算术平均粒径（Dav）来描述不同粒径组成的粒子群平均粒径。从表1可见：长春市城区近地表灰尘中值粒径为10.75～32.88μm，平均中值粒径为21.54μm，变异系数为0.25；算术平均粒径范围为14.85～33.56 μm，平均算术平均粒径为24.24μm，变异系数0.19。从变异系数可知，各采样点间平均粒径差异较小，从而说明平均中值粒径和平均算术平均粒径基本能代表长春市城区近地表灰尘粒径的平均水平。

表1 城市近地表灰尘粒径分布特征Table 1 Granulometric composition of urban dust near the ground in Changchun，China

与长春市大气干湿沉降平均粒径（约34.00 μm）相比［22］，城市近地表灰尘中值粒径和算术平均粒径均略小，但与长春市大气降尘平均粒径大体相当（约25.00μm）［22］，同时也大大小于城市街道灰尘的平均粒径（昆明87.10μm，北京100.00μm，上海146.30μm）［14，24－25］。

从长春市城区近地表灰尘的粒径频率分布（图2）可见，各采样点粒径分布较一致，粒径频率分布曲线呈非正态性和双峰性，尤其是南北轴线方向这种规律更加明显。这一特点反映出城市近地表灰尘的多源性和来源的相对稳定性，通常认为是由于远近距离对粗细颗粒物的混合搬运结果，与现代尘暴降尘的粒度分布模式相似，说明近地表灰尘沉积仍是风积作用的继续［27］。同时，这一分布特点与城市街道灰尘的粒径 频率分布曲线一致［14，22－23］，但与长 春市大气降尘的粒度分布的三峰或四峰特征有所不同［22］。图2a和b中分别可见2个峰值：一个峰值较高，对应粒径为22.63～49.43μm；另一个峰值较低且波峰较宽，对应粒径因采样点不同略有差异，粒径大致分布在1.02～3.28μm。

研究［28］表明：粒径小于125.00μm 的颗粒容易吸附在皮肤上，并更易被胃酸溶解而被人体吸收；而粒径小于100.00μm的颗粒物容易在一定的外动力条件下（如风、车辆行驶）以悬浮方式进入大气并长期滞留和运移；粒径小于66.00μm的颗粒物在微风的作用下极易扬起，是城市大气颗粒污染物的主要来源，一般在雨水或静风下才会降落到地表。一般认为，对人体健康危害最大的是10.00μm以下的颗粒物，其可以自由进入人体呼吸道，使变性源、过敏源的载体增加，导致城市居民呼吸道疾病患者增多，尤其容易使儿童免疫功能下降，慢性咽炎、支气管哮喘发病率增加，同时可使老人眼部、呼吸道患病率增加［29］。从城市近地表灰尘的粒径分布特征来看，城市近地表灰尘颗粒物粒径均小于100.00 μm，很容易在外动力条件下再次扬起并呈悬浮搬运状态，且小于10.00μm和2.50μm的颗粒物所占比例偏高（分别为27.76%和7.32%），因此长春市城区近地表灰尘所带来的生态环境效应不应被忽视。

粒度参数是综合反映沉积物粒度特征及沉积环境的量化指标，通常用分选系数、偏度、峰度和粉砂黏粒比等综合反映。

长春市城区近地表灰尘的分选系数为12.3～25.3（表2），平均值达17.3（变异系数0.15），说明近地表灰尘分选极差。

偏度可判断分布的对称性，并表明平均值与中位数的相对位置。长春市城区近地表灰尘的偏度为0.12～0.58（平均0.40，变异系数0.10），为正偏，平均值向中位数较细方向移动，粗粒总体在样品中占优势，与频率曲线反映出的特征一致，同时与长春市大气降尘分布特征一致［22］。

峰度即是衡量曲线的峰凸程度。城市近地表灰尘样品的峰度为0.56～1.34（平均0.87，变异系数0.16），即近地表灰尘峰态为中等偏窄，与长春市大气降尘峰态分布大体一致［22］。这说明近地表灰尘中至少有一部分颗粒物是未经环境改造直接进入环境的［14］，与频率曲线反映出的特征一致。

图2 长春市城区近地表灰尘典型粒径频率分布Fig.2 Frequency curve of urban dust near the ground in Changchun

粉砂黏粒比反映了风尘堆积物种“基本粒组”与“挟持粒组”的比例关系，这种关系主要取决于风尘来源区粉尘和黏粒的产率以及来源区的干湿状态或生物气候条件［14］。长春市近地表灰尘粉砂黏粒比变化范围为1.85～8.48（平均4.69，变异系数为0.35）（表2），表明长春市近地表灰尘主要以“基本粒组”为主，“挟持粒组”相对较低。

2.3 城市近地表灰尘粒度空间变化特征

为分析长春市城区近地表灰尘粒径分布的空间变化特征，分别沿长春市南－北和东－西中轴线各布设了一条剖面（图1）。从图3可见：无论从南至北，还是从东到西，城市近地表灰尘的中值粒径、算术平均粒径以及粒径小于10.00μm的颗粒所占体积分数均无显著差别。但小于10.00μm的颗粒所占体积分数呈现出自东向西略为增大的趋势（图3）。同时注意到，城市中心区域算术平均粒径、中值粒径以及小于10.00μm的颗粒所占体积分数较城市边缘区域变化范围小。这可能说明城市中心区域的近地表灰尘来源相对单一，而边缘区域的城市近地表灰尘来源相对复杂，具有多源性和复杂性。

3 结论

1）长春市城区近地表灰尘以粗粉粒组（10.00～80.00μm）为主，占样品粒度组成的51.43%～83.83%，平均71.28%；黏粒组（＜5.00μm）占7.70%～27.10%，平均为14.75%；细粉粒（5.00～10.00μm）组分占6.20%～22.19%，平均13.05%。

2）粒度参数分析表明，长春市城区近地表灰尘平均中值粒径和算术平均粒径分别为21.58μm和24.24μm。总体为分选极差、双峰中等偏窄不对称的粗粉粒。

3）近地表灰尘颗粒物粒径均小于100.00μm，极易在外动力条件下再次扬起并呈悬浮搬运状态。小于10.00μm和2.50μm的颗粒物所占比例偏高（分别为27.76%和7.32%），故长春市城区近地表灰尘所带来的生态环境效应不宜被忽视。

表2 城市近地表灰尘粒径粒度参数Table 2 Grain size parameters of urban dust near the ground in Changchun，China

图3 长春市城区近地表灰尘粒径空间变化特征Fig.3 Spatial variation of gain size distribution of urban dust near the ground in Changchun，China

4）粒径分布无明显空间变化，同时城市中心区域算术平均粒径、中值粒径以及小于10.00μm的颗粒所占比例较城市边缘区域变化范围小。这可能说明城市中心区域的近地表灰尘来源相对单一，而边缘区域的城市近地表灰尘来源相对复杂，具有多源性和复杂性。

5）粒径频率分布曲线呈非正态性和双峰性，这一特点反映出多源性和相对稳定性，说明其大气运动对近距离粗细颗粒物的混合搬运结果，与现代尘暴降尘和城市街道灰尘的粒度分布模式相似，说明近地表灰尘沉积仍是风积作用的继续。

（References）：

［1］杜佩轩，田晖，韩永明.城市灰尘概念、研究内容与方法［J］.陕西地质，2004，22（1）：73－79.Du Peixuan，Tian Hui，Han Yongming.Concept，Research Content and Method of Urban Dust［J］.Geology of Shaanxi，2004，22（1）：73－79.

［2］Kelly J，Thornton I，Simpson P R.Urban Geochemistry：A Study of the Influence of Anthropogenic Activity on the Heavy Metal Content of Soils in Traditionally Industrial and Non－Industrial Areas of Britain［J］.Applied Geochemistry，1996，11：363－370.

［3］Shi G T，Chen Z L，Bi C J，et al.A Comparative Study of Health Risk of Potentially Toxic Metals in Urban and Suburban Road Dust in the Most Populated City of China［J］.Atmospheric Environment，2011，45（3）：764－771.

［4］Charlesworth S，Everett M，McCarthy R，et al.A Comparative Study of Heavy Metal Concentration and Distribution in Deposited Street Dusts in a Large and a Small Urban Area：Birmingham and Coventry，West Midlands，UK［J］.Environment International，2003，29（5）：563－573.

［5］Lu S G，Zheng Y W，Bai S Q.A HRTEM/EDX Approach to Identification of the Source of Dust Particles on Urban Tree Leaves［J］.Atmospheric Environment，2008，42（26）：6431－6441.

［6］Edina S，Mihály B，Andreas V，et al.Air Pollution Assessment Based on Elemental Concentration of Leaves Tissue and Foliage Dust Along an Urbanization Gradient in Vienna［J］.Environmental Pollution，2011，159（5）：1229－1233.

［7］Cao Z Z，Yang Y H，Lu J L，et al.Atmospheric Particle Characterization， Distribution， and Deposition in Xi’an，Shaanxi Province，Central China［J］.Environmental Pollution，2011，159（2）：577－584.

［8］Lu X W，Wang L J，Lei K，et al.Contamination Assessment of Copper，Lead，Zinc，Manganese and Nickel in Street Dust of Baoji，NW China［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，161（2/3）：1058－1062.

［9］Ma J H，Wichitra S.Distribution and Health Risk Assessment of Heavy Metals in Surface Dusts of Maha Sarakham Municipality［J］.Procedia Social and Behavioral Sciences，2012，50：280－293.

［10］Saeedi M，Li L Y，Salmanzadeha M.Heavy Metals and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons：Pollution and Ecological Risk Assessment in Street Dust of Tehran［J］.Journal of Hazardous Materials，2012，227/228：9－17.

［11］Shi G T，Chen Z L，Xu S Y，et al.Potentially Toxic Metal Contamination of Urban Soils and Roadside Dust in Shanghai， China［J］.Environmental Pollution，2008，156（2）：251－260.

［12］Wei B G，Jiang F Q，Li Xuemei，et al.Spatial Distribution and Contamination Assessment of Heavy Metals in Urban Road Dusts from Urumqi，NW China［J］.Microchemical Journal，2009，93（2）：147－152.

［13］Zhang Z M，Cui B S，Fang F M，et al.Multifractal Analysis to Characterize Urban Surface Dust Volume－Size Distribution［J］.Procedia Environmental Sciences，2012，13：2394－2401.

［14］刘春华，岑况.北京市街道灰尘粒度特征及其来源探析［J］.环境科学学报，2007，27（6）：1006－1012.Liu Chunhua， Cen Kuang.Particle Size Characteristics and Possible Sources of Street Dust in Beijing［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2007，27（6）：1006－1012.

［15］施泽明，倪师军，张成江，等.不同粒径近地表大气尘元素分配规律研究：以成都经济区为例［J］.生态环境，2007，16（6）：1590－1596.Shi Zeming，Ni Shijun，Zhang Chengjiang，et al.Elements Distribution Rule of Air Dust Near the Ground in Different Particle Sizes：A Case Study of Chengdu Economic Region［J］.Ecology and Environment，2007，16（6）：1590－1596.

［16］王平利.成都市近地表大气尘的环境地球化学特征［D］.成都：成都理工大学.2004.Wang Pingli.The Environmental Geochemical Characteristics of Air Dust near the Ground in Chengdu［D］.Chengdu：Chengdu University of Technology，2004.

［17］杨波.成都市近地表大气尘铅同位素示踪铅污染来源研究［D］.成都：成都理工大学，2004.Yang Bo.Lead Isotope Tracing of Major Sources of Lead Pollution in the Atmosphere of Chengdu City［D］.Chengdu：Chengdu University of Technology，2004.

［18］施泽明，倪师军，张成江.城市环境近地表大气尘研究的意义及进展［J］.广东微量元素科学，2007，14（2）：1－5.Shi Zeming，Ni Shijun，Zhang Chengjiang.A New Research of Material Carrier in the Urban Atmosphere－Air Dust near the Ground［J］.Guangdong Trace Elements Science，2007，14（2）：1－5.

［19］赵兴敏，赵蓝坡，花修艺.长春市大气降尘中重金属的分布特征和来源分析［J］.城市环境与城市生态，2009，22（4）：30－32.Zhao Xingmin，Zhao Lanpo，Hua Xiuyi.Distribution Characteristics and Sources Analysis of Heavy Metal in Atmospheric Dust Fall in Changchun［J］.Urban Environment ＆ Urban Ecology，2009，22（4）：30－32.

［20］杨忠平，卢文喜，辛欣，等.长春市城市土壤铅同位素组成特征及其来源解析［J］.吉林大学学报：地球科学版，2008，38（4）：663－669.Yang Zhongping，Lu Wenxi，Xin Xin，et al.Lead Isotope Signatures and Source Identification in Urban Soil of Changchun City［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2008，38（4）：663－669.

［21］刘乃瑜，马小凡，谢忠雷，等.长春市城市土壤中重金属元素的积累及其微生物特性研究［J］.吉林大学学报：地球科学版，2004，34（增刊）：134－138.Liu Naiyu，Ma Xiaofan，Xie Zhonglei，et al.The Acaumulation of Heavy Metals and Microbial Characteristics in Urban Soils of Changchun［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2004，34（Sup.）：134－138.

［22］李应硕.长春市城区大气降尘特征及来源研究［D］.长春：东北师范大学，2007.Li Yingshuo.A Study on Characteristics of Atmospheric Dust Fall and Its Source in Changchun City［D］.Changchun：Northeast Normal University，2007.

［23］杨忠平，卢文喜，刘新荣，等.长春市城市近地表灰尘重金属污染来源解析［J］.干旱区资源与环境，2010，24（12）：155－160.Yang Zhongping，Lu Wenxi，Liu Xinrong，et al.Heavy Metal Identification for Near－Surface Urban Dust in Changchun City［J］.Journal of Arid Land Resources and Environment，2010，24（12）：155－160.

［24］张菊.上海城市街道灰尘重金属污染研究［D］.上海：华东师范大学，2005：33－34.Zhang Ju.Study on the Heavy Metal Pollution in Urban Street Dust of Shanghai［D］.Shanghai：East China Normal University，2005：33－34.

［25］梁涛，史正涛，刘志国.昆明市街道灰尘粒度特征及其环境意义［J］.长江流域资源与环境，2011，20（1）：122－128.Liang Tao，Shi Zhengtao，Liu Zhiguo.Grain Size Characteristics of Street Dust in Kunming and Its Environmental Significance［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2011，20（1）：122－128.

［26］罗莹华.韶关市大气颗粒物地球化学特征与源解析研究［D］.长沙：中南大学，2006.Luo Yinghua.Study on the Geochemical Characteristics and Source Appointment of Atmospheric Particles in Shaoguan City［D］.Changsha：Central South University，2006.

［27］王赞红.现代尘暴降尘与非尘暴降尘的粒度特征［J］.地理学报，2003，58（4）：606－610.Wang Zanhong.Particle Size Analysis of Aeolian Dust Derived from Dust Storm and Non－Dust Storm［J］.Acta Geographica Sinica，2003，58（4）：606－610.

［28］De Miguel E，Llamas J F，Chacón E，et al.Origin and Patterns of Distribution of Trace Elements in Street Dust Unleaded Petrol and Urban Lead［J］.Atmospheric Environment，1997，31（17）：2733－2740.

［29］杨索，周灿，黄庚洁，等.城市外延扩大对大气环境的影响：以南宁市为例［J］.广西师范学院：自然科学版，2003，20（4）：10－14.Yang Suo，Zhou Can， Huang Gengjie，et al.Influence of Urban Boundary Expansion on Atmosphere Environment：An Exemplification of Nanning City［J］.Journal of Guangxi Teachers College：Natural Science Edition，2003，20（4）：10－14.

［30］谢远云，何葵，康春国.哈尔滨市特大沙尘暴沉降物的粒度分布及意义［J］.中国地质，2005，32（3）：502－505.Xie Yuanyun，He Kui，Kang Chunguo.Grain－Size Distribution of Fall－Outs of an Exceedingly Large Dust Storm in Harbin City and Its Implications［J］.Geology in China，2005，32（3）：502－505.