环境磁学在城市地表灰尘重金属污染研究中的应用

陈 姣，王 冠

上海理工大学，环境与建筑学院，上海 200093

环境磁学在城市地表灰尘重金属污染研究中的应用

陈 姣，王 冠

上海理工大学，环境与建筑学院，上海 200093

随着环境问题日渐突出，地表灰尘重金属污染日益成为研究热点。单纯采用化学方法监测重金属污染具有一定局限性，环境磁学方法以其简便、快捷、经济且无害化的特点在城市重金属污染研究中广为应用。通过文献调研，综述环境磁学在城市地表灰尘重金属污染研究中的应用与研究进展，阐明重金属的主要来源，简述环境磁学的诸多参数，分析磁学参数与重金属的关系，并通过对比不同的磁学分析方法，探讨环境磁学方法在城市地表灰尘重金属污染研究中存在的问题及其发展趋势。

环境磁学；地表灰尘；重金属

随着工业化进程的加快，环境污染日益严重，尤其是重金属污染，目前对人类健康和生态环境已造成严重破坏。近几年雾霾频发，大气颗粒物污染随之加重，国内外学者对大气颗粒物贡献率较大的城市地表灰尘的关注度也逐渐提高。地表灰尘作为重金属的重要载体之一，国外早在20世纪70、80年代便对地表灰尘重金属来源、研究方法、赋存形态、分布特征等方面进行研究[1-4]。研究过程中大多采用传统的物理化学方法，操作复杂，难以快速监测出重金属污染的状况，样本量大，测样成本极高，易引起二次污染等缺点限制了传统物理化学方法在地表灰尘重金属污染研究中的应用[5]。继而国内外学者开始利用环境磁学方法来监测重金属污染，该方法首次提出针对湖泊沉积物，早期研究对象较多为黄土、湖泊和海洋沉积物。近10年来，土壤、沉积物、粉尘、植物等研究对象不断引入。与传统物理化学重金属污染研究方法相比，环境磁学方法具有快速、灵敏、信息大(包括磁性矿物的种类、含量、粒度等)、经济、对样品无破坏性等显著优点。

目前，利用磁学方法监测城市环境污染程度已成为研究热点之一，在诸多领域已经得到广泛应用[6-8]。但对于一些污染物长期积累、磁性矿物来源复杂的地区，磁学特征与重金属含量的关系解释起来相对困难，需结合具体的环境背景进行分析。已有的研究中，对于磁学参数与重金属相关的解释仍存在疑问，如外源输入的大颗粒磁性矿物对不同形式存在的重金属是否都具有吸附作用，磁学参数变化的原因与城市地表灰尘重金属污染程度是否存在必然关系。因此，本文通过查找文献，探讨重金属的主要来源，磁学参数与重金属的关系以及相应的磁学分析方法，以期能对国内城市地表灰尘重金属污染研究起到一定的参考与借鉴作用。

1 地表灰尘重金属的主要来源

城市地表灰尘重金属来源复杂多样，主要分为自然来源和人为来源。通常自然来源包括大气的干湿沉降过程、周边土壤的再悬浮以及风化产物[9]。研究者发现，地表灰尘中的Mn、V、Ni、Co、Ba等重金属大多属于自然来源[10]。而人为来源相对比较复杂，这也是导致地表灰尘重金属暴露差异性的重要原因。人为来源可分为工业污染、交通污染、城市建设3个方面[11]。工业污染包括钢铁厂、电子厂、橡胶等加工厂产生的废气。有学者发现，长株潭市区地表灰尘中重金属污染在工业区最为突出，灰尘含量较高的Cd、Cu、Zn主要源于有色金属工业生产[12]。交通污染主要表现为汽车尾气排放、轮胎破旧磨损、路面材料老化、油类材料使用等。长春市地表灰尘重金属含量显著高于研究区表层土壤中的重金属含量，发现Cu、Pb、Zn主要源于汽车交通污染，其中Cu、Pb主要来自于含铅汽油和柴油燃烧所产生的汽车尾气，Zn主要来源于汽车轮胎磨损所产生的粉尘[13]。昆明市街道灰尘重金属在工业区含量最高，其次为交通区，其中内城重金属污染源主要来自于汽车交通污染，外城来源于工业污染[14]。城市建设主要表现为建筑施工产生的扬尘、建筑材料(金属类和油漆等涂料类)的脱落和腐蚀等。北京街道灰尘重金属与建筑施工、建筑材料及废弃物排放有很大关系[15]。

2 磁学参数与重金属关系

2.1 主要的磁学参数

环境磁学主要通过对磁性颗粒物载体(如沉积物、土壤、降尘、植物等)中的磁性物质进行磁性测量，用磁学参数来反映相应的磁学性质，从而可以探讨其中磁性物质的来源、含量、粒径及其空间分布等特征。常用的磁学参数见表1[16]。

表1 常用环境磁学参数

除了单独的磁学参数外，不同参数间的比值也能反映不同的磁学特性。这些磁学参数主要是用来解决磁性矿物组成、含量及粒度特征等方面的问题。其中，S比值和居里温度可用来表示磁性矿物的组成，磁化率χ、饱和等温剩磁SIRM、饱和磁化强度MS可用来表示磁性矿物的含量，而比值SIRM/χlf、ARM/SIRM、χARM/χlf可表示磁性矿物的粒径特征[17]。

在上述磁参数中，磁化率χ应用最为广泛。它主要指样品的感应磁化强度与磁场强度在弱磁场中的比值，反映在外磁场作用下物质磁化的能力[18]。频率磁化率χfd%是另一个重要参数，它以低频磁化率与高频磁化率的相对差值来表示，即(χfd%=(χlf-χhf)/χlf×100%)，χfd%常用来指示细小的超顺磁矿物颗粒的多少，两者呈正比关系[19]。在环境磁学研究中，磁化率χ和频率磁化率χfd%常作为城市污染监测重要的替代指标。有学者对许昌市路尘磁化率的空间分布特征进行研究，发现路尘中磁化率值高，频率磁化率低，表明路尘中超顺磁颗粒含量较少。同时该路尘磁化率从西北向东南递减，且在商业中心、交通环岛和高速公路入口处磁化率出现高出周围地区的现象，证明了利用路尘的磁化率特征可以直观地反映出城市的污染状况[20]。在不同的背景条件下，其他的磁学参数也可作为污染监测的替代指标。对福州市公园灰尘的磁学参数综合分析发现，χ、χfd%、IRM及其组合参数、磁滞回线可作为福州市城市污染物监测的重要替代指标[21]。西安市地表灰尘样品的环境磁学研究显示，磁化率χ、χARM、SIRM可作为该地区污染的监测指标，这些磁学参数值均较高，表明样品中磁性矿物含量较高，其中χ主要受人类活动影响,而SIRM、非磁滞磁化率(χARM)则受到人为活动和磁性矿物种类的共同影响。由上可知，综合磁性矿物的含量、种类和粒径可辨别污染及污染来源，并可对污染来源进行初步划分[22]。

2.2 磁学参数与重金属相关关系

目前，环境磁学在土壤、沉积物、大气和水环境重金属污染研究中的应用较多，而地表灰尘作为来源复杂的各种污染物复合体，其与大气污染和水环境污染密切相关。动力条件下，地表灰尘和大气颗粒物会互相转化；降雨作用下，地表灰尘中所含的重金属污染物会在径流的作用下对城市水环境造成间接污染。因此，更多学者开始将环境磁学应用于地表灰尘重金属的污染研究中，并得知地表灰尘重金属污染和磁学参数之间存在密切的关系。实际上，目前这些研究主要是建立在磁性矿物与重金属具有相同来源的基础上，在参数的选取上多以磁化率χ、饱和等温剩磁SIRM作为重金属污染的代用指标[23]。一些研究结果显示，并不是所有的磁学参数均与重金属含量之间存在很好的相关性，不同的磁学参数与重金属之间的关系存在差异性。王学松等[24]探讨了徐州市表层土壤重金属元素与磁学参数χ、χfd、SIRM、χARM的相关关系，发现χ与重金属Fe、Se、Mo呈明显的正相关关系，而与As、Sb、Ni相关性很差；SIRM与Cu、Pb、Li存在显著相关，而Se、Mo、Cu与χARM的相关系数却显著大于SIRM。当然，并非磁学参数与重金属含量之间存在的相关性均是正相关，王博等[25]在兰州市表层土壤研究中发现，磁参数χlf、SOFT、SIRM、ARM与Pb、Zn、Fe、As、Cu、Cr、Ni均存在明显的正相关关系，而χfd%、ARM/SIRM、χARM/χ与这些重金属含量之间却多呈负相关。

从重金属元素的角度总结众多磁学参数与重金属含量之间的关系发现，χ与Cu、Zn、Pb等重金属含量显著相关；χfd主要与Mn、Li、Fe、Al、V、Co、Ti等金属含量高度相关，他们均来自土壤母质；χARM、SIRM、SOFT则主要与交通污染释放的金属元素相关，与As、Hg、Sb等燃煤释放的金属元素相关性较差。实际应用过程中，磁学参数与重金属含量之间的关系非常复杂，在不同的规模、不同工业性质和气象条件下的城市，其磁学参数与重金属含量的关系会存在差异，这导致了通过测定磁学参数来评价重金属污染的局限性，故如何快速判断并挑选出最适合的磁学参数作为重金属污染的替代指标显得尤为重要，这还需进一步探讨。

3 重金属污染的磁学分析方法

3.1 主成分分析

当用磁学方法估测地表灰尘重金属污染状况时，会出现众多磁学参数指标，如何筛选出具有代表性的磁学参数指标成为探讨磁学参数与重金属内在关系的关键所在。在磁学领域中，通常利用主成分分析对不同的指标进行多元统计，该方法将原始数据进行标准化，得到相关矩阵，矩阵变换后，再将标准化指标转换成相应的主成分，整个结果通过一维、二维或三维平面坐标图标示，从而可以直观地观察出不同磁学参数与重金属相关关系。在兰州街道灰尘的研究中，WANG G等[26]通过主成分分析发现，磁学参数指标χlf、SIRM、SOFT、HIRM、S-300与As、Ba、Mn、Cu、Pb等金属在第1主成分中有较高表现，表明了这些磁学参数表征的磁性矿物与这些重金属相互伴随产生，主导了街道降尘的磁性，同时得出重金属主要来源于人类活动的结论。ZHU Z M等[27]利用主成分分析研究了贵阳市电子废弃厂室内灰尘，发现相对于χ，磁参数SIRM与重金属呈现出更为明显的相关关系，所以可以采用SIRM作为该地区重金属污染的代用指标。

为进一步确定磁学参数与重金属的定量关系，有学者通过主成分分析方法构造线性回归模型，快速测量出污染程度和范围。在上海崇明岛沉积物重金属的研究中，吕达等[28]以χARM/SIRM作为自变量建立了Cu的线性回归模型，只要依据磁测的结果，就可以根据回归模型评估崇明岛Cu的污染状况。王博等[29]在研究兰州表层土壤磁学参数与重金属关系时，通过对污染负荷指数、内梅罗指数、χlf、χfd%和χARM/SIRM的回归分析，建立环境磁学参数评价重金属污染的初步定量模型，发现用此模型对土壤重金属污染进行定量分析并不可靠，只能推断其相应的磁化率阈。说明在不同的污染区域，仅靠主成分分析和建立回归模型定量分析磁学参数与重金属关系远远不够。

3.2 聚类分析

聚类分析方法与磁学方法结合起来能够定量划分不同的污染区，并能起到有效的溯源作用。与主成分分析方法不同，聚类分析是直接比较样品之间的性质，将性质相近的归为一类，将性质差别较大的归入不同的类。该方法主要是将样品中所含的元素(重金属含量和磁学参数指标)进行标准化，然后通过计算不同数据间的距离大小判断其亲疏关系，相关性与距离大小成反比，距离越近，相关性越高，最后会利用不同的归类方法对这些数据进行不同的分类。分到同一类的重金属和磁学参数指标则会呈现出极大的相关性，他们必然是受相同污染源的影响。ZHANG C X等[30]对娄底市地表灰尘进行研究，通过聚类分析将3种磁参数(χ、SIRM、χARM/χ)和多种重金属分成两大类，即自然来源和人类活动来源，并发现同一类中的地表灰尘所含的磁性矿物与重金属具有相同的来源。有学者在研究北京土壤垂向剖面重金属污染时，利用模糊聚类分析分辨出土壤上部污染物堆积层和下部未污染土壤背景的两种不同特征段，这主要是由于上下部样品的磁性矿物含量、种类及重金属含量的差异造成的[31]。

3.3 因子分析

因子分析方法是主成分分析方法的延伸，通常也多用于多指标问题的研究。与主成分分析相比，该方法应用于重金属磁学诊断研究时，是将磁学方法与重金属含量在总体上进行比较，而主成分分析主要是将多个指标化为少数指标，当需要寻找潜在的因子，并对这些因子进行解释时，会更加倾向使用因子分析。因此，因子分析法既可以简化指标，又可以反映污染程度和类别，找出优先控制指标。杨苹果等[32]在研究山西煤焦工厂土壤磁化率和重金属含量空间变异性时，对磁学参数和重金属的原数据进行主成分分析后，继续进行因子分析发现，第一主因子主要代表磁化率性状，它对各变量的方差贡献较大，Cu、Zn在第二因子上有较高正载荷，Mn在第三主因子上具有较高的正载荷，故得出主因子1变量中的土壤磁化率可代表土壤中磁性矿物的含量，受土壤母质影响的结论。王学松等[33]对5种磁学参数和30种元素进行因子分析发现，Fe、Cd、Ba、Ni等元素在因子1、因子2中均占有一定的负荷，表明表层土壤中这些元素来源比较复杂。

在重金属污染研究方面，以上3种方法属于应用较为广泛的多元统计方法。近几年除了探讨重金属含量与磁化率相关关系外，研究学者们开始探讨重金属与富集因子、内梅罗指数、Tomlinson污染负荷指数的相关关系。学者们通常将这些方法得出的结果与磁化率结合起来，综合评判重金属的污染情况。有学者对上海宝山区土壤样芯进行磁性测量与重金属含量测定，发现重金属含量与磁化率、富集因子、Tomlinson污染负荷指数等数值显著相关，磁性矿物含量与样芯深度成反比，且与重金属污染密切相关。综合分析得知，磁性测量可用来快速、经济的监测研究区域的重金属污染状况[34]。宣威街道灰尘研究中利用暴露风险评价方法对重金属进行健康风险评价，发现重金属的致癌风险与重金属的含量、磁化率在采样点的分布情况呈现出相似的空间变化趋势[35]。目前，应用较多的仍是将传统的化学方法与磁学分析手段相结合，同时采用相应的数理统计的方法，这能够更加简便、快捷的识别出地表灰尘重金属来源和进一步了解重金属污染特征，对研究该区域的污染状况起到了良好的指示作用。

4 问题与展望

目前，人们热衷于应用环境磁学方法来研究城市地表灰尘重金属污染状况。近几年重金属污染研究由以往的单纯实验研究，逐渐发展成为多元化研究，如今较多采用一些典型的数据分析方法和建立相关数学模型进行分析。相对而言，环境磁学用于重金属的研究，同样也从最开始单一的相关性分析，逐渐发展成现如今的多种数据统计分析手段。虽然磁学方法相对于化学方法而言，具有方便、快速、经济、无害化等优点，但就目前学者们的研究进展而言，仍存在一些问题需进一步研究与探讨。

就城市地表灰尘研究本身而言，因其来源复杂，在环境中的停留时间很短，所以，地表灰尘中的重金属污染物只能代表短期内的污染状况，且外在因素对地表灰尘的停留时间也会产生一定的影响，如天气晴朗的时间长短、人工清扫、风力大小以及降雨冲刷等作用。不同的停留时间可能会累积不同含量的环境物质，所以从一定程度上间接影响了地表灰尘中的磁性物质。同时磁性矿物的粒径大小、磁性矿物的成分，甚至人类活动均会对磁学参数产生影响。磁学参数与重金属存在一定关系，但不同的背景环境下磁学参数对重金属的敏感程度有所差异，如何正确的阐释磁学参数变化的原因，对利用磁学参数指示城市地表灰尘中重金属污染程度很有必要。目前，有研究探讨过季节变化对地表灰尘重金属含量的影响程度，但对日变化的影响探讨很少，是否可以利用每日的空气污染指数间接判断地表灰尘的污染程度，空气污染指数是否与地表灰尘中的重金属含量存在某种关系，这还需进一步研究。此外，关于地表灰尘重金属不同的赋存形态对磁性的影响程度大小的研究甚少，今后可多开展这方面的研究工作。

就环境磁学方法而言，可以看出在磁学参数方面，它已经从单一的磁化率扩展到多种磁学参数的研究，新的研究分析方法开始不断加入，同时较多探讨磁学参数与重金属含量的相关性分析。目前，环境磁学方法较多应用于土壤、沉积物、大气等方面，扩大其研究区域和研究对象，是环境磁学未来的研究趋势之一。同时磁学参数相对较多，不同地区不同的磁学参数与重金属的相关性具有一定的差异，如何找出重金属污染程度的磁学代用指标相对困难，需要开展更深入的磁性机理研究，探讨出简单有效的新磁学参数和磁学参数组合。另外，还需进一步利用磁学方法溯源，结合其他的研究手段和数据处理方法，探讨不同污染来源的磁学特征，以期能够对城市地表灰尘重金属的污染研究提供参考。

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Environmental Magnetism Used in Heavy Metal Pollution in the Street Dust Study

CHEN Jiao，WANG Guan

Department of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

Since the environmental problem is more and more prominent, it has become a hot issue to research heavy metal pollution in the street dust. There are some certain limitations to monitor the heavy metal pollution simply by chemical method. With the characteristics of simple, rapid, low-cost and non-destructive, environmental magnetic method is widely used in the urban metal pollution research. Through numbers of literature researches, it mainly presented an overview of the application and research development of environmental magnetic method in the heavy metal pollution in urban street dust study. Then it illustrated the main source of heavy metal, briefly described the various parameters of environmental magnetism, and analyzed the relationship between these parameters and heavy metals. Finally, through the comparison of different magnetism analysis method, it clearly discussed and analyzed the main problems and development trend of heavy metal pollution in the street dust by using environmental magnetism.

environmental magnetism;street dust;heavy metal

2015-06-04;

2015-06-24

国家自然科学基金(41001331)；上海市自然基金(15ZR1428700)

陈 姣(1991-)，女，安徽安庆人，硕士。

王 冠

X830.2

A

1002-6002(2016)03- 0099- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.03.15