福州市道路灰尘中Cu的分布规律及影响因素*

2020-12-02陈秀玲朱甜英黄雨振周笑笑

环境污染与防治 2020年11期

卢欣陈秀玲，3# 朱甜英黄雨振周笑笑

(1.福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建福州 350007；2.福建师范大学地理科学学院，福建福州 350007；3.福建师范大学地理研究所，福建福州 350007)

Cu作为参与人体代谢过程的重要组分，为人体所必需，但其含量一旦超过肝脏的处理水平，会严重威胁人体健康[1-2]。在人口密集、高强度人类活动聚集的城市区域，多种来源的含Cu粉尘会通过大气沉降持续在道路表面累积，使城市道路灰尘成为了重要的“汇”，可用于反映和指示区域内Cu元素的排放和累积情况[3]。且由于这些含Cu的道路灰尘容易在外力作用下进入水体和大气，最终通过呼吸道、皮肤及消化系统等途径被人体吸收，对人体健康产生危害，因此对城市地区进行道路灰尘中Cu分布研究意义重大。目前，国内外学者对于城市道路灰尘中Cu元素的主要来源已达成较一致的认识，主要包括车辆及路面磨损、制造及建筑工业[4]4639，[5]161，且常将其作为交通源污染的标志性元素[6]。但在此基础上，城市道路灰尘中Cu元素的空间分布规律和影响因素还有待进一步探究。

福州市是全国首批生态文明典范城市，同时又是海西经济区的前沿城市。近年来，城市的加速发展给环境带来了巨大压力。已有研究表明，福州市公园地表灰尘中Cu已达到严重污染程度[7]，仓山区道路灰尘中Cu的手-口摄食途径非致癌风险(儿童)和皮肤接触途径非致癌风险(成人和儿童)较Cr、Mn、Ni、Zn、Pb、Co等元素大，而这两种途径正是该地区重金属暴露风险最大的途径[8]。可见，基于福州市城市发展过程中对生态环境的高标准，其城市灰尘中Cu污染已必须予以重视，但目前的相关研究均是将其与多种重金属元素一起进行整体探讨，对比各元素在一定区域范围内或区域内不同功能区的分布特征及污染评价，而缺乏基于城市灰尘中Cu元素可能来源的分析，更缺乏针对性深入探讨道路灰尘中Cu的分布及影响因素。鉴于此，本研究选择福州市不同等级、交通状况、主要潜在污染源的典型道路机动车道灰尘作为研究对象，试图多角度探究Cu的影响因素、各影响因素下的含量水平、分布特征及规律，以期为福州市道路灰尘中Cu污染的防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样品采集

福州市位于中国东南沿海，25°15′N～26°39′N、118°8′E～120°31′E。地势自西向东倾斜，地貌属典型河口盆地。气候为典型的亚热带季风气候，温暖湿润，主导风向为东北风，每年平均有2次台风登陆市境。

海峡西岸经济区确立后，福州市经济进入快速发展阶段，市内建筑及地铁修建工程大范围实施，使得大气环境中粉尘颗粒物明显增加。

课题组选择福州市台江区、鼓楼区、仓山区、马尾区、晋安区、闽侯县内的26条道路，于雨后至少7 d、晴朗无风天气，用毛刷和塑料铲采集道路机动车道的道路灰尘。采样点分布见图1，采样时每条道路上设置3～5个采样点，各采样点附近采集4～5个样品，经充分混合作为最终样品，共计102个，于聚乙烯塑料袋中密封保存。采样过程中详细记录各道路等级、交通通行状况及周围主要潜在污染源，同时为探究交通量对道路灰尘重金属含量的影响，第1次统计了各道路车流量[9]。随后，考虑到道路通行高峰与非高峰、工作日与休息日间的车流量存在较大差异，特改进车流量统计方案，在第1次统计数据的基础上采用机械计数器进行第2次统计，得到各道路工作日通行高峰期(7：30—8：30、17：30—18：30)和非高峰期(10：00—11：00、15：00—16：00)1 h车流量，通过4个时段平均值求取各道路1 h车流量。本研究最终选用第2次统计的车流量数据进行分析。本研究对于道路等级的定义主要结合《城市道路工程设计规范(2016年版)》(CJJ 37—2012)，将主干道定义为连接城市各分区以交通功能为主、双向车道>4车道的干道；次干道定义为承担主干道与分区间交通集散作用、兼有服务功能，双向车道≥4车道的干道；支路定义为连接次干道和街坊路、以服务功能为主，双向车道<4车道的道路。采样道路基本情况见表1。

图1 道路灰尘采样点分布

表1 采样道路基本情况

1.2 实验方法

道路灰尘样品在室温下自然风干，去除杂质，用玛瑙研钵研磨，过200目尼龙筛后，采用HF-HNO3-HClO4法[10]进行消解。Cu含量采用X-Serie Ⅱ型电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)仪测定，以Rh和Re为内标对测试过程进行监控，每个样品测试两次，平行测试相对标准偏差<5%。为保证实验方法可靠，每批样品中还测定了国家标准土壤参比物质——暗棕壤(GSS-1)、黄棕壤(GSS-3)，所有样品回收率控制在80%～120%。

2 结果与分析

2.1 道路灰尘中Cu含量

所有道路灰尘中Cu平均质量浓度为82.62 mg/kg(见表2)，除南三环样点1及侯官路样点1，其余样点的Cu均超过福建省土壤背景值(21.6 mg/kg)[11]，处于较高累积水平，部分地区Cu污染严重。其中，Cu质量浓度最小值为13.72 mg/kg，出现在侯官路样点1，最大值为218.08 mg/kg，出现在南二环样点3。所有道路灰尘中Cu分布总体差异性很大，变异系数达0.51，这表明福州市道路灰尘中Cu含量受人为活动的影响明显。

2.2 不同等级道路灰尘中Cu

Cu在不同等级道路间的分布具有一定差异，且同一等级道路上各样点Cu含量的变异系数呈较高水平。由表3可见，Cu质量浓度最大值218.08 mg/kg出现在主干道，最小值13.72 mg/kg出现在支路；各等级道路灰尘中Cu平均质量浓度为主干道(94.13 mg/kg)>次干道(86.76 mg/kg)>支路(69.38 mg/kg)。

2.3 不同主要潜在污染源下道路灰尘中Cu

由表4可见，道路灰尘中Cu质量浓度最大值(218.08 mg/kg)所在道路主要潜在污染源为交通活动，最小值(13.72 mg/kg)所在道路主要潜在污染源为居民生活。各主要潜在污染源下道路灰尘中Cu富集水平表现为交通活动>工业活动>城市建设>居民生活，且同种主要潜在污染源下各道路灰尘中Cu含量仍存在较大差异。

表2 道路灰尘中Cu质量浓度

表3 不同等级道路车流量及灰尘中Cu质量浓度

表4 不同主要潜在污染源下道路车流量及灰尘中Cu质量浓度

3 讨论

3.1 各等级道路车流量及灰尘中Cu分布

由表5可知，与其他城市相比，本研究中福州市道路灰尘Cu含量总体处于较低水平。但本研究中福州市各道路灰尘中Cu含量普遍超过福建省土壤背景值(见表2)，且平均质量浓度达到福建省土壤背景值的3.825倍，说明福州市道路灰尘仍存在一定程度的Cu污染。同时，所有样点及部分道路各样点间的变异系数较大，指示Cu污染可能仅存在于受人为活动影响强烈的部分样点及局部区域，而具体的影响因素则需要进一步探究。

有研究表明，交通活动中刹车系统、车体、轮胎及路面的磨损是城市道路中Cu元素的最主要来源[4]4639，其含量通常与交通量成正比[5]165。福州市各等级道路的平均车流量差异明显，表现为主干道>次干道>支路(见表3)，其Cu平均浓度也呈现相同特征，这与前人在希腊[22]和美国马萨诸塞州[23]进行的各等级道路灰尘重金属含量研究结果一致。因此，可认为福州市道路灰尘中Cu含量同样总体与车流量成正比，普遍受到交通活动的影响。

表5 部分城市道路灰尘中Cu质量浓度对比

所有道路样点灰尘中Cu平均浓度与车流量的散点未呈现明显线性关系(见图2)，且车流量相近的同一等级道路上，各道路灰尘中Cu含量差异较大。因此，虽可认为福州市道路灰尘中Cu含量总体与车流量成正比，但具体到各道路，车流量对于Cu含量的影响程度是不相同的，且可能受车流量以外多种因素的综合影响。

图2 道路灰尘中Cu平均质量浓度与车流量的散点图

一般而言，排除周围环境及其他影响，仅考虑交通排放，车流量接近的同一等级道路灰尘中Cu含量应呈现相似分布特征，且与车流量成正比。为进一步探究除车流量外其他影响因素及其对道路灰尘Cu分布的影响，分别将各主干道、次干道、支路车流量与其道路灰尘中Cu平均质量浓度分布特征进行对比。

如图3所示，在主干道则徐大道、福峡路、乌龙江中大道，道路灰尘中Cu平均浓度分布与车流量呈相似趋势，但南二环和福湾路的车流量虽处于同等级道路中的中等水平，但Cu平均浓度却处于较高水平，推测在车流量的影响上还叠加了其他致使Cu含量增加的因素。结合道路周围环境及交通情况，发现通行能力接近饱和的南二环和福湾路在高峰期均有缓行或拥堵情况。自20世纪30年代以来，Cu被广泛用于汽车刹车系统，刹车片成为机动车中含Cu最高的零件组分[24]149，由制动系统磨损带来的Cu占总的交通活动排放Cu的90%[25]。因此，同一道路等级、相近的车流量下，车辆通行不畅可能造成车辆制动系统的额外磨损，并在道路灰尘中表现出明显的Cu富集。而在南三环，车流量为同等级道路最高，但Cu平均浓度却最低。考虑到南三环是一条城市快速路，其红绿灯、人行斑马线和出口交汇处明显较其他主干道少，车辆行驶顺畅，无需经历由于频繁停车减速行为带来的制动系统额外磨损，因此其较低的Cu平均浓度可再次验证，较高车流量下，道路通行状况可能是道路灰尘中Cu含量的重要影响因素。

图3 各主干道车流量与道路灰尘中Cu平均质量浓度分布

由图4可见，次干道中六一中路、五一中路、工业路、排尾路的车流量处于同等级道路中等水平，但其Cu平均浓度处于较高水平，新保路和金桔路的车流量处于同等级道路的较低水平，但其Cu平均浓度却处于较高水平。究其原因，可能是六一中路和五一中路周边多大型商场，人流量大，红路灯及人行斑马线多，路口常出现较长距离的拥堵，因此其Cu平均浓度偏高仍然与道路通行状况有关。工业路和排尾路两侧及周边均存在大型或多处小型建材市场、汽车修理厂、钢材及塑料加工厂等工业类点状污染源。钢铁生产、冶炼、金属加工及机械制造排放的烟尘被认为是大气Cu污染的重要原因[26]，大气中含Cu的颗粒物沉降到道路表面，成为这些道路灰尘中Cu的重要来源，因此工业路和排尾路道路灰尘中Cu平均浓度相对偏高则可能与周围人为活动类型有关。新保路在采样期间两侧有多个大型楼盘正在建设，通行车辆中货车占比较大，且存在明显的路面积尘现象。建筑施工过程中会产生富含Cu元素的金属、材料碎屑和粉尘，再加之货车行驶过程中刹车里衬的磨损量是普通客车的1.5倍[24]149，多种来源的Cu元素不断富集于道路灰尘中又得不到及时清扫，必然使得该道路灰尘中Cu含量较一般情况更高。因此，道路两侧的城市建设、道路清洁不力及货车占比高都可能是导致新保路车流量较小但Cu平均浓度较高的原因。金桔路车流量较其他次干道小，周围也无城市建设、工业活动等明显污染源，主要Cu来源可能与其每天上、下午所设的临时菜市场和小吃摊有关。此时段中，载有菜品的车辆及人员大量聚集，一方面致使道路通行不畅，增加了交通活动的Cu排放；另一方面，所产生的成分复杂的生活垃圾及污水，也可能带来额外的Cu元素。综上，对比发现，次干道周围的主要人为活动类型、道路通行情况、车辆类型、清洁程度都会影响道路灰尘中Cu含量。

图4 各次干道车流量与道路灰尘中Cu平均质量浓度分布

由图5可见，支路各道路灰尘中Cu平均浓度与其车流量分布呈现大体一致趋势，但湖塘路、高新一路和创新路道路灰尘中Cu平均浓度相对车流量分布明显偏高。高新一路和创新路处于工业园区内；湖塘路周边存在汽配厂、玻璃厂、塑料加工厂等工业类点状污染源，及多个中大型物流公司的存在所导致的重型货车占比较大，路面积尘明显的现象。可再次证明，道路周边存在工业类污染源、重型货车通行和路面清洁不到位，均可能导致Cu含量偏高。

图5 各支路车流量与道路灰尘中Cu平均质量浓度分布

综合分析认为，相似车流量下，交通不畅及存在重型货车通行的路段，会由于车辆制动系统的额外磨损，在道路灰尘中表现出明显的Cu富集。且除交通活动外，道路周围工业活动、城市建设、居民生活等主要潜在污染源的存在和道路清洁程度均是道路灰尘中Cu含量的重要影响因素。

3.2 道路灰尘中Cu分布

为进一步验证道路交通不畅对道路灰尘中Cu浓度的影响，筛选出7个位于路口附近的样点，将其与同一道路上的其他样点的Cu质量浓度进行对比，结果见图6。在道路的特定区域，如环形车道和红绿灯路口，总会由于交通流模式的变化，而导致一定程度的拥堵减速或停车行为，从而释放额外的Cu元素。所选择的7条道路中，样点1均位于路口附近。除排尾路外，与其他样点相比，路口附近样点的Cu浓度均处于较高水平，再次验证通行不畅确实会导致道路灰尘中Cu含量的增加，且在路口附近表现明显。排尾路样点1道路灰尘中Cu含量低于该路其他样点，则可能因为该路所在地区整体受工业制品加工活动影响，而样点1虽位于路口附近，但因两侧仅分布居民区，与其他样点相比，未受明显工业活动影响。这也说明，虽然道路通行不畅会导致额外Cu排放，但与工业活动形成的点状污染源相比影响较小。

图6 路口附近样点与同道路其他样点道路灰尘中Cu质量浓度对比

由图7可见，有货车通行或停放的样点(新保路样点4，福光路样点1、4，湖塘路样点1、2)道路灰尘中Cu含量明显比同一道路其他样点高。这同样验证了相似车流量下，存在货车通行的路段会表现出明显的Cu富集。

图7 有货车通行或停放样点与同道路其他样点灰尘中Cu质量浓度对比

3.3 各主要潜在污染源下道路车流量及灰尘中Cu分布

由表4可见，虽然所有道路都是在交通活动影响的基础上再叠加各自主要潜在污染源的影响，但叠加城市建设影响下的道路和仅交通活动影响下道路灰尘中Cu平均浓度与其平均车流量表现出相似的比例关系，且同一道路上存在施工现场的样点相较其他样点未发现明显的Cu含量增加现象，总体而言，福州市城市建设对道路灰尘Cu含量的影响不明显。这可能是因为所选择的受城市建设影响的6条道路中，仅华林路和新保路存在明显施工扬尘，其他道路均设置有隔离挡板或喷水抑尘装置，此举措使得施工过程中产生的含Cu粉尘影响范围较小，因此对道路灰尘中Cu含量的整体影响不大。而叠加工业活动或居民生活影响下道路的平均车流量仅为交通活动影响下道路的31%和26%，但其道路灰尘中Cu平均质量浓度却达到了交通活动影响下的94%和56%，据此可看出工业活动和居民生活对福州市道路灰尘中Cu含量具有较大影响，其中工业活动的影响最显著。