空气颗粒物研究进展

梁立东，李明文

(黑河市林业科学院，黑龙江 黑河 164300)

随着工业化进程的发展、城市化持续的推进、化石能源使用的增加，空气颗粒物已成为首要的空气污染物，是危害世界环境和公共健康的主要影响因素之一，因而备受世界各国政府和公众广泛关注。空气颗粒物根据粒径大小可以分为超细颗粒物PM1.0(Dp≤1.0 μm)、细颗粒物PM2.5(Dp≤2.5 μm)、可吸入颗粒物PM10(Dp≤10 μm)和总悬浮颗粒物TSP(Dp≤100 μm)[1]。空气颗粒物可分为自然和人为来源两大类。自然来源包括土壤扬尘、火山喷发灰、森林火灾烟和海洋成分盐等，这种危害具有时限性、不可预见性和无法控制。人为来源包括化石能源燃料、生物质燃料和工业生产等，多数集中在世界上工业比较发达、人口密集的地区，危害具有时间长、范围广等特点[2]。空气颗粒物中对人体各器官和组织危害较大的主要是指可吸入颗粒物PM10，因为可吸入颗粒物PM10在空气中的几乎不能重力沉降，能够长期在空气中悬浮，因其含有大量有机物、重金属和微生物成分，能够形成具有强致病性的空气污染物。其中，细颗粒物PM2.5的危害更大，它能够直接到达人体肺部的支气管和肺泡，通过渗透作用进入人体血液，对人体健康的危害远大于可吸入颗粒物PM10[3]。目前，国内外对空气颗粒物的研究重点已从可吸入颗粒物PM10逐渐转向PM2.5和超细颗粒物PM1.0，相对而言，超细颗粒物PM1.0的研究还较少。在过去60多年间，国内外许多学者对空气颗粒物开展较为系统的研究，涉及空气颗粒物对生态环境、气候变化和人体健康等不同领域造成的影响[4,5]。

1 空气颗粒物国外研究进展

进入20世纪以来，人类在经历了伦敦烟雾事件(1952年)、日本四日市哮喘病事件(1955年)和墨西哥波萨里卡事件(1959年)等世界性的空气污染事故以后，开始进入从关注空气污染到研究治理空气污染的转变。20世纪70年代人们对空气颗粒物的研究进入快速发展期，由主要关注全颗粒物的化学反应过程和化学反应产物[6]，到之后的借助光学显微镜获得了空气颗粒物粒径图集[7]，使人们对颗粒物的研究从全颗粒物化学分析进入单颗粒物观测阶段。20世纪80年代主要对单颗粒物的形貌、粒度、结构、化学组成和矿物组成等方面进行了深入的研究，分别从矿物学、形态学、化学成分及颗粒物之间各种效应关系等方面涌现了大量研究成果[8]。

1.1 空气颗粒物对人体健康影响研究

空气颗粒物对人体健康的影响始于20世纪80年代，美国研究首次提出了可吸入颗粒物PM10对人体健康产生严重危害[9]。随着空气颗粒物相关工作的推进，学者们开始关注细颗粒物PM2.5和超细颗粒物PM1.0的相关特性和对身体的危害[8]。在全球不同地区、不同大气污染背景、不同人群研究结果已经证实，长期或短期暴露于空气颗粒物中，可导致某些疾病的发病率和死亡率升高，特别是呼吸系统及心脑血管疾病[9,10]。欧洲对29个城市进行一项研究发现，PM10日浓度每增加10 μg·m-3，死亡率将增加0.62%；美国对20个城市进行了同样的研究发现，PM10日浓度每增加10 μg·m-3，死亡率增加0.46%[11,12]；在后续对其他亚洲城市的研究中发现，PM10每增加10 μg·m-3将导致死亡率增加0.5%[13]。美国开展的一项长达16年(1982—1998年)的队列跟踪研究，随访了共50万名研究对象，发现PM2.5浓度每升高10 μg·m-3，人群总死亡率、心血管疾病和肺癌死亡率可分别增加4%、6%和8%，冠心病的入院率、心肌梗死入院率、先天性心脏病发生率、呼吸系统疾病发病率分别提高1.89%、2.25%、1.85%、2.07%[14,15]。

1.2 空气颗粒物与植被之间相互关系研究

20世纪70年代不同学者开始进行有关植物滞纳颗粒物能力方面研究，早期主要关注不同植物群落对空气中一些重金属颗粒物以及有毒工业废弃物的清除功能[8,16]。随着相关研究的深入，学者们开展有关单颗粒物与植物群落、个体以及组织器官的相互关系研究[17]。近年来，关于森林植物调控空气颗粒物的报道也不断增加。英国学者对不同树种叶片移除空气颗粒物研究中，发现松类单位叶片附着密度大于柏类，针叶树种高于阔叶树种[18]，在后续对其他树种的研究中也发现了相同的规律[19,20]。挪威学者对不同针阔乔木树种滞纳空气颗粒物能力的研究中发现，针叶树种滞纳空气颗粒能力强于阔叶树种[21]，后续研究还发现某些阔叶树种具有“自清洁”特性，因此造成其滞纳空气颗粒物能力较差[22]。从不同林分在不同风速设定情况下对PM2.5沉降速率研究中发现，风速3～9 m·s-1，PM2.5沉降速率0.1～2.9 cm·s-1。通过对比不同树种对PM2.5沉降速率影响得出，针叶林沉降速率大于阔叶林[8,19]。美国学者在研究绿化树种净化空气颗粒物和气体污染物的试验中发现，55个城市的绿化树种能够从空气中移除约214 900 t的PM10，价值约为9.69亿美元，滞纳污染物711 300 t，合计价值达38.28亿美元[8,23]。另一项美国城市森林对PM2.5滞纳能力研究中发现，10个城市森林植物对PM2.5的滞纳能力为4.7～64.5 t，价值量为110万～6 010万美元[8,24]。

2 空气颗粒物国内研究进展

我国对空气颗粒物的研究始于20世纪70年代，主要是颁布了相关政策法规和大量的治理研究工作。2008年以后，北京、上海和广州等全国多个大城市相继发生了严重的雾霾现象，促使学者开展对PM10、PM2.5和PM1.0等空气颗粒物的研究[8]。目前对空气颗粒物的研究大多集中在来源组分、时空变化、气象因素、人体健康、大气能见度、植被及其滞纳等方面。

2.1 空气颗粒物对人体健康影响研究

现阶段大家把空气颗粒物选为判断空气质量的重要评价指标，之前有关空气颗粒物的研究大部分集中在来源组分、时空变化规律及其影响因素方面，但其对人类健康造成危害的研究更应该引起人们的关注[25,26]。全球每年由于空气颗粒物污染，所导致的呼吸系统疾病引起死亡人数超过200万人[27]，从空气动力学上讲，直径大于30 μm的空气颗粒物很容易沉降到地面，对人类健康的危害较小，主要引起上呼吸道感染等疾病。而直径小于10 μm的可吸入颗粒物PM10对人类健康有较大危害，尤其细颗粒PM2.5对人类健康危害更大。许多学者研究表明不同粒径空气颗粒物能渗透到人体的不同器官，依据空气动力学原理，直径在2.5～10 μm空气颗粒物则可直接进入下吸道的支气管；直径小于2.5 μm空气颗粒物可到达肺泡，并长期黏附在肺泡上；直径小于1.0 μm的空气颗粒物透过肺泡进入到血液，进一步到人体的其他器官和组织中[28]。长期暴露在空气颗粒物污染环境下会引起人体呼吸系统、心血管系统、神经系统及免疫系统等疾病[29](郭玉明等，2008)。另有研究表明，人群住院率与空气颗粒物浓度具有一定的相关性，如果人们在颗粒物PM10浓度大于150 μg·m-3的环境中长期暴露，人体肺功能会降低3%～6%[30,31]。兰州市2005—2007年，由于空气颗粒物浓度超标导致污染，引起疾病入院的患者人数就达到了3.52万人次，其中呼吸系统疾病患者人数为15 300人、心脑血管统疾病患者人数为19 900人[32]。

空气颗粒物污染不仅对人体健康能够造成严重的危害，而且还能够对社会经济造成严重的损失，通过估算空气颗粒物污染对我国社会经济造成的损失研究得出，空气颗粒物污染(主要是PM10)因影响我国国民健康造成高达1 065亿美元社会经济损失，大约相当于2009年我国GDP总价值的2.1%[25]。2004年我国111个城市由PM10污染引发的流行病造成共计290亿美元的社会经济损失，意味着在一定程度上制约了社会生产力的发展[25,33]。2016年京津冀地区13个城市因PM2.5污染引起的健康经济损失总量达1 342.9亿元[34]。

2.2 空气颗粒物与植被之间相互影响研究

空气颗粒物具有来源广泛、成分复杂多样的特点，其中含有的重金属元素具有不能降解的特性[35]。研究发现在粒径小于10 μm颗粒物中约有75%～90%的重金属元素，且颗粒物的粒径越小所含重金属元素成分越高，通过空气的干湿沉降直接进入到地表土壤之中，被植物生长吸收利用转移到体内，但重金属含量超过一定的阈值时，会产生富集作用，长期累积的重金属元素会对植物生长产生一定的影响[36,37]。当植物叶片吸附颗粒物造成污染后，叶绿素a和叶绿素b含量的比值呈显著升高的趋势，叶绿素的总含量呈显著降低的趋势，造成植物叶片出现黄化症状，滞尘能力下降[38]。植物叶片长期吸附颗粒物，会造成气孔堵塞使气体交换受阻，导致叶片温度升高而出现坏死现象，造成植株生理机能的减弱和消失[39]。颗粒物污染可以降低植物利用太阳总辐射的效率，从而降低植物光合作用效率，也有研究发现颗粒物污染可对植物造成易染病、遗传结构改变等间接影响[40]。

植物吸收、滞纳空气颗粒物主要以叶片为载体，叶片的微结构对吸收、滞纳的能力有显著影响，与气孔的大小、叶脉结构、叶表皮的粗糙度、蜡质层、绒毛和分泌黏液等因素有关[8]。很多学者利用所在地域的森林植被条件，测量当地有代表性的森林植被对于空气颗粒物滞纳的能力研究，得出了相对一致结果。就树种而言，针叶树种的滞纳空气颗粒物的能力要高于阔叶树种[41,42]，阔叶树种主要以柳树(Salixspp.)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、槐树(Sophorajaponica)、栾树(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、五角枫(AcermonoMaxim)等滞纳空气颗粒物能力较强，而银杏(GinkgobilobaL.)、杨树(Populusspp.)、栎类(Quercusspp.)等树种滞纳空气颗粒物能力较差[43,44]。就同一树种在不同的地点和时间，其滞纳空气颗粒物能力也不相同，在污染严重的地区其滞纳空气颗粒物能力要高于环境较清洁的地区，植物叶片生长旺盛时期比叶片刚展叶或者掉落时期滞纳吸收颗粒物的能力要高[45,46]。就不同林龄林分而言，中龄林、近成熟林的滞纳吸收颗粒物能力要高于幼龄林[47]。自1949年以来，中国森林资源发展变化经历了过量消耗、治理恢复、快速增长的过程，森林面积稳步增长，截至2013年我国森林面积达到20 796万hm2，滞尘量为58.45亿t·a-1[48]。

3 小结

随着社会经济的快速发展，人们越来越关注城市环境空气质量问题。空气中PM10、PM2.5和PM1.0能够携带病菌、重金属元素等污染物，对人体健康构成了严重危害，因其范围广、沉降困难等原因，造成其治理和控制非常困难，已经成为世界各国政府以及学者们共同研究解决的重要问题。目前国内外对空气颗粒物做了大量研究工作，取得了丰硕的成果，但是在很多方面还有待研究与完善，例如对空气颗粒物的形成、迁移和转化机制不清，缺少对空气颗粒物时间和空间尺度上连续完整的监测。同时在获得特殊污染背景下空气颗粒物对健康效应，采取相应措施防护降低其危害还有很长的路要走，不仅需要从源头上控制污染物的排放，使用清洁能源，还需要空气环境监测、植被治理与健康效应等研究者紧密合作以及全民的参与和积极支持，健康中国也一定会在社会各界的共同努力中实现。