南昌市地鐵PM2.5時空分布及金屬特征研究*

黃 珊 潘志衛 黃繼嬋 陸小衛 毛意中 黃 庭 吳代赦#

(1.南昌大學資源環境與化工學院，鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，江西 南昌 330031；2.洪崖建筑工程檢測有限公司，江西 南昌 330096)

近年來，隨著城市地鐵交通建設的迅速發展，地鐵成為人們出行首選的交通工具，地鐵室內環境質量引起廣泛關注。諸多研究表明，地鐵系統由于其相對密閉的環境及存有內在污染源導致地鐵內PM2.5常高于室外環境[1-2]，季節、氣象條件、地理位置、交通密度、地上/地下、站臺設計、站臺深度、通風系統、剎車系統、乘客量、運行時長、活塞效應等因素均會影響地鐵顆粒物濃度[3]1509，[4]82-83，[5]297-298，[6-8]。為對地鐵內PM2.5污染狀況作出準確評估，開展實地監測分析非常必要。

流行病學研究發現，顆粒物暴露會引發呼吸系統不適、肺功能破壞、慢性肺病、心血管疾病及肺癌[9-10]。國際癌癥研究機構已將室外污染空氣中的顆粒物列為一類致癌物[11]。大量毒理性研究表明，顆粒物對人體的潛在傷害與其粒徑[12]、濃度[13-14]和主要化學組成[15]有關，細顆粒物和超細顆粒物的化學成分與其毒性關聯更強[16]。此外，Fe等過渡金屬的含量會影響顆粒物的遺傳毒性，過量的Fe主要通過增加體內活性氧，引起或加速炎癥反應[17]。BACHOUAL等[18]發現，巴黎地鐵顆粒物引起的炎癥和氧化效應是一般大氣顆粒物的4倍。KARLSSON等[19]研究表明，斯德哥爾摩地鐵顆粒物毒性比其附近的城市街道顆粒物毒性約高8倍，長期吸入此類顆粒物，將破壞人體DNA和免疫系統。為有效預防地鐵PM2.5危害，需全面了解其污染特征及來源。

南昌市地鐵1號線是江西省南昌市首條開通運營的地鐵線路，2015年12月26日正式載客運營，迄今為止僅有江西省疾控中心利用激光粉塵儀抽查南昌市12個地鐵站PM10含量的報道[20]。為有效預防PM2.5污染、深入了解南昌市地鐵PM2.5特征，本研究選取不同背景區域的地鐵站作為研究對象，探討地鐵PM2.5空間分布規律、PM2.5中5種毒理性重金屬(Cr、As、Cd、Hg、Pb)和Fe元素污染情況及可能的污染源，為進一步有效控制PM2.5、改善地鐵環境空氣質量提供依據。

1 研究方法

1.1 研究區域及時間

為便于考察環境背景對地鐵PM2.5的影響，選取3個研究區域，分別是以旅游為主要產業、位于環湖郊區的瑤湖西站，以商貿交易為主要產業、位于中心商業區的八一館站和以工業制造業為主要產業、位于工業區的雙港站。于2017年7月31日至8月6日、8月7—13日、8月14—20日分別對八一館站、雙港站和瑤湖西站空氣中的PM2.5進行連續采樣監測，監測時間為每天8：00—19：00。

3個地鐵站均為地下站，監測位置為每個地鐵站的站外入口、售票口和站臺，避開人流通道和通風口，距離墻壁1 m。同時，在車廂中設置監測點，采集行駛中車廂里的PM2.5。每個地鐵站均裝有屏蔽門系統，空調系統設置粗效過濾器。

1.2 樣品采集及分析方法

采用嶗應2030型中流量智能采樣器在售票口和站臺采集PM2.5樣品(流量100 L/min)，采用TAS-5.0型MiniVol采樣器在站外入口和車廂內采集PM2.5樣品(流量8 L/min)。

采樣前后石英濾膜均先經500 ℃灼燒4 h，恒溫恒濕24 h(20～25 ℃，濕度40%～50%)后稱重，根據采樣前后濾膜的質量差和采樣體積確定PM2.5質量濃度。

PM2.5中Cr、As、Cd、Hg、Pb和Fe元素利用電感耦合等離子體質譜儀(PE NEXION 350D)測定。

1.3 數據分析方法

使用SPSS軟件對數據進行Person相關性分析和R-cluster聚類分析。

污染指數法能指示顆粒物中金屬污染的程度，定義為地鐵顆粒物中某一特定金屬元素平均值與相應金屬元素背景值的比值，其值可定性判斷各元素的污染水平。本研究取各站站外入口PM2.5中金屬元素為其背景值，參考文獻[21]中污染指數分級：<1，輕污染；1～<3，中度污染；3～<6，顯著污染；≥6，強污染。

2 結果與討論

2.1 夏季PM2.5污染情況

《室內空氣質量標準》(GB/T 18883—2002)未規定PM2.5，因此參考《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)(一、二級標準限值分別為35、75 μg/m3)進行分析。如圖1所示，車廂及站外入口PM2.5平均值相對較高，其次是站臺和售票口，其中售票口PM2.5平均值低于GB 3095—2012二級標準限值。

圖1 各站點PM2.5質量濃度Fig.1 PM2.5 mass concentration of each station

八一館站站臺PM2.5最高，其次是雙港站和瑤湖西站，主要受兩個因素的影響：(1)站臺結構。瑤湖西站和雙港站站臺皆為島式站臺結構，而八一館站站臺為側式結構，兩邊站臺被中島隔離開來，空間相對狹窄，PM2.5受擾動明顯，這與WANG等[4]83研究結果相一致。(2)客流量。采樣期間，位于中心商業區的八一館站客流量最高，平均日客流量為34 068人次，其次是雙港和瑤湖西站，分別為10 056、6 995人次。Pearson相關性分析發現，八一館、雙港和瑤湖西站站臺PM2.5與日均客流量均顯著正相關(r分別為0.956、0.952、0.978，p分別為0、0.001、0)，MA等[22]的研究也有相似的結論。

各站點站外入口PM2.5變化較大，雙港站和瑤湖西站較高，分別為(96.15±70.98)、(89.74±46.15) μg/m3。雙港站站外位于馬路交匯口，來往車輛較多，受過往車輛尾氣及揚塵影響，PM2.5波動較大。瑤湖西站雖位于人流稀少的環湖郊區，但由于采樣期間出站口有間斷性施工活動，土方開挖產生的揚塵及過往車輛產生的尾氣導致PM2.5較高、波動較大。八一館站站外入口PM2.5為(53.17±16.91) μg/m3，較其他兩站點稍低，主要是因為八一館站站外入口靠近商場入口，有較好的冷風換氣系統，較有效控制了PM2.5濃度的波動。

采樣期間，八一館、雙港和瑤湖西站售票口PM2.5平均值分別為57.87、48.79、33.19 μg/m3，總體比站臺稍低。通過聚類分析，站臺和售票口的PM2.5相關性較高(r=0.668，p=0.001)，有相近的來源，因被室外影響程度低，推測室內源為兩者的主要來源，這與KAM等[3]1512和樊越勝等[23]的研究結果類似，認為地鐵系統內顆粒物主要產生于室內，室外PM2.5對站臺和售票口PM2.5影響較小。首爾6個地鐵站的研究表明，站外環境會影響站內空氣質量[5]300-301。然而，本研究中僅有雙港站站臺PM2.5受站外環境影響顯著(r=0.496，p=0.047)，這是由于在采樣過程中僅有雙港站是采集了多個站外入口的數據，更能代表地鐵站周邊室外大氣的真實水平，因此建議后續加強對站外入口的多點采樣。

如圖2所示，車廂PM2.5為(106.3±64.4) μg/m3，顯示出工作日中周一和周五較高、周四較低的趨勢，最高為246.7 μg/m3，最低為23.4 μg/m3。2017年，南昌市地鐵1號線全天行車間隔均為6.5 min，包括早晚高峰(6：30—9：00、16：30—19：00)及雙休日高峰(11：30—20：00)，因此列車運營不對車廂內PM2.5波動造成影響。

注：07-31、08-07、08-14為周一，08-03、08-10、08-17為周四，08-04、08-11和08-18為周五；07-31、08-07由于儀器故障，車廂PM2.5未檢測。

PM2.5與室內相對濕度的變化趨勢大體一致。這與宋秀瑜等[24]研究觀點一致，在一定濕度范圍(以不發生重力沉降為界限)內，相對濕度越大越有利于顆粒物的形成，南京地區大氣環境中PM2.5不發生重力沉降的界限為50%～59%。相對濕度對車廂內PM2.5影響很大，分析原因：(1)車廂封閉的環境形成了較差的空氣擴散條件；(2)地鐵室內有大量的SO2和NO2，它們是形成二次氣溶膠的前體物，而二次氣溶膠的生成是引起PM2.5升高的主要原因[25]。這與有些研究結果不同，如ZHANG等[26]對天津某典型住宅建筑的研究表明，濕化可通過增大PM2.5粒徑來加快其沉積速率，從而降低室內PM2.5濃度，而這個結論是在PM2.5質量濃度較高(0.91～1.73 mg/m3)的情況下成立。

客流通常被認為是引起PM2.5二次擾動的重要原因。然而，本研究中客流量變化與車廂內PM2.5日均值變化趨勢相關性不顯著，這與卓思華等[27]的研究結果有出入。對比發現，北京地鐵最高日客流量為南昌市地鐵最高日客流量的18倍，可認為客流量對車廂內PM2.5的影響具有分段性，客流量大到一定程度時，其影響才開始有較顯著的線性特征。結合相關研究[28]，推斷南昌市地鐵車廂內PM2.5污染水平主要受列車軌道、車輪及剎車片、站臺結構、氣象條件(濕度)、客流量和室內通風等因素的綜合影響。

總體來說，研究期間車廂PM2.5最高，其次是站外入口、站臺，售票口最低。站臺和售票口PM2.5相關性較高(r=0.668，p=0.001)，可能有相近的來源。相對濕度對車廂內PM2.5影響很大，而客流量變化與車廂內PM2.5日均值變化趨勢相關性不顯著。整體來說，瑤湖西站站內PM2.5質量狀況相對較優，其次是雙港站和八一館站。

2.2 地鐵PM2.5金屬元素空間分布特征

如表1所示，Fe元素站內平均值為(6.557 2±4.677 6) μg/m3，是地鐵PM2.5中質量濃度最大的元素，其次是As、Pb、Cr、Hg和Cd。站臺和車廂PM2.5中Fe元素比其他采樣區域高3.6～34.7倍，站外入口最低，這與其他文獻表述Fe主要來自于地鐵軌道車輪摩擦等觀點相一致[29]，[30]182。毒理性重金屬元素最大值均出現在車廂，其次是站外入口，最小值出現在售票口和站臺，Cr、As最大值與最小值的倍差達5～11倍，Pb為3～8倍，Cd為2～5倍，Hg為2～13倍。地鐵的半封閉地下環境使PM2.5受外部環境條件影響較小，從而更易造成重金屬污染物的累積；另一方面，隧道中車輪與鐵軌的摩擦及剎車片磨損形成的超細顆粒物和地鐵隧道的鋼筋混凝土結構，也可能是造成車廂重金屬污染物濃度偏高的重要原因。

表1 各站點PM2.5中金屬元素空間分布

如表2所示，金屬污染程度上，八一館站最大，金屬元素平均值總和為7.146 3 μg/m3，其中Fe元素平均值為6.545 6 μg/m3；其次是雙港和瑤湖西站，金屬元素平均值總和分別為4.960 4、1.909 7 μg/m3，其中Fe元素平均值分別為4.065 3、1.371 3 μg/m3。八一館站Fe元素濃度最大導致其總污染程度最高，與其站臺的島式結構有關，污染物不易擴散，積累濃度較大。毒理性重金屬污染程度從高到低依次為雙港、八一館、瑤湖西站，雙港站PM2.5中As最大(平均值為0.714 6 μg/m3)，為八一館、瑤湖西站的1.59、1.79倍，推測工業區周邊環境是雙港站污染嚴重的重要原因。

表2 各站點站內PM2.5中金屬元素平均值

2.3 地鐵PM2.5金屬元素污染指數

如圖3所示，Fe元素污染嚴重：雙港站、八一館站臺和車廂均為強污染，污染指數分別為11.06、17.69和11.17；雙港站、八一館售票口均為顯著污染，污染指數分別為3.13和5.35；瑤湖西站站臺為中度污染，瑤湖西站售票口為輕污染。Fe元素污染嚴重主要受人為影響，主要來源于機械磨損，包括車輪、制動器、軌道及電纜的磨損[31]，還有一部分是外界空氣中的Fe元素通過擴散或通風系統[30]178進入地鐵環境。整體上，車廂污染最嚴重，其次是雙港站、八一館站，瑤湖西站污染最輕。車廂中各金屬元素污染較重，Fe元素污染指數達11.17，為強污染；Cr、As、Hg、Pb元素為中度污染，污染指數分別為1.60、1.21、1.24、1.19；Cd元素污染指數小于1，為輕污染。建議加強對南昌市地鐵PM2.5中Fe元素的控制及車廂空氣質量的改善，同時加強對地鐵站周邊環境的管理。

圖3 各站點PM2.5中金屬元素的污染指數Fig.3 Pollution index of metals in PM2.5 of each station

3 結 論

(1) 車廂PM2.5最高，其次是站外入口、站臺，售票口最低。站臺和售票口PM2.5相關性較高(r=0.668，p=0.001)，可能有相近的來源。相對濕度對車廂內PM2.5影響很大，而客流量變化與車廂內PM2.5日均值變化趨勢相關性不顯著。整體來說，瑤湖西站站內PM2.5質量狀況相對較優，其次是雙港站和八一館站。

(2) 站臺和車廂PM2.5中Fe元素比其他采樣區域高3.6～34.7倍，站外入口最低，Fe主要來自于地鐵軌道車輪摩擦等。毒理性重金屬元素最大值均出現在車廂，其次是站外入口，最小值出現在售票口和站臺。雙港站PM2.5中As含量最高，主要受所處工業區的影響。

(3) Fe元素污染嚴重：雙港站、八一館站臺和車廂均為強污染，雙港站、八一館售票口均為顯著污染，瑤湖西站站臺為中度污染，瑤湖西站售票口為輕污染。車廂中各金屬元素污染較重，Fe元素污染指數達11.17，為強污染,Cr、As、Hg、Pb元素為中度污染，Cd元素為輕污染。整體上，車廂污染最嚴重，其次為雙港站、八一館站，瑤湖西站污染最輕。