福州市道路灰塵中Cu的分布規律及影響因素*

盧 欣 陳秀玲，3# 朱甜英 黃雨振 周笑笑

(1.福建師范大學濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地，福建 福州 350007；2.福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007；3.福建師范大學地理研究所，福建 福州 350007)

Cu作為參與人體代謝過程的重要組分，為人體所必需，但其含量一旦超過肝臟的處理水平，會嚴重威脅人體健康[1-2]。在人口密集、高強度人類活動聚集的城市區域，多種來源的含Cu粉塵會通過大氣沉降持續在道路表面累積，使城市道路灰塵成為了重要的“匯”，可用于反映和指示區域內Cu元素的排放和累積情況[3]。且由于這些含Cu的道路灰塵容易在外力作用下進入水體和大氣，最終通過呼吸道、皮膚及消化系統等途徑被人體吸收，對人體健康產生危害，因此對城市地區進行道路灰塵中Cu分布研究意義重大。目前，國內外學者對于城市道路灰塵中Cu元素的主要來源已達成較一致的認識，主要包括車輛及路面磨損、制造及建筑工業[4]4639，[5]161，且常將其作為交通源污染的標志性元素[6]。但在此基礎上，城市道路灰塵中Cu元素的空間分布規律和影響因素還有待進一步探究。

福州市是全國首批生態文明典范城市，同時又是海西經濟區的前沿城市。近年來，城市的加速發展給環境帶來了巨大壓力。已有研究表明，福州市公園地表灰塵中Cu已達到嚴重污染程度[7]，倉山區道路灰塵中Cu的手-口攝食途徑非致癌風險(兒童)和皮膚接觸途徑非致癌風險(成人和兒童)較Cr、Mn、Ni、Zn、Pb、Co等元素大，而這兩種途徑正是該地區重金屬暴露風險最大的途徑[8]。可見，基于福州市城市發展過程中對生態環境的高標準，其城市灰塵中Cu污染已必須予以重視，但目前的相關研究均是將其與多種重金屬元素一起進行整體探討，對比各元素在一定區域范圍內或區域內不同功能區的分布特征及污染評價，而缺乏基于城市灰塵中Cu元素可能來源的分析，更缺乏針對性深入探討道路灰塵中Cu的分布及影響因素。鑒于此，本研究選擇福州市不同等級、交通狀況、主要潛在污染源的典型道路機動車道灰塵作為研究對象，試圖多角度探究Cu的影響因素、各影響因素下的含量水平、分布特征及規律，以期為福州市道路灰塵中Cu污染的防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與樣品采集

福州市位于中國東南沿海，25°15′N～26°39′N、118°8′E～120°31′E。地勢自西向東傾斜，地貌屬典型河口盆地。氣候為典型的亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，主導風向為東北風，每年平均有2次臺風登陸市境。

海峽西岸經濟區確立后，福州市經濟進入快速發展階段，市內建筑及地鐵修建工程大范圍實施，使得大氣環境中粉塵顆粒物明顯增加。

課題組選擇福州市臺江區、鼓樓區、倉山區、馬尾區、晉安區、閩侯縣內的26條道路，于雨后至少7 d、晴朗無風天氣，用毛刷和塑料鏟采集道路機動車道的道路灰塵。采樣點分布見圖1，采樣時每條道路上設置3～5個采樣點，各采樣點附近采集4～5個樣品，經充分混合作為最終樣品，共計102個，于聚乙烯塑料袋中密封保存。采樣過程中詳細記錄各道路等級、交通通行狀況及周圍主要潛在污染源，同時為探究交通量對道路灰塵重金屬含量的影響，第1次統計了各道路車流量[9]。隨后，考慮到道路通行高峰與非高峰、工作日與休息日間的車流量存在較大差異，特改進車流量統計方案，在第1次統計數據的基礎上采用機械計數器進行第2次統計，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車流量，通過4個時段平均值求取各道路1 h車流量。本研究最終選用第2次統計的車流量數據進行分析。本研究對于道路等級的定義主要結合《城市道路工程設計規范(2016年版)》(CJJ 37—2012)，將主干道定義為連接城市各分區以交通功能為主、雙向車道>4車道的干道；次干道定義為承擔主干道與分區間交通集散作用、兼有服務功能，雙向車道≥4車道的干道；支路定義為連接次干道和街坊路、以服務功能為主，雙向車道<4車道的道路。采樣道路基本情況見表1。

圖1 道路灰塵采樣點分布

表1 采樣道路基本情況

1.2 實驗方法

道路灰塵樣品在室溫下自然風干，去除雜質，用瑪瑙研缽研磨，過200目尼龍篩后，采用HF-HNO3-HClO4法[10]進行消解。Cu含量采用X-Serie Ⅱ型電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)儀測定，以Rh和Re為內標對測試過程進行監控，每個樣品測試兩次，平行測試相對標準偏差<5%。為保證實驗方法可靠，每批樣品中還測定了國家標準土壤參比物質——暗棕壤(GSS-1)、黃棕壤(GSS-3)，所有樣品回收率控制在80%～120%。

2 結果與分析

2.1 道路灰塵中Cu含量

所有道路灰塵中Cu平均質量濃度為82.62 mg/kg(見表2)，除南三環樣點1及侯官路樣點1，其余樣點的Cu均超過福建省土壤背景值(21.6 mg/kg)[11]，處于較高累積水平，部分地區Cu污染嚴重。其中，Cu質量濃度最小值為13.72 mg/kg，出現在侯官路樣點1，最大值為218.08 mg/kg，出現在南二環樣點3。所有道路灰塵中Cu分布總體差異性很大，變異系數達0.51，這表明福州市道路灰塵中Cu含量受人為活動的影響明顯。

2.2 不同等級道路灰塵中Cu

Cu在不同等級道路間的分布具有一定差異，且同一等級道路上各樣點Cu含量的變異系數呈較高水平。由表3可見，Cu質量濃度最大值218.08 mg/kg出現在主干道，最小值13.72 mg/kg出現在支路；各等級道路灰塵中Cu平均質量濃度為主干道(94.13 mg/kg)>次干道(86.76 mg/kg)>支路(69.38 mg/kg)。

2.3 不同主要潛在污染源下道路灰塵中Cu

由表4可見，道路灰塵中Cu質量濃度最大值(218.08 mg/kg)所在道路主要潛在污染源為交通活動，最小值(13.72 mg/kg)所在道路主要潛在污染源為居民生活。各主要潛在污染源下道路灰塵中Cu富集水平表現為交通活動>工業活動>城市建設>居民生活，且同種主要潛在污染源下各道路灰塵中Cu含量仍存在較大差異。

表2 道路灰塵中Cu質量濃度

表3 不同等級道路車流量及灰塵中Cu質量濃度

表4 不同主要潛在污染源下道路車流量及灰塵中Cu質量濃度

3 討 論

3.1 各等級道路車流量及灰塵中Cu分布

由表5可知，與其他城市相比，本研究中福州市道路灰塵Cu含量總體處于較低水平。但本研究中福州市各道路灰塵中Cu含量普遍超過福建省土壤背景值(見表2)，且平均質量濃度達到福建省土壤背景值的3.825倍，說明福州市道路灰塵仍存在一定程度的Cu污染。同時，所有樣點及部分道路各樣點間的變異系數較大，指示Cu污染可能僅存在于受人為活動影響強烈的部分樣點及局部區域，而具體的影響因素則需要進一步探究。

有研究表明，交通活動中剎車系統、車體、輪胎及路面的磨損是城市道路中Cu元素的最主要來源[4]4639，其含量通常與交通量成正比[5]165。福州市各等級道路的平均車流量差異明顯，表現為主干道>次干道>支路(見表3)，其Cu平均濃度也呈現相同特征，這與前人在希臘[22]和美國馬薩諸塞州[23]進行的各等級道路灰塵重金屬含量研究結果一致。因此，可認為福州市道路灰塵中Cu含量同樣總體與車流量成正比，普遍受到交通活動的影響。

表5 部分城市道路灰塵中Cu質量濃度對比

所有道路樣點灰塵中Cu平均濃度與車流量的散點未呈現明顯線性關系(見圖2)，且車流量相近的同一等級道路上，各道路灰塵中Cu含量差異較大。因此，雖可認為福州市道路灰塵中Cu含量總體與車流量成正比，但具體到各道路，車流量對于Cu含量的影響程度是不相同的，且可能受車流量以外多種因素的綜合影響。

圖2 道路灰塵中Cu平均質量濃度與車流量的散點圖

一般而言，排除周圍環境及其他影響，僅考慮交通排放，車流量接近的同一等級道路灰塵中Cu含量應呈現相似分布特征，且與車流量成正比。為進一步探究除車流量外其他影響因素及其對道路灰塵Cu分布的影響，分別將各主干道、次干道、支路車流量與其道路灰塵中Cu平均質量濃度分布特征進行對比。

如圖3所示，在主干道則徐大道、福峽路、烏龍江中大道，道路灰塵中Cu平均濃度分布與車流量呈相似趨勢，但南二環和福灣路的車流量雖處于同等級道路中的中等水平，但Cu平均濃度卻處于較高水平，推測在車流量的影響上還疊加了其他致使Cu含量增加的因素。結合道路周圍環境及交通情況，發現通行能力接近飽和的南二環和福灣路在高峰期均有緩行或擁堵情況。自20世紀30年代以來，Cu被廣泛用于汽車剎車系統，剎車片成為機動車中含Cu最高的零件組分[24]149，由制動系統磨損帶來的Cu占總的交通活動排放Cu的90%[25]。因此，同一道路等級、相近的車流量下，車輛通行不暢可能造成車輛制動系統的額外磨損，并在道路灰塵中表現出明顯的Cu富集。而在南三環，車流量為同等級道路最高，但Cu平均濃度卻最低。考慮到南三環是一條城市快速路，其紅綠燈、人行斑馬線和出口交匯處明顯較其他主干道少，車輛行駛順暢，無需經歷由于頻繁停車減速行為帶來的制動系統額外磨損，因此其較低的Cu平均濃度可再次驗證，較高車流量下，道路通行狀況可能是道路灰塵中Cu含量的重要影響因素。

圖3 各主干道車流量與道路灰塵中Cu平均質量濃度分布

由圖4可見，次干道中六一中路、五一中路、工業路、排尾路的車流量處于同等級道路中等水平，但其Cu平均濃度處于較高水平，新保路和金桔路的車流量處于同等級道路的較低水平，但其Cu平均濃度卻處于較高水平。究其原因，可能是六一中路和五一中路周邊多大型商場，人流量大，紅路燈及人行斑馬線多，路口常出現較長距離的擁堵，因此其Cu平均濃度偏高仍然與道路通行狀況有關。工業路和排尾路兩側及周邊均存在大型或多處小型建材市場、汽車修理廠、鋼材及塑料加工廠等工業類點狀污染源。鋼鐵生產、冶煉、金屬加工及機械制造排放的煙塵被認為是大氣Cu污染的重要原因[26]，大氣中含Cu的顆粒物沉降到道路表面，成為這些道路灰塵中Cu的重要來源，因此工業路和排尾路道路灰塵中Cu平均濃度相對偏高則可能與周圍人為活動類型有關。新保路在采樣期間兩側有多個大型樓盤正在建設，通行車輛中貨車占比較大，且存在明顯的路面積塵現象。建筑施工過程中會產生富含Cu元素的金屬、材料碎屑和粉塵，再加之貨車行駛過程中剎車里襯的磨損量是普通客車的1.5倍[24]149，多種來源的Cu元素不斷富集于道路灰塵中又得不到及時清掃，必然使得該道路灰塵中Cu含量較一般情況更高。因此，道路兩側的城市建設、道路清潔不力及貨車占比高都可能是導致新保路車流量較小但Cu平均濃度較高的原因。金桔路車流量較其他次干道小，周圍也無城市建設、工業活動等明顯污染源，主要Cu來源可能與其每天上、下午所設的臨時菜市場和小吃攤有關。此時段中，載有菜品的車輛及人員大量聚集，一方面致使道路通行不暢，增加了交通活動的Cu排放；另一方面，所產生的成分復雜的生活垃圾及污水，也可能帶來額外的Cu元素。綜上，對比發現，次干道周圍的主要人為活動類型、道路通行情況、車輛類型、清潔程度都會影響道路灰塵中Cu含量。

圖4 各次干道車流量與道路灰塵中Cu平均質量濃度分布

由圖5可見，支路各道路灰塵中Cu平均濃度與其車流量分布呈現大體一致趨勢，但湖塘路、高新一路和創新路道路灰塵中Cu平均濃度相對車流量分布明顯偏高。高新一路和創新路處于工業園區內；湖塘路周邊存在汽配廠、玻璃廠、塑料加工廠等工業類點狀污染源，及多個中大型物流公司的存在所導致的重型貨車占比較大，路面積塵明顯的現象。可再次證明，道路周邊存在工業類污染源、重型貨車通行和路面清潔不到位，均可能導致Cu含量偏高。

圖5 各支路車流量與道路灰塵中Cu平均質量濃度分布

綜合分析認為，相似車流量下，交通不暢及存在重型貨車通行的路段，會由于車輛制動系統的額外磨損，在道路灰塵中表現出明顯的Cu富集。且除交通活動外，道路周圍工業活動、城市建設、居民生活等主要潛在污染源的存在和道路清潔程度均是道路灰塵中Cu含量的重要影響因素。

3.2 道路灰塵中Cu分布

為進一步驗證道路交通不暢對道路灰塵中Cu濃度的影響，篩選出7個位于路口附近的樣點，將其與同一道路上的其他樣點的Cu質量濃度進行對比，結果見圖6。在道路的特定區域，如環形車道和紅綠燈路口，總會由于交通流模式的變化，而導致一定程度的擁堵減速或停車行為，從而釋放額外的Cu元素。所選擇的7條道路中，樣點1均位于路口附近。除排尾路外，與其他樣點相比，路口附近樣點的Cu濃度均處于較高水平，再次驗證通行不暢確實會導致道路灰塵中Cu含量的增加，且在路口附近表現明顯。排尾路樣點1道路灰塵中Cu含量低于該路其他樣點，則可能因為該路所在地區整體受工業制品加工活動影響，而樣點1雖位于路口附近，但因兩側僅分布居民區，與其他樣點相比，未受明顯工業活動影響。這也說明，雖然道路通行不暢會導致額外Cu排放，但與工業活動形成的點狀污染源相比影響較小。

圖6 路口附近樣點與同道路其他樣點道路灰塵中Cu質量濃度對比

由圖7可見，有貨車通行或停放的樣點(新保路樣點4，福光路樣點1、4，湖塘路樣點1、2)道路灰塵中Cu含量明顯比同一道路其他樣點高。這同樣驗證了相似車流量下，存在貨車通行的路段會表現出明顯的Cu富集。

圖7 有貨車通行或停放樣點與同道路其他樣點灰塵中Cu質量濃度對比

3.3 各主要潛在污染源下道路車流量及灰塵中Cu分布

由表4可見，雖然所有道路都是在交通活動影響的基礎上再疊加各自主要潛在污染源的影響，但疊加城市建設影響下的道路和僅交通活動影響下道路灰塵中Cu平均濃度與其平均車流量表現出相似的比例關系，且同一道路上存在施工現場的樣點相較其他樣點未發現明顯的Cu含量增加現象，總體而言，福州市城市建設對道路灰塵Cu含量的影響不明顯。這可能是因為所選擇的受城市建設影響的6條道路中，僅華林路和新保路存在明顯施工揚塵，其他道路均設置有隔離擋板或噴水抑塵裝置，此舉措使得施工過程中產生的含Cu粉塵影響范圍較小，因此對道路灰塵中Cu含量的整體影響不大。而疊加工業活動或居民生活影響下道路的平均車流量僅為交通活動影響下道路的31%和26%，但其道路灰塵中Cu平均質量濃度卻達到了交通活動影響下的94%和56%，據此可看出工業活動和居民生活對福州市道路灰塵中Cu含量具有較大影響，其中工業活動的影響最顯著。

4 結 論

(1) 福州市各等級道路灰塵中Cu平均質量濃度為主干道(94.13 mg/kg)>次干道(86.76 mg/kg)>支路(69.38 mg/kg)，總體與車流量成正比，普遍受到交通活動的影響。

(2) 相似車流量下，交通不暢及存在重型貨車通行的路段，會由于車輛制動系統的額外磨損，在道路灰塵中表現出明顯的Cu富集。

(3) 除交通活動外，道路周圍工業活動、城市建設、居民生活等主要潛在污染源的存在和道路清潔程度均是道路灰塵中Cu含量的重要影響因素，其中工業活動污染源的影響最顯著。