環境磁學在大氣顆粒物污染中的研究進展

蘇志華

摘? 要：環境磁學具有簡便、快捷、經濟和無破壞性等特點，在大氣顆粒物污染中發揮了重要作用。該研究總結了環境磁學在大氣顆粒物污染中的研究進展，包括指示污染程度劃分污染范圍、分離污染源和示蹤沉積過程、重建區域污染歷史這3個方面。最后根據環境磁學本身的特點，指出環境磁學未來的發展方向是大氣顆粒物重金屬示蹤及源解析。

關鍵詞：環境磁學? ?大氣顆粒物? ?重金屬? ?磁學參數

中圖分類號：X823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（a）-0048-06

Research Progress of Environmental Magnetism in Atmospheric Particulate Pollution

SU Zhihua

（School of Management Science and engineering， Guizhou University of Finance and Economics， Guiyang， Guizhou Province， 550025? China）

Abstract： Environmental Magnetism has the characteristics of simplicity， rapidity， economy and non-destructive， and plays an important role in atmospheric particulate pollution. This study summarizes the research progress of environmental magnetism in atmospheric particulate matter pollution， including indicating pollution degree， dividing pollution scope， separating pollution sources and tracing deposition process， and reconstructing regional pollution history. Finally， according to the characteristics of Environmental Magnetism， it is pointed out that the future development direction of Environmental Magnetism is heavy metal tracing and source analysis of atmospheric particulate matter.

Key Words： Environmental magnetism; Atmospheric particulate matter; Heavy metal; Magnetic parameters

大氣顆粒物是大氣中存在的各種固態和液態顆粒狀物質的總稱，根據粒徑不同可分為總懸浮顆粒物（TSP）、可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）等[1]。粒徑是評估大氣顆粒物毒性和危害性的重要參數，粒徑越小通常對生物和環境的影響就越大。大氣顆粒物可吸附各種重金屬、有機化合物等有毒有害物質，是大氣中多種污染物的“載體”和“催化劑”[2]。另外，大氣顆粒物對光有吸收和散射效果，會引起大氣能見度下降，并進一步誘發霧霾天氣[3]。大氣顆粒物的化學組成（尤其是微量重金屬組分）決定了污染物的毒性效應，對人體健康具有特殊意義[4-5]。因此，研究大氣顆粒物的組成成分及變化顯得尤為重要?；瘜W分析方法（比如AAS和ICP-MS）一直是分析大氣顆粒物成分的傳統方法，但該方法操作復雜，容易污染環境和經濟成本較高，不適合進行實時動態監測和大范圍使用[6-7]。

環境磁學通過研究環境中磁性礦物的變化規律，依據磁性參數的涵義研究環境過程與人類活動的關系，揭示環境變化的規律和驅動機制。伴隨著磁學儀器的不斷改良，磁學參數的測試越來越簡便、快速、準確、無損和環保，對于監測大氣顆粒物污染越來越有利[8-9]。各種環境系統均不同程度地含有外源性磁性污染物，其磁性特征與自然環境中原生和次生的磁性礦物在結構、形態、類型、濃度及粒徑組成上均存在顯著差異[8-10]。另外，環境介質中的磁性往往與賦存其上的重金屬含量相關，磁性顆粒是重金屬的強吸附劑和載體[11]。這兩個要素是環境磁學監測大氣顆粒物污染的理論基礎。

1? 主要的磁學參數

環境磁學通過對磁性礦物載體進行系統的磁參數測量，應用相關比值及巖石磁學實驗判斷樣品中磁性礦物的含量、磁疇狀態、種類及其組合關系，從而提取物質來源、形成環境、搬運過程和沉積作用等綜合信息，進而判定污染情況。在所有的磁學參數中，磁化率是磁性礦物含量的重要替代指標，應用最為廣泛。質量磁化率（χ）和低頻率磁化率（χfd）通?？捎脕碇甘据^為嚴重的污染[12]。另外，飽和等溫剩磁（SIRM）可作為鐵磁性礦物含量的粗略量度，特別是當樣品磁性很弱時，SIRM可取代磁化率而成為大氣微粒的指示器[13]。非磁滯剩磁（ARM）反映了磁性礦物顆粒的磁疇信息，由單疇晶粒的含量控制，χARM是單位偏轉場下的單位質量非磁滯剩磁[14]。雖然χ、SIRM和ARM在某種程度上均可指示磁性礦物的含量，但SIRM和ARM還受到形狀和粒度等因素的影響，而χ受粒度的影響最?。⊿P顆粒除外），測量最為方便，是反映磁性礦物含量常用指標[15]。χfd、ARM/χ、SIRM/χ、ARM/SIRM、Day圖和FORC圖是指示磁性礦物粒度的代用指標，ARM獲得曲線和反向退磁曲線、磁化率隨溫度變化曲線（χ-T曲線）、剩磁溫度變化曲線（J-T曲線）及磁滯回線（magnetic hysteresis loop）主要用于判別磁性礦物種類與組成[16]。

2? 環境磁學在顆粒物監測中的應用

環境磁學從20世紀80年代中期開始用于監測大氣顆粒物污染，并呈現出快速發展的趨勢[17]。大氣顆粒物經過污染源排放進入大氣中，首先受到風力作用，然后經過干沉降、濕沉降和徑流等因素，最終沉積在水體、土壤、街道和植物等不同的環境介質上（如圖1所示），從而導致磁學的研究對象也有所不同，主要包括沉積物、土壤、街道塵埃和植物葉片等。環境磁學在指示大氣顆粒物的污染程度和范圍、分離污染源和重建污染歷史等方面取得了大量成果。

2.1 指示污染程度和劃分污染范圍

早在1997年，HAY等[8]應用表土樣品的頻率磁化率結果成功圈定了英格蘭的污染區域。研究發現，磁化率分布和重金屬富積因子等值線圖重合較好，證明磁學方法能有效地指示污染程度，劃分出污染范圍[18]。有記錄顯示磁性礦物含量在工業區、密集街區及交通要道等區域呈現高值[11]，新城區磁性礦物含量較低[19]，表明污染呈現明顯的空間分布差異，工業區高于帶狀交通區，帶狀交通區高于商業區，新城區的污染最輕。樹葉的磁性特征主要受到沉積于其表面的大氣顆粒物控制[20]。研究發現，樹葉附塵的磁性礦物含量和粒徑隨道路距離的增大而減小，交通污染的嚴重區域區局限于距公路約2m寬的條帶狀區域內，而且植被和降水可有效地減少大氣中的磁性礦物含量，進而影響污染程度和范圍[21]。城市不同功能區的磁學參數明顯不同，磁化率的大小按工業區、居民區、城市公園綠化區依次降低，磁性顆粒粒徑隨著距污染源距離的增加而減少，磁化率最大值通常出現在工廠污染源附近[22]。

綜上，工業生產、交通運輸和城市建設等不同來源的磁性顆粒物排放進入大氣后，受干沉降和濕沉降的影響，距離污染源越近的位置，磁性顆粒物越容易到達，磁性礦物的含量越高，指示污染越嚴重，反之則不容易到達和累積，污染逐漸減弱。污染源附近的環境系統往往呈現出以污染源為中心的環狀污染特征，風力的作用會導致環狀沿主導風向拉伸，如圖2（a）所示;而公路兩側的磁性參數則會出現條帶狀分布特征，總體上越靠近公路磁性礦物濃度越高，粒度也越粗，如圖2（b）所示。

2.2 分離污染源和示蹤沉積過程

一個地區的污染，通常是多種不同污染作用的綜合。污染源從大類上分為自然源和人為源，自然源由自然因素所致，通常較為簡單，而人為源較為復雜，通常包括工業生產、交通運輸和城市建設等。環境磁學方法已經被廣泛應用于污染源的分離，ROBERTSON等[23]綜合運用環境磁學和地球化學方法，以英國Manchester市中心的路面沉積物為研究對象，發現了道路沉積物中的磁性礦物的主要來源于汽車尾氣而不是土壤。GODDU等[24]通過測試印度道路降塵中的粒度和多項磁性參數，指出研究區域可能存在多個污染源。蘭州市降塵的χlf、SIRM、SOFT、HIRM、S-300磁學參數與As、Ba、Mn、Cu、Pb等金屬在第一主成分中相關性較高，表明了重金屬與磁性礦物相互伴生，磁性顆粒是重金屬載體，進一步可推測出人類活動是重金屬的主要來源[11]。開展礦物微觀形貌的觀察有助于準確確定污染源，李勇等[25]對安徽省鳳陽縣不同功能區的降塵樣品進行研究，證明降塵在磁學特征相似的情況下，需結合其礦物成分、微觀形貌和粒度特征進行區分，建立降塵與污染源之間的聯系。

多元統計分析在大氣顆粒物污染源解析中發揮了重要作用，其中主成分分析方法應用最為廣泛。主成分分析方法將原始數據進行標準化，求出不同的標準化指標，并將其轉換成不同的主成分，然后用不同緯度的平面坐標圖標示分析結果，進而直觀地判定不同磁學參數與重金屬的相關關系[26]。另外，聚類分析和因子分析也是較為常用的多元分析方法。重要的是，一個地區的大氣環境污染不僅與本地的排放有關，還與周邊地區的排放緊密相關[27]。通常利用拉格朗日方法研究周圍地區的大氣輸送路徑，確定某地區大氣環境污染的外部來源，探討大氣污染物擴散狀況與周邊地區的關系[28]。

2.3 重建區域污染歷史，恢復污染事件

對于沉積剖面和柱狀巖芯，在年代學的基礎上運用環境磁學可恢復以前發生的主要污染事件，重建區域污染歷史。OLDFIELD[29]對應用環境磁學芬蘭泥炭剖面進行分析，指出富含磁性顆粒的大氣降塵從1860年（大約為工業革命開始的時候）加速增加，到第二次世界大戰以后達到峰值。MORRIS等[30]證明了Hamilton港沉積物上部30～70 cm之間磁性礦物含量增加，與該段時間污染加強有關。研究發現，朝向鋼鐵廠方向的樹干年輪鉆芯樣品的SIRM值與對應年份鋼鐵產量高度相關，表明樹木木質部分所含的磁性顆粒在年輪之間并不能進行橫向遷移，可以用年輪鉆芯的磁性參數來反映大氣顆粒物的污染歷史[31]。MA等[32]等對臨汾市水庫沉積物開展磁學和地球化學研究，建立了磁學參數、地球化學參數和大氣監測數據之間的回歸方程，并應用復合污染指數（ACPI）成功重建該區域的大氣污染歷史。CHAPARRO等[33]對韓國海岸帶海灘沉積物開展磁學研究，發現沉積物中磁性礦物的高濃度對應于較高的放射性核素變化，證明沉積物磁性參數對污染事件的良好指示作用?？傊?，環境磁學參數的變化不僅可以指示污染事件的發生，還可以劃分不同的污染階段，指示污染程度的變化歷史（如圖3所示）。

3? 問題與展望

3.1 存在問題

環境磁學是地球物理的一個新興學科，其優勢在于能快速、無損、經濟地反映環境重金屬污染程度，但目前這一優勢被越來越弱化。首先，環境磁學只是一種間接的方法，要想對重金屬的定量評估只能依賴常規的化學分析;其次，隨著分析儀器的不斷進步，目前化學分析也能做到實時在線、無損、快速的定量檢測。環境磁學盡管在部分研究中建立了磁學參數和污染物（重金屬）濃度的定量化模型。但是，磁學參數變化與城市降塵重金屬污染是否存在必然關系等關鍵問題仍然存在疑問。因此，磁學方法并不能完全代替傳統的化學測試和分析方法，而是為化學方法的樣品采集提供理論指導，使有限的樣品數量能準確和可靠地反映大氣顆粒物的污染情況。

3.2 環境磁學未來的發展方向

介于化學分析得到的元素含量不能準確地反映污染物來源，而環境磁學可以通過分析樣品磁性顆粒的種類、形貌及其磁學參數來反映其來源。因此，環境磁學未來的研究重點是探索環境磁學相對于地球化學在源解析方面的優勢，重點關注顆粒物重金屬源解析及示蹤，將環境磁學與地球化學結合，并開展更深入的微觀研究，例如電子探針、透射電鏡、同步輻射等，以準確地了解磁性顆粒的微觀結構與組成特征，從而獲得更準確的源解析結果。

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