中国典型大都市中PM2.5中重金属（类金属）的来源及其健康风险

刘萍|黄柳斌|裴成雷|杨宇|孙月|沈恒青|朱玉娇|吴燕|薛立坤

山东大学环境研究所，中国山东省青岛市266237

摘要

本研究对中国典型特大城市广州的PM_2.5和重金属（类金属）进行了为期三年的连续观测，时间跨度为2019年1月至2021年12月。PM_2.5和重金属（类金属）的年均浓度分别为23.2–30.7 μg m^–3和1.02–1.54 μg m^–3。长期观测结果表明，广州的PM_2.5污染已显著减轻。然而，实际测得的年均PM_2.5浓度仍与世界卫生组织（WHO）的推荐标准（10 μg m^-3）存在一定差距。此外，健康风险评估结果显示，PM_2.5中的重金属（类金属）对健康的危害仍超过可接受水平，这表明进一步降低PM_2.5和重金属（类金属）浓度具有很大潜力。危害指数（HI）略高于非致癌风险阈值，而总致癌风险（TCR）则高出致癌风险阈值一个数量级。Cr(VI)和As被确定为致癌风险的主要来源。在整个观测期间，仍有25%的日均PM_2.5浓度超过一级空气质量标准（“未达标”天数，NAD）。通过结合源解析和健康风险评估方法，我们进一步研究了NAD事件中重金属（类金属）的特征。结果表明，尽管尘埃排放是重金属（类金属）的主要来源，但其健康影响较小，交通排放和煤炭燃烧才是健康风险的主要贡献因素。重金属（类金属）的浓度和健康风险均表现出明显的日变化，反映了不同来源排放活动的波动。我们的发现为未来制定具体的空气污染控制政策提供了宝贵见解，以满足日益严格的空气质量标准。

引言

随着中国快速的城市化和经济增长，以细颗粒物（PM_2.5为主的城市复合大气污染已成为亟待解决的关键环境问题（Naz等人，2019；Wang等人，2020；He等人，2022）。PM_2.5来源于多种途径（如火山喷发、岩石风化、车辆排放、燃料燃烧和工业排放）（Niu等人，2016；Liu等人，2022a），其化学成分复杂，主要包括有机碳（OC）、元素碳（EC）、无机二次气溶胶（如NH₄⁺、Na⁺、SO₄^2-和Cl^-）以及微量元素（如重金属（类金属）（Haswani等人，2023；Jiang等人，2018）。

尽管重金属（类金属）在PM_2.5中所占比例很小（Huang等人，2014；Yu等人，2019），但由于其中含有有害物质（如Cd、Cr、Pb、Mn、As和Ni）（Jin等人，2019；Lin等人，2024；Zheng等人，2025），它们仍可能引发致癌或非致癌风险。Sulaymon等人（2020）指出，这些物质与哮喘、肺部疾病、心血管损伤和早死有关。先前的研究表明，长期吸入PM₂中的Pb、Mn、As和Cd可能导致心脏、大脑、肝脏和肺部功能障碍甚至癌症（Ku等人，2017）。Wang等人（2022a）发现Cu和Ti会显著影响老年人血液中的脂质水平。Mai等人（2022）发现Fe和Mn与妊娠糖尿病或葡萄糖耐量受损的风险增加有关。关于这些附着在PM_2.5上的物质的健康风险已有多项研究（Zhou等人，2012；Liu等人，2018b；Sun等人，2021；Wang等人，2021a；Li等人，2023；Feng等人，2024；Liu等人，2024；Zhang等人，2024；Liu等人，2025；Srivastava等人，2025）。鉴于这些物质的多种来源，尤其是人为来源，许多研究还结合源解析模型（Chen等人，2015；Chen等人，2021；Duan等人，2021；Chen等人，2022；Chen等人，2024；Hu等人，2025）对PM_2.5中的重金属（类金属）进行了特定来源的风险评估。例如，Peng等人（2017）利用受体模型和风险评估模型发现，中国湖州收集的PM_2.5中的重金属主要来自土壤尘埃。Yuan等人（2023）采用正矩阵分解（PMF）模型研究了北京PM_2.5中重金属的来源和健康风险，发现煤炭燃烧是致癌风险的最大贡献者。值得注意的是，大多数关于重金属（类金属）的源解析和健康风险评估研究依赖于非连续或短期观测数据。然而，特别是基于PMF模型的PM_2.5中重金属的特定来源风险评估结果可能受到数据有限的影响。利用连续的长期监测数据集来量化污染源对健康风险的影响至关重要，但目前相关研究较少（Yan等人，2022）。

广州位于中国南部，是珠江三角洲的主要经济和文化中心。该市面积为7434平方公里，2019年人口为1500万。作为中国的特大城市之一，其PM_2.5污染及其潜在的健康风险引起了广泛关注。与以往在广州进行的短期研究不同，我们开展了为期三年的连续野外观测，使用一系列在线仪器收集了高分辨率监测数据，研究了2019年1月至2021年广州PM_2.5和重金属（类金属）的特征，并结合PMF受体模型和健康风险评估模型探讨了重金属（类金属）的来源及其对健康风险的贡献。

章节片段

样品采集

为期三年的连续野外观测于2019年1月至2021年12月在中国广州进行。观测地点位于广州环境监测中心站的一栋建筑物上，海拔约40米（23°07′ N, 113°15′ E）（图1）。该监测站周围是商业和住宅区，附近没有主要工业污染源，是珠江三角洲地区的典型城市站点。

PM_2.5和重金属（类金属）的浓度

图2显示了2019–2021年广州主要痕量气体（即NO₂、CO、SO₂、O₃）以及PM_2.5及其成分（即总重金属（类金属）的时间序列。整个观测期间PM_2.5的平均浓度为26.64 μg m^–3，比2014–2015年的43.6 μg m^–3下降了38.9%（Ma等人，2016）。此外，作为PM_2.5前体的SO₂和NO₂浓度也呈现下降趋势。

结论

本研究全面分析了2019年至2021年中国广州PM_2.5和重金属（类金属）浓度的变化情况。年均浓度分别为23.2–30.7 μg m^–3和1.02–1.54 μg m^{–3_2.5的年均和日均浓度均低于二级空气质量标准及历史数据，但仍存在}

CRediT作者贡献声明

裴成雷：资源提供、调查、数据管理。杨宇：可视化、软件开发、方法论。刘萍：初稿撰写、可视化、软件使用、数据分析、数据管理。黄柳斌：审稿与编辑、监督、方法论、数据分析、概念构建。吴燕：审稿与编辑、方法论、资金筹集。薛立坤：审稿与编辑、资源提供、概念构建。朱玉娇：审稿与编辑、调查

Ma和Jia，2016。

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

☒ 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3710200）和山东省自然科学基金（ZR2024YQ046）的财政支持。薛立坤衷心感谢泰山学者计划（tstp20250714）的支持。