环境磁学在大气颗粒物污染中的研究进展

苏志华

摘  要：环境磁学具有简便、快捷、经济和无破坏性等特点，在大气颗粒物污染中发挥了重要作用。该研究总结了环境磁学在大气颗粒物污染中的研究进展，包括指示污染程度划分污染范围、分离污染源和示踪沉积过程、重建区域污染历史这3个方面。最后根据环境磁学本身的特点，指出环境磁学未来的发展方向是大气颗粒物重金属示踪及源解析。

关键词：环境磁学   大气颗粒物   重金属   磁学参数

中图分类号：X823                         文献标识码：A文章编号：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

大氣颗粒物是大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质的总称，根据粒径不同可分为总悬浮颗粒物（TSP）、可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）等[1]。粒径是评估大气颗粒物毒性和危害性的重要参数，粒径越小通常对生物和环境的影响就越大。大气颗粒物可吸附各种重金属、有机化合物等有毒有害物质，是大气中多种污染物的“载体”和“催化剂”[2]。另外，大气颗粒物对光有吸收和散射效果，会引起大气能见度下降，并进一步诱发雾霾天气[3]。大气颗粒物的化学组成（尤其是微量重金属组分）决定了污染物的毒性效应，对人体健康具有特殊意义[4-5]。因此，研究大气颗粒物的组成成分及变化显得尤为重要。化学分析方法（比如AAS和ICP-MS）一直是分析大气颗粒物成分的传统方法，但该方法操作复杂，容易污染环境和经济成本较高，不适合进行实时动态监测和大范围使用[6-7]。

环境磁学通过研究环境中磁性矿物的变化规律，依据磁性参数的涵义研究环境过程与人类活动的关系，揭示环境变化的规律和驱动机制。伴随着磁学仪器的不断改良，磁学参数的测试越来越简便、快速、准确、无损和环保，对于监测大气颗粒物污染越来越有利[8-9]。各种环境系统均不同程度地含有外源性磁性污染物，其磁性特征与自然环境中原生和次生的磁性矿物在结构、形态、类型、浓度及粒径组成上均存在显著差异[8-10]。另外，环境介质中的磁性往往与赋存其上的重金属含量相关，磁性颗粒是重金属的强吸附剂和载体[11]。这两个要素是环境磁学监测大气颗粒物污染的理论基础。

1  主要的磁学参数

环境磁学通过对磁性矿物载体进行系统的磁参数测量，应用相关比值及岩石磁学实验判断样品中磁性矿物的含量、磁畴状态、种类及其组合关系，从而提取物质来源、形成环境、搬运过程和沉积作用等综合信息，进而判定污染情况。在所有的磁学参数中，磁化率是磁性矿物含量的重要替代指标，应用最为广泛。质量磁化率（χ）和低频率磁化率（χfd）通常可用来指示较为严重的污染[12]。另外，饱和等温剩磁（SIRM）可作为铁磁性矿物含量的粗略量度，特别是当样品磁性很弱时，SIRM可取代磁化率而成为大气微粒的指示器[13]。非磁滞剩磁（ARM）反映了磁性矿物颗粒的磁畴信息，由单畴晶粒的含量控制，χARM是单位偏转场下的单位质量非磁滞剩磁[14]。虽然χ、SIRM和ARM在某种程度上均可指示磁性矿物的含量，但SIRM和ARM还受到形状和粒度等因素的影响，而χ受粒度的影响最小（SP颗粒除外），测量最为方便，是反映磁性矿物含量常用指标[15]。χfd、ARM/χ、SIRM/χ、ARM/SIRM、Day图和FORC图是指示磁性矿物粒度的代用指标，ARM获得曲线和反向退磁曲线、磁化率随温度变化曲线（χ-T曲线）、剩磁温度变化曲线（J-T曲线）及磁滞回线（magnetic hysteresis loop）主要用于判别磁性矿物种类与组成[16]。

2  环境磁学在颗粒物监测中的应用

环境磁学从20世纪80年代中期开始用于监测大气颗粒物污染，并呈现出快速发展的趋势[17]。大气颗粒物经过污染源排放进入大气中，首先受到风力作用，然后经过干沉降、湿沉降和径流等因素，最终沉积在水体、土壤、街道和植物等不同的环境介质上（如图1所示），从而导致磁学的研究对象也有所不同，主要包括沉积物、土壤、街道尘埃和植物叶片等。环境磁学在指示大气颗粒物的污染程度和范围、分离污染源和重建污染历史等方面取得了大量成果。

2.1 指示污染程度和划分污染范围

早在1997年，HAY等[8]应用表土样品的频率磁化率结果成功圈定了英格兰的污染区域。研究发现，磁化率分布和重金属富积因子等值线图重合较好，证明磁学方法能有效地指示污染程度，划分出污染范围[18]。有记录显示磁性矿物含量在工业区、密集街区及交通要道等区域呈现高值[11]，新城区磁性矿物含量较低[19]，表明污染呈现明显的空间分布差异，工业区高于带状交通区，带状交通区高于商业区，新城区的污染最轻。树叶的磁性特征主要受到沉积于其表面的大气颗粒物控制[20]。研究发现，树叶附尘的磁性矿物含量和粒径随道路距离的增大而减小，交通污染的严重区域区局限于距公路约2m宽的条带状区域内，而且植被和降水可有效地减少大气中的磁性矿物含量，进而影响污染程度和范围[21]。城市不同功能区的磁学参数明显不同，磁化率的大小按工业区、居民区、城市公园绿化区依次降低，磁性颗粒粒径随着距污染源距离的增加而减少，磁化率最大值通常出现在工厂污染源附近[22]。

综上，工业生产、交通运输和城市建设等不同来源的磁性颗粒物排放进入大气后，受干沉降和湿沉降的影响，距离污染源越近的位置，磁性颗粒物越容易到达，磁性矿物的含量越高，指示污染越严重，反之则不容易到达和累积，污染逐渐减弱。污染源附近的环境系统往往呈现出以污染源为中心的环状污染特征，风力的作用会导致环状沿主导风向拉伸，如图2（a）所示;而公路两侧的磁性参数则会出现条带状分布特征，总体上越靠近公路磁性矿物浓度越高，粒度也越粗，如图2（b）所示。

2.2 分离污染源和示踪沉积过程

一个地区的污染，通常是多种不同污染作用的综合。污染源从大类上分为自然源和人为源，自然源由自然因素所致，通常较为简单，而人为源较为复杂，通常包括工业生产、交通运输和城市建设等。环境磁学方法已经被广泛应用于污染源的分离，ROBERTSON等[23]综合运用环境磁学和地球化学方法，以英国Manchester市中心的路面沉积物为研究对象，发现了道路沉积物中的磁性矿物的主要来源于汽车尾气而不是土壤。GODDU等[24]通过测试印度道路降尘中的粒度和多项磁性参数，指出研究区域可能存在多个污染源。兰州市降尘的χlf、SIRM、SOFT、HIRM、S-300磁学参数与As、Ba、Mn、Cu、Pb等金属在第一主成分中相关性较高，表明了重金属与磁性矿物相互伴生，磁性颗粒是重金属载体，进一步可推测出人类活动是重金属的主要来源[11]。开展矿物微观形貌的观察有助于准确确定污染源，李勇等[25]对安徽省凤阳县不同功能区的降尘样品进行研究，证明降尘在磁学特征相似的情况下，需结合其矿物成分、微观形貌和粒度特征进行区分，建立降尘与污染源之间的联系。

多元统计分析在大气颗粒物污染源解析中发挥了重要作用，其中主成分分析方法应用最为广泛。主成分分析方法将原始数据进行标准化，求出不同的标准化指标，并将其转换成不同的主成分，然后用不同纬度的平面坐标图标示分析结果，进而直观地判定不同磁学参数与重金属的相关关系[26]。另外，聚类分析和因子分析也是较为常用的多元分析方法。重要的是，一个地区的大气环境污染不仅与本地的排放有关，还与周边地区的排放紧密相关[27]。通常利用拉格朗日方法研究周围地区的大气输送路径，确定某地区大气环境污染的外部来源，探讨大气污染物扩散状况与周边地区的关系[28]。

2.3 重建区域污染历史，恢复污染事件

对于沉积剖面和柱状岩芯，在年代学的基础上运用环境磁学可恢复以前发生的主要污染事件，重建区域污染历史。OLDFIELD[29]对应用环境磁学芬兰泥炭剖面进行分析，指出富含磁性颗粒的大气降尘从1860年（大约为工业革命开始的时候）加速增加，到第二次世界大战以后达到峰值。MORRIS等[30]证明了Hamilton港沉积物上部30～70 cm之间磁性矿物含量增加，与该段时间污染加强有关。研究发现，朝向钢铁厂方向的树干年轮钻芯样品的SIRM值与对应年份钢铁产量高度相关，表明树木木质部分所含的磁性颗粒在年轮之间并不能进行横向迁移，可以用年轮钻芯的磁性参数来反映大气颗粒物的污染历史[31]。MA等[32]等对临汾市水库沉积物开展磁学和地球化学研究，建立了磁学参数、地球化学参数和大气监测数据之间的回归方程，并应用复合污染指数（ACPI）成功重建该区域的大气污染历史。CHAPARRO等[33]对韩国海岸带海滩沉积物开展磁学研究，发现沉积物中磁性矿物的高浓度对应于较高的放射性核素变化，证明沉积物磁性参数对污染事件的良好指示作用。总之，环境磁学参数的变化不仅可以指示污染事件的发生，还可以划分不同的污染阶段，指示污染程度的变化历史（如图3所示）。

3  問题与展望

3.1 存在问题

环境磁学是地球物理的一个新兴学科，其优势在于能快速、无损、经济地反映环境重金属污染程度，但目前这一优势被越来越弱化。首先，环境磁学只是一种间接的方法，要想对重金属的定量评估只能依赖常规的化学分析;其次，随着分析仪器的不断进步，目前化学分析也能做到实时在线、无损、快速的定量检测。环境磁学尽管在部分研究中建立了磁学参数和污染物（重金属）浓度的定量化模型。但是，磁学参数变化与城市降尘重金属污染是否存在必然关系等关键问题仍然存在疑问。因此，磁学方法并不能完全代替传统的化学测试和分析方法，而是为化学方法的样品采集提供理论指导，使有限的样品数量能准确和可靠地反映大气颗粒物的污染情况。

3.2 环境磁学未来的发展方向

介于化学分析得到的元素含量不能准确地反映污染物来源，而环境磁学可以通过分析样品磁性颗粒的种类、形貌及其磁学参数来反映其来源。因此，环境磁学未来的研究重点是探索环境磁学相对于地球化学在源解析方面的优势，重点关注颗粒物重金属源解析及示踪，将环境磁学与地球化学结合，并开展更深入的微观研究，例如电子探针、透射电镜、同步辐射等，以准确地了解磁性颗粒的微观结构与组成特征，从而获得更准确的源解析结果。

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