随着城市化进程不断加快，机动车不断增加，由此而造成的街道周边空气和地表颗粒物污染不断加剧. 此外，由于车辆使用新材料或新燃料而导致的新污染问题也开始出现，而这些新的污染物也会吸附在地表颗粒物上. 这些颗粒物吸附的污染物主要来源于汽车尾气排放、 汽车轮胎、 汽车器件、 沥青路面、 道路栏杆/围栏、 融雪剂、 道路标记油漆、 杀虫剂和除草剂等^[1]. 在迁徙过程中，颗粒物所含的污染物不仅会随着地表径流进入城市水体和陆地系统，而且在大气风力的作用下，尤其是小粒径颗粒物会再次进入高空，可能形成雾霾，进入人体，从而危害人体健康.

对此，国外从20个世纪70年代^[2,3]开始就对城市地表颗粒物的污染状况^{[4, 5, 6, 7]}，累积分布^[8,9]、 污染富集因素^{[10, 11, 12]}以及污染物的生物利用度和流动性^{[13, 14, 15]}等进行了一系列的相关研究. 国内对城市地表颗粒物的研究源于20世纪90年代初^[16]，主要是对地表颗粒物的重金属污染特征以及物质来源等^{[17, 18, 19, 20]}进行分析. 随着对颗粒物研究的不断深入，国内外学者发现地表颗粒物的粒径分布特征与其自身的污染特性直接相关. 向丽等^[21]对北京市不同区域的地表颗粒物研究发现，高污染负荷的重金属及PAHs主要附着于粒径<300 μm的颗粒物. 常静等^[22]研究上海市中心城区颗粒物发现，粒径越小重金属污染就更加严重. Lau等^[23]对California的研究表明，重金属和PAHs的污染含量最高的颗粒物粒径范围是100~250 μm. 同时部分研究^{[13, 24, 25, 26]}已表明：Cu、 Fe、 Cd、 Mn、 Ni、 Pb、 Zn等金属的含量更加容易富集在小粒径颗粒上，尤其是粒径<63~75 μm的颗粒物上. 也有研究指出<5 μm的颗粒物容易进入呼吸道^[27]，诱发呼吸、 心和肺有关的疾病，且小粒径颗粒物对儿童呼吸系统患病的影响比SO₂和NOx更密切.

总体而言，国内外的研究主要集中于城市工业区、 商业区、 生活区，而随着城市化的快速发展，公园已成为城市居民的重要休闲娱乐场所，与居民的日常生活紧密联系. 城市公园的地表颗粒物质量状况对游人尤其是老年、 儿童^[28]具有重要影响. 目前对公园地表颗粒物的污染水平，健康风险评价等进行了大量的研究^{[29, 30, 31, 32, 33]}，但对公园地表颗粒物粒度特征的详细研究鲜见报道. 鉴于此，本研究以具有代表性的北京市奥林匹克公园为例，结合其地表颗粒物的粒度特性，探讨颗粒物组成的影响因素. 从而揭示城市公园颗粒物的一般累积特征，以期为城市公园地表颗粒物的污染特性研究以及城市环境评估和治理提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

奥林匹克公园(39°54′N，116°24′E)位于北京市朝阳区，是2008年北京奥运会和残奥会的举办地. 跨越北四环和北五环，总占地面积11.59 km²，包括先前已经建成的国家奥林匹克体育中心(1990年亚洲运动会主会场)和一座森林公园. 该区域属温带大陆型半湿润季风气候，除夏季多雨外，其他季节均是少雨多风，近些年平均降水量500~600 mm. 奥体公园为我国的5A级旅游风景区，年均3000多万游客量，同时又有城市主干道贯穿奥体公园，每天 的 汽车流量也大. 因此，本研究依据北京市奥林匹克公园的人流量、 车流量以及相关建筑设施的不同，共设置了10个地表颗粒物取样点(图 1). 采样点分布在奥体公园的中心区以及已建成场馆区和预留地(共405 km²)，路面类型有石材和沥青两种，各采样点的详细信息见表 1. 取样时间选在北京市的干旱季节：10、 11月. 总共4次取样，分别是2012年10月14、 28日，11月12、 25日，后3次取样时间的雨前干燥期分别为7、 2、 15 d，共采得10×4个样品.

图 1

Fig. 1

图 1 北京奥林匹克公园区域地表颗粒物采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of road sediment sampling sites in Beijing Olympic Park

表 1(Table 1)

表 1 采样点详细信息 Table 1 Detailed information of the sampling sites 采样点代号 具体位置 周围环境 车流量/辆 ·h-1 B&R 北辰西路如意桥南15 m处 城市交通主干道(附近有酒店) 2100 NC 鸟巢D出口 人流量大 0 D&T 大屯路与天辰东路交叉口 园区交通干道(附近有一小型工地) 600 D&H 大屯路与湖景大道交叉口南30 m处 人流量大 0 K&T 科荟南路与天辰东路交叉口停车场内 停车 0 B&D 北辰东路与大屯北路交叉口 交通主干道(居民生活区) 2500 G&T 国家体育场北路与天辰东路交叉口 园区交通干道 800 T&H 天辰西路与慧忠路交叉口北10 m 园区交通干道 0 SLF 水立方东门前200 m 人流量大 0 GWH 公园管委会门前150 m 人流量小 0

表 1 采样点详细信息 Table 1 Detailed information of the sampling sites

1.2 样品的采集

采样地点均位于道路交叉口，或雨水汇流处附近，距离道路一侧的路缘石50 cm左右，同时取样起点离其周围雨水将汇入的雨水口30~50 m. 采样时间为远离道路清扫时间的15:00~17:00，每次均使用松下MC-UL522型吸尘器采集道路颗粒物. 样品收集之后装入自封袋，编号记录，带回实验室置于4℃条件保存待测. 1.3 样品的分析

样品分析前，将其置于实验室自然风干3 d，然后过2 mm的不锈钢筛，去除样品中的树叶、 果皮、 小树枝等杂物. 目前地表颗粒物的粒径划分标准各不相同，为使颗粒物的粒径特征能得到更加细致地反映，且能更好地与以往的研究成果^{[21, 22, 23, 25, 34]}进行对比，所以经预处理后，采集样品经830、 300、 150、 76、 38.5 μm这5种不锈钢筛的振筛机进行振荡筛分，过筛后称重. 做好相关记录，然后计算出各粒径范围地表颗粒物所占的质量分数. 1.4 数据统计和分析

利用Microsoft Excel 2010以及OriginLab 公司研发Origin 8.0软件进行数据的统计和作图，展开相关分析. 2 结果与讨论 2.1 地表颗粒物的粒度组成

表 2为奥体公园区域不同粒径地表颗粒物所占的质量百分比(质量分数，下同). 从中可以发现，各粒径范围地表颗粒物的质量百分比(均值)依次是300~830 μm>76~150 μm>150~300 μm>38.5~76 μm>830~2000 μm>(<38.5 μm)，且前3种粒径范围的颗粒所占比例相近，均为25%左右，表明园区地表颗粒物以中小粒径(76~830 μm)的颗粒为主. 分析原因，可能是由于北京市常年风向尤其秋季为西北风，且该季节大风天气较多，奥体公园恰地处北京市北部，因此细小粒径(<76 μm)颗粒物容易被西北风带走，而附近中小粒径(76~830 μm)颗粒物被风力卷入空中后，由于自身重力作用又迅速降落，沉积在园区路面上； 同时园区内行驶车辆整体偏少，北京市秋季降雨量低，道路颗粒物受外界碾压、 磨损和降雨冲刷的可能性低，从而导致中小粒径颗粒物所占比重大. 这也证实了刘春华等^[35]对北京市街尘研究得出道路灰尘的沉积是大气环流对远、 近不同距离的粗细颗粒物混合搬运的结果的结论.

表 2(Table 2)

表 2 北京市奥林匹克公园不同粒度范围地表颗粒物的质量百分比 /% Table 2 Percentage by weight of different particle size road sediments in Beijing Olympic Park/% 取样点 830~2000 μm 300~830 μm 150~300 μm 76~150 μm 38.5~76 μm <38.5 μm B&D 2.03 32.81 22.85 24.41 17.61 0.29 NC 10.52 31.07 17.31 25.61 14.77 0.71 D&H 0.00 13.75 20.98 34.61 26.12 4.53 T&H 2.52 27.99 24.66 28.09 15.85 0.89 B&R 0.81 26.04 28.02 25.23 17.85 2.05 GWH 20.68 35.66 22.13 15.49 5.61 0.44 D&T 1.68 24.59 26.51 32.87 12.76 1.60 SLF 7.21 37.62 23.47 19.93 11.32 0.46 K&T 3.86 39.97 26.52 19.47 8.93 1.26 G&T 3.21 16.69 13.12 29.67 32.00 5.30 范围 0~20.68 13.75~61.03 13.12~26.52 15.49~34.61 5.61~32.00 0.29~5.30 均值 5.25 28.62 22.56 25.54 16.28 1.75

表 2 北京市奥林匹克公园不同粒度范围地表颗粒物的质量百分比 /% Table 2 Percentage by weight of different particle size road sediments in Beijing Olympic Park/%

2.2 交通流量对地表颗粒物累积的影响

国内外关于交通流量影响道路两侧的重金属含量及其分布的研究较多^[34,36,37]，均指出高交通流量道路两侧的颗粒物重金属含量比低交通流量的道路颗粒物含量高. 本研究选取车流量不同的3处道路采样点，分析不同粒径颗粒物的质量累积曲线(图 2). 可以看出，交通流量不同的道路，不同粒径颗粒物质量累积含量变化趋势不同. 其中，无车辆通过的道路以粒径为300~830 μm的颗粒物为主，其他粒径范围的颗粒物累积量很少. 有车辆通过的路段粒径<300 μm的颗粒物累积量明显高于无车流量的道路. 同时，该粒径范围的颗粒物更容易在中等车流量的道路地表累积，其中，粒径为38.5~76 μm和76~150 μm范围的颗粒物累积量均接近高车流量道路的2倍.

总的来说，有交通流量的道路小粒径范围(<300 μm)的颗粒物累积量较高，这与车辆行驶过程中车辆对道路碾压和磨损较为严重密切相关. 而颗粒物在车辆类型、 行驶速度不同时，受碾压程度不同，其粒径组成受影响，这可能是小粒径范围颗粒物的累积量反而随车流量的增加而下降的原因. 因此，奥体公园区域应加强对园区交通的管理，以减少颗粒物可能造成的危害.

图 2

Fig. 2

图 2 不同车流量道路地表颗粒物质量百分比累积曲线 Fig. 2 Cumulate percentage of different size particles on the road with different traffic densities

国外已有研究表明^[38,39]，雨前干燥期与城市地表颗粒物的粒径分布显著相关. 本研究选取道路材质、 周边环境相类似的交通主干道上B&R、 D&T、 B&D这3处采样点，对其颗粒物粒径在不同雨前干燥期下的变化规律进行分析(图 3). 结果表明，3个采样点830~2000 μm、 300~830 μm粒径范围的颗粒物变化规律相近，即随着雨前干燥期(≤15 d)的增加，颗粒物质量百分比逐步下降，可能是随着干燥期的增加，地表颗粒物会持续受外界风力风化、 侵蚀和车辆碾压、 磨损的作用，而导致较粗粒径(>300 μm)的地表颗粒物含量下降. 粒径为150~300 μm的颗粒物累积量变化则随干燥期的增加波动很小，可近似认为该粒径范围的颗粒物累积基本不受雨前干燥期的影响. 而粒径<150 μm的颗粒物含量随雨前干燥期的增加呈上升趋势，当干燥期由2 d增加到15 d时，3个采样点该粒径范围的颗粒物质量百分比分别上升了15.47%、 28.20%和12.37%，这可能是由于10~11月取样期间，北京刮风天气较多且风力较大，部分小粒径颗粒物可能被大风从周围区域卷入，然后经自身重力作用沉积下来，导致较小粒径(<150 μm)颗粒物的质量累积百分比随着干燥期的增加而增大. 综上，奥体公园在雨前干燥期较长的情况下，可考虑通过增加道路清扫频率等方法加强对地表细小粒径颗粒物的去除，以减少其造成的环境污染.

图 3

Fig. 3

图 3 雨前干燥期对北京市奥体公园地表颗粒物累积过程的影响 Fig. 3 Mass percentage of different size particles on the road during dry periods

特征相同(只有游客步行通过、 无车辆行驶、 人流量基本相同)但材质不同的道路地表颗粒物的累积量如图 4所示. 对比各采样点单位面积地表的颗粒物累积量发现，石材路面的颗粒物累积量低于沥青路面. 其中，SLF取样点地表颗粒物累积量最高，达到5.27 g ·m^-2，这主要是由于石材路面光滑，而沥青道路粗糙、 地面不平，石材道路清扫后残留下的颗粒物更容易被强大的高空以及地面风力卷入空中，从而被迁徙到其他处. 这与Sartor等^[39]研究发现街尘由于受街道质地的影响而更容易在粗糙的路面累积的结果一致. 因此，建议公园内道路优先采用石材路面. 同时有研究指出60%以上的城市地表颗粒物在大气动力适当的条件下可进入大气^[35,40,41]. 采样点SLF处位于水立方附近，其北边和西北边分别是国家体育馆和数字大厦，南边是娘娘庙，NC位于鸟巢附近，相比而言四周比较空旷，而北京秋季西北风盛行，因此NC采样点地表颗粒物更易受外界风力影响，大部分颗粒可能进入大气，从而导致两处单位面积颗粒物质量数值相差很大，间接表明了外界风力作用对颗粒物的贡献.

图 4

Fig. 4

图 4 不同道路材质的颗粒物累积量 Fig. 4 Amount of particles on the road with different road materials

此外，道路周围环境是影响地表颗粒物累积量的重要因素. 其中，建筑工地的施工行为对颗粒物累积及分布影响十分明显^[26,40]. 图 5为B&R、 B&D、 D&T这3处采样点(周围环境具体见表 1)两次采样得到的颗粒物累积负荷. 其中，B&R和B&D这2处采样点的颗粒物累积负荷相当，但D&T处单位面积颗粒物累积量约为其它2个采样点的2倍左右(取样时间相同)，这可能与该处附近的施工工地产生扬尘沉降有关. 同时，从图 3可以看出，D&T处<300 μm的颗粒物所占质量百分比例较高，说明该采样点施工过程中易产生小粒径颗粒物. 由此，与人为活动相比，建筑行为是影响地表颗粒物累积的主要因素. 因此，工地在施工期间一定要做好防尘工作.

图 5

Fig. 5

图 5 不同周围环境的颗粒物累积负荷 Fig. 5 Amount of particles on the road with different surroundings

(1)北京市奥林匹克公园区域地表颗粒物主要以中小粒径(76~830 μm)为主. 公园人流量较大的区域颗粒物粒径较大，而有车辆通过或工地附近的区域地表颗粒物以小粒径(<300 μm)为主，且这些小粒径颗粒物更易在中等车流量的道路表面累积. 外界风力作用、 车流量及周围建筑施工行为是影响颗粒物组成的重要因素.

(2)雨前干燥期影响地表颗粒物的组成. 奥体公园区域粒径>300 μm的地表颗粒物随着雨前干燥期(≤15 d)的增加，地表累积量呈下降趋势； 粒径<150 μm的颗粒物累积量则呈相反的变化趋势； 而雨前干燥期对粒径为150~300 μm颗粒物组成的影响不明显.

(3)道路材质、 粗糙程度直接影响颗粒物的累积程度. 与较光滑的石材路面相比，地表颗粒物更容易在沥青路面上累积.