随着城市高层建筑的出现，人类日常生活的垂向空间范围逐渐向上延伸^[1]，工作或生活在不同楼层的人群处在偏离地面的空间环境中，受到空间层段环境质量的影响.位于不同空间高度的建筑窗台和其它平台上的灰尘是室内环境的污染来源之一，随着气流的运动或人为扰动，灰尘有可能随时进入室内，增加室内灰尘及某些有害物质如重金属等的累积，从而导致对人体更大的危害^[2].对地表灰尘中重金属的研究，国内外已有许多报道，研究表明灰尘中重金属累积不容忽视^{[3, 4, 5, 6]}，但对近地面垂直空间高度的灰尘重金属研究还极少报道.灰尘及重金属在环境中的累积是一个复杂的动力学过程^[7]，垂直空间平台上的灰尘主要来自空中飘尘的沉降^[8]，飘尘中既有地表扬起的细粒土壤和灰尘，也有其它人类活动如交通、 工业等排放的颗粒物，另外也不可避免地受到人群流动的携带和搬运以及生活物质的输入，但从理论上讲人群流动对其的影响远远小于对地表灰尘的影响.季节变化使大气具有不同的季节运动特征，直接影响大气中飘尘的迁移和沉降^[9,10]，对空间平台上灰尘的沉降具有可能影响.因此，近地表灰尘及重金属沉降垂向分布的季节变化是一个有趣而值得关注的问题.

贵阳市是我国西南地区贵州省省会城市，城区面积小，人口密度高、 高层建筑发展迅速.同时，贵阳城区三面环山，城区地形复杂，大气污染物迁移受地理形势和季节变化影响显著.本研究以贵阳市中心城区某文教生活区为研究区域，分别在春、 夏、 秋、 冬四季采集不同空间高度平台的灰尘样品，分析城市区域近地表灰尘沉降通量及灰尘中常量元素Ca、 Fe和微量重金属Cd、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn含量，探讨灰尘及重金属元素的沉降通量随空间高度变化的分布，揭示区域近地表灰尘及重金属沉降垂向分布的季节变化特征，以期为更大尺度的城市近地表灰尘及重金属沉降垂向分布研究和缓解、 治理灰尘重金属累积提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 样品采集

分别在冬季(12月~次年3月)、 春季(4~5月)、 夏季(6~8月)、 秋季(9~11月)这4个季节采集灰尘样品.采样点为贵阳市3栋高度分别为7、 8和16层的高层建筑的公共走道窗台(图 1)，为避免下雨对沉降灰尘的影响，选择1~8层上方具有一定宽度窗沿的窗台作为采样点采样区域.初次采样时(冬季)先划定采样区域，打扫干净，记录采样面积和开始采样时间，待初次采样结束后，清扫所有采样区域的灰尘，装入样袋，记录采样结束时间(同时也是下一次采样开始时间)，开始下一次样品采集.以后多次灰尘采集均在此划定范围内进行.采集灰尘时，用塑料毛刷和塑料铲收集采样区域内的所有灰尘，装入纸袋保存. 共得到92份有效样品(质量≥0.5 g)，其中1~7层有84份灰尘样品，8层有8份灰尘样品.所有样品带回实验室常温干燥后全部过105 μm 筛，备用.

图 1

Fig. 1

图 1 灰尘采样区域示意 Fig. 1 Dust sampling sites

表 1列出了3个采样点的周边环境特征及自身建筑特点.

表 1(Table 1)

表 1 采样区域环境特征 Table 1 Environmental characteristics of the sampling sites 采样点(楼层) 周边环境特征 建筑特征 样点1(16层) 位于住宅区，毗邻相宝山，车流量不大，距离采样区20 m处有生活垃圾池，距离采样区300 m处有建筑施工地 坐北朝南，房屋年龄小于10 a，2~3层窗台的防盗网生锈腐蚀较严重，楼道卫生条件良好 样点2(8层) 位于住宅区，车流量不大，距离采样区10 m处有生活垃圾池(定时会焚烧) 坐北朝南，房屋年龄15 a，墙体脱落较严重，下水道铁管经过窗台边，铁管生锈腐蚀严重，楼道堆砌杂物较乱，楼道卫生条件较差 样点3(7层) 位于城乡结合部，住宅区交通区混杂，交通拥挤，人口流动性强，距离采样区100 m处有垃圾中转站 坐北朝南，屋年龄大于15 a，墙体重新粉刷过，楼道卫生条件一般

表 1 采样区域环境特征 Table 1 Environmental characteristics of the sampling sites

样品采用HNO₃-HF-HClO₄混溶，纯水定容，ICP-MS(IRIS Intrepid Ⅱ)测定.分析过程中分别按原始样品10%的比例插入国家土壤标准参比物质(GSS-4)和重复样进行质量控制. 8种元素标准样和重复样合格率均为100%.

每层楼灰尘沉降量和每个元素含量均来自3份数据(3栋楼，8层为2份数据)的几何均值.文中其它数据均值全是在此数据基础上的几何均值.采用SPSS软件对数据进行正态检验和差异性分析. 用单样本K-S 检验方法对数据进行正态检验，若PK-S>0.05，表示样本服从正态分布.对不服从正态分布的数据进行对数转换后，均符合正态分布，使用服从正态分布的数据进行差异显著性检验和元素相关性分析，差异显著性检验P<0.05，表示两样本数据具有显著性差异； 相关性检验P<0.05，表示两元素之间具有显著性相关关系.

灰尘沉降通量计算公式如下：

灰尘中重金属沉降通量计算公式如下：

表 2显示，近地表灰尘沉降通量季节变化总体上表现为冬季灰尘沉降通量最大，春季次之，夏季最低.差异性分析显示冬季灰尘沉降通量显著高于夏季(P=0.049)和秋季(P=0.042).

表 2(Table 2)

表 2 不同季节灰尘沉降通量 Table 2 Deposition fluxes of dust in different seasons 楼层 灰尘沉降通量/g ·(d ·m2)-1 变异度 春季 夏季 秋季 冬季 1 9.62 5.48 6.52 16.6 0.45 2 7.56 4.68 4.59 13.1 0.46 3 5.72 8.35 4.04 8.55 0.28 4 5.20 1.78 3.65 6.03 0.39 5 5.82 2.93 3.76 2.96 0.30 6 5.81 2.78 3.49 6.95 0.36 7 5.04 3.10 3.34 7.30 0.36 8 1.30 1.17 1.54 1.84 0.17 平均 5.76 3.78 3.87 7.92 变异度 0.38 0.57 0.34 0.58

表 2 不同季节灰尘沉降通量 Table 2 Deposition fluxes of dust in different seasons

比较不同空间高度(楼层)灰尘沉降通量变异度，发现冬、 夏变异度较大(0.57~0.58)，春秋变异度较小(0.34~0.38)，冬季灰尘沉降通量在1~5层范围内随楼层的增加明显降低； 春秋两季灰尘沉降通量随高度的变化情况极为相似，都表现为1层略高，8层略低，其它楼层灰尘沉降通量基本一致； 夏季在第3层高度上灰尘沉降通量急剧升高，这主要是样点1的高值导致的平均值的偏高，其它楼层高度灰尘沉降通量变化与春、 秋类似.说明冬季灰尘沉降通量沿垂向空间高度的分布差异最大，其次是夏季，春秋两季灰尘沉降通量垂向空间差异较小.

一定空间高度不同季节降尘通量差异(变异度)总体上随楼层的增加而降低(表 2)，即1层的灰尘沉降通量随季节变化分布差异最大，而在8层高度上季节变化引起的降尘通量差异极小.季节变化对低层空间平台灰尘沉降通量影响大于高层空间.

从各元素含量绝对值比较，可知，不同空间高度上灰尘中各元素含量季节分布大致分为3种情况(图 2)：第一，Ca、 Pb、 Zn在春冬两季灰尘中的含量总体上高于夏、 秋两季，夏秋季5层高度上灰尘Zn含量异常高，是由于样点2的异常高值所致； 第二，Fe、 Cd、 Ni在春季灰尘中的含量明显高于其它季节，且都在高层空间表现明显，Fe在低层空间夏季灰尘中含量也相对较高，春、 夏季含量明显高于秋、 冬两季,Ni在6层高度灰尘中冬季含量较高； 第三，Cu、 Cr在低层空间夏季含量较高，高层空间变化较为复杂，季节分布规律不明显.Fe、 Ni、 Pb、 和Zn在不同高度灰尘中的含量最低值均出现在秋季，Ca的最低值出现在夏季，Cd和Cu含量总体上出现在冬季，而Cr含量最低值季节分布不明显.

图 2

Fig. 2

图 2 不同空间高度灰尘元素含量季节分布特征 Fig. 2 Distribution of the concentration of elements in dust at different height

各楼层高度8种元素含量变异度(表 3)总体表现为春季最高，其次是秋季，夏、 冬季较低，其中Ca、 Fe、 Cd、 Cu、 Ni和Pb这 6种元素都显示春季元素含量空间变异度最大，说明春季导致元素含量在不同空间高度的分异最明显.春、 夏、 秋、 冬四季元素含量空间变异度最大的分别是Cd、 Zn、 Zn和Cu，说明对8种元素来说，春季Cd在不同空间高度的含量分异最明显，冬季Cu在不同空间高度的含量分异最明显，而夏、 秋两季元素不同空间高度含量分异最明显的均为Zn； 变异度最小的元素春季为Cr，其它三季均为Ca，说明Ca在不同空间高度的含量分异最小，其次是Cr.整体来看，春季导致各元素含量在不同空间高度的分异最明显，而重金属含量随时空变化最大的是Zn，最小的是Cr，常量元素Ca在8种研究元素中随时空的变化最小.说明Zn元素受人类活动影响较大，Cr元素受人类活动影响较小.

表 3(Table 3)

表 3 不同季节各元素在空间高度灰尘中含量变异度 Table 3 Variability of elements in dust related to height variation during different seasons 项目 Ca Fe Cd Cr Cu Ni Pb Zn 均值 最低元素 最高元素 春 0.161 0.344 0.394 0.107 0.300 0.245 0.300 0.266 0.265 Cr Cd 夏 0.111 0.269 0.170 0.250 0.166 0.181 0.256 0.456 0.232 Ca Zn 秋 0.146 0.321 0.257 0.268 0.201 0.190 0.164 0.421 0.244 Ca Zn 冬 0.051 0.189 0.191 0.187 0.296 0.197 0.258 0.229 0.236 Ca Cu 均值 0.117 0.281 0.253 0.203 0.241 0.203 0.245 0.343 0.238 Min 冬 冬 夏 春 夏 夏 秋 冬 Max 春 春 春 秋 春 春 春 夏

表 3 不同季节各元素在空间高度灰尘中含量变异度 Table 3 Variability of elements in dust related to height variation during different seasons

计算每层高度上春、 夏、 秋、 冬四季元素含量的变异度，作图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 空间高度上元素四季含量变异度 Fig. 3 Variability of elements in dust related to season variation at different height

8种元素在春、 夏、 秋、 冬四季的含量差异随空间高度的变化表现出3种趋势.第一，Ca、 Cr和 Ni在四季灰尘中含量差异总体上随空间高度变化 不大； 第二，Fe、 Cd和Pb在四季灰尘中含量差异随空间高度的升高呈现明显的上升趋势，只是Cd在第5层高度上含量变异度有一个低值； 第三，Cu和Zn四季含量变异度在空间高度上的变化较为复杂，Cu含量差异在1~6层呈现明显的随高度升高，差异明显降低的趋势，但在7~8层高度上含量差异又急剧上升，Zn含量差异除5、 7层较高外，其它空间高度上的含量差异变化不大.总体上Cd、 Pb和Zn在灰尘中四季的含量差异受空间高度的变化影响较大.

图 4显示灰尘中8种元素沉降通量四季分布特征总体上是：随着楼层上升，元素沉降通量下降，总体上1层最高，8层最低，但各元素沉降通量在5层高度上都有一个低值，接近8层的水平.

图 4

Fig. 4

图 4 不同空间高度灰尘中元素沉降通量季节分布特征 Fig. 4 Distribution of deposition fluxes of elements at different height in different seasons

元素沉降通量季节变化的趋势是冬、 春>夏、 秋，冬季最高，夏季最低.其中常量元素Ca、 和重金属元素Cr、 Zn表现明显，尤其是冬季1~5层表现最为明显； 常量元素Fe沉降通量除冬季表现为明显的随楼层上升，元素沉降通量下降外，其它季节各空间高度沉降量变化没有明显统一的趋势； 除Cd和Pb外，其他元素在四季的沉降通量随高度的变异度表现为低层大于高层.

多数元素在夏季3层高度上沉降通量与上下空间高度相比，突然升高，这是由于这一时空节点上灰尘沉降通量异常高所致，这也使得多数元素在夏季沉降通量随空间高度的变异度最大，如果不考虑此点的异常，则总体上是在冬季各元素沉降通量随空间高度的变异度最大.

3 讨论 3.1 不同季节灰尘沉降通量差异分析

张振江等^[11]对天津市大气颗粒物的研究发现天津冬季室外空气中颗粒物含量明显高于夏季.Lee等^[12]研究发现PM浓度在冬季最高，在夏季最低.本研究显示空间高度灰尘沉降通量总体上由高到低的顺序是冬＞春＞秋＞夏.冬季灰尘沉降通量高，说明冬季大气中颗粒物含量可能相对较高.

空气运动是影响大气颗粒物迁移的主要因素^[13].颗粒物季节分布特征可能与大气逆温层有关，逆温层厚度越大，污染颗粒物越不易向上扩散和稀释，局部颗粒物含量越高，越容易沉降下来^[10].贵阳市逆温层平均厚度分别是，冬季最大，为414 m，夏季最小，为296 m，春季和秋季分别为378 m和304 m^[14]. 逆温层厚度的差异趋势与本研究灰尘沉降通量的季节差异完全吻合. 说明大气逆温层可能是影响空间高度灰尘沉降通量不可忽视的原因之一.

另外，天气形势也可以影响空中颗粒物的迁移.焦艳等^[15]对上海市春季大气污染研究发现污染过程形成于稳定天气形势下污染物的积累，结束于短时降水和冷空气南下的共同作用.本研究在采样期间，对不同天气进行了统计，图 5表示不同天气占采样期所有天数的百分比.显然，冬、 春季阴天所占比例明显高于夏、 秋两季，说明阴天所占比例的变化与灰尘沉降通量变化一致，即采样期阴天越多，灰尘沉降通量可能越高； 四季采样期晴天所占比例由高到低的顺序为夏＞秋＞春＞冬，正好与灰尘沉降通量变化趋势顺序相反，说明晴天越多，灰尘沉降通量可能越少； 另外，韩燕等^[16]报道降水可降低空气中颗粒物的浓度.而本研究显示灰尘沉降通量高的冬、 春季雨天数比例高于沉降通量低的夏、 秋季，说明即使有雨水的冲刷，但并未改变冬、 春季灰尘沉降通量高的结果.这可能是由于降水可降低空气中颗粒物的浓度是针对同一时段降雨前后比较而言，而本研究时间跨度为全年4个季节，每个季节空气中颗粒物含量的平均水平本身存在差异所致.另外，天气形势只是影响大气颗粒物迁移行为的因素之一，降雨只是天气形势的一种表现.而影响大气颗粒物迁移行为的因素是大气的机械运动^[17]，也就是说逆温层可能是导致这种颗粒物沉降通量呈现季节分布的主要原因.高温有利于颗粒物扩散，低温容易形成逆温层^[18].曾光善等^[14]统计分析出贵阳冬季出现逆温的几率最大，其频率为67%，次之为春季，频率为61%； 而且冬季空气最大混合层高度最小，极易发生污染物聚集现象^[19].

图 5

Fig. 5

图 5 四季天气比例 Fig. 5 Weather distribution in the four seasons

不同空间高度灰尘沉降通量变异度研究显示：夏、 冬两季变异度较大，春、 秋两季变异度较小，这可能还是与天气季节性差异有关.刘咸德等^[20]对北京地区大气颗粒物污染的风向因素研究结果表明污染物重金属浓度随风向变化明显.贵阳市常年以东风为主，兼有东南、 东北和南风，采样的3栋楼的窗台均朝南向，可能受到这几种风的干扰.将采样期四季有风的天数进行了统计.春、 夏、 秋、 冬四季有风的天数分别为48、 86、 63、 81d，占采样期总天数的比例分别为76.7%、 96.3%、 86.3%和91.0%,夏、 冬两季有风天数比例明显高于春、 秋两季.此外，Chen等^[21]研究发现空气中总悬浮颗粒物的干沉降率与风速呈正相关.因此，风的干扰可能是不同空间高度灰尘沉降通量变异度增大的原因之一.当然也不可避免地会受到些许人为干扰.

Ca、 Pb、 Zn在春冬两季的含量总体上高于夏、 秋两季，这与灰尘沉降通量季节变化特征相似，灰尘沉降通量季节变化主要受逆温层影响，逆温层多发生在冬、 春两季^[22]，这也说明逆温层也是影响含Ca、 Pb、 Zn的颗粒物沉降变化的主要因素之一. 逆温层对Ca、 Pb、 Zn颗粒物沉降的影响可能大于其它元素. 样点附近环境对灰尘元素含量也会有一定影响. 样点2和样点3所处的居民区仍有燃煤取暖的现象存在，本研究组前期研究^[23]表明燃煤中Pb、 Zn主要富集在煤尘中，贵阳市燃煤取暖时段一般为12月至次年4月底，正好与本研究的春、 冬采样时间吻合，因此，样点周边居民燃煤取暖也可能是导致春、 冬空间降尘中Pb、 Zn等元素含量较高的原因之一.

另外，本研究组^[24]曾对贵阳市地表灰尘重金属四季时空动态变化进行过研究，结果显示贵阳市地表灰尘重金属含量春、 冬季高于夏、 秋季，在本研究中，不同空间高度平面灰尘中Ca、 Pb、 Zn含量的季节分布与地表灰尘相应元素含量季节变化相似. 另外，研究显示春季空间高度灰尘中Fe、 Ni、 Cd含量明显高于其它季节，除了人为干扰外，也可能说明春季有利于近地表大气中常量元素Ca、 Fe及微量重金属Cd、 Pb和Zn颗粒物的积累和沉降. 邱媛等^[25]研究显示降雨频率高可能加剧城市建筑物、 装饰材料的腐蚀作用,从而增加降尘中铅负荷.样点3建筑墙体隔几年会重新粉刷，有颜色的涂料也是重金属Cr和Pb来源之一^[26]. 本研究对采样期天气的记录显示春季降雨量天数最多，有风天数最少，那么是否含这些元素的颗粒物的沉降除了受逆温层的影响外，春季多雨少风的气候也影响了元素颗粒物的沉降还有待进一步研究.

Ca、 Fe为常量元素，理论上其受人类活动影响导致的空间变异度应低于Pb、 Zn等城市元素.但本研究结果显示Fe在不同空间高度上的含量也存在较大差异，这可能与样点2的窗台边腐蚀的下水道铁管有一定关系(表 1).样点2夏季3层灰尘的Fe含量异常高，夏季温度相对较高，有利于旧铁管的腐蚀，随着风的作用，腐蚀碎屑沉降到最近的平台.Ca含量随空间高度的变化相对较小.倪刘建等^[27]研究表明大气降尘中Ca元素部分来源于城市建筑尘和工业尘.

空间高度灰尘中8种元素含量变异度总体表现为春、 秋高，夏、 冬低，这与灰尘沉降通量变化规律相反.说明虽然夏、 冬不同空间高度灰尘沉降通量差异大，但灰尘中元素含量相对稳定，不同空间高度灰尘中元素来源较为单一； 而春、 秋两季，特别是春季，灰尘沉降通量差异小，但灰尘中元素含量在不同空间高度波动大. 灰尘元素含量变异度与元素来源复杂程度有一定关系. 将各元素含量数据作偏相关分析(表 4)，结果显示4个季节Cr-Cu-Ni均互为相关，说明降尘中这3种元素的来源较为一致，而且季节差异不明显，因而其时空变异度相对较小(表 3). Ca、 Fe为常量元素，除春季外，夏、 秋、 冬三季的Ca、 Fe均具有相关性，而春季Ca、 Fe没有表现出明显的相关性，说明春季灰尘中元素受人为干扰和外界侵入的几率大于其它3个季节，来源相对复杂，或者大气本身不同空间高度颗粒物中元素含量也存在差异，因而，导致春季灰尘中元素含量在不同空间高度变异度最大.四季各元素含量多与Ca、 Fe相关，冬季各元素之间除Cr-Cu-Ni均互为相关外，Cd-Ni-Pb也互为相关，其相关性范围大于其它季节，说明冬季降尘中各元素来源互为交叉，其偶然输入几率较小，因而冬季各元素时空变异度最小.另外，春季和冬季Zn含量数据与其它元素没有任何相关性，夏、 秋季Cd含量与其它元素也没有相关性，Zn、 Cd在灰尘中四季的含量差异受空间高度变化的影响较大(图 3)，说明降尘中Zn和Cd来源最为独特和复杂，或受影响因素较多，两元素偶然输入的几率较大.

表 4(Table 4)

表 4 四季空间高度灰尘各元素相关性 (P值)1) Table 4 Correlation between elements in dust in different seasons 1)P＜0.05，表示具有相关性

表 4 四季空间高度灰尘各元素相关性 (P值)1) Table 4 Correlation between elements in dust in different seasons

(1)空间高度灰尘沉降通量季节变化总体表现为冬季灰尘沉降通量最大，春季次之，夏季最低.冬季灰尘沉降通量沿垂向空间高度的分布差异最大，其次是夏季，春秋两季灰尘沉降通量垂向空间差异较小.季节变化对低层空间平台灰尘沉降通量影响大于高层空间.

(2)春季灰尘中元素含量最高，秋季灰尘重元素含量相对较低.春季导致元素含量在不同空间高度的分异最明显； 元素含量随时空变化最大的是Zn，其次是Cd，变化较小的是Ca. Cd、 Pb和Zn在灰尘中含量的季节差异受空间高度变化的影响较大.

(3)空间高度灰尘中8种元素沉降通量季节变化的趋势是冬、 春>夏、 秋，冬季最高，夏季最低，其中冬季各元素沉降通量随空间高度的变异度最大.

(4)冬、 春季节大气逆温层和样点周边小环境可能是灰尘沉降通量和重金属元素含量升高的主要原因之一.