综述：公共交通微环境空气污染：暴露水平、监测方法与知识缺口的全球范围综述

《Sustainability》：Air Pollution in Public Transport Microenvironments: A Global Scoping Review of Exposure, Methods, and Gaps Juan J. Pacheco Tovar, Ana G. Casta?eda-Miranda, Harald N. B?hnel, Rodrigo Casta?eda-Miranda, Luis A. Flores-Chaires, Remberto Sandoval-Aréchiga, Jose R. Gomez-Rodriguez, Alejandro Rodríguez-Trejo, Sodel Vazquez-Reyes and Salvador Ibarra Delgado + 1 author

　　

与公共交通系统相关的空气污染是城市人群暴露的重要组成部分，具有高度异质性，也是可持续城市流动与环境健康治理面临的重要挑战。通勤者与交通从业人员经常暴露于超过环境背景监测网络所报告水平的污染物浓度中。本综述通过多维分析框架，综合全球范围内关于公共交通微环境（包括公交车、公交站、枢纽站及地铁站）空气质量的科学研究，该框架涵盖气候分类、社会经济背景、气象驱动因素、交通微环境类型、采样策略、分析技术与暴露指标。研究人员系统检视了大量已发表的国际同行评审文献，识别主导模式、方法学趋势与持续存在的知识缺口。跨区域证据表明，细颗粒物(PM2.5、PM10及超细颗粒物)、尤其是交通源气态污染物，在封闭或通风不良环境及高峰时段浓度显著升高。研究存在明显的地理、气候与社会经济不平衡：多数研究集中于温带与热带气候，且分布在极高或高人类发展指数国家，而干旱、大陆性及低人类发展指数区域的研究明显不足。在方法层面，现有文献以依赖主动采样、移动监测及日益增多的校准后低成本传感器的中短期监测为主，长期定点观测与标准化综合监测框架仍较稀缺。尽管化学表征、环境磁学、受体模型、计算流体动力学及吸入剂量评估等先进分析方法的应用日益增多，但其系统性整合仍然有限。总体而言，本综述揭示了持续存在的方法学、地理与概念性缺口，强调迫切需要标准化、跨学科及长期的监测策略，以提升暴露评估水平，支持循证减缓政策与可持续城市交通规划，降低公共交通相关空气污染的健康风险。

1. 引言

城市环境中的空气污染，尤其是环境空气污染，是全球公共卫生的重大环境风险之一，占呼吸系统疾病与心血管疾病负担的相当比例。在城市环境中，人群日常暴露的相当部分发生在交通相关微环境内，尤其是公共交通系统，车辆排放、局地气象条件与基础设施特征在此交汇。因此，公共交通空气质量是城市流动性、环境可持续性与人类健康的关键界面。尽管公共交通被广泛提倡为可持续城市流动的核心，以减少温室气体排放、交通拥堵及私家车使用的环境影响，但越来越多的证据表明，公共交通使用者与工作人员在日常通勤中可能面临升高的污染物暴露，特别是细颗粒物(PM_2.5和PM₁₀)、超细颗粒物及氮氧化物。超细颗粒物的物理化学表征日益依赖透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)及动态光散射(DLS)等先进技术，可在纳米尺度识别其形貌、粒径分布与化学组成。此类暴露水平受车队特征、交通强度、空间封闭程度、通风效率及运营条件强烈影响。既往研究显示，公共交通微环境（包括公交车、站点、车站及地铁系统）具有区别于一般城市背景的污染动态。封闭或地下车站常因外部来源及机械磨损、颗粒物再悬浮等内部过程而出现显著的颗粒物累积；而开放站点与地面车辆的暴露则与交通密度、城市形态及局地气象条件密切相关。尽管相关研究数量不断增加，现有文献在方法路径、时间分辨率及地理覆盖上仍高度异质。极高人类发展指数国家（主要在欧洲、北美及部分亚洲地区）的研究普遍依赖标准级仪器、长周期监测及先进的扩散与暴露模型；相比之下，高及中等人类发展指数地区（包括拉丁美洲、非洲及南亚）的研究更多采用中期监测与低成本传感器技术，虽可扩大空间覆盖，但在长期连续性与详细化学表征方面常存在局限。此外，多数证据来自温带与热带气候，干旱、大陆性及极地地区研究不足，限制了研究发现对不同气候背景的可迁移性。基于此，本综述通过整合气候、社会经济、方法及气象因素，批判性审视并比较公共交通系统空气质量的科学文献，基于约147项全球已发表研究，提供最新研究进展的综合，并展望未来研究方向，以改善暴露评估、支撑减缓策略，推动更健康、更可持续的城市交通系统建设。

2. 材料与方法

本研究采用范围综述方法，系统检索并分析公共交通系统中空气质量与人类暴露的同行评审研究。文献检索覆盖国际索引期刊，无出版年份限制，要求研究方法与结果描述清晰。检索数据库包括Web of Science、Scopus及ScienceDirect，并以Google Scholar补充检索可能未被完全索引的区域性研究。检索词围绕三个主题构建：(i)公共交通（如公交车、地铁、BRT、车站、公交站）；(ii)空气质量与暴露（如PM_2.5、PM₁₀、超细颗粒物、气态污染物、吸入剂量）；(iii)方法学路径（如监测、低成本传感器、磁监测、化学分析、建模）。仅纳入英文或西班牙文的同行评审论文，排除会议论文、技术报告、学位论文及非同行评审文件以确保科学性。经去重与筛选，最终纳入147项研究进行分析。

研究人员从每项研究中提取地理区位、公共交通系统与微环境类型、目标污染物、监测策略与仪器、监测时间尺度、气象变量、分析与建模技术及暴露与健康相关性指标，并按五个互补标准进行分类：柯本-盖格气候分类、人类发展指数(HDI)社会经济分类、交通微环境与采样策略、分析技术、气象变量。柯本-盖格分类用于评估气候条件对污染物行为、扩散与暴露的影响；HDI分类用于评价研究覆盖、技术可及性与方法学复杂度的差异；微环境分类涵盖车内、站点、车站、地铁及枢纽；分析技术分为化学分析、磁监测、建模及剂量评估四类；气象变量则系统记录温度、湿度、风速风向、降水、气压及太阳辐射等信息及其数据来源。最终采用定性与半定量比较综合，而非荟萃分析，重点识别一致模式、方法局限、地理与气候缺口及新兴趋势，阐释方法选择、气候条件与社会经济背景如何影响公共交通系统中的暴露水平。

3. 结果与讨论

3.1 洲际分布

现有研究在时间覆盖与空间范围上存在实验设计局限，多为短期或孤立监测，难以识别日变化与季节变化；同时缺乏车内与车外同步监测，限制了对污染物渗透过程与暴露梯度的评估。研究呈现显著地理不平衡：多数集中在欧洲、北美与亚洲，撒哈拉以南非洲、拉丁美洲与大洋洲研究不足，即使在全球污染最严重的一些南亚与非洲城市，针对公交站点或车内暴露的研究也较少。这种覆盖缺失限制了全球结论的外效度，因为车队老化程度、燃油质量及极端气候等与高暴露风险相关的本地条件可能与已充分研究的区域存在显著差异。技术限制亦制约研究进展，传统环境采样设备体积大、成本高，限制了传感器布设数量与采样点密度；多数研究聚焦于PM_2.5与PM₁₀，对其他相关污染物（如NO_x、CO及超细颗粒物）关注不足。此外，学科视角狭窄，多数研究仅量化污染物浓度，未将暴露与排放源或健康影响直接关联，也较少整合热舒适、噪声、视觉压力等其他影响乘客福祉的因素，工程监测研究与流行病学或公共卫生研究之间整合薄弱，且缺乏沿完整出行链的“门到门”个人暴露评估。

3.2 柯本-盖格气候分类

热带气候区研究相对集中，高温高湿条件影响封闭微环境内的污染物扩散与累积，交通驱动的颗粒物再悬浮是PM_2.5与PM₁₀的主要来源，通勤者与驾驶员为高风险人群。方法上多采用低成本传感器连续监测、被动采样器及个人暴露模型，多个研究显示PM_2.5浓度超过世界卫生组织指南值，尤其在交通走廊沿线，但普遍存在监测周期短、空间代表性有限及颗粒物化学与磁表征不足的局限。

干旱-半干旱气候区研究稀少，低湿与强辐射有利于矿物粉尘与城市地表颗粒物再悬浮，机动车排放与路面磨损贡献显著，光化学二次污染物（尤其是臭氧）在强辐射期构成额外暴露风险，方法以车载移动传感器与固定站点监测为主，但仍缺乏长期连续数据、化学表征及磁示踪分析。

温带气候区研究最多，方法学最为多样，包括移动监测、计算流体动力学(CFD)模拟及正定矩阵因子分解(PMF)等受体模型，环境磁学亦作为交通源金属颗粒的替代指标得到应用。结果一致显示封闭或半封闭环境（如地下车站与隧道）污染物浓度高于开放站点或地面车辆，电动与混合动力车队的暴露水平低于柴油车队，但短期监测与化学-磁表征整合不足仍是主要局限。

大陆性气候区研究数量居中，季节性是暴露模式的关键驱动因素，冬季因采暖、大气稳定性增强及机动车排放叠加导致颗粒物与气态污染物浓度升高，夏季扩散条件改善但光化学臭氧与细颗粒物增加。方法包括个人监测、低成本传感器布设及基于出行模式的暴露模型，但监测周期短、空间覆盖有限、与人群健康数据整合不足及冷暖季系统比较缺失等问题突出。

极地气候区无任何相关研究，反映了该区域人口密度低及公共交通基础设施发展有限的现状，但随着北极地区城市活动扩张，这一空白亟待填补。

总体而言，现有文献严重偏向温带与热带气候，干旱、大陆性及极地地区研究不足，且不同气候区的方法学差异影响了结果的跨区可比性。

3.3 人类发展指数(HDI)

极高HDI国家研究产出最多，方法学多样，技术先进，且与可持续流动政策紧密结合，广泛采用高精度标准仪器、大气扩散模型、CFD模拟及PMF源解析，并逐步整合校准后的低成本传感器以扩大空间覆盖。研究一致表明细颗粒物、超细颗粒物及氮氧化物是主要暴露驱动因素，主要与柴油车队运行相关；车队电动化与化石燃料限制措施已显示出污染物削减效果。

高HDI国家研究结合了常规方法与新兴路径，但受基础设施与资金约束，暴露水平总体更高且变异性更大，主要归因于老旧车队、有限的排放控制技术及电动化推进缓慢。

中等HDI国家研究聚焦于快速增长城市中拥挤交通系统下的严重暴露状况，老化车队与低质柴油燃料导致公交与车站颗粒物浓度频繁超标，虽有部分研究应用低成本传感器，但多数依赖常规采样与化学分析，技术与管理缺口限制了从高HDI地区转移减缓策略的可能性。

低HDI国家无任何相关研究，反映出技术能力、监测基础设施与资金的系统性限制，而该地区非正式交通系统、老旧车辆与低质燃料的普遍存在意味着潜在暴露风险可能更为严峻。HDI层面的不平等凸显了环境监测能力与科研资源的全球差距，也对可持续流动规划与公共卫生政策构成挑战。

3.4 气象因素

温度与相对湿度是所有研究中最常被记录的参数，直接影响污染物扩散、再悬浮及二次污染物形成过程。风速与风向则通过改变开放环境的通风状况及污染气团向半开放站点的侵入，显著影响乘客暴露水平。降水被一致认为是有效的颗粒物清除机制，可在降雨后显著降低浓度。然而，大气压与太阳辐射的记录极少，且大量研究依赖外部气象站数据，可能无法代表微环境尺度的真实状况。温度与低湿、低风速的组合常与非洲城市峰值PM浓度相关，而季节变化则在温带与大陆性气候中主导暴露的年际差异。现有研究在气象要素整合上仍存在缺口，限制了跨研究比较与暴露机制的深入解析。

3.5 采样策略

主动采样是最主流的方法，主要用于站点与车站的高分辨率时间序列获取；移动监测主要用于刻画公交车出行过程中的个人暴露；定点监测多用于地铁与枢纽的长期序列；被动采样虽应用较少，但在资源有限地区的空间扩展中具有重要价值。监测周期以周至月的中期为主，长期监测（>1年）极为稀缺，且仅集中于地铁系统。微环境覆盖上，车站与公交车研究最多，公交站点次之，地下地铁与枢纽研究最少。不同方法在时空尺度上呈现明显聚集：主动采样集中于中期活动与城市车站，定点监测与长期序列紧密关联，移动监测聚焦车内动态暴露，被动采样则集中在公交站点与资源受限地区。长期监测在站点与公交车内的缺失，限制了慢性暴露评估与季节模式识别。

3.6 样品分析方法

化学分析以电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)与电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)为核心，用于颗粒物中多元素定量，辅以扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)进行单颗粒形貌与元素组成表征，X射线荧光光谱(XRF)则作为非破坏性、近实时多元素监测的补充手段，三者结合可有效识别机动车磨损、道路涂料、化石燃料燃烧及扬尘等来源。

环境磁学作为成本较低、分析快速的替代方法，通过低频磁化率(χ_lf)、饱和等温剩磁(SIRM)、磁滞参数及一阶反转曲线(FORC)等指标，表征与交通源相关的铁磁性颗粒物，尤其适用于高密度采样网络布设，但其信号主要反映铁磁性组分，需与化学分析及SEM-EDS验证结合使用。

建模方法涵盖统计模型（回归、时间序列分解）、空间模型（结合GIS与机器学习）、物理模型（CFD）及剂量模型，分别用于揭示暴露的时间规律、空间异质性、微环境扩散机制及个体吸入剂量，多种模型的整合提升了从浓度到健康风险的推断能力。

吸入剂量评估逐渐从概念走向定量，通过浓度-呼吸速率-时间框架或结合心率数据的生理模型，证实公共交通单次出行可贡献日PM_2.5剂量的30%~90%，且不同交通模式、年龄性别及通风条件下存在显著差异，凸显了剂量指标在健康风险评估中的重要性。

正定矩阵因子分解(PMF)作为受体模型的主流，在高质量化学数据集支持下可实现稳健的源解析，区分交通排放、扬尘、生物质燃烧及工业贡献等，但在数据有限情境下仍需依赖简化方法。

计算流体动力学(CFD)模拟通过数值求解流体运动方程，评估通风系统、站点几何设计与城市形态对污染物扩散的影响，已在优化站台屏障、改进车内通风与过滤方案中得到应用，为工程干预提供了量化依据。

3.7 对可持续城市流动的意义

公共交通是可持续城市流动转型的核心，但本综述证实其微环境也可能成为高浓度污染物暴露场所，尤其在高峰时段或通风不良条件下。可持续流动策略需超越城市尺度减排目标，将交通环境本身的空气质量纳入考量，通过推广清洁车辆技术、优化通风与站点设计、在交通廊道周边配置绿色基础设施等措施，降低乘客与工作人员的暴露风险。移动监测平台、低成本传感器网络及环境磁学等新兴技术的整合，可为热点识别与政策评估提供高分辨率数据支撑，直接服务于联合国可持续发展目标(SDG 3、SDG 11与SDG 13)。

3.8 面向可持续政策设计的建模支持

建模工具为政策制定提供科学依据：CFD模拟可量化基础设施设计对污染物扩散的影响，支撑通风改造与站点布局优化；PMF源解析可明确不同排放源的贡献比例，指导靶向管控；吸入剂量模型则将浓度数据转化为健康风险指标，支持基于人群暴露的优先级排序。三类模型的整合应用，有助于构建从监测数据到政策行动的证据链条，推动公共交通空气质量管理的精细化与实效化。

4. 结论

公共交通系统的空气污染是城市人群暴露中被系统性低估的重要组成。跨区域证据一致显示，通勤者与交通从业人员的污染物暴露水平常超过固定环境背景监测值，细与超细颗粒物是核心驱动因子，在封闭、通风不良及高峰运营条件下尤为突出。当前全球研究存在显著结构性失衡：知识高度集中于温带与热带、极高与高HDI国家，干旱、大陆性及低HDI地区严重缺失；方法学以中短期主动与移动监测为主，长期定点观测与标准化整合框架稀缺。环境磁学作为一种快速、低成本、非破坏性的交通源颗粒物示踪工具，在本领域应用严重不足，错失了在数据匮乏地区提升监测可行性与源解析能力的机会。未来需优先推进方法学整合、长期监测及欠代表区域的覆盖，强化环境监测、城市规划与公共卫生的跨学科协作，构建标准化、多技术融合的监测与评估体系，为降低公共交通相关健康风险、实现真正可持续的城市流动提供坚实的科学支撑。