城市街道灰尘中重金属污染的气候与工业控制因素：来自两大都市磁学特征的启示

《Environmental Pollution》：Climatic and Industrial Controls on Heavy Metal Pollution in Urban Street Dust: Insights from Magnetic Signatures in Two Megacities

　　

关王|苏世光|黄匡|任飞凡|李哲浩|克里斯蒂安·泽登|王庆华|李文欣|吴一婷

上海科技大学环境与建筑系，中国上海200093

摘要

快速的城市化进程加剧了城市街道灰尘中的重金属（HM）污染，然而气候条件（尤其是湿度、降水模式和风化强度）以及产业结构如何共同影响重金属的积累、磁性载体及其相关风险，目前仍了解不足。我们选取了中国两个具有代表性的特大城市——上海和广州作为研究对象，分析了120个街道灰尘样本（每个城市60个样本），采用地球化学测量、正交矩阵分解（PMF）、扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM-EDS）和环境磁学参数进行了研究。上海显示出明显的工业污染梯度，北部工业区的重金属浓度最高，锌（Zn）、铜（Cu）和铬（Cr）的含量分别超过了当地背景值的4.3倍、3.8倍和2.4倍；平均锌含量达到352.71毫克/千克。相比之下，广州的污染呈现出多中心分布模式，存在多个污染热点，铅（Pb）和锰（Mn）的平均含量分别为96.30毫克/千克和850.78毫克/千克。PMF分析表明，上海的主要污染源是工业活动和燃烧过程，而广州则更多受到自然风化和交通影响的污染。这些PMF结果得到了磁学和微观观察的支持：上海的灰尘颗粒具有对χ_ARM敏感的信号，并含有光滑的类似飞灰的微球体；而广州的灰尘颗粒则对SIRM敏感，且含有多孔、腐蚀的颗粒。尽管两种城市的生态风险总体较低（上海平均风险指数为89.12；广州为78.46），但导致风险的主要因素有所不同。儿童由于体重较轻和吸入灰尘量较多，面临更高的非致癌风险。总体而言，磁学参数可以用于快速筛查重金属污染，但在解释结果时需考虑气候风化、产业结构和当地城市环境因素。

引言

快速的城市化和工业化使得特大城市成为环境污染的主要热点（Chen等人，2022年）。街道灰尘是由自然颗粒和人为排放物混合而成的混合物，在城市环境中既可作为重金属的汇，也可作为其二次来源（Aguilera等人，2022年）。铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）和铬（Cr）等有毒金属尤其值得关注，因为它们具有持久性、生物累积潜力，并通过吸入、摄入和皮肤接触对生态和人类健康造成不良影响（Chu等人，2023年；Isinkaralar等人，2024年）。因此，识别控制街道灰尘中重金属积累的因素对于城市环境管理至关重要。

在中国东部和南部地区，特别是在长江三角洲和珠江三角洲，由于强烈的工业和交通影响，街道灰尘中的金属浓度、来源组成及其相关的生态和健康风险存在显著差异（Tang等人，2022年；Wang等人，2019年）。气象条件如风力和降水作用以及地表和地形特征也会影响灰尘的沉积和再分布（Gao等人，2025年）。然而，大多数以往的研究仅关注单个城市或单一气候条件，主要将污染归因于交通或当地工业活动，而没有明确探讨区域气候和产业结构之间的综合影响（Guo等人，2021年）。因此，对城市街道灰尘的物理化学特性、金属结合行为及其环境意义的更广泛控制因素仍不够清楚。

这一研究空白很重要，因为不同排放和风化环境下的颗粒特征差异显著。高温冶金过程产生的颗粒具有与轻工业或车辆尾气产生的颗粒截然不同的矿物学和物理化学性质（Sabouhi等人，2020年；Zhong等人，2020年）。同时，湿润的亚热带气候促进了强烈的化学风化和土壤形成过程，这会改变背景矿物组成和金属的滞留能力（Li等人，2024年）。这些对比表明，在不同的宏观环境下，相同程度的城市化仍可能产生不同的污染模式、磁性载体特性和风险结构。

环境磁学提供了一种快速、灵敏且非破坏性的方法来追踪城市颗粒物污染（Nie等人，2016年）。诸如非滞后剩磁（χ_ARM）和饱和等温剩磁（SIRM）等磁学参数反映了氧化铁的浓度、矿物组成和粒径特征，这些氧化铁在排放、传输、沉积和沉积后转化过程中常常共存、吸附或携带重金属（Wang等人，2022年）。本研究中的“气候印记”一词指的是区域气候条件（特别是湿度、降水和风化强度）如何改变城市灰尘中这些磁性颗粒的矿物组成、粒径、表面结构和金属结合行为。高温燃烧通常会产生超细的单畴（SD）人造磁铁矿颗粒，而土壤形成和风化过程可能产生较粗的多畴（MD）颗粒或混合的Fe-Mn氧化物（Li等人，2021年）。因此，磁学特性不仅作为快速筛查指标非常重要，也是在不同气候和工业环境下追踪重金属载体颗粒的机制性工具。然而，磁性与重金属之间的关系往往基于经验进行解释，其背后的物理机制在这些不同环境中仍不确定（Li等人，2024年）。正交矩阵分解（PMF）提供了一种有效的方法，可以区分人为和自然来源，减少基于相关性的解释所带来的不确定性（Cao等人，2025年；Wu等人，2025年）。

为填补这些知识空白，本研究对比分析了上海和广州两个具有代表性的中国特大城市的街道灰尘。这两个城市具有较高的城市化程度，同时具有不同的气候和产业结构，因此为研究宏观环境对城市街道灰尘污染的控制提供了合适的比较框架。上海位于温带季风区，长期以来以重工业和化学工业为主（Jaffar等人，2017年）；而广州则位于湿润的亚热带地区，那里既有强烈的化学风化作用，也有轻工业和密集的交通活动（Chen等人，2025年）。这种双城市设计有助于减少单城市研究的局限性，为研究宏观环境对城市灰尘污染的控制提供了更广泛的基础。通过结合地球化学分析、环境磁学测量、PMF源解析和SEM-EDS观察，本研究旨在：（1）评估两个城市的重金属污染水平和空间分布；（2）量化自然和人为来源的相对贡献；（3）阐明不同气候和产业结构如何影响磁性载体特性及其与生态和健康风险的关系。本研究不仅仅是对以往单城市研究的简单扩展，而是利用比较框架来探讨气候和产业结构如何共同塑造城市街道灰尘中磁性特征的环境意义。

章节摘录

研究区域和样本采集

选择上海和广州作为两个对比鲜明的城市系统，以研究气候背景和产业结构如何共同影响街道灰尘中的重金属积累、磁性载体特性及相关环境风险。作为两个高度城市化的中国特大城市，它们具有不同的气候和产业结构，为本研究提供了合适的比较框架。上海位于长江三角洲，广州位于珠江三角洲，

街道灰尘的磁学特性

使用一系列对浓度、粒径和矿物组成敏感的磁学参数评估了上海和广州街道灰尘的磁学特性。本节探讨了这些参数在这两个城市中的空间分布、粒径范围及其污染影响（Maher等人，2016年）。

表2总结了上海和广州街道灰尘的磁学性质。在这两个城市中，所有主要磁学参数均显著高于当地背景值

结论

本研究调查了上海和广州的街道灰尘污染情况，以探讨不同气候和产业结构是否会导致磁性载体特性和重金属关系的差异。通过结合地球化学分析、正交矩阵分解（PMF）、环境磁学和扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM-EDS），我们应用了比较框架来评估污染源的相关模式和磁性载体

作者贡献声明

黄匡：撰写——审稿与编辑。苏世光：撰写——初稿、调查、数据管理。关王：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据分析、概念化。王庆华：数据分析。克里斯蒂安·泽登：撰写——审稿与编辑。李哲浩：调查。任飞凡：撰写——审稿与编辑。吴一婷：调查。李文欣：数据分析

未引用参考文献

Chen等人，2022年；Dearing等人，1996年；Isinkaralar等人，2024年；King等人，1982年；Li等人，2024年；Tang等人，2022年；Tang等人，2022年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了上海浦江计划（2024PJD813）、教育部开放基金支持的兰州大学）、国家自然科学基金（项目编号41874077）的财政支持。作者感谢华东师范大学河口与海岸研究国家重点实验室的Zhang伟国教授的帮助。