理解集约型资源开发附近社区中的环境悬浮尘与沉降尘，以改进监测与减缓措施

《Atmospheric Pollution Research》：Understanding Ambient and Settled Dust in Communities Near Intensive Resource Development to Improve Monitoring and Mitigation

　　

摘要

在人类活动或自然活动导致地壳物质扰动的区域，悬浮尘和沉降尘构成了一个重大的环境问题。气候变化和景观变化可能会在全球范围内加剧扬尘问题。位于加拿大阿萨巴斯卡油砂地区的因纽特和梅蒂斯社区Fort McKay（以下简称FM），数十年来一直面临扬尘水平升高的问题，担忧也日益加剧。本研究结合了两年的环境颗粒物（PM）测量数据（分辨不同粒径和时间尺度）以及每月沉降尘样本，以记录社区层面的负荷，并更好地表征扬尘沉积事件，从而改善监测和缓解策略。Fort McKay每月的沉降尘量在整个社区范围内都很高，经常超过居民区指导标准，且高于该地区其他监测地点。基于环境PM数据的沉积估算显示，沉积主要由PM>10主导，但一致的低估也凸显了方法学上的局限性。对24小时累积PM样本的分析揭示了扬尘沉积事件具有强烈的间歇性特征：约40%的天数贡献了75%的累积PM质量，而小时级数据显示30%的小时即贡献了相同比例的PM2.5-10质量。扬尘事件平均持续时间为3.5 ± 1.2小时，特征为短时但强度极高的峰值。PM2.5-10与PM>10之间存在中等相关性（r=0.62）且间歇性特征相似，这表明PM2.5-10可以作为PM>10的合理替代指标，有助于识别扬尘事件并实时追踪沉积变化。这些发现强调了在受扬尘影响的区域需要捕捉间歇性、粗粒径PM暴露的重要性，并实施有针对性的监测和监管框架，以解决附近社区所承受的不成比例的暴露负荷问题。

引言

近期对环境颗粒物（PM）的研究更加关注细颗粒物（PM2.5——空气动力学直径<2.5 μm的颗粒），因为其对人类健康影响巨大（Bu et al., 2021; Dockery et al., 1993; Fann and Risley, 2013; Sharma et al., 2020; Villeneuve, 2002），并已成为全球及北美大部分PM相关监管政策的重点（BC MOECCS, 2019; Government of Alberta, 2024; US EPA, 2025）。在大部分监管政策所针对的城市环境中，PM2.5及更小颗粒通常主导总悬浮颗粒物（TSP）的粒径分布（Brook et al., 1997; Deng et al., 2025）。对PM2.5的关注导致较大粒径（即PM10——空气动力学直径<10 μm的颗粒——以及TSP）在影响评估和监测方面被忽视，尽管它们对人类健康和生态系统具有潜在影响（Chandra et al., 2021; Di Vaio et al., 2018; Galindo et al., 2018; Goudarzi et al., 2018; Griffin et al., 2001; Idani et al., 2020; Ihsan et al., 2023; Khan et al., 2025; Kotsyfakis et al., 2019; Sah et al., 2019; Tun et al., 2018; Yunesian et al., 2019）。这些较大粒径与干旱或半干旱地区有关（Schepanski, 2018），某些工业活动如建筑（Noh et al., 2018; Pianalto and Yool, 2013; US EPA, 2022; Wang et al., 2023）、采矿（Berryman et al., 2024; Chakradhar, 2004; Deng et al., 2025; Kahraman and Erkayaoglu, 2021; US EPA, 2022）、采石场（Sairanen et al., 2018; US EPA, 2022）和农业（Bracamonte-Terán et al., 2023; Meza-Montenegro et al., 2012; US EPA, 2022）可能是重要的扬尘源。扬尘沉积到地面和建成环境可能造成显著的困扰（Hunt, 2011; Machado et al., 2018; NZ MfE, 2016），并可能通过PM10吸入暴露（California Air Resources Board, 2025; World Health Organization, 2021）和/或通过PM>10食入暴露（Attah et al., 2024; Bracamonte-Terán et al., 2023; Cowley et al., 2025; Lang et al., 2023; Meza-Montenegro et al., 2012）带来健康风险。居民所经历的扬尘困扰通常与测量的沉降尘量相关联（NZ MfE, 2016）。沉降尘标准或指导方针（以通量单位质量/面积/时间表示）用于量化和最小化此类影响（Government of Alberta, 2024; Government of British Columbia, 2020; Government of Northwest Territories, 2023; Government of Ontario, 2020; Government of Quebec, 2025）。沉降尘监测涉及放置开放式容器以在规定的时间内收集沉降尘（Hunt, 2011; NZ MfE, 2016）。这种被动监测类型所涉及的长采样时间限制了将扬尘活动与沉降尘水平联系起来的能力。将沉降尘与特定时间段和扬尘源联系起来需要对较大粒径分数进行连续或短期时间累积监测，并建立这些连续PM或时间累积测量值与沉降尘之间的关系。

Fort McKay First Nation和Fort McKay Métis Nation（在此统称FM）是一个小型原住民和梅蒂斯社区，位于加拿大艾伯塔省阿萨巴斯卡油砂地区（AOSR）油砂开采和沥青砂升级活动的中心地带。该社区受到多种与油砂开发有关的大气排放影响（Gosselin et al., 2010; Horb et al., 2021），其中之一是与露天采矿活动相关的扬尘（Behr, T.; Cartwright, A.; Spak, 2019; Stuart, R.; Oloriz, C.; Zorrilla, 2009）。加拿大环境部长的油砂咨询小组报告将扬尘确定为需要考虑额外监测的大气质量问题（Gosselin et al., 2010）。加拿大多个省级和地区级政府都制定了沉降尘指导方针（Government of Alberta, 2024; Government of British Columbia, 2020; Government of Northwest Territories, 2023; Government of Ontario, 2020; Government of Quebec, 2025），但在艾伯塔省并未作为监管问题进行跟踪（Government of Alberta, 2024）。

此前在AOSR开展的短期监测和分析研究已识别出显著的环境空气逸散扬尘成分（Gopalapillai et al., 2019; Graney et al., 2017; Landis et al., 2019, 2017, 2012; Mamun et al., 2021; Phillips-Smith et al., 2017; Wentworth et al., 2018; Wren et al., 2020）。Wren et al.（2020）在Fort McKay中识别出8种常见的污染物混合类型，其中一种以直径10-20 μm的颗粒为特征（Wren et al., 2020）。与环境扬尘水平相关的危害包括：对附生地衣的沉积（Landis et al., 2012）；多环芳烃类化合物（PACs）和甲基汞对雪的高沉积（Kirk et al., 2018）；以及一个对FM附近PM2.5有显著贡献的实时扬尘相关化学组分（Phillips-Smith et al., 2017）。基于2016-2017年数据，FM地区PM10的年度第98百分位值为45 μg/m3，PM2.5/PM10比值为0.4（Mamun et al., 2021），表明这是一个以扬尘为主导的环境（Abuelgasim and Farahat, 2020; Fan et al., 2021; Santos et al., 2025）。Mamun et al.（2023）利用PM2.5和PM2.5-10（也称粗颗粒物）数据完成了FM地区干湿沉积的预测，其中88%的元素干沉积归因于地壳元素。缺乏>10 μm颗粒的数据限制了理解扬尘和沉降尘在FM以及油砂地区所产生的影响的能力。扬尘活动如运输道路交通、土地清理、材料堆放和其他采矿作业在油砂地区持续进行，但将扬尘输送到FM所需的气象和风蚀条件是短暂性的（Wang et al., 2015），可能导致PM10和PM>10升高的短时期间。依赖连续的PM2.5测量和每6天一次的PM2.5测量以及每6天一次的PM10测量很可能严重低估了扬尘水平及其影响。基于滤膜1/6天采样是PM2.5和PM10的常用协议（Bortnick and Stetzer, 2002; Government of Alberta, 2024; US EPA, 2025），但通常被次于TSP处理。

2022年，基于居民持续的扬尘投诉和对既有矿场计划扩建和拟建扩建导致扬尘水平增加的担忧（Behr, T.; Cartwright, A.; Spak, 2019; Giove, 2025, 2019; Syncrude, 2014），FM获得了联邦-省级油砂监测计划下的资金，开展扬尘监测和分析项目。该项目的目标是在社区内测量沉降尘和TSP水平，以定量评估社区内扬尘问题的严重程度和频率，并确定影响社区的扬尘源的位置和类型（Abel, Ryan, 2022; Government of Alberta, 2022）。项目的次要目标是评估可能的长期扬尘相关监测选项，为省级沉降尘和TSP标准的更新讨论提供信息（两者自1975年制定以来均未更新）（Government of Alberta, 2024），同时也需要证明应考虑到建立省级PM10空气质量目标。

本研究的数据分析方法基于以下假设：FM地区的扬尘影响主要由粗颗粒和PM>10颗粒主导，具有高度间歇性特征，且以PM2.5为重点的现有监测策略难以充分表征。本研究综合了现有数据以：i）量化FM地区沉降尘相对于AOSR其他社区的情况；ii）通过简化的干沉积估算考察沉降尘与环境粒径分级PM浓度之间的关系；以及iii）探索FM地区扬尘事件的时间尺度，以使监测策略与潜在的缓解措施相匹配。这些发现将有助于为FM及其他受大型工业运营逸散扬尘影响的社区的扬尘监测和缓解工作、困扰评估及监管方法提供信息。

研究区域片段——阿萨巴斯卡油砂地区和Fort McKay, AB

研究地点位于艾伯塔省东北部，在一个油砂地区内。该省的地图如图1所示，研究区域以红色标记为中心。该地区最大的城市中心是Fort McMurray, AB，位于Fort McKay以南约60公里处。所有沉降尘采样点，由Wood Buffalo环境协会（WBEA）或Fort McKay可持续发展部门（FMSD）采样，均位于阿萨巴斯卡油砂地区范围内。

观测到的沉降尘

WBEA区域扬尘监测研究2022-2024整个监测期的结果如图1所示。这些信息也作为时间序列在补充图S1中展示。FM地区的沉降尘量远高于其他地点，平均月沉降尘通量经常超过艾伯塔省居民/休闲沉降尘指导标准。在24个月的监测期中，FM地区的沉降尘指导标准被超过17次。FMBG的平均沉降尘量（64 mg/100 cm2/30 d）

讨论

本研究表明，FM在AOSR研究地点中经历了最高的沉降尘量，其扬尘沉积以强烈的时间变异性为特征，社区内部存在一些轻微的、非显著的地方效应。FM沉降尘有近20%的时间持续超过AAAQG居民和休闲指导标准一倍以上，为长期存在的社区担忧提供了定量证据。FM各监测点之间的一致性表明……

结论及对其他社区的启示

本研究表明，FM相对于AOSR其他地区经历了不成比例的高沉降尘量，且这些影响主要由粗颗粒和超粗颗粒物主导。在有沉降尘监测数据的24个月中，有17个月的月沉降尘总量超过了现有指导标准。在沉降尘收集月份内，平行的时间累积和环境连续测量表明沉积具有高度间歇性，短时事件……

CRediT作者贡献声明

Gregory J Evans：撰写——审阅与编辑、监督。David R. Spink：撰写——审阅与编辑、方法学、调查、资金获取、形式化分析。Jeffrey R. Brook：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。Kristin G.L. Iorio：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、验证、软件、方法学、调查、形式化分析、数据整理。Danlin Su：撰写——审阅与编辑、验证、调查……

未引用参考文献

Abel, 2022; Behr et al., 2019; Esri Inc., 2026; Government of British Columbia, 2020; Government of Northwest Territories, 2023; Government of Ontario, 2020; Stuart et al., 2009。

生成式AI声明

本文稿的撰写过程中未使用任何生成式AI。

数据可用性声明

本研究中使用的全部数据可通过Wood Buffalo环境协会获取（时间累积和连续数据）。相关代码可在要求下提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文稿中报告的工作。

致谢

本工作部分由自然科学和工程研究委员会（BCPIR 549306-2021）和油砂监测（OSM）计划（B-CM-34-2526）资助。本工作与OSM的任何立场无关。

弗特麦凯社区尘埃沉降监测计划由弗特麦凯原住民部落和弗特麦凯梅蒂斯族成员构想、领导并运营。收集的数据是根据原住民数据治理原则处理的，其中涉及数据所有权、控制权、访问权限以及Kristin G.L. Iorio|Danlin Su|David R. Spink|Gregory J. Evans|Jeffrey R. Brook 多伦多大学化学工程与应用化学系，加拿大安大略省多伦多市学院街 200 号，M5T 3E5