中國北方半干旱城市呼和浩特市大氣降塵中潛在有毒元素的地球化學特征及其特定來源的健康風險
《Journal of Hazardous Materials》：Geochemical characteristics and source-specific health risks of potentially toxic elements in atmospheric dustfall in Hohhot, a semi-arid city in northern China
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時間：2026年03月03日
來源：Journal of Hazardous Materials 11.3
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大氣降塵中16種可能有毒元素（PTEs）在呼和浩特的時空分布、來源解析及其健康風險研究表明，自然源（Fe、Ti等）貢獻率達83.8%，但燃煤和交通排放等人源源主導健康風險，需從總降塵控制轉向精準管控人為毒性排放。
關夢夢|孫文靜|孫冰|趙曉琴|馬軍|王鳳蘭|周海軍
內蒙古師范大學地理科學學院，中國呼和浩特 010022
摘要
大氣降塵是半干旱城市顆粒物的主要來源，但由于背景灰塵水平較高，相關健康風險的具體驅動因素仍不清楚。以往的研究將來源歸因和風險評估分開進行。這種分離方法無法揭示主要的質量貢獻者是否與主要的健康風險驅動因素一致。為了解決這一問題，研究人員從呼和浩特（一個具有代表性的半干旱城市）的10個城區地點和一個郊區背景地點收集了129個大氣降塵樣本。本研究調查了16種潛在有毒元素（PTEs）的時空分布、來源及其特定健康風險。結果表明，來自自然來源的PTEs（如Fe、Ti、Mn和Ba）是主要成分，其沉積通量分別為8388、438.8、91.1和62.6公斤/（平方公里·年）。相比之下，人為來源的PTEs（如As、Ni、Cr、Cd）的濃度和沉積通量相對較低。地殼來源是降塵中總元素濃度的主要貢獻者（占83.8%），而工業來源（7.9%）、煤炭燃燒（5.8%）以及車輛排放和灰塵的混合來源（2.4%）的貢獻相對較小。非致癌風險主要歸因于煤炭燃燒，而致癌風險主要與煤炭燃燒、工業來源以及車輛排放和灰塵的混合來源有關。此外，鑒于呼和浩特較高的自然背景沉積量，自然來源對健康風險的貢獻不可忽視。這些發現挑戰了減少總灰塵量就能有效降低風險的假設。我們提出了一種從一般性除塵向精確控制半干旱地區有毒人為排放轉變的范式。
引言
大氣降塵在清除和輸送有害物質（如潛在有毒元素（PTEs）和持久性有機污染物方面起著關鍵作用[1]。它直接關系到生態安全和人類健康[2]。在干旱和半干旱地區，這種情況尤為明顯，因為這些地區的沙塵事件頻繁發生，既是顆粒物的主要來源，也是其匯[3]、[4]。先前的研究[5]、[6]、[7]表明，沙塵暴顯著增加了PM2.5中PTEs的健康風險。在全球沙塵事件增加的背景下，關于半干旱地區大氣降塵中的PTEs與健康風險之間的關系知之甚少。在降塵的各種成分中，PTEs因其毒性、持久性和生物累積潛力而備受關注。即使在微量水平下，PTEs也可能引發一系列不良健康效應，包括神經系統損傷、發育問題以及多種癌癥[8]、[9]。因此，全面了解大氣降塵中PTEs的地球化學特征、來源及其特定健康風險至關重要。
半干旱地區是一個獨特而脆弱的生態系統，其特點是植被稀疏、降水量低、蒸發率高等[10]。這些自然條件使得地表極易受到風蝕的影響，導致頻繁且強烈的沙塵暴[11]、[12]、[13]、[14]。同時，許多半干旱地區正在經歷快速的城市化、工業擴張和農業活動的加劇，以支持人口增長[15]。這種雙重壓力導致了自然來源（如地殼風化、長距離塵埃傳輸）和人為來源（如工業排放、交通尾氣、煤炭燃燒）的復雜混合，從而增加了大氣降塵中的PTEs負荷[16]、[17]。日益嚴重的干旱加劇了全球塵埃排放，導致沙塵暴更加頻繁[18]、[19]。這些風暴導致伊拉克、敘利亞和伊朗等干旱和半干旱地區的呼吸系統相關醫療就診和傷亡人數急劇增加[20]。降塵中的PTEs導致了高發病率和過早死亡[21]。一些研究[22]、[23]還表明，長期暴露于室內或工作場所的PTEs會對人類健康產生顯著的不良影響。作為典型的半干旱城市，呼和浩特在春季經常發生沙塵暴，導致顆粒物濃度和塵埃通量同時激增。這不僅對當地居民構成直接健康風險，還可能通過氣流傳播，引發跨地區的健康危害[24]、[25]。區分這些來源并評估它們的影響是一項重大挑戰，但對于制定有效的緩解策略至關重要。
迄今為止，已有大量關于大氣降塵中PTEs污染的研究。以往的研究成功地量化了PTEs的濃度水平，并使用富集因子、地質累積指數和生態危害指數對其污染狀況進行了評估[2]、[26]、[27]。此外，正矩陣分解（PMF）和主成分分析也被廣泛用于確定這些PTEs的來源[1]、[28]。健康風險評估模型也被用來估計暴露于降塵中的PTEs所帶來的潛在非致癌和致癌風險[1]。盡管有這些寶貴的貢獻，但仍存在一個關鍵的知識空白。大多數研究將來源歸因和健康風險評估視為獨立的分析部分。重要的是，缺乏將識別的健康風險定量追溯到具體來源的研究。這種脫節阻礙了確定主要風險驅動因素并制定有針對性的、特定來源的控制措施的能力，尤其是在半干旱地區的復雜環境背景下。
為了填補這一關鍵空白，本研究系統地調查了半干旱地區大氣降塵中的PTEs污染。主要目標包括：（1）研究呼和浩特大氣降塵中PTEs濃度和沉積通量的時空變化；（2）使用PMF模型量化大氣降塵中PTEs潛在來源的貢獻；（3）評估當地成人和兒童的非致癌和致癌健康風險；（4）創新地將健康風險評估與來源歸因結果相結合，以定量地將健康風險歸因于具體來源。這項研究可以為環境部門提供有力的科學證據，以便優先處理污染源并實施精確的控制策略，從而保護這些生態脆弱地區的公共健康。
研究區域和采樣
呼和浩特位于黃土高原的北部邊緣，毗鄰蒙古高原，是農業區和牧區之間的過渡地帶。由于煤炭資源豐富，該市的能源結構以煤炭為主。從氣候學角度來看，該市具有典型的半干旱大陸性季風氣候，年平均降水量約為390毫米，年平均蒸發量約為2000毫米，因此氣候通常較為干燥[29]。
PTEs濃度和沉積通量的時空變化
圖2展示了2020年5月至2021年4月呼和浩特大氣降塵通量的時空變化。降塵通量范圍為1.66至39.8噸/（平方公里·30天），平均值為8.58 ± 6.95噸/（平方公里·30天）。降塵通量的月度變化順序為：5月（24.1噸/（平方公里·30天）> 3月（18.5噸/（平方公里·30天）> 4月（10.6噸/（平方公里·30天）> 6月（9.40噸/（平方公里·30天）> 1月（5.84噸/（平方公里·30天）> 2月（5.42噸/（平方公里·30天）> 10月 ≈ 7月（5.41噸/（平方公里·30天）> 8月結論
以典型的半干旱城市呼和浩特為例，本研究系統地分析了大氣降塵中PTEs的時空分布、來源及其特定健康風險。結果表明，盡管自然來源貢獻了大部分PTEs的沉積通量，但煤炭燃燒和交通排放等人為來源是驅動人類健康風險的關鍵因素。
環境意義
本研究揭示，在半干旱地區，自然來源主導了元素沉積，但人為排放（如煤炭燃燒、交通）是健康風險的主要驅動因素。因此，環境管理必須從一般性除塵轉向精確的特定來源控制。控制這些特定的人為排放對于減輕健康風險至關重要，特別是對兒童而言，并為有效的污染控制提供了科學依據。
作者貢獻聲明
馬軍：寫作 – 審稿與編輯。王鳳蘭：寫作 – 審稿與編輯。周海軍：寫作 – 審稿與編輯、可視化、資金獲取、概念構思。關夢夢：寫作 – 初稿撰寫、可視化、驗證、方法學、正式分析、數據管理。孫文靜：可視化、驗證、正式分析、數據管理。孫冰：寫作 – 審稿與編輯、監督、正式分析、數據管理、概念構思。趙曉琴：寫作 – 審稿與
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所報告的工作。
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