《Journal of Hazardous Materials》：How Do Sandstorms Reshape Urban VOC Exposure and Health-Risk Structure? Evidence from a Typical Event in an Arid Chinese City
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沙尘暴期间PM2.5和挥发性有机物（VOC）浓度变化及其健康风险重构研究。基于银川生态系统研究站的高时间分辨率观测数据，结合USEPA吸入风险评估和随机森林模型，分析沙尘暴前、中、后三个阶段VOC暴露与风险演变。研究发现沙尘暴期间PM2.5显著升高而TVOC总体下降，但高毒性非甲烷挥发性有机物（OVOC）和卤代化合物占比上升，致癌风险普遍超过10^-6，成人体内暴露风险最高，气象条件（如气压）通过改变污染物扩散和沉降过程影响风险。研究揭示了沙尘暴重构污染物暴露混合物及人群风险结构的机制，为干旱区极端天气下的污染控制提供科学依据。
Cai LuLu|Wang LinZhen|GuangYao Shi|Liu ChengGong|LiangJin Yao|Li Hu|LingTong Du|XiLu Ni|Yang Hu|DanBo Pang
宁夏大学林业与草业学院/中国西北地区土地退化与生态修复国家重点实验室育种基地，中国银川750021
摘要
干旱地区城市频繁遭受沙尘暴侵袭，同时面临颗粒物和有毒气态污染物的双重影响，但关于气态挥发性有机化合物（VOC）暴露及其相关健康风险在沙尘暴条件下的变化机制，目前仍缺乏定量证据。本研究利用银川城市生态系统研究站对一次典型沙尘暴的高时间分辨率观测数据，结合美国环保署（USEPA）的吸入风险评估方法和随机森林模型，量化了沙尘暴前后不同阶段的暴露风险变化及气象驱动因素。沙尘暴期间PM2.5浓度显著升高，而TVOC浓度从36.14 × 10-9降至20.76 × 10-9，部分成分有所回升。尽管VOC总体浓度下降，但高风险物质（如丙烯醛和乙醛）及卤代化合物（1,2-二氯乙烷和萘）的风险贡献增加，其中某些物质的致癌风险超过10-6。成年人面临的风险最高，儿童对暴露的敏感度更高。随机森林分析表明，气压是影响风险的主要因素：低气压和强风通过增强扩散和稀释作用降低风险，而高气压和高湿度条件则通过促进沉积和清除作用进一步降低暴露风险。总体而言，沙尘暴并未单纯“净化”大气中的毒性物质，而是改变了VOC和颗粒物的共暴露格局，重新分配了人群风险分布。这些发现为干旱地区极端天气事件下高风险VOC的防控及易感群体的分级保护提供了科学依据。
引言
沙尘暴是干旱和半干旱地区的典型极端天气现象，近年来其发生频率和影响范围在全球范围内不断扩大，对区域空气质量和人群健康构成持续威胁[22]。现有研究主要集中在沙尘暴期间PM10/PM2.5浓度的急剧升高及其与呼吸系统和心血管疾病风险的关系[5], [7]。然而，沙尘暴不仅仅是简单的颗粒物增加事件，它是一种典型的极端传输扰动：强风和长距离传输将沙漠空气带入城市，同时引发边界层结构、湍流混合和辐射条件的突变，以及在极高气溶胶负荷下的复杂化学反应和吸附过程。这些耦合效应可能导致城市污染模式从“局部排放主导”转变为“动态稀释主导”，从而改变污染物总量及其化学组成和毒性结构。因此，仅关注颗粒物的健康效应评估无法全面反映沙尘暴期间的暴露风险状况，亟需将挥发性有机化合物（VOC）纳入综合评估框架。
VOC是城市复杂空气污染的关键前体物，来源于交通排放、溶剂使用、燃烧过程和工业生产。它们不仅参与光化学反应生成臭氧和二次颗粒物，还包含具有潜在致癌性和慢性毒性的成分（如苯、1,3-丁二烯、卤代烃和多环芳烃[Wei, 2023]）。沙尘暴对VOC的影响具有事件特异性，不同于普通气象波动。基于沙尘暴的极端传输扰动特性，我们提出以下可验证的假设：(i) 强风和区域传输会引入“颗粒物高但VOC低”的外部空气团，从而降低VOC总体浓度；(ii) 高浓度矿物气溶胶提供更多反应和吸附表面，加速高活性VOC的清除；(iii) 矿物颗粒层减弱近地表辐射，干扰NOx–VOC–氧化剂系统，改变二次污染物的形成和去除路径。因此，沙尘暴可能不仅降低VOC浓度，还会增加高毒性物质的相对比例，重新调整健康风险结构。
多项研究表明，长期暴露于环境VOC可能导致终生致癌风险达到或超过10-6–10-4的临界值，对城市居民造成显著健康负担，尤其在发展中国家[37], [39]。然而，大多数VOC风险研究基于常规污染条件下的长期监测，缺乏对极端传输事件（如沙尘暴）下暴露-风险关系的研究。现有沙尘暴健康研究多关注PM2.5和颗粒物结合的有毒成分[34], [36]，而对沙尘暴期间VOC暴露变化的系统分析（包括物种贡献和风险结构重组）较为匮乏，这限制了对沙尘暴相关健康危害的全面理解及有效管理策略的制定。
沙尘暴具有明显的阶段性特征和过程驱动机制，不同阶段的气象条件、传输能力和光化学环境差异显著。最新研究表明，沙尘暴还会影响区域辐射平衡和氧化能力，进而影响臭氧等二次污染物的形成和去除[16], [40]。从健康风险角度看，受体特征（如年龄、体重和吸入速率）影响单位体质量的暴露剂量和易感窗口时间。尽管一些城市进行了多年龄组VOC风险评估，但主要针对常规污染条件，因此沙尘暴等极端事件下的暴露异质性和年龄特异性脆弱性仍研究不足[39], [9]。本研究按年龄分层分析，原因有两点：一是USEPA吸入暴露框架中的关键参数（吸入速率、体重、暴露时间和暴露剂量）随年龄变化显著；二是年龄是公共卫生风险沟通的实用分层依据。户外工作者和已有呼吸或心血管疾病的患者在沙尘暴期间可能面临更高暴露风险。不过，更精细的分层需要详细的活动和健康数据，这些数据在现有数据集中缺乏，因此将其作为未来研究方向。
银川位于中国西北部干旱地区，处于典型的城市-沙漠生态过渡带。近年来，快速城市化、以化石燃料为主的能源结构以及交通和溶剂使用导致的排放增加，推动了VOC排放的持续增长。同时，该地区频繁受到周边沙源区沙尘暴的影响，为研究沙尘暴条件下城市VOC暴露和健康风险结构的重组提供了理想环境。我们利用银川城市生态系统研究站的高时间分辨率观测数据，将沙尘暴事件分为沙尘暴前、沙尘暴中和沙尘暴后三个阶段，系统分析VOC浓度和物种组成的阶段性变化，并使用USEPA吸入风险评估框架评估多年龄组的非致癌和致癌风险。此外，通过随机森林模型确定关键气象因素及其阈值范围。报告的总致癌风险和非致癌危害指数基于USEPA框架定义的终生风险指标，用于比较不同阶段、人群组和物种的风险差异，而非表示单次事件代表个体的真实终生暴露史。本研究通过“极端传输扰动–暴露混合物重组–风险结构重组”的概念链，探讨了沙尘暴健康效应研究中对有毒气态VOC的忽视问题，并为干旱地区的高风险VOC防控提供了科学依据。
本研究将沙尘暴视为极端传输扰动的典型代表。科学挑战在于，在强烈颗粒物负荷、边界层破坏和辐射化学环境突变的多重影响下，城市气态VOC浓度的变化并非唯一问题，更重要的是暴露混合物的毒性特征是否以及如何在人群中重新分配。因此，本研究旨在：(i) 描述沙尘暴前后VOC及其化学成分的演变过程；(ii) 在USEPA框架下量化不同年龄组的非致癌和致癌风险，并确定驱动这些风险的物种；(iii) 通过随机森林模型确定关键气象因素及其阈值范围，为风险预警和极端天气条件下的高风险VOC防控提供机制支持。
研究区域
研究在中国宁夏的银川城市生态系统研究站进行（38°29′29″N, 106°13′4″E），该地区属于温带大陆性气候，四季分明，阳光充足，蒸发强烈。多年平均气温约为8.5°C，年降水量约185毫米，年蒸发量约1800毫米。平均海拔约1130米。
沙尘暴期间的VOC变化
图2展示了沙尘暴期间PM2.5浓度、气象变量和VOC成分的时间变化。根据PM2.5的显著升高，将事件分为三个阶段：沙尘暴前、沙尘暴中和沙尘暴后。主要沙尘暴过程发生在4月19日09:00至21日00:00，期间大气成分和气象条件均出现异常。
结论
本研究结合了银川典型沙尘暴的高时间分辨率观测数据、USEPA吸入健康风险评估和随机森林模型，表明沙尘暴并非单纯净化城市空气，而是改变了污染物混合物和人群风险结构。沙尘暴期间PM2.5浓度急剧上升，TVOC浓度显著下降，但相关健康风险并未同比降低。
声明与声明
无。
伦理批准
不适用
未引用的参考文献
[15], [17], [2], [28], [29], [30], [33], [35], [43], [8]
资助
本研究得到了宁夏大学教学改革基金、宁夏青年人才支持基金、宁夏自然科学基金（2023AAC02020）、宁夏高层次人才研究基金（2023BSB03073）以及宁夏大学生态学一级学科建设基金的支持。
CRediT作者贡献声明
Cai LuLu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法学设计、概念构建。
GuangYao Shi：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、软件开发、项目管理、方法学设计、概念构建。
Wang LinZhen：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、软件开发、方法学设计、数据分析。
Ni Xilu：项目监督、项目管理。
Du Lingtong：项目监督、项目管理。
Pang Danbo：项目监督。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
感谢宁夏大学生态学一级学科建设基金和银川城市生态系统研究站的支持。
参与同意
不适用
出版同意
不适用
