高校学生室外运动的呼吸暴露研究

Research on Respiratory Exposure during Outdoor Exercise in College Students

摘要: 为研究成都市大学生群体在室外运动过程中受到典型大气污染物的暴露影响，本研究在对203位大学生室外运动爱好者调查的基础上，根据2022年全年成都市三个代表性空气质量监测国控站点(君平街站、金博路站和金泉两河站)的PM_2.5、PM₁₀、O₃和NO₂等污染物监测数据，分析其质量浓度的时空变化特征；采用人体呼吸暴露数值模型，研究成都市高校学生在不同运动强度下的呼吸速率参数以及重度运动强度下污染物吸入剂量的时空差异。结果表明，三个站点附近区域PM_2.5、PM₁₀和NO₂春、冬季较高，夏季较低，O₃则呈现出春季和夏季高、秋季和冬季低的特点；PM_2.5、PM₁₀、NO₂在上午时段浓度较高，下午时段浓度较低，而O₃在下午时段浓度较高，在早晨时段和晚上22:00之后浓度较低；相同特征(性别、体重)人群进行等时长、等强度的运动时，早晨的PM_2.5、PM₁₀、NO₂吸入剂量高于下午和晚上，下午的O₃吸入剂量高于早晨和晚上；为有效降低各项污染物对人体健康的影响，春季选择晚上运动较为适宜，夏季应尽量选择早晨运动，秋、冬季选择下午时段运动最佳。

Abstract: In order to explore the exposure effects of typical air pollutants on the college student population in Chengdu City during outdoor exercise, this study, based on a survey of 203 college students who were outdoor exercise enthusiasts, analysed the pollutant monitoring data of PM_2.5, PM₁₀, O₃ and NO₂ from three representative air quality monitoring state-controlled stations in Chengdu City (Junping Street Station, Jinbo Road Station and Jinquan Two Rivers Station) throughout the whole year 2022. The data were used to analyse the temporal and spatial characteristics of their mass concentrations; the numerical model of human respiratory exposure was used to study the respiratory rate parameters of college students in Chengdu under different exercise intensities and the temporal and spatial differences of the pollutant inhalation dose under heavy exercise intensities. The results showed that PM_2.5, PM₁₀ and NO₂ were higher in spring and winter and lower in summer in the areas near the three stations, while O₃ showed the characteristics of high in spring and summer and low in autumn and winter; the concentrations of PM_2.5, PM₁₀ and NO₂ were higher in the morning hours and lower in the afternoon hours, while O₃ was higher in the afternoon hours and lower in the morning hours and after 22:00 p.m.; when people with the same characteristics (gender and body weight) exercise with equal duration and intensity, the inhalation dose of PM_2.5, PM₁₀ and NO₂ in the morning is higher than that in the afternoon and evening, and the inhalation dose of O₃ in the afternoon is higher than that in the morning and evening; in order to effectively reduce the impact of pollutants on human health, it is more appropriate to exercise in the evening in the spring, and in the summer, exercise in the morning, while exercise in the afternoon is the best choice in autumn and winter.

1. 引言

最新版《世卫组织全球空气质量指南》重点关注了所谓的典型污染物，即颗粒物(PM_2.5和PM₁₀)、臭氧(O₃)、二氧化氮(NO₂)、二氧化硫(SO₂)和一氧化碳(CO)。空气污染是目前一大重要环境问题，对人体健康和经济发展等多个方面产生显著影响[1]。乔等[2]对吸入PM_2.5致运动人体损伤机制的研究表明，暴露于PM_2.5高浓度环境下运动，不但会抵消体育锻炼给人体带来的益处，而且会引起呼吸系统疾病如哮喘、炎症，还会影响心血管系统、神经系统等；Lim等[3]在对美国成年人的臭氧暴露和特定原因死亡率的关联研究中发现，高浓度的臭氧会对人体健康造成一定危害，并且长期年平均O₃暴露与心血管疾病、呼吸系统疾病、慢阻肺等引起的死亡显著相关；Zhu等[4]对NO₂与缺血性中风的相关性研究中发现NO₂严重损害人体的呼吸系统，Chen等[5]对其进行了全国性的时间序列分析后发现NO₂与人群心血管疾病的死亡率呈正相关；马等[6]在对SO₂毒害性的系统性研究表明，低浓度的SO₂会使人产生窒息感，浓度过高会导致人的中毒甚至引起窒息性死亡；Chen等[7]在环境一氧化碳与每日死亡率之间的短期关联研究中发现机动车燃料不完全燃烧产生的CO对人体心血管系统有极大的负面作用。

大学生作为社会中最具活力的群体之一，是未来社会的建设者和创造者，其身体健康不容忽视，且相对中小学生而言，大学生时间自由度更高，运动形式更丰富，室外活动时间更长，更易受到大气污染物的影响，是室外运动的一大群体。针对大学生群体受到空气污染及呼吸暴露等问题，国内外已有一系列定组研究。闫等[8]对学生住宅、电影院、健身房等微环境中的PM_2.5个体暴露水平进行监测评估，发现冬季的PM_2.5暴露水平较春季高；杨[9]、张等[10]、李等[11]分别针对短期暴露大气PM_2.5对大学生呼吸道先天免疫功能、呼吸道和肺的影响进行研究，发现PM_2.5会导致先天免疫蛋白水平的降低，同时造成呼吸道损伤和肺功能的降低；余等[12]针对北京大学生个体平均臭氧暴露浓度与环境中臭氧监测值之间的定量关系进行研究，发现暴露率增加，臭氧健康风险增加，且夏季臭氧造成的健康危害最大；马[13]对甘肃农村大学生室内空气污染暴露风险的研究中发现室内空气污染暴露与呼吸道症状的发生呈正相关，还会导致肺通气功能下降等。

在现有研究中，对大学生日常呼吸暴露健康问题已有关注，但针对其运动状态下的大气污染物呼吸暴露研究仍显不足。本文重点研究成都市大学生群体在室外运动过程中所受到大气污染物的暴露影响，在对203位大学生室外爱好者调查的基础上，结合成都市内污染物浓度的季节变化和日变化特征，研究成都市高校学生在不同运动时段、不同运动类型下大气污染物吸入剂量差异，为开展城市大学生运动人群空气污染物暴露与健康研究提供依据，为全国大学生运动爱好者的科学运动提供参考。

2. 对象与方法

2.1. 研究对象

本研究以成都市高校学生作为调查对象，选取成都信息工程大学的学生作为代表性样本，通过线上问卷调查的方式对203名运动爱好者的运动行为习惯进行调查。在调查样本中，男性占48.8%，共计99人；女性占51.2%，共计104人。在对问卷调查结果进行统计分析后得到，一周内运动频次、单次运动时间、运动方式选择、运动区域偏好以及运动时段等运动特征数据。

2.2. 研究区域

Figure 1. Distribution of state-controlled sites and university locations

图1. 国控站点及高校位置分布

本研究选取成都市内三个典型空气质量监测国控站点作为代表性站点，分别为君平街站、金博路站和金泉两河站，以此三个站点2022年全年的PM_2.5、PM₁₀、O₃、NO₂等污染物监测数据为基础进行深入分析，三个监测站点以及成都部分高校位置如图1所示。其中君平街站位于成都市中心，交通繁忙，人口密集，能够大致反映城市中心区域的空气质量状况；金博路站临近青羊工业集中区，工业活动密集，排放源多样，能够大致体现工业园区对空气质量的影响；金泉两河站位于成都市郊区，车流量相对较少，能够大致反映郊区空气质量状况。监测站点严格按照《环境空气质量监测规范(试行)》中的要求建设，主要监测指标包括PM_2.5、CO、PM₁₀、SO₂、O₃、NO₂，即我国参与空气质量评价的六种污染物。

2.3. 呼吸剂量计算方法

2.3.1. 吸入剂量公式

吸入剂量的概念能够较好地反映进入人体内的污染物的量，适宜成为暴露风险分析的评价指标[14]-[17]。

吸入剂量含义如公式(1)所示：

$E_{吸}={\displaystyle {\int }_{t1}^{t2}{C}_t}\cdot IR\text{d}t$ (1)

式中，$E_{吸}$ 为高校学生单次室外运动的吸入剂量(μg)，C_t为暴露浓度(μg/m³)，IR为人运动时的呼吸速率(m³/h)，t1和t2分别是运动的起止时间，即暴露时间。

2.3.2. 呼吸速率参数

呼吸速率(IR, m³/h)的确定方法主要有直接测量法、心律呼吸速率回归法及人体能量代谢估算法等。本文采用人体能量代谢估算法[18]，见公式(2) [19]：

$IR=E\cdot H\cdot VQ$ (2)

式中：H：消耗单位能量的耗氧量，0.05 L/KJ (参考美国研究结果：0.21 L/kcal [18])；VQ：通气当量，27 [19]；E：每类活动强度下单位时间的能量消耗量，KJ/min或KJ/d。其计算见公式(3) [19]：

$E=BMR\cdot N$ (3)

式中：BMR：基础代谢率，相当于平躺休息时的活动强度水平，KJ/min或KJ/d；N：各类活动强度水平下的能量消耗量与基础代谢率的比值，无量纲。休息时的能量消耗量应等于基础代谢率[20]，而坐、轻微活动、中度体力活动、重体力活动和极重体力活动的能量消耗分别约为基础代谢率的1.2、1.5、4、6和10倍[21]。

BMR可通过测量确定，但一般情况下主要通过模型计算而得。Schofield公式更适合于估算我国18~30岁健康成人的基础代谢率[22]；18岁以下和60岁以上人群的BMR采用Shizgal-Rosa公式估算[23]。各年龄段人群BMR的计算方法见表1。男性和女性基础代谢率分别采用63BW + 2896和62BW + 2036计算。

Table 1. Formula for calculating BMR in all age groups

表1. 各年龄段人群BMR计算公式

年龄(岁)	男性	女性
<18 [24]	370 + 20H + 52BW − 25A	1873 + 13H + 39 BW − 18A
18~29 [22]	63BW + 2896	62BW + 2036
30~60 [22]	48BW + 3653	34BW + 3538
>61 [24]	370 + 20H + 52BW − 25A	1873 + 13H + 39 BW − 18A

注：H——身高，cm；BW——体重，kg；A——年龄，岁。

2.4. 空气质量指数

本文参考环境保护部于2012年发布的《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》中所规定的环境空气质量指数的分级方案、计算方法和环境空气质量级别与类别。

空气质量指数(AQI)，是定量描述空气质量状况的无量纲指数；空气质量分指数(IAQI)，是单项污染物的空气质量指数；首要污染物，是AQI大于50时IAQI最大的空气污染物[25]。AQI指数是将空气污染物简化为单一评价空气污染的指标，指数越大，空气污染越严重，对人体越有害[26]。空气质量指数(AQI)及空气质量分指数(IAQI)的计算如式(4)和式(5)所示[25]：

$AQI=\max \left\{IAQ{I}_1,IAQ{I}_2,\cdots ,IAQ{I}_n\right\}$ (4)

$IAQ{I}_p=\frac{IAQ{I}_{Hi}-IAQ{I}_{L0}}{B{P}_{Hi}-B{P}_{L0}}\left(C_p-B{P}_{L0}\right)+IAQ{I}_{L{0}_{}}$ (5)

式(4)、(5)中：IAQI为空气质量分指数，n为污染物项目；IAQI_P为污染物项目P的空气质量分指数，C_P为污染物项目P的质量浓度值，BP_Hi为C_P相近的污染物浓度限值的高位值，BP_L0为C_P相近的污染物浓度限值的低位值，IAQI_Hi为BP_Hi对应的空气质量分指数，IAQI_L0为BP_L0对应的空气质量分指数。

3. 结果与讨论

3.1. 问卷调查情况

3.1.1. 问卷内容

本研究在预调查的基础上完善调查问卷后，最终确定问卷内容大致包括4个部分(如表2)：不同大学生人群的人体特征参数(性别、年龄)；不同大学生人群日常室外运动类型；不同学生人群一天内室内外运动的活动时段；不同大学生人群单周室内外运动频次及单次运动时间。因本问卷调查大多为多选题，同一位学生会参与多种运动并选择多个选项，则会出现调查内容占比情况总和不为100%的情况。为确保问卷数据的准确性和真实性，量化选项精确到小数点后两位，并保证各位学生根据自身真实情况答题。

Table 2. Status of questionnaire survey

表2. 问卷调查情况

内容	类别	人数	占比
室外运动强度	轻度	59	29.00%
	中度	156	76.80%
	重度	64	31.50%
单周运动频次	4次及以下	148	72.90%
	5次及以下	43	21.20%
	无运动	12	5.90%
运动时间段	6:00~12:00	21	10.30%
	12:00~18:00	53	26.10%
	18:00~23:00	167	82.20%
单次运动时间	1 h以内	97	47.80%
	1 h~2 h	88	43.30%
	2 h以上	18	8.90%

3.1.2. 运动类型

调查结果显示，室外运动类型分为轻度、中度和重度，轻度运动(乒乓球)与重度运动(篮球、足球)占比相当，各占总人数30%左右，重度运动比例略高于轻度运动；中度运动(网球、跑步、羽毛球和排球)占比最大，约为76.8%，且男性和女性对于运动类型选择无显著差异。综合上述结果，根据2.3.2节内容计算出调查对象运动能量消耗大约为基础代谢率的5.33倍。

3.1.3. 运动时间

由于室内外空气中的污染物浓度不同，室内外活动时间会直接影响人体对于污染物的暴露水平，进而影响健康风险评估的准确性[27]。世卫组织制定的《关于身体活动有益健康的全球建议》中提到，成年人每周要进行至少150 min中等强度的有氧运动。为获得更多的健康效益，成年人应增加有氧运动，达到每周300 min中等强度的有氧运动[28]。对大学生单次运动时间进行平均取值得到，大学生平均单日运动时间为1.1 h，结合一周运动频次的统计，得到72.9%大学生每周运动时间为4 h以下，21.2%大学生运动时间能达到5 h以上。研究表明，大学生可自由支配时间较多，但却缺乏正确利用自由时间的意识，较多的大学生在自由时间进行的并不是体育运动[29]。因此，为了拥有更好的健康状态，当代大学生还需正确利用自由时间以加强体育锻炼。

3.2. 污染物季节变化

Figure 2. Seasonal variation in pollutant concentration

图2. 污染物浓度季节变化

图2显示了成都市三个国控站点君平街站、金博路站和金泉两河站附近区域典型污染物PM_2.5、PM₁₀、NO₂和O₃浓度的季节变化情况。从图2可看出，PM_2.5和PM₁₀浓度大致呈现出冬季 > 春季 > 秋季 > 夏季的特征，这与冯晨旭等[30]研究的绵阳市PM_2.5和PM₁₀浓度变化特征相同，可能是由于成都市地处盆地，特殊的地理地势使得颗粒物难以扩散。三个站点PM_2.5的日均浓度变化范围在17.78~143.70 μg/m³之间，超过环境空气质量一级标准(35 μg/m³)的天数占48.49%；PM₁₀的日均浓度在7.38~173.28 μg/m³之间, 超过环境空气质量一级标准(50 μg/m³)的天数占53.97%。

如图2所示，O₃呈现出春夏季高、秋冬季低的特点，这主要是由于O₃的生成受到光照、气温等季节性因素的影响[31]。O₃的日均浓度在3.08~157.27 μg/m³之间，其日均浓度超过《环境空气质量标准》日最大8小时平均一级浓度限值(100 μg/m³)的天数占比为14.25%。NO₂浓度则呈现出春冬季高、夏秋季低的特点，浓度均值变化范围在19.71~42.21 μg/m³之间，均显著低于《环境空气质量标准》24小时平均一级浓度限值(80 μg/m³)。

3.3. 污染物浓度日变化

本研究所选站点附近区域典型污染物PM_2.5、PM₁₀、O₃、NO₂的浓度日变化情况如图3~6。

从图3可看出，PM_2.5浓度日变化表现出明显的季节差异。从变化趋势上来看，三个站点春、夏、冬三季的PM_2.5浓度整体呈现出“单峰单谷”的日变化特征，出峰时间大致在上午8:00~10:00之间，直至下午14:00~16:00晚高峰时间段，PM_2.5浓度再次出现攀升趋势，说明白天PM_2.5浓度受到交通情况等人类活动较为明显。秋季三个站点PM_2.5的日变化特征差异最为显著，主要体现在变化趋势上，其中君平街站与金泉两河站的整体趋势较为相似，金博路站晚上PM_2.5浓度曲线出现明显波动，这可能与监测站点周围的风速等气象要素相关。

Figure 3. Diurnal variation of PM_2.5 concentration

图3. PM_2.5浓度日变化

如图4显示，三个监测点的PM₁₀浓度日变化规律基本一致，趋势大致为“双峰双谷型”。春、秋、冬三季主峰值出现时间大致为上午8:00~10:00，为交通早高峰时段；夏季三个站点出峰时间略有差异，君平街站的出峰时间较另外两站点滞后两个小时左右。次峰值大致出现于晚高峰后大约20:00~22:00左右。两个谷值出现时间分别为下午16:00~18:00和凌晨4:00~6:00。

Figure 4. Diurnal variation of PM₁₀ concentration

图4. PM₁₀浓度日变化

从图5可知，三个监测点的O₃浓度日变化呈现出明显的“单峰单谷型”。由于晚上生成O₃的光化学反应较弱，且O₃与NO反应造成O₃不断被消耗，因此晚上至日出之前O₃浓度较低，在早上8:00达到最低值，其中金博路站点的O₃浓度略低于其他两站点，在冬季达到最低值为27.36 μg/m³。早上8:00之后，随着太阳辐射的不断增强，O₃浓度开始不断上升，至下午16:00达到峰值。16:00之后由于日落造成太阳辐射不断减少，O₃浓度逐渐降低。三个站点中金泉两河站点的O₃浓度整体高于其他两站点，在夏季达到最高值为172.68 μg/m³，可能是由于金泉两河站临近森林公园，植被覆盖率较大，树木释放的有机挥发物(BVOCs)会促进O₃的生成[32]。

从图6可以看出，三个监测站点的NO₂浓度大致呈现出“双峰双谷”的日变化特征，两个峰值分别出现在8:00~10:00和23:00左右，两个谷值分别出现在4:00~6:00和14:00~16:00。主峰值出现时间与早高峰期的时间相对应，而上午10:00过后，NO₂浓度不断降低，至下午16:00左右达到最低值，这与白天边界层不稳定以及太阳辐射变化相关，边界层不稳定使得污染物混合稀释和扩散，同时随着太阳辐射增强，NO₂光解使得浓度明显减小[33] [34]。由于晚上大气边界层较为稳定，因此在晚上18:00左右开始，NO₂的浓度又开始不断升高，于晚上23:00再次达到峰值。春季三个监测点NO₂的变化幅度较夏、秋、冬三季更大，主要表现为春季晚上浓度上升速率快，金博路、君平街、金泉两河三个站点18:00~23:00间NO₂浓度的变化值分别为34.88 μg/m³，33.03 μg/m³，24.44 μg/m³。

Figure 5. Diurnal variation of O₃ concentration

图5. O₃浓度日变化

Figure 6. Diurnal variation of NO₂ concentration

图6. NO₂浓度日变化

3.4. 污染物吸入剂量

3.4.1. 呼吸速率参数

呼吸速率采用人体能量代谢估算法[18]，由1.3.2节中公式(2)计算，其中能量消耗量由公式(3)得出，BMR根据研究对象实际情况，采用Schofield公式，即男性和女性分别采用63BW + 2896和62BW + 2036计算。坐、轻微活动、中度体力活动、重体力活动和极重体力活动的能量消耗分别约为基础代谢率的1.2、1.5、4、6和10倍[21]。由上述公式，区分不同体重人群，计算出不同运动强度的呼吸速率如表3所示。

Table 3. Respiratory rates at different exercise levels in different populations (IR, m³/h)

表3. 不同人群在不同运动强度下的呼吸速率(IR, m³/h)

性别	BW (kg)	IR (坐)	IR (轻微)	IR (中度)	IR (重度)	IR (极重)
男	45	0.39	0.48	1.29	1.93	3.22
	50	0.41	0.51	1.36	2.04	3.4
	55	0.43	0.54	1.43	2.15	3.58
	60	0.45	0.56	1.5	2.25	3.76
	65	0.47	0.59	1.57	2.36	3.93
	70	0.49	0.62	1.64	2.47	4.11
	75	0.51	0.64	1.71	2.57	4.29
	80	0.54	0.67	1.79	2.68	4.46
女	45	0.33	0.41	1.09	1.63	2.71
	50	0.35	0.43	1.16	1.73	2.89
	55	0.37	0.46	1.23	1.84	3.06
	60	0.39	0.49	1.3	1.94	3.24
	65	0.41	0.51	1.36	2.05	3.41
	70	0.43	0.54	1.43	2.15	3.59
	75	0.45	0.56	1.5	2.26	3.76
	80	0.47	0.59	1.57	2.36	3.94

由表3中数据可得，对于相同体重不同性别的学生在进行相同运动时，男生呼吸速率高于女生。运动强度越高，相同体重的男女生在进行相同运动时的呼吸速率差值越大，极重体力活动的男女生呼吸速率差值最大。对于相同性别相同体重的学生在进行不同运动时，运动强度越高，呼吸速率越大。由于坐、轻微活动、中度体力活动、重体力活动和极重体力活动的能量消耗分别约为基础代谢率的1.2、1.5、4、6和10倍[21]，即轻微活动、中度体力活动、重体力活动和极重体力活动的呼吸速率分别约为坐的呼吸速率的1.25、3.33、5、8.33倍。对于相同性别不同体重的学生在进行相同运动时，体重越高，呼吸速率越大。等差体重间的呼吸速率也为等差，且运动强度越高的呼吸速率差值越大。根据调查问卷中收集到的在校大学生日常运动中的运动类型，计算得出各项运动的呼吸速率如表4所示。

Table 4. Respiratory rates in different populations under different types of exercise (IR, m³/h)

表4. 不同人群在不同运动类型下的呼吸速率(IR, m³/h)

性别	BW	类型
		篮球	快跑	足球	排球	网球	羽毛球	慢跑	乒乓球
男	45	1.93	1.93	1.93	1.29	1.29	1.29	1.29	0.48
	50	2.04	2.04	2.04	1.36	1.36	1.36	1.36	0.51
	55	2.15	2.15	2.15	1.43	1.43	1.43	1.43	0.54
	60	2.25	2.25	2.25	1.5	1.5	1.5	1.5	0.56
	65	2.36	2.36	2.36	1.57	1.57	1.57	1.57	0.59
	70	2.47	2.47	2.47	1.64	1.64	1.64	1.64	0.62
	75	2.57	2.57	2.57	1.71	1.71	1.71	1.71	0.64
	80	2.68	2.68	2.68	1.79	1.79	1.79	1.79	0.67
女	45	1.63	1.63	1.63	1.09	1.09	1.09	1.09	0.41
	50	1.73	1.73	1.73	1.16	1.16	1.16	1.16	0.43
	55	1.84	1.84	1.84	1.23	1.23	1.23	1.23	0.46
	60	1.94	1.94	1.94	1.3	1.3	1.3	1.3	0.49
	65	2.05	2.05	2.05	1.36	1.36	1.36	1.36	0.51
	70	2.15	2.15	2.15	1.43	1.43	1.43	1.43	0.54
	75	2.26	2.26	2.26	1.5	1.5	1.5	1.5	0.56
	80	2.36	2.36	2.36	1.57	1.57	1.57	1.57	0.59

不同运动对应的不同运动强度，乒乓球为轻度运动，网球、慢跑、羽毛球、排球为中度运动，篮球、快跑、足球为重度运动[35] [36]。相同运动强度的呼吸速率大致相同，网球、慢跑、羽毛球、排球等中度运动和篮球、快跑、足球等重度运动的呼吸速率分别为乒乓球等轻度运动的呼吸速率的2.67、4倍。在以上不同类型的运动中，进行乒乓球类轻度运动时的呼吸速率明显小于其他运动，进行篮球、快跑、足球等重度运动时的呼吸速率最大。在进行相同运动时，女生的呼吸速率小于同体重的男生，且运动强度越低，男女生的呼吸速率差值越小。

3.4.2. 吸入剂量

选取三个站点的小时平均浓度数据，根据公式(1)计算出高校学生在三个监测站点附近区域、不同时段进行室外运动时各类污染物的吸入剂量。根据2.1节中问卷调查结果，本研究按照平均单次运动时间1.1 h作为高校学生典型运动特征进行计算。根据中国环境部研究得出的中国人群分省份的短期呼吸量推荐值[19]，公式(1)中的呼吸速率IR取四川省城市人群在重度体力活动条件下的呼吸速率值32.1 L/min，计算结果如表5和表6所示。

Table 5. Inhalation of PM_2.5 and PM₁₀ at different times of the day in different sports areas (μg)

表5. 不同运动区域不同时段PM_2.5和PM₁₀吸入剂量(μg)

区域	季节	PM2.5			PM10
		06:00~08:00	16:00~18:00	18:00~20:00	06:00~08:00	16:00~18:00	18:00~20:00
金博路	春	81.49	61.15	61.70	135.54	119.30	120.93
	夏	54.95	50.07	49.60	85.36	88.79	83.96
	秋	83.01	78.43	81.00	119.50	123.43	130.62
	冬	120.25	105.54	111.07	159.27	151.70	155.59
君平街	春	112.46	66.25	68.66	165.29	112.33	121.63
	夏	64.27	61.30	58.85	94.05	93.60	89.08
	秋	97.01	82.53	89.26	124.98	120.81	129.76
	冬	143.88	116.68	118.81	178.11	154.56	160.10
金泉两河	春	90.20	65.49	65.29	131.92	109.35	112.07
	夏	64.14	51.50	49.36	86.44	85.10	80.80
	秋	82.92	76.71	87.28	122.59	127.91	139.00
	冬	124.96	110.64	116.04	166.39	153.12	160.03

Table 6. Inhalation of O₃ and NO₂ at different times of the day in different sports areas (μg)

表6. 不同运动区域不同时段O₃和NO₂吸入剂量(μg)

区域	季节	O3			NO2
		06:00~08:00	16:00~18:00	18:00~20:00	06:00~08:00	16:00~18:00	18:00~20:00
金博路	春	69.23	269.74	246.74	90.44	42.28	50.32
	夏	69.91	352.92	319.37	75.37	31.98	35.66
	秋	49.04	160.66	129.96	57.07	49.16	61.45
	冬	37.18	103.25	85.75	68.70	66.30	76.35
君平街	春	81.62	277.10	258.34	89.84	48.23	58.85
	夏	110.45	367.25	337.26	54.97	33.45	38.84
	秋	63.98	178.67	155.80	59.04	54.85	65.94
	冬	44.62	113.34	96.40	80.78	80.02	91.60
金泉两河	春	69.37	290.19	268.40	63.16	32.37	39.38
	夏	78.72	366.79	334.75	46.03	21.59	26.25
	秋	48.48	177.32	134.46	50.25	46.76	63.62
	冬	48.80	113.82	91.56	63.77	64.46	78.34

结果表明，相同区域不同运动时段的污染物吸入剂量差异明显。对于污染物PM_2.5的吸入剂量，金博路、君平街和金泉两河三个运动区域在春、秋、冬季节大致呈现出早晨[(104.02 ± 21.07) μg] > 晚上[(88.79 ± 20.80) μg] > 下午[(84.83 ± 19.72) μg]的特点，在夏季则表现为早晨[(61.12 ± 4.36) μg] > 下午[(54.29 ± 4.99) μg] > 晚上[(52.60 ± 4.42) μg]，其中君平街春季早晨运动PM_2.5吸入剂量是下午运动的1.697倍、是晚上运动的1.638倍；对于污染物PM₁₀，三个区域春、冬季均呈现早晨[(156.09 ± 16.79) μg] > 晚上[(138.39 ± 20.47) μg] > 下午[(133.39 ± 19.97) μg]的特点，秋季则表现为晚上[(133.13 ± 4.17) μg] > 下午[(124.05 ± 2.93) μg] > 早晨[(122.36 ± 2.24) μg]，夏季未表现出明显差异；对于污染物O₃，三个区域在四季均表现为下午[(230.92 ± 97.24) μg] > 晚上[(204.90 ± 94.84) μg] > 早晨[(64.29 ± 19.50) μg]，且春、夏两季差异更为明显，其中金博路夏季下午运动的O₃吸入剂量是早晨运动的5.046倍、是晚上运动的1.105倍；对于污染物NO₂，总体表现为春、夏季早晨[(69.97 ± 16.77) μg] > 晚上[(41.55 ± 10.46) μg] > 下午[(34.98 ± 8.43) μg]，秋、冬季晚上[(72.88 ± 10.46) μg] > 早晨[(63.27 ± 9.68) μg] > 下午[(60.26 ± 11.40) μg]，其中金博路夏季早晨运动吸入剂量是下午运动的2.356倍、是晚上运动的2.113倍。

不同区域同一时段的污染物吸入剂量差异明显。对比早晨时段各污染物吸入剂量均值可知，君平街的PM_2.5、PM₁₀和O₃吸入剂量均值分别较金博路高22.94%、12.56%、33.42%，分别较金泉两河高15.29%、10.86%、22.54%，而对于该时段NO₂的吸入剂量，金博路分别高于君平街8.73%、金泉两河1.43%。对于下午时段，君平街PM_2.5吸入剂量均值高于金博路10.69%、金泉两河7.37%，金博路PM₁₀吸入剂量均值高于君平街0.40%、金泉两河1.63%，金泉两河O₃和NO₂吸入剂量均值分别高于金博路6.91%、15.03%，金泉两河1.26%、11.02%。对于晚上时段，君平街的PM_2.5、PM₁₀和O₃吸入剂量均值分别高于金博路10.61%、1.93%、8.44%，高于金泉两河5.53%、1.76%、2.25%，而该时段的NO₂吸入剂量均值在君平街附近高于金博路17.17%、君平街13.37%。

3.5. IAQI变化特征

根据公式(5)计算出成都市2022年整年各项污染物的IAQI，其逐日变化如图7所示。由图7可知，成都市2022年六项污染物的IAQI大多处于150以内，且CO、SO₂两污染物的IAQI均低于50，故不加以讨论。如表7所示，春季O₃为首要污染物的天数占春季总天数的47.83%，其次为PM_2.5和PM₁₀，分别占春季总天数的17.39%和11.96%；夏季O₃的IAQI显著高于其他污染物，即首要污染物以O₃为主，占比达84.78%；秋季各污染物所占比例大小为PM_2.5 > O₃ > PM₁₀ > NO₂，PM_2.5为首要污染物的天数最多，占比为36.26%，O₃为首要污染物的天数占比为16.48%，其余两种污染物所占天数不足10%；冬季PM_2.5和PM₁₀的IAQI值明显高于其余四项污染物，首要污染物为PM_2.5的天数最多，占比68.89%，较少天数表现为PM₁₀污染，占比10.00%，且不存在O₃污染。

Table 7. The number of days and proportion of each pollutant as the primary pollutant

表7. 各项污染物作为首要污染物的天数及占比

季节	PM2.5		PM10		O3		NO2
	天数	占比	天数	占比	天数	占比	天数	占比
春	16	17.39%	11	11.96%	44	47.83%	1	1.09%
夏	1	1.09%	0	0.00%	78	84.78%	0	0.00%
秋	33	36.26%	7	7.69%	15	16.48%	1	1.10%
冬	62	68.89%	9	10.00%	0	0.00%	0	0.00%

Figure 7. Daily change of pollutant IAQI for 2022

图7. 2022年污染物IAQI逐日变化

3.6. 污染物吸入剂量与IAQI

根据公式(1)代入各项污染物的《环境空气质量标准》24小时平均一级浓度限值，以计算各污染物在此限值下的吸入剂量作为参考值，计算出污染物PM_2.5、PM₁₀、O₃、NO₂的吸入剂量参考值分别为74.83 μg，106.89 μg，213.79 μg，171.03 μg。将三个站点各项污染物的吸入剂量均值与上述参考值作差后得到各项污染物的吸入剂量差值如表8所示(NO₂的吸入剂量均值均低于其参考值，故不加以讨论)。该差值可定量描述人体受污染物的影响程度，正值越大，表示人体受污染物的暴露影响越大，负值越大则相反。

Table 8. Inhaled dose difference of each pollutant

表8. 各项污染物的吸入剂量差值

区域	季节	PM2.5			PM10			O3
		早晨	下午	晚上	早晨	下午	晚上	早晨	下午	晚上
校园室外	春	+19.89	−10.53	−9.61	+37.36	+6.77	+11.32	−140.38	+65.22	+44.04
	夏	−13.71	−20.54	−22.22	−18.28	−17.73	−22.28	−127.43	+148.53	+116.67
	秋	+12.82	+4.40	+11.02	+15.46	+17.16	+26.23	−159.95	−41.57	−73.71
	冬	+54.87	+36.13	+40.48	+61.03	+46.23	+51.68	−170.25	−103.65	−122.55

注：早晨：6:00~8:00，下午：16:00~18:00，晚上：18:00~20:00；“+”：吸入剂量均值高于参考值，“−”：反之。

结合表7和表8可知，春季PM_2.5、PM₁₀的吸入剂量差值下午时段最低，晚上次之；O₃的吸入剂量差值早晨时段最低，晚上次之，由于春季首要污染物占比大小为O₃ > PM_2.5 > PM₁₀，为同时降低运动过程中受到O₃、PM_2.5、PM₁₀的污染影响，春季选择晚上运动较为适宜。夏季PM_2.5、PM₁₀三个时段的吸入剂量平均值均低于参考值，O₃的吸入剂量差值早晨时段最低，且较吸入剂量参考值低127.43 μg，由于夏季首要污染物以O₃为主，为有效降低夏季高O₃暴露对人体健康的影响，夏季应尽量选择早晨运动。秋季PM_2.5的吸入剂量差值下午时段最低，仅高于参考值4.4 μg，PM₁₀的吸入剂量差值早晨时段最低，下午次之；污染物O₃秋季三个时段的吸入剂量均值均未超过参考值，由于秋季PM_2.5为首要污染物的天数占比最高，因此为避免秋季PM_2.5高浓度暴露影响人体健康，秋季选择下午时段运动最佳。冬季PM_2.5、PM₁₀的吸入剂量差值下午时段最低，O₃冬季三个时段的吸入剂量均值均低于其吸入剂量参考值，且冬季的首要污染物以PM_2.5和PM₁₀为主，故为减少冬季PM_2.5、PM₁₀对人体健康的影响，选择下午时段运动较为适宜。根据上述分析得到不同季节一天内适宜进行室外运动的时段如表9所示。

Table 9. The appropriate time of day for exercise in different seasons

表9. 不同季节一天中适宜运动的时段

运动区域	运动季节	早晨	下午	晚上
校园室外	春			√
	夏	√
	秋		√
	冬		√

4. 结论

本研究根据2022年成都市三个空气质量监测站点的污染物监测数据，分析得出PM_2.5、PM₁₀、O₃、NO₂四项污染物质量浓度的季节变化与日变化特征；基于对高校学生运动行为习惯特征的调查结果，采用人体呼吸暴露数值模型计算出成都市高校学生在重度运动强度下的污染物吸入剂量，并结合上述污染物的IAQI变化特征得出不同季节一天内适宜运动的时段。本文得出结论如下：

1) 相同运动区域不同污染物浓度的季节变化特征明显，PM_2.5和PM₁₀浓度整体呈现出冬季 > 春季 > 秋季 > 夏季的特征，其日均浓度超过环境空气质量一级标准的天数分别占全年的48.49%、53.97%；O₃表现为春夏季高、秋冬季低，其日均浓度超过日最大8小时平均一级浓度限值的天数占比较小；NO₂浓度表现为春冬季较高、夏秋季较低，全年均低于其环境空气质量一级标准。

2) 污染物PM_2.5、PM₁₀、O₃、NO₂的浓度日变化差异显著，大致可分为“双峰双谷型”和“单峰单谷型”两类。污染物PM_2.5、PM₁₀在上午8:00~10:00之间浓度较高，在下午14:00~18:00之间浓度较低；O₃在下午14:00~18:00之间浓度较高，在早晨6:00~8:00和晚上22:00之后浓度较低；NO₂在上午8:00~10:00之间和晚上22:00之后浓度较高，在下午14:00~16:00之间浓度较低。

3) 相同区域不同运动时段的污染物吸入剂量差异明显，PM_2.5的吸入剂量在春、秋、冬季节大致呈现出早晨 > 晚上 > 下午的特点，在夏季则表现为早晨 > 下午 > 晚上；PM₁₀的吸入剂量在春、冬季均呈现早晨 > 晚上 > 下午的特点，秋季则表现为晚上最高，夏季无明显差异；O₃的吸入剂量在四季均表现为下午 > 晚上 > 早晨；NO₂的吸入剂量春、夏季总体表现为早晨 > 晚上 > 下午，秋、冬季则表现为晚上 > 早晨 > 下午。

4) 春季首要污染物占比为O₃ > PM_2.5 > PM₁₀，为同时降低运动过程中受到O₃、PM_2.5、PM₁₀的污染影响，春季选择晚上运动较为适宜；夏季首要污染物以O₃为主，为有效降低O₃暴露对人体健康的影响，夏季应尽量选择早晨运动；秋、冬季首要污染物主要为PM_2.5，为避免PM_2.5高浓度暴露影响人体健康，秋、冬季选择下午时段运动最佳。

本研究采用问卷调查、线下追踪调查等形式对成都市高校学生运动的行为习惯特征进行了真实、深入的调研，并将实际调研结果与国控站点的污染物监测数据相结合，重点讨论了成都市高校学生在室外运动过程中的呼吸暴露情况，为开展城市大学生运动人群空气污染物暴露与健康研究提供了依据，为全国大学生运动爱好者的科学运动提供了参考。此外，大学生人群应增强自身身体素质，并在加强锻炼的同时，关注空气污染物对人体健康的影响。

基金项目

成都信息工程大学大学生创新创业项目(202310621031)。

NOTES

^*通讯作者。