沙尘暴期间气溶胶元素富集系数与组分来源的研究成果

气溶胶中组分的富集系数，可用于判断气溶胶中有关组分的来源。富集系数定义如下。

上式中，［X／Ref］样品表示某一感兴趣元素与参比元素在样品中的含量比，［X／Ref］来源表示某一感兴趣元素与参比元素在来源中的含量比。常用Al、Fe或Sc作为地壳源的参比元素［22］，因此上式7-1可写成：

上式7-2可用于计算在沙尘暴及非沙尘暴期间，气溶胶中有关元素相对于地壳源的富集系数。元素Sc在沙尘暴期间气溶胶中的含量为0.001 2%（见表7-1），非常接近其在地壳中的丰度0.001 1%［21］。因此，Sc是一种判断沙尘暴期间组分来源的理想的参比元素。表7-2列出了各种元素的富集系数，所分析的17种元素可分成以下4类。

表7-2　沙尘暴期间的气溶胶中有关元素的富集系数

①Al、Fe、Mn、Na、Ni、Cr、Co、V等元素的富集系数，无论在非沙尘暴或沙尘暴的气溶胶中，都在1～2左右，表明以上这些元素的主要来源是地壳源。亚洲沙漠所产生的风沙及其形成的沙尘，显然是这些元素的源头。必须指出的是，在非沙尘暴期间的气溶胶中，Al和Sc的含量分别为11.3%和0.001 5%，比其在地壳中的丰度8.23%和0.001 1%约高出20%。这说明，在非沙尘暴期间北京大气气溶胶中的Al和Sc，约有20%来自地壳源之外的其他污染源。Na通常作为海洋源的参比元素，但是在北京大气气溶胶中Na的含量，在非沙尘暴期间和沙尘暴期间分别为2.58%和2.80%，接近其在地壳中的丰度2.36%，说明北京大气气溶胶中的Na，主要来自地壳源。

②As、Se、Sb三种元素在非沙尘暴期间气溶胶中的富集系数，分别高达253、2 097、516；而在沙尘暴期间的气溶胶中，富集系数更高，分别为274、2 243、894（见图7-2、图7-3、图7-4）。这说明As、Se、Sb三种元素是北京地区气溶胶中的主要污染元素。As、Se、Sb三种元素，是煤的主要杂质。无论生活用煤还是工业用煤，都是As、Se、Sb三元素的主要来源。在沙尘暴期间，从沙漠地区到北京仅需几个小时或一天左右时间。在风沙粉尘大量增加的情况下，As、Se、Sb三种元素的含量也随之大量增加，故其富集系数不仅没有减少，反而增加。这说明，从源头到北京，风沙所过之处，沙尘吸附了由所过区域产生的大量污染物。从内蒙古到北京，或者从西北路过陕西、山西而进入北京，要经过中国的许多重大产煤区域，如大同煤矿区。因此，煤中的As、Se、Sb三种元素，是北京气溶胶中这些组分的主要污染源。

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图7-2　As的富集系数

图7-3　Se的富集系数

图7-4　Sb的富集系数

③Cu、Pb、Cd、Zn这4种元素，在非沙尘暴期间的气溶胶中，富集系数分别高达4.6、27、32、15；而在沙尘暴期间气溶胶中的富集系数，降低为1.3、6.8、11.5、2.4（见图7-5）。这些数据说明，Cu、Pb、Cd、Zn这4种元素主要来自污染源，北京及其附近地区应该是Cu、Pb、Cd、Zn这4种元素污染源之主要贡献者。

图7-5　Cu、Zn、Pb、Cd和S的富集系数（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）

④S在非沙尘暴期间气溶胶中的富集系数高达61.4，其在气溶胶中的含量为1.16%；而在沙尘暴期间气溶胶中的富集系数和含量，虽然分别降为8.50%和0.17%，但其绝对含量高达近10μg·m-3。气溶胶中的S，主要来源于大气污染源（主要是燃煤）产生的SO2；而SO2进一步被氧化成硫酸盐，形成气溶胶。硫酸盐还可以作为气溶胶的凝结核，大大增加细颗粒气溶胶的产生量。S在沙尘暴期间，虽然由于风沙量的数十倍增加，其富集系数有所降低，但其绝对含量比非沙尘暴期间已经很高的含量又高出4倍。这说明，沙尘暴期间大气气溶胶中的S，既来源于气溶胶从源头到北京长途传输过程中由气体到气溶胶的转化，也来源于沙尘气溶胶源区的沙尘。S在气溶胶中主要以细粒子存在（见图7-7），可能被进一步输送到几千甚至上万千米以外。