沙尘气溶胶元素组分解析

表11-2列出了从塔克拉玛干沙漠春季气溶胶中测定的19种元素的平均浓度及范围。从表11-2中可见，质量浓度最高的元素是Ca，其春季在PM 2.5和TSP中的平均值分别为52.20和99.67μg·m-3，占到总质量的8.9%和7.7%。有些样品中，元素Ca占到总质量的12.9%。与Ca在全球地壳中的平均浓度4.15%相比，元素Ca的浓度是地壳均值的2倍多，说明塔克拉玛干沙漠是高钙地区。这一结论与X.Wang等报道的塔克拉玛干沙漠表层土中含有较高浓度的CaCO 3相一致［21］。其次是典型矿物元素Al，在PM 2.5和TSP中的浓度分别为34.85和62.87μg·m-3，TSP中Al的浓度分别是阿克苏（塔克拉玛干沙漠北部）、敦煌（塔克拉玛干沙漠东部）、沙坡头TSP中Al浓度的2.6、3.7、4.5倍［23］，说明沙漠腹地矿物气溶胶的浓度非常高。在PM 2.5中，其元素浓度大小顺序为Ca＞Al＞Fe＞Mg＞Na＞S＞Ti＞Mn＞P＞Sr＞Zn＞V＞As＞Cr＞Cu＞Pb＞Ni＞Co＞Cd；在TSP中略有差别，其顺序为Ca＞Al＞Fe＞Na＞Mg＞S＞Ti＞P＞Mn＞Sr＞Zn＞V＞Cr＞As＞Cu＞Ni＞Pb＞Co＞Cd。

表11-2　塔中春季PM 2.5和TSP的元素浓度（μg·m-3）

1.沙尘气溶胶元素的富集系数（EF）

为了进一步阐明元素的化学特征，采用Al作为矿物源的参比元素，根据公式EF=（X／Al）气溶胶／（X／Al）地壳计算了所有元素的富集系数。式中（X／Al）气溶胶和（X／Al）地壳分别代表X元素在气溶胶和地壳中的相对浓度。如果EF＜5，说明该元素主要来自地壳；如果EF＞10，说明主要来自人为污染来源；如果10＞EF＞5，则说明元素部分来自人为源，又有部分来自地壳源。如图11-9所示，矿物元素（EF＜5）有Ni、Cr、Ti、P、Fe、Co、Mn、Cu、Na、Sr、V、Mg、Ca、Zn；元素Cd、Pb既有地壳源也有人为污染源。值得关注的是污染元素（EF＞10）As、S的EF远大于10。在细颗粒物中，As的EF甚至超过了100，说明人迹罕至的沙漠海洋也有人为活动影响的痕迹。S的EF＞50，似应主要来自人为污染，实际上主要来自矿物源，这是塔克拉玛干沙漠的古海洋源的主要特征，对此会在后续部分详细阐述。

图11-9　塔中沙尘与非沙尘期间元素的富集系数（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）

2.沙尘气溶胶的矿物源元素

沙尘暴期间，在PM 2.5中的矿物源元素浓度，是非沙尘期间的1.8～7.7倍；而在TSP中，则是2.9～9.3倍。同时，在沙尘暴期间，这些矿物元素在TSP中所占的比重，比在非沙尘暴期间都有增加，尤其是Al、Fe、Mg、Na等。这些矿物元素在非沙尘暴期间的PM 2.5／TSP比值，均大于0.55，如Ca、Al、Fe、Mg、Na的PM 2.5／TSP比值分别为0.88、0.91、0.92、0.89、0.72；而到了沙尘暴时期，矿物元素PM 2.5／TSP比值均有不同程度的下降，Ca、Al、Fe、Mg、Na分别降至0.49、0.53、0.57、0.59、0.40。这一事实表明，在非沙尘暴时期，矿物元素较多地存在于细颗粒物中；而在沙尘暴时期，矿物元素较多地存在于粗颗粒物中。为进一步判别元素的来源，对元素在沙尘与非沙尘期间的EF进行了分析（图11-10）。值得注意的是，元素Zn在所有PM 2.5和TSP样品中的EF＜5，但在非沙尘时期，无论是在粗颗粒物中还是在细颗粒物中，其EF值均大于5。通过比较塔中周边表层土的元素浓度，Zn的浓度与全球地壳中的平均浓度相比，并无异常，这说明，非沙尘时期的人为活动，如沙漠公路往来的机动车尾气排放，以及石油天然气在沙漠里的加工过程排放的Zn，富集于塔中沙尘气溶胶之中。(www.xing528.com)

图11-10　塔中沙尘与非沙尘期间元素浓度的比较（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）

3.沙尘气溶胶中的污染源元素As、S、Pb、Cd及其来源

元素As、S、Pb、Cd的EF＞5。尤其是As，在PM 2.5中的EF高达120。根据元素PM 2.5／TSP的比值判断，这些污染元素主要分布在细颗粒物中（0.88～1.00）；在沙尘暴期间由于粗颗粒物增加，比值会有所降低（0.55～0.99），但还是主要存在于细颗粒物中。我们收集了塔中及其不同方向上表层土的元素，表11-3中列出了元素As、S、Pb、Cd相对于地壳平均浓度的倍数。在塔克拉玛干沙漠周边的城市街道及郊区的表层土中，元素Pb、Cd、As的倍数为1.4～6.6、5.5～6.6、3.7～8.3；而在沙漠与绿洲的过渡带为1.2～3.1。这说明，塔克拉玛干沙漠腹地的污染元素，可能来自周边的绿洲如库尔勒、和田等地的工农业活动及机动车尾气排放。在中国西部杳无人烟的塔克拉玛干沙漠，气溶胶和尘土中均含有某种程度的污染元素As、Pb、Cd。这些发现强烈地提示，燃煤所产生的大气污染物，经由大气颗粒物的长途传输，已经污染了中国几乎所有地区的大气和土壤。中国各地区、各城市的大气污染，不仅来自本地污染源，同时也都来自外地沙尘及污染源的长途传输。气溶胶的长途传输，成为中国大气气溶胶来源和形成机制的主要特点。必须指出的是，元素S中可溶性的S与总硫的比值接近1，说明塔中表层沙土中的S，主要是以可溶性S存在。元素S在塔中的浓度是地壳平均浓度的1.2～4.0倍。关于S的富集原因，将在11.3节详细讨论。

表11-3　塔克拉玛干沙漠表层沙砾中污染元素As、Cd、Pb、S相对于地壳浓度的倍数

S w表示SO2-4中可溶性的S，S t表示气溶胶中的总S。“人口”栏为2004年的数据。