和田气溶胶元素化学揭秘

1.气溶胶中元素Ca、S、Al的含量

图13-4为春夏秋三季中沙尘暴与非沙尘暴期间PM 2.5和TSP里元素Ca、S、Al的质量百分比浓度，图中虚线为地壳的平均浓度。显然，和田气溶胶中Ca和S的百分含量均分别高于地壳的平均浓度（4.25%、0.035%），尤其是元素S，其百分比在0.49%～3.3%，不仅高于地壳浓度，也远高于本地表层土的浓度（0.12%）。关于S的来源将在13.2.2节第4点详细论述。与元素S、Ca特点不同的是，气溶胶中元素Al的百分比浓度均低于地壳平均值8.13%，与本地表层土中的浓度相当。造成该地区相对低Al百分比的原因是由于高Ca、高S百分比造成相应的其他元素如Al的相对浓度的降低。和田地区气溶胶的高S、高Ca特性与沙漠腹地塔中的特性相同，显然说明了它们来源于塔克拉玛干沙漠。

2.气溶胶中元素的富集系数（EF）及其来源

与地壳的平均丰度比较，塔克拉玛干沙漠的沙尘气溶胶及表层土中含有较高浓度的元素Ca和较低浓度的元素Al。如依照常用方法，采用全世界地壳中元素Al的平均丰度作为基准，来计算和田地区气溶胶中元素的富集系数，明显不妥。本研究利用与和田地区邻近的塔中地区的表层土里Al元素的相对浓度，作为参比基准，以计算和田地区气溶胶中各元素的富集系数，即采用公式EF=（X／Al）气溶胶／（X／Al）塔中表层土来计算富集系数。图13-5所示的是不同季节沙尘暴期间和非沙尘暴期间TSP和PM 2.5中各元素的富集系数。

一般情况下，如果某一元素的EF＜5，则表明该元素主要来自矿物源；如果EF＞10，则该元素较多来自人为污染源的影响；如果5＜EF＜10，则表明既有来自地壳的天然源又有人为污染源的影响。从图中明显可以看出，元素As、S、Zn、Pb、Cu、Cd在和田气溶胶中明显富集，尤其是As、S、Zn在春季非沙尘暴期间富集显著，EF分别达到69.0、64.9、135.9。这说明，和田地区尽管位于沙漠附近，其气溶胶除了主要来自沙漠的天然矿物源外，还有来自本地的以及区域或长距离传输的人为污染源的贡献。元素的富集程度在PM 2.5中大于在TSP中，非沙尘暴期间元素的富集程度大于沙尘暴期间。这些结果表明，污染元素易在细颗粒物上富集，同时沙尘暴发生期间，由于大量粗颗粒物进入大气，稀释了污染元素的浓度，因而这些元素的EF得以降低。值得注意的是，在沙尘暴期间，春季污染元素的富集程度普遍高于其他季节，尤其是元素S表现得非常明显。这可能是由于春季沙尘发生频率高，占到了全年采样期间高沙尘次数（15次）的60%（共9次），而且强度大（TSP平均浓度为1 051.7μg·m-3）。

图13-5　以塔中表层土为本底的和田气溶胶元素的富集系数（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）(www.xing528.com)

图13-6　和田不同季节典型后向轨迹图（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）

（a）春季（2008年4月20日）；（b）夏季（2008年7月8日）；（c）秋季（2008年10月20日）。图上方部分外文含义请参见127页图9-6图注。图下方部分外文含义请参考如下内容：Meters AGL：meters above ground level，指地平面之上的高度（m）；Job ID：此工作的代号；Job Start：此工作始于；Lat：纬度，Log：经度；hgts：高度；Trajectory direction：Backward：轨迹方向：后向；Duration：持续时间；Meteorologist Data：FNL：气象学数据格式：FNL（File Name Length）；Vertical Motion Calculation method：Model Vertical velocity：垂直运动计算方法：模型垂直速度；Produced with HYSPLIT from NOAA ARL Website（http：／／www.arl.noaa.gov／ready／）：根据〈美〉国家海洋和大气局空气资源实验室研发的HYSPLIT模型^[1]计算而得（http：／／www.arl.noaa.gov／ready／）。

不同的沙尘传输路径，对和田地区污染元素的富集有着重要的影响（图13-6）。根据后向轨迹分析，可以将传输路径分为2类。一类是气团从海拔较低的东天山进入盆地后，形成影响和田的沙尘天气，这称为东路［图13-6（a）和（b）］；另一类是来自沙漠西部的沙尘，沿帕米尔高原向西北移动，由于昆仑山的阻隔，沙尘向西移动，进而影响和田，这称为西路［图13-6（c）］。在东路传输路径上，分布着新疆主要的能源及矿产资源。尤其在天山一带，分布着以库尔勒为中心的新疆重要的石油化工基地和绿洲农业带，如天山北坡经济开发带，以及采掘工业基地，如吐鲁番盆地等工业农业活动密集区。另外，由于近些年来人类活动的影响，在这条路径上的湖泊如艾比湖、玛纳斯湖、艾丁湖的湖面面积已锐减［7-9］，含盐量骤增（如艾比湖周边地区表层土中硫酸盐的含量高达185 mg·g-1）［8］，河床裸露，周边土壤盐碱化严重，加上一些早已干涸的湖泊如罗布泊的盐碱土，新疆盐碱土面积已达到8.5×104 km2，强盐碱土壤占到了1／3以上。与新疆接壤的哈萨克斯坦，有8.7×105 km2的盐碱土，冷风过境对新疆的南北部都有影响［10］。由于阿拉山口一带以及百里风区的特有地形作用（狭管效应和滑移作用）［11］，故气团易贴近地面，将污染物扬起，使之进入大气。相对于东路，西路沿途的经济相对落后，除零星的一些工业活动外，主要以农业种植为主。为研究气溶胶中这些污染元素的来源，我们采集了新疆乌鲁木齐地区、吐鲁番盆地、库尔勒市周边以及和田的表层土，分析了其中的元素和离子浓度。结果发现，元素S在乌鲁木齐地区、库尔勒、吐鲁番盆地表层土中的含量分别是和田表层土的3.7～8.1、4.2～4.5、1.2～1.7倍，元素Zn分别是和田的0.57～5.9、2.7～3.6、1.1～1.6倍，元素As分别是和田的0.88～9.0、0.57～1.28、0.9～1.8倍，元素Pb分别是和田的0.99～6.17、3.5～4.8、0.67～1.2倍，元素Cu分别是和田的3.0～4.4、4.2～6.2、1.2～2.4倍。这表明，这些污染元素在东路沿途表层土中的含量，大多高于和田。如果和田的沙尘来自东路，沿途路径上污染元素的贡献势必有利于污染元素的富集。而西路沿途则相对“干净”，这些污染元素可能更多来自本地污染源的贡献。春季沙尘暴多以东路为主，秋季沙尘来自西路，而夏季以西路和辐合带引起的局地沙尘居多，由此可以判定，夏季沙尘暴期间元素As富集较高，这可能更多主要来自本地的贡献。

非沙尘暴期间，在细颗粒物PM 2.5中，污染元素S、Zn、Cu、Pb、Cd、As在春秋两季明显富集。如在春季，元素As的富集系数达85，元素Pb达37，元素Zn高达135。这主要是由于春秋两季采暖，燃煤排放出大量的污染元素所致。在TSP中，富集系数有所降低，除元素As大于10，其他元素在5～10，表明这些污染元素也有部分来自污染源，且更多存在于细颗粒物中。

3.和田大气气溶胶中的矿物气溶胶

根据公式［12］，矿物气溶胶的质量浓度=1.16×（1.90Al+2.15Si+1.41Ca+1.67Ti+2.09Fe），式中元素Si的浓度根据Al的浓度和Si／Al的比值（3.24）计算。Si／Al比值由单颗粒分析得到的SiO 2（41.9%）和Al2 O 3（13.7%）的相对浓度计算而得。由此可以估算出和田地区沙尘气溶胶中的矿物组成。考虑到塔克拉玛干沙漠沙尘气溶胶的古海洋源特性，大量从古海洋沉积下来的海盐，也应是沙尘气溶胶中矿物盐的一部分，其海盐的计算公式［12］为海盐=Na+×2.54。由此计算，和田地区沙尘气溶胶中的矿物气溶胶，分别占到总质量的82.8%（PM 2.5）、80.8%（TSP），表明和田地区气溶胶中的绝大部分还是矿物气溶胶。