大气气溶胶元素组分揭秘

表26-1为TSP和PM 2.5中19种元素的24 h平均质量浓度和元素占颗粒物总质量的比例（DS表示沙尘时期的平均浓度值，NDS表示非沙尘时期的平均浓度值），以及相应元素的地壳丰度［24］。可以看出，主要来自矿物源的Al、Fe、Ca、Na、Mg等元素，在沙尘和非沙尘情况下的平均质量浓度均比较高，在TSP和PM 2.5中的质量百分含量都在1%以上。这5种元素在TSP和PM 2.5中的平均质量浓度和质量百分含量，在沙尘时期明显高于非沙尘时期的平均值，并且这些元素的质量百分含量在沙尘时期的平均值也更接近于地壳丰度（除了Ca），说明在榆林气溶胶中，这5种元素主要来自矿物源。与其他元素不同，在沙尘和非沙尘时期，榆林气溶胶中Ca元素的质量百分含量均大于其地壳丰度，说明该地区的大气气溶胶富含Ca。以往的研究也表明，在黄土高原的黄土［25］以及榆林地区的大气气溶胶中，Ca的含量比较高［19］。因此，可以用沙尘气溶胶中Ca元素的含量，来判别这一地区的沙尘源。

元素Ti、P、Mn、Sr、Cr、Co、V、Ni在榆林气溶胶中的质量百分含量在0.01%～1%之间。由表26-1可以看出，这8种元素在TSP和PM 2.5中的质量浓度和质量百分含量，在沙尘时期的平均值明显高于非沙尘时期，说明这些元素主要来自矿物源。从气溶胶中元素的富集系数（图26-1）［富集系数的计算公式为（X／Al）气溶胶／（X／Al）地壳，X代表不同元素，详见第7章］也可以看出，元素Fe、Na、Ti、P、Mg、Co、V、Ni、Mn、Sr、Cr、Ca的富集系数EF在沙尘和非沙尘时期均小于5，进一步说明这些元素主要来自矿物源。然而在非沙尘时期，这些来自矿物源的元素在颗粒物中的质量百分含量，远小于它们在地壳中的平均含量，可见榆林气溶胶中含有一定量的污染物。而且即使在沙尘时期，这些元素的质量百分含量也明显低于地壳中的含量，说明榆林沙尘时期的气溶胶中含有污染物，存在沙尘与人为排放污染物之间的相互混合、相互作用。相比之下，非沙尘时期Pb、Zn、Cd、S、As等元素在榆林气溶胶中的质量百分含量比沙尘时期高，在PM 2.5中，Pb、Zn、Cd、S、As的最高含量分别达到了4.3×10-2%、0.16%、8.8×10-4%、2.35%、5.8×10-2%，在TSP中则分别为2.7×10-2、9.4×10-2、4.8×10-4、1.79、6.6×10-3%。然而即使在沙尘时期，这些元素的含量也远比它们在地壳中的平均含量高（在PM 2.5中，Pb、Zn、Cd、As、S的质量百分含量分别是其地壳丰度的11.0、21.1、31.4、35.0、106.3倍；而在TSP中，为4.7、3.4、11.0、17.1、23.5倍）。以上分析表明，榆林气溶胶中这5种元素主要来自人为污染物排放。As和S可能主要来自居民生活以及工业的煤炭等化石燃料的燃烧，而Pb则主要与交通排放有关［26，27］。与其他城市相比，榆林大气气溶胶中这5种污染元素的浓度不及北京［28］、上海［29］等大城市，却明显高于青藏高原大气气溶胶中这5种元素的浓度［30］，也表明榆林气溶胶中存在一定程度的污染物。

表26-1　TSP和PM2.5中主要元素和离子的平均质量浓度（μg·m-3）和质量百分含量（%）

（续表）

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a丰度：元素在地壳中的平均含量（%）［2 4］。

图26-1　TSP和PM2.5中主要元素的富集系数（EF）

从富集系数来看，沙尘和非沙尘时期PM 2.5中元素Pb、Zn、Cd、As、S的EF值均大于10，甚至大于100，而且这些元素的EF值在非沙尘时期远大于沙尘时期，说明这些污染元素主要来自榆林当地的污染物排放。在沙尘时期，由于外来沙尘气溶胶的稀释作用，污染元素的富集系数显著下降。进一步分析这5种元素与Al元素的相关性（由于Al主要来自矿物源，可作为矿物气溶胶的指示物），发现在沙尘时期（进行相关分析的数据包含采样期间所有样品）和非沙尘时期（进行相关分析的数据只包含非沙尘时期所采集的样品），元素Pb、Zn、Cd、As与Al都不存在相关关系，而元素S与Al则在沙尘时期（同上）有较好的相关性（PM 2.5中2006和2007年的相关系数分别为0.96和0.58，TSP中为0.73和0.57），表明元素Pb、Zn、Cd、As主要来自当地污染物排放，而S则既受到人为污染排放影响，又受到来自矿物源的沙尘颗粒物影响。