乌鲁木齐大气气溶胶元素特征及来源-《大气气溶胶和雾霾新论》

1.大气气溶胶中有关元素的富集系数

表28-2列出了乌鲁木齐冬季气溶胶中所分析的19种元素相对于以Al为地壳源参比元素的富集系数（EF）。根据EF的大小，这些元素可分为3类。①地壳元素：Al、Fe、Ca、Mg、Na、Sr和Mn，EF＜5，这些元素主要来自地壳源；②污染元素：S、Cd、Pb、As和Zn，EF＞50，这些元素主要来自人为污染源；③地壳／污染元素：50＞EF＞5的元素，包括P、Cr、Ni和Cu，部分来自地壳源，部分来自人为污染源。

表28-2　乌鲁木齐气溶胶中有关元素的浓度（μg·m-3）及富集系数

2.污染元素Pb、As、Cd、S及其来源

污染元素Pb、As、Cd、S在PM 2.5中的EF分别高达1 658、1 582、1 317和2 553（见表28-2）。为弄清楚污染元素的来源，采集了乌鲁木齐城市街道降尘以及可能向乌鲁木齐传输沙尘的不同地区表层土壤。根据地理位置的不同，将采样区域分为3类：乌鲁木齐市区、乌鲁木齐郊区的盐湖附近地区和乌鲁木齐北部的准噶尔盆地南缘地区。Pb、As、Cd、S在乌鲁木齐市区（U1—U5）降尘中的含量相对于该元素在地壳中平均丰度的倍数，分别为6.6～12.8、7.6～33.2、303.8～877.4、7.8～40.3（表28-3）。尽管乌鲁木齐于1999年1月1日开始禁止使用含Pb汽油，然而乌鲁木齐PM 2.5和TSP中Pb的EF分别为1 658和333。上述结果说明，气溶胶中高浓度的Pb，可能主要来自道路灰尘的再次扬起。位于准噶尔盆地南部（JB1、JB2和JB3）的天山绿洲农业经济带和乌鲁木齐郊区盐湖地区（S1、S2）是外来沙尘及表层土壤扬起传输到乌鲁木齐的必经之地。该地区表层土壤中As和Cd的浓度相对于地壳平均丰度，分别高出5.6～16.0倍和186.5～239.3倍，意味着乌鲁木齐大气溶胶中高浓度的As和Cd，不仅可能来自本地道路扬尘，也可能来自准噶尔盆地和盐湖地区沙尘的输送。值得注意的是，乌鲁木齐PM 2.5中S的EF高达2 553。SO24-在PM 2.5和TSP中分别为48.51和63.08μg·m-3；如果计算SO 24-中的S含量（分子量之比S／SO24-为1／3），其值应为SO 24-浓度的1／3。SO24-中的S，即可溶性硫酸盐中的S，在PM 2.5和TSP中的含量为15.88和21.03μg·m-3；PM 2.5和TSP样品中测出的总S分别为15.88和21.67μg·m-3，硫酸盐中的S与总S的比值分别为1.00和0.97，说明乌鲁木齐大气气溶胶中的S，几乎都以硫酸盐的形式存在。这样高浓度的硫酸盐，很可能与乌鲁木齐严重霾的形成有关。准噶尔盆地（JB1、JB2、JB3）和新疆盐湖周边地区（S1、S2）表层土壤中的S含量，高于其在地壳中平均丰度的倍数（见表28-3），为3.3～56.64。这些S也主要以硫酸盐的形式存在，这2个地区硫酸盐中的S与总S的比值为0.7～1.0。准噶尔盆地南缘是新疆重要的绿洲现代农业经济带，大量使用化肥造成土壤中含有大量的硫酸盐；新疆盐湖及周边地区因靠近盐湖或是干枯的古盐湖地区，故表层土中也含有高浓度的SO24-。含有大量硫酸盐的沙尘气溶胶在传输途径中与乌鲁木齐市区的人为气溶胶相互混合，很可能是造成乌鲁木齐高浓度硫酸盐及重霾形成的原因。此外，S、Pb、As、Cd和Zn在细颗粒物PM 2.5中的含量与其在总颗粒物TSP中的含量的比值（PM 2.5／TSP），分别为73.3%、79.2%、64.2%、74.5%和80.6%，表明这些污染元素多数存在于细颗粒物中（表28-2），因之可随细颗粒物被远距离传输，所以这些元素部分源于远距离外来源的输送。

表28-3　乌鲁木齐降尘及其他相关地区表层土壤中污染元素Pb、As、Cd和S的浓度（μg·g-1）

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（续表）

丰度：元素在地壳中的平均浓度（μg·g-1）；ST：样品中元素S总量；SSO 24-：样品中SO24-离子中相应的含S量；倍数：元素在降尘或表层土中的含量相对于该元素在地壳中的平均丰度的倍数。

3.气溶胶以及土壤中的Ca／Al比值及其示踪意义

表28-4为乌鲁木齐大气气溶胶、降尘以及乌鲁木齐周边地区和新疆其他地区表层土壤中Ca／Al的比值。乌鲁木齐PM2.5和TSP中的Ca／Al比值分别为1.13和1.48，这与准噶尔盆地南部（约1.2）、盐湖地区（0.8～1.2）和乌鲁木齐城区（0.8～1.3）降尘中的Ca／Al比值相似，进一步说明乌鲁木齐气溶胶可能部分来自准噶尔盆地及盐湖地区沙尘的输送。位于塔克拉玛干沙漠中部的塔中和南缘的肖塘，其Ca／Al比值约为2.2，高于乌鲁木齐大气气溶胶的比值。这说明，来自乌市南边的沙尘可能性较小，因为横亘于乌鲁木齐与塔克拉玛干沙漠之间、平均海拔约4 000 m的天山，阻挡了塔克拉玛干沙漠的沙尘输送北上。

表28-4　气溶胶、降尘和表层土壤中的Ca／Al比值