沙尘气溶胶中的元素特性-《大气气溶胶和雾霾新论》成果详解

富集系数（EF）可用于表征气溶胶中的元素相对于地壳丰度的富集程度。通常以Al元素作为参比元素，富集系数的计算公式为EF X=（X／Al）气溶胶／（X／Al）地壳。一般认为当EF＜10时，表明该元素主要来自矿物源，而EF越高则表明该元素来自污染源的贡献越大。通过计算每个站点中19个主要元素的平均富集系数，可将所有元素分成3组：第一组包括Al、Ca、Co、Cu、Fe、Mg、Mn、Na、Ni、P、Sr、Ti和V，EF＜10，说明这些元素主要来自地壳的天然矿物源。第二组包括Pb、Zn和Cd，10＜EF＜100，表示这些元素有一定程度的富集，可能既有自然源，也有人为污染源。第三组包括As和S，EF＞100，表示这些元素均高度富集，且主要来自人为污染源。站点间相同元素的富集系数，基本上都按以下顺序排列：上海＞榆林≈多伦＞塔中，说明在4个站点中，塔中的气溶胶受污染的程度相对最小，因其远在沙漠中心，周围人烟稀少。Pb和Zn的富集系数在塔中均小于10。其他3个站点Pb和Zn的富集系数，比塔中要大几十至几百倍，因此Pb和Zn在这3个站点必然是污染元素。通过相关性分析发现，在塔中，Pb、Zn和Al具有显著相关性，相关系数分别达到0.90和0.87，说明这2种“污染”元素确实有可能部分来自矿物源。Pb在ND和DS分别为5.27×10-3%和2.48×10-3%，分别是其地壳丰度（1.40×10-3%）的3.8和1.8倍。Zn在TSP中的平均质量百分比，在ND和DS分别为2.24×10-2%和1.03×10-2%，分别是其地壳丰度（7.00×10-3%）的3.2和2.5倍。在其他站点，该比值会高出几十至几百倍。这进一步说明，在塔克拉玛干沙漠的源区，这些“污染”元素仍然有矿物来源。

为了进一步评估特定元素中人为污染源的贡献，利用公式X污染=X总-Al气溶胶×（X／Al）地壳可以计算人为污染源贡献的质量浓度。图57-3所示为Pb和Zn分别在ND和DS时期来自污染源的平均质量浓度。从图中可以看出，在塔中、榆林和多伦这3个站点，不论是沙尘时期还是非沙尘时期，非矿物源的Zn浓度变化均不大，表明Zn在沙尘源区附近具有相对稳定的背景值；而在下风向沉降区的上海，元素Zn在沙尘期间非矿物源的浓度是非沙尘期间的1.5倍，高达1.7μg·m-3。这部分增加的Zn，极有可能是来自沙尘长程传输所携带的。至于元素Pb，其在4个站点均体现出非矿物来源浓度在沙尘期间高于非沙尘期间的特点。Pb与Zn之间的不同特点，表明在中国各沙尘源区附近站点，Zn具有类似的背景值。而Pb在中程或长程传输过程中体现的特性表明了中国早年含Pb汽油广泛使用所余留下来的影响，是一个较为明显的区域性污染问题。

由上述讨论得知，塔中的大气气溶胶受污染程度最小，但是仍然发现元素As存在一定程度的富集，在ND和DS时期的平均富集系数分别为51和35。这说明，即使是在沙尘源区，矿物气溶胶和污染物的混合已经存在了。As在塔中气溶胶中的富集，极可能是来自煤燃烧，因为煤的使用在新疆很普遍，并且采暖期往往持续半年以上。一些早期的研究同样也发现，在沙尘源区存在污染，例如中国的西北沙尘源区［23，24］和东地中海沙尘源区［34］。

图57-3　沙尘（DS）与非沙尘（ND）期间4个站点Pb和Zn元素的非矿物来源质量浓度

图中误差线代表一个标准偏差。(www.xing528.com)

所有元素的浓度和富集系数，在沙尘与非沙尘期间的比值如图57-4所示。在沙尘期间，元素Al、Ca、Fe、Mg、Co、Mn、Na、P、Sr、Ti和V的浓度，相较非沙尘期间增加了8～30倍；而污染元素As、Cd、Cu、Pb、Zn和S也增加了1～8倍，表明沙尘暴不仅为下游各地带来大量的矿物元素，同时也带来了大量的污染元素。增加最明显地出现在上海，说明沙尘对于离源区越远的地区，其相对影响越显著。除了沙尘自身从源区带来的污染物以外，污染物也可能部分来自传输途径上的污染源。对于污染元素，DS与ND的富集系数比值均小于1.00，表明了沙尘气溶胶在其传输途中对来自局地污染源的污染元素有稀释作用。

图57-4　（a）4个站点元素沙尘期间与非沙尘期间的质量浓度比值（浓度DS／浓度ND）；（b）4个站点元素沙尘期间与非沙尘期间的富集系数比值（EFDS／EFND）。