李伊明,彭 杏,皇甫延琦,徐 娇,史国良,冯银厂

南开大学环境科学与工程学院,国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室,天津 300071

沙尘天气包括五级，即浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴、特强沙尘暴，我国北方地区春季空气质量易受到不同程度沙尘天气的影响.沙尘天气会导致大气中气溶胶短时间内急剧增加，从而加剧大气污染、降低水平能见度.2013年3月，受沙尘天气影响，北京市各测点实时AQI均达六级严重污染，ρ(PM10)最大值达920 μg/m3，能见度最低至4.3 km[1].2014—2015年兰州市春季沙尘天气期间，ρ(PM10)最高可达1 mg/m3[2].沙尘颗粒物可长时间悬浮在空气中，并经远距离输送影响更多区域[3-6].这些颗粒与大气中的水发生反应后，其吸水性及与气体发生非均相反应的能力都会发生改变，从而最终影响其对太阳光的散射和吸收能力；此外，沙尘颗粒进入对流层后，大气中的多相反应会改变其化学成分，从而进一步改变矿物粉尘颗粒与水蒸气的相互作用[7].在对人体健康影响方面，已有研究[8-10]证实，在我国西北沙尘频发的地区，人群的呼吸系统和心脑血管疾病的发病率与在沙尘天气下较高的颗粒物暴露水平有关.甘肃省呼吸、循环系统疾病日门诊人数的增加与沙尘暴和扬沙天气有联系[8]；包头市人群总死亡率随大气污染加重而增加，其中TSP (总悬浮颗粒物)是影响总死亡率的重要因素[9].

为研究沙尘天时的污染特征及人类活动对沙尘的影响程度，选择我国西北地区呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市(简称“呼包鄂地区”)作为研究对象.呼包鄂地区位于内蒙古自治区中西部的核心区，在全国“两横三纵”城市化战略格局中被定位为全国重要的能源、煤化工基地、农畜产品加工基地和稀土新材料产业基地，北方地区重要的冶金和装备制造业基地.目前，呼包鄂地区大气污染主要呈以下特征：①大气污染物排放负荷巨大，各类大气污染物排放总量呈增长趋势；②沙尘天气对空气质量影响较大.受西伯利亚强寒流及强蒙古气旋影响，常有大风发生，多发于春季，风向为偏西北风，风力较强，并伴有降温.因降水稀少，植被返青较差，往往引起扬沙、沙尘暴甚至强沙尘暴天气，给工农业生产、交通运输和生态环境造成严重影响和损失.2002—2011年，呼和浩特地区平均沙尘日数在27 d以上[11].冯沈迎等[12]定量分析了冬、夏两季呼和浩特市大气中的有机污染物，表明呼和浩特市属于大气有机物高浓度区域.王佳等[13]对2004—2010年呼和浩特市的空气质量进行了研究，发现采暖季空气质量呈逐年下降趋势.周海军等[14]分析了包头市2015年臭氧的时空分布特征，得出包头市夏季(6—8月)臭氧污染严重的结论.目前，对呼包鄂地区颗粒物、有机物、臭氧污染的研究较多，然而春季多发的沙尘天气对当地居民的身体健康和生产生活造成了严重的影响，但是目前对于呼包鄂地区沙尘天气污染特征的研究较为鲜见.

该研究分析了呼包鄂地区沙尘天气与非沙尘天气时不同粒径颗粒物的组分，利用化学质量平衡受体模型(CMB)计算了PM10和PM2.5污染源的贡献率，通过后向轨迹模型将呼包鄂地区沙尘的来源进行了定位，最后通过富集因子法评估了人类活动对沙尘天气的影响，通过定义组分特征比值对沙尘天气与非沙尘天气进行了区分.对区域内沙尘污染进行系统了解，可为呼包鄂地区区域大气污染现状研究提供依据，并为改善空气质量提供参考.

1 试验方法

1.1 样品采集与分析

该研究在呼和浩特市小召、包头市包百大楼、鄂尔多斯市杭锦旗三地同时开展采样工作，各采样点分布如图1所示.每个采样点同时使用聚丙烯滤膜(用于元素分析)和石英滤膜(用于碳组分和水溶性离子分析)进行采样，采样时间为2016年3月1日—2016年5月24日.监测期间采样时段为10:00—翌日09:00 (PM10自2016年3月15日起隔日采样)，周期为23 h/d，共采集约44 d.采样结束后共获得滤膜样品101个(90 mm)，有效数据滤膜共88个，有效率为87%.呼包鄂地区大气环境质量数据主要参考了呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市的大气自动监测站数据，监测指标主要为SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3.

该研究分析颗粒物质量以及颗粒物中碳、水溶性离子、元素等组分.颗粒物质量使用十万分之一电子天平(型号CP225D，Germany)称量；OC (有机碳)、EC (元素碳)使用热/光碳分析仪DRI-2001A (Atmoslytic,美国)基于热光分析法测定；Cl-、NO3-、SO42-、NH4+、F-依据离子色谱法，采用Dionex 2000(赛默飞,美国)测定；Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、V、Co、Cr、Mn、Fe、Cu、Cd、Zn、Pb、As、S采用ICP-MS (赛默飞，美国，X Series Ⅱ型)仪器[15]测定.

1.2 数据分析

CMB (化学质量平衡)受体模型由一组线性方程构成[16]，是一种线性回归模型，其基本原理为

(1)

式中：Ci为受体大气颗粒物中化学组分i的质量浓度测量值，μg/m3；Fij为第j类源的颗粒物中化学组分i的质量浓度测量值，μg/m3；Sj为第j类源贡献的质量浓度计算值，μg/m3.

富集因子法在大气颗粒物分析中主要是研究颗粒物中某些元素的富集程度[17]，以此来推测元素自然来源和人为来源的贡献水平.计算方法为双重归一化，其能减少受体采样、气象条件及分析等的影响[18]，计算公式：

EF=(Cn/Cr)/(Bn/Br)

(2)

式中：EF为富集因子；Cn、Cr分别为大气颗粒物中测量元素、选定参考元素的测量浓度，μg/m3；Bn、Br分别为参考系统中的测量元素、选定参考元素的浓度[19-22]，μg/m3.

后向轨迹模型(HYSPLIT)由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)发布，用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹，从而深入分析区域输送气象因素的影响[23-24].后向轨迹模型有两种形式，前向轨迹模式和后向轨迹模式.该研究主要应用后向轨迹模式，即模拟某一地区的气流来向，用来解释该地区气态或颗粒态污染物来源的问题.

2 结果与讨论

2.1 沙尘天气颗粒物特征分析

呼包鄂地区大气颗粒物污染水平从高到低依次为包头市>呼和浩特市>鄂尔多斯市，其中，包头市ρ(PM10)、ρ(PM2.5)分别为133、52 μg/m3，呼和浩特市ρ(PM10)、ρ(PM2.5)分别为104、46 μg/m3，鄂尔多斯市ρ(PM10)、ρ(PM2.5)分别为80、28 μg/m3.由图2可见，呼包鄂地区春季各采样点ρ(PM10)与ρ(PM2.5)日均值呈波动特征，但ρ(PM10)与ρ(PM2.5)日均值的变化趋势较为一致，表明ρ(PM10)与ρ(PM2.5)可能受到相似的污染源排放的影响.监测期间共捕捉到5个沙尘污染过程，分别为3月3—5日、3月15—19日、3月31日—4月1日、5月5日、5月20—22日，沙尘污染过程期间ρ(PM10)出现明显的上升.为进一步研究沙尘天气的污染特征，将沙尘天气与非沙尘天气受体中各组分质量浓度进行对比分析.

图2 2016年采样期间呼包鄂地区PM2.5与PM10时间变化序列Fig.2 The concentration of PM2.5 and PM10 during the sampling period in 2016 in Hohhot-Baotou-Ordos Region

图3 呼包鄂地区沙尘天气和非沙尘天气PM10和PM2.5中组分质量浓度及占比Fig.3 The concentrations and percentages of chemical components in PM10 and PM2.5 during dust and non-dust pollution days in Hohhot-Baotou-Ordos Region

由图3可见，呼包鄂地区沙尘天气与非沙尘天气PM2.5、PM10中主要化学组分均为元素Si、Ca、Al、Fe与二次组分(OC、SO42-与NO3-)，并且在沙尘天气时这些主要化学组分的质量浓度大于在非沙尘天气时.沙尘天气时，PM2.5与PM10中地壳元素Si、Ca、Al、Fe的质量浓度均较大，其中ρ(Si)、ρ(Ca)均大于二次组分ρ(OC)、ρ(SO42-)与ρ(NO3-).相比于非沙尘天气，沙尘天气时ρ(Si)、ρ(Ca)、ρ(Al)在PM10中的增幅分别为25.0、15.2、12.9 μg/m3，在PM2.5中的增幅分别为9.1、7.0、4.4 μg/m3，ρ(Si)、ρ(Ca)、ρ(Al)在PM2.5、PM10两个粒径段均显著增加，且在PM10中的增幅大于在PM2.5中.沙尘天气时，ρ(OC)、ρ(Si)、ρ(Ca)在PM2.5中占比分别为4.1%、2.4%、1.3%，均明显增加，其余组分占比变化均在±0.7%内；ρ(Si)、ρ(SO42-)的占比在PM10中有一定的增加，分别为0.4%、0.6%.由于Si、Al等为土壤风沙尘的标识组分[25]，Ca为建筑扬尘的标识组分[26]，表明呼包鄂地区可能受到沙尘的影响较大，并且这种影响可能多集中于较粗的粒径段，这与WANG等[27]对我国北方沙尘天气的研究结果较为一致.对于二次组分OC、SO42-与NO3-来说，仅沙尘天气时在PM10中质量浓度较高.与我国其他地区相比，如2016年春季，烟台市ρ(Si)、ρ(Ca)、ρ(Al)、ρ(Fe)均小于5 μg/m3，而ρ(SO42-)与ρ(NO3-)均大于12 μg/m3[15]，呼包鄂地区地壳元素(Si、Ca、Al、Fe)的质量浓度明显较大，而二次组分(OC、SO42-、NO3-)质量浓度明显较小.由此推测呼包鄂地区春季受二次污染的影响较小，较高的颗粒物质量浓度多来自沙尘即一次源影响，这与WANG等[28]对沙尘暴期间PM2.5化学组分的研究结果较为一致.

2.2 沙尘天气污染源分析

为了进一步研究呼包鄂地区沙尘天气颗粒物的主要来源，将呼包鄂地区沙尘天气的PM10和PM2.5受体数据，以及相应的扬尘源、建筑水泥尘源、煤烟尘源、机动车尘源、二次硫酸盐源、二次硝酸盐源的源谱数据分别纳入CMB模型进行解析，计算排放源的贡献率结果.经过CMB模型计算，得到收敛的源解析结果.由表1可见：呼包鄂地区PM10的源解析结果表明，扬尘源的贡献最高，其贡献率为59.3%;其次是建筑水泥尘源，贡献率为13.8%，其原因可能是沙尘天气风速较大，使得颗粒物中Si、Ca等地壳组分明显增高；煤烟尘源和机动车源的贡献率分别为7.2%和5.6%.呼包鄂地区沙尘天气PM2.5的来源解析结果表明，在参与拟合的源类中各源类的贡献率大小顺序依次为扬尘源(48.7%)>机动车源(15.0%)>煤烟尘源(12.3%)>建筑水泥尘源(7.2%)>二次硝酸盐源(0.9%)>二次硫酸盐源(0.5%).以地壳元素为主的扬尘，是沙尘天气呼包鄂地区的首要贡献源，其贡献率达48.7%.与包头市春季源解析结果[29]相比，沙尘天气时呼包鄂地区扬尘源贡献率明显高于包头市(19.1%)，二次源的贡献率则明显低于包头市(36.3%).与我国春季受沙尘天气影响较小地区相比，烟台市2017年扬尘源仅占19.9%[15]，远低于呼包鄂地区，二次硝酸盐源与二次硫酸盐源的贡献率分别为22.7%、9.7%，均高于呼包鄂地区，机动车源与燃煤源两地相当，说明呼包鄂地区沙尘天气时扬尘源贡献率较大，二次源贡献率明显较小.罗达通[30]对银川市PM2.5进行来源解析，结果显示春季扬尘源、土壤风沙尘源、建筑尘源的贡献率分别为43%、11%、5%，三者总贡献率达59%，这与呼包鄂地区相似，说明呼包鄂地区沙尘天气污染特征与我国其他地区具有共性.

表1 呼包鄂地区沙尘天气PM10和PM2.5源解析结果Table 1 Source apportionment of PM10 and PM2.5 in dust pollution days in Hohhot-Baotou-Ordos Region

为精确分析呼包鄂地区沙尘的来源，选取2016年两次典型沙尘过程(2016年3月15—16日和5月5—7日)，通过后向轨迹模型并结合地理特征信息，以呼和浩特市为例进行详细研究.后向轨迹模拟图中，轨迹水平分量的长短表征气团移动速度的快慢，通常轨道水平分量越小则表示气团运动越慢，即风速越小[31].由图4可见：在3月15—16日沙尘天气时，到达呼和浩特市的气团主要源自呼包鄂地区的西部，其中100、500 m气团主要来自呼和浩特市的内陆地区，途径西南方向地区，最终影响呼和浩特市，这些气团气流轨迹的迹线较长且分布高度达 4 000 m，说明到达呼包鄂地区的气团风力较大、风速较强；5月15日之后这些低空气团有明显下沉，说明对呼和浩特市产生了较大影响.另有 1 500 m高空气团来自于呼和浩特市戈壁及沙漠地区，这些气团的轨迹线大部分较短，高度大多处于 1 000 m以下，说明到达呼包鄂地区的气团风力较小、风速较低；5月15日该气团高度始终处于较低状态，说明其在该日对呼和浩特市有持续影响.综上，2016年3月15—16日呼和浩特市沙尘天气的形成主要是受西部地区沙尘的影响.

图4 2016年3月15—16日与5月5—7日典型沙尘天气时呼和浩特市后向轨迹模拟Fig.4 Simulation of backward trajectory in Hohhot on typical dust pollution days from March 15th to 16th and May 5th to 7th,2016

呼和浩特市2016年5月5—7日沙尘天气的特点与3月15—16日的沙尘天气有所不同.由图4可见，到达呼和浩特市的气团均来自于呼包鄂地区的西北方向，其中，100、500 m气团由接近 1 500 m高空下沉至100 m，而 1 500 m高空气团则无此现象，说明100 m低空气团、500 m高空气团对呼和浩特地区产生更大的影响.综上，呼和浩特市5月5—7日的沙尘天气多是由于西北方向的气团造成.

张春梅[32]分析了太原市PM2.5的来源，发现我国南北方沙尘气溶胶有不同的来源，而北方城市的沙尘多来自于我国西北部地区.王瑜等[33]对连云港市的大气运动进行了研究，发现连云港市PM10浓度升高是沙尘远距离输送的结果，并且气团均来自其西北方.周成等[34]研究表明，德州市的沙尘来自西北沙漠地区高空气流的输送.对比其他研究结果，位于我国北部的呼包鄂地区的沙尘同样来自其西北方向，进一步说明呼包鄂地区沙尘天气污染特征与我国其他地区具有共性.

2.3 元素富集因子与特征比值分析

EF (富集因子)能反映人类活动对颗粒物中某些元素的影响程度，从而间接判断颗粒物的来源.为了分析人为因素对呼包鄂地区沙尘天气颗粒物的影响，并推测沙尘来源，选取呼包鄂地区沙尘天时PM2.5和PM10中15种元素的EF进行对比研究.该研究选择稳定性较好的Ti作为参比元素，PM2.5和PM10的参考系统则为呼包鄂地区春季非沙尘天时对应粒径段各元素的浓度.EF值的大小表征元素富集的程度(见表2)，不同的EF值代表不同级别的富集程度，EF>1.0则表明已受到人为因素的影响，EF值越大说明该元素受到人为因素的影响也就越大[35].

表2 EF表征级别Table 2 Enrichment factor level

由图5可见：PM2.5中Na、K、Mg、Si、Cu的EF值分别为1.4、1.2、1.2、1.2、1.1，均大于1.0；Cu、Fe、Ca、V、Zn、Mn的EF值均为1.0.PM10中Na、K、Mg的EF值分别为1.2、1.1、1.1，均大于1.0；Si、As、Al的EF值均为1.0.由表2可见：EF大于1.0，表明该元素为轻度富集，来源包括自然源与人为污染源两部分；EF小于1.0，表明该元素为微量富集，主要来自地壳或土壤源.对比呼包鄂地区沙尘天时PM2.5和PM10中EF值发现，PM2.5中受人类活动影响的元素多于PM10中，并且除元素As外，其余14种元素在PM2.5中的富集程度均大于在PM10中.这表明人类活动对PM2.5的影响范围及程度大于PM10，对于PM2.5而言，Na、K、Mg、Si、Cu均已受到人类活动的影响，而PM10中仅Na、K、Mg受到人类活动的影响.姬亚芹等[22]对全国13个城市土壤风沙尘的元素EF做了研究，对比结果发现其元素EF值(1.0左右)与呼包鄂地区大致相似.综上，呼包鄂地区沙尘天气时人类活动对PM2.5和PM10影响程度较小(EF值均在1.0左右)，富集程度多为微量富集与轻度富集.

张春梅[32]利用 SPAMS 对太原市沙尘天气与非沙尘天气大气PM2.5组分的进行了对比，发现沙尘天气Al、Mg、Si占比明显高于非沙尘天气时段.杨阳等[36]利用由安德森分级采样器得到沙尘天气的数据，发现沙尘天气时地壳元素增长最明显.目前，研究多是通过分析某组分浓度或占比情况来研究沙尘天气颗粒物组分特征[37-39].为找到呼包鄂地区沙尘天气特有的污染特征，更全面地研究沙尘天气的污染特征，从而为呼包鄂地区大气环境问题的治理提供精准有效的方案，该研究从地壳元素比值角度出发，研究呼包鄂地区沙尘天气颗粒物组分的特征比值，进而提出基于特征比值来区分呼包鄂地区沙尘天气和非沙尘天气的方法.

图5 呼包鄂地区沙尘天气时PM2.5和PM10中元素EF分析结果Fig.5 Enrichment factors of PM2.5 and PM10 in dust weather in Hohhot-Baotou-Ordos Region

沙尘天主要化学组成成分及EF分析结果显示，沙尘天主要化学组分为Al、Si、Ca、Fe、SO42-、NO3-、NH4+及OC，其中EF值较大的为As、Ca、K、Mg、Na、Si等，最终选定元素Si、Al、Fe、Ca、Mg、SO42-、NO3-、NH4+、OC、EC作为研究组分，探究沙尘污染独有的特征.

图6 呼包鄂地区沙尘天气组分特征比值相关性分析Fig.6 Correlation analysis of the characteristic ratios in Hohhot-Baotou-Ordos Region in dust pollution days

由于Si是沙尘的标识元素[40]，因此选其作为固定特征比值元素之一.通过计算分析发现，沙尘天气时ρ(Si)/ρ(Al)明显大于非沙尘天，因此选择作为固定特征比值.由图6可见，ρ(Si)与ρ(SO42-)、ρ(NO3-)、ρ(NH4+)、ρ(OC)、ρ(EC)的比值在沙尘天与非沙尘天的变化范围均较小，均未呈现出较好的沙尘天与非沙尘天变化特征.随着ρ(Si)/ρ(Al)的增大，ρ(Si)/ρ(Fe)、ρ(Si)/ρ(Ca)与ρ(Si)/ρ(Mg)均有增加趋势，其中，ρ(Si)/ρ(Fe)与ρ(Si)/ρ(Al)呈现出更好的相关性，即沙尘天气的ρ(Si)/ρ(Fe)要明显大于非沙尘天气，故可用此特征值来标记沙尘天气时的污染特征.因此，判定呼包鄂地区2016年春季ρ(Si)/ρ(Al)大于1.7且ρ(Si)/ρ(Fe)大于2.2时已受沙尘天气影响.因此，今后划分呼包鄂地区典型沙尘天气时可通过ρ(Si)/ρ(Al)、ρ(Si)/ρ(Fe)来判别，ρ(Si)/ρ(Al)且ρ(Si)/ρ(Fe)较大时，可认为受沙尘影响.

3 结论

a) 依据颗粒物平均浓度，监测期间包头市受沙尘影响最为明显；沙尘天气与非沙尘天气呼包鄂地区PM10、PM2.5中主要化学组分(Si、Ca、Al、Fe、OC、SO42-与NO3-)较为一致，地壳元素Si、Ca、Al、Fe质量浓度相对较高，二次组分OC、SO42-、NO3-质量浓度相对较低.

b) 呼包鄂地区研究期间，沙尘天时PM10、PM2.5主要污染源均为扬尘源，贡献率分别达59.3%、48.7%；利用后向轨迹模式模拟发现，监测期间呼包鄂地区沙尘主要来自其西北方向的区域.

c) 监测期间，沙尘天时元素Na(1.4)、K(1.2)、Mg (1.2)、Si(1.2)、Cu(1.1)的EF值在PM2.5中均大于1.0，其中Na(1.2)、K(1.1)、Mg (1.1)的EF值在PM10中均大于1.0，表明自然因素对PM2.5和PM10的影响程度较大，进一步说明呼包鄂地区沙尘主要来于自周边沙漠地区的传输；另外，PM2.5的元素EF值大于PM10，说明PM2.5受到人类活动的影响较大.特征比值结果表明，当ρ(Si)/ρ(Al)大于1.7且ρ(Si)/ρ(Fe)大于2.2时，呼包鄂地区已受沙尘天气影响，因此，该特征比值可用于界定呼包鄂地区沙尘天气与非沙尘天气.