大氣顆粒物中金屬元素分布特征研究進(jìn)展

王 劍，李 煦，葉 霞，張文育

(滄州師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，河北滄州061001)

大氣顆粒物中金屬元素分布特征研究進(jìn)展

王 劍，李 煦，葉 霞，張文育

(滄州師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，河北滄州061001)

金屬元素是大氣顆粒物的重要組分，對其進(jìn)行研究關(guān)乎全球環(huán)境安全以及人類健康，已成為當(dāng)前大氣污染研究的熱點(diǎn)之一.綜述了大氣顆粒物中金屬元素的分布特征，主要論述了時間、空間、粒徑和垂直分布四個方面的研究成果，為大氣顆粒物中金屬元素的分析研究提供參考.

大氣顆粒物；分布特征；金屬；研究進(jìn)展

大氣顆粒物是指懸浮于大氣中的固態(tài)或液態(tài)顆粒狀物質(zhì)，來源廣泛，成分復(fù)雜.其中，大氣顆粒物中重金屬元素成分占比不大，但其引發(fā)的環(huán)境健康效應(yīng)不可小覷，尤其對人體健康的影響更應(yīng)受到高度關(guān)注[1-2].大氣顆粒物中金屬元素的濃度水平不僅與排放源的類型有關(guān)，而且很容易受到氣象條件的影響，呈現(xiàn)出不同的濃度分布特征.鑒于當(dāng)前對大氣顆粒物中金屬元素分布特征缺乏總體認(rèn)識，筆者從時間、空間、粒徑和垂直分布四個方面綜述了大氣顆粒物中金屬元素的分布特征，以期為大氣重金屬污染特征的研究及其防治提供一定參考和依據(jù).

1 時間分布特征

大氣顆粒物中金屬元素含量呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化特征，一般表現(xiàn)為冬季最高，夏季最低[3](P654-657)[4](P901-906).鞍山市觀測結(jié)果顯示，由于受到逆溫天氣和采暖期燃煤增加的影響，冬季大氣顆粒物中金屬含量明顯高于其它季節(jié)，PM2.5、PM10中金屬元素含量最高值出現(xiàn)在1月份，而最低值出現(xiàn)在7月份[5].不同類型金屬元素季節(jié)分布規(guī)律也存在差異，如北京城區(qū)和遠(yuǎn)郊觀測結(jié)果顯示，地殼元素含量高值出現(xiàn)在春冬季，而污染元素含量高值出現(xiàn)在秋冬季[6](P28-34).印度東北部某郊區(qū)研究表明，冬季由于受到取暖以及降水較少等因素影響，大部分金屬元素濃度顯著高于雨季，而部分元素(Cd、Ni、Co)季節(jié)差異性不顯著，主要與該金屬元素在兩個季節(jié)持續(xù)受到工業(yè)源影響，而且工業(yè)源強(qiáng)度基本不變有關(guān)[7].

大氣顆粒物中金屬元素含量存在明顯的日變化規(guī)律[3](P654-657).成都市東郊觀測結(jié)果表明，由于受到人為活動、大氣對流和湍流活動以及降水等因素影響，TSP中Pb、Cd、Hg、As含量日變化曲線呈“雙峰型”，峰值分別出現(xiàn)在5:00～9:00和17:00～21:00時段[8].北京大氣顆粒物中金屬元素含量隨時間變化呈“多峰型”分布，峰值主要出現(xiàn)在7h、19h和夜間1h左右[9].白天和夜間，金屬元素含量差異明顯.泰山頂觀測結(jié)果表明，由于受到區(qū)域輸送和大氣邊界層對流混合的影響，大氣顆粒物中大部分金屬元素白天濃度明顯高于夜間濃度，以Ni差異最明顯[10].廈門海域觀測結(jié)果顯示，地殼元素(Ca、Mg、Fe和Al)白天濃度要高于夜間，而人為源元素(Ni、Cu、As和V)夜間的濃度要高于白天[11].此外，不同天氣條件下，大氣顆粒物中金屬元素含量也存在差異[12].對比晴天、霾天和霧天北京大氣顆粒物中金屬元素含量，霾天和霧天顆粒物中污染元素(Cu、Zn、As、Se和Pb)濃度普遍較高，而且霧天風(fēng)速較小、濕度較大，非常有利于顆粒物的增長，大部分金屬元素主要分布在積聚模態(tài)，不容易從大氣中擴(kuò)散[13](P663-675).霾期間B、K、Fe、Al和Ca濃度較高，K增加9～12倍，F(xiàn)e增加6～9倍，其余元素增加3～7倍[14].

2 空間分布特征

大氣顆粒物中金屬元素含量空間分布差異明顯[3](P654-657)[4](P901-906)[15](P979-984).從國內(nèi)城市看，如沈陽作為工業(yè)城市，大氣顆粒物中金屬元素含量較高，尤其Zn、Pb、Cr、Cd、Cu，明顯高于廣州、南京和青島的調(diào)查結(jié)果[16-19]；麗江由于受人為排放源的影響較小，金屬元素含量明顯低于國內(nèi)其它城市[20].國外不同城市大氣顆粒物中金屬元素含量差異性也比較明顯，如印度德里的Fe、Pb、Mn、Cu和Cd含量，明顯高于西班牙塞爾維亞、日本金澤、韓國首爾和法國巴黎的觀測結(jié)果[21-25].地理特征不同的地區(qū)，如沙漠、沿海、島嶼，顆粒物中金屬元素變化特征差異性明顯，沿海和島嶼地區(qū)Pb、Zn和Cd人為源貢獻(xiàn)比例高達(dá)98%，富集水平明顯高于沙漠地區(qū)[26].集中排放源地區(qū)金屬元素含量明顯高于周圍地區(qū)，如電子垃圾回收處理點(diǎn)周圍PM2.5中Cr、Cu和Zn等元素濃度明顯高于其它地區(qū)[27].

城市不同功能分區(qū)大氣顆粒物中金屬元素濃度水平差異較大，一般表現(xiàn)為工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>居民區(qū)>郊區(qū)[3](P654-657)[15](P979-984).貴陽市不同功能區(qū)大氣降塵中Cu、Pb、Zn、Cd和Ca濃度存在差異，表現(xiàn)為工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>混合區(qū)>清潔區(qū)[28].北京城區(qū)PM2.5中金屬元素濃度明顯高于郊區(qū)[6](P28-34).韓國某居民區(qū)和某工業(yè)區(qū)對比發(fā)現(xiàn)，居民區(qū)PM2.5中地殼元素顯著高于工業(yè)區(qū)，而工業(yè)區(qū)典型污染元素高于生活區(qū)[29].

3 粒徑分布特征

大氣顆粒物中金屬元素組成和粒徑分布直接影響到人類的健康，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究[30].金屬元素在顆粒物中的分布與其粒徑有直接關(guān)系，大致分為單峰型、雙峰型和多峰型[3](P654-657)[31].北京市大氣顆粒物中金屬元素粒徑分布研究結(jié)果顯示，Ca、Fe、Al、Mg、Ba、Sr和Zr呈粗粒子單峰型，峰值出現(xiàn)在3.3～5.8μm，K、Pb、As和Cd呈細(xì)粒子單峰型，峰值出現(xiàn)在0.65～1.1μm，Zn、Cu和Ni呈雙峰型，峰值分別出現(xiàn)在0.65～1.1μm和3.3～5.8μm，而Na、Mn和V在不同粒徑段分布比較均勻[32](P675-679).韓國工業(yè)城市蔚山大氣顆粒物中13種金屬元素粒徑分布分為3類：重金屬(Cd、Zn、Mn、Ni和Cr)主要分布在細(xì)粒子(<2.1μm)中，尤其0.4～0.7μm粒徑段；輕金屬(Na、Ca、K和Al)和Fe主要分布在粗粒子中；其它重金屬元素(Pb、Mg和Cu)主要分布在>5.8μm粒徑段[33].不同地區(qū)，粒徑分布差異明顯，如英格蘭中部和蘇格蘭南部三個背景站研究結(jié)果顯示，Ba、Cd、Cu、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、Se、Zn和Fe等元素的粒徑分布在蘇格蘭地區(qū)為典型三模態(tài)分布，而在英格蘭地區(qū)模態(tài)則是多變的[34].此外，通過金屬元素的粒徑分布特征并結(jié)合富集因子能夠初步判斷金屬元素的來源，如北京地區(qū)Al、Mg、Ca、Sc、Fe和Ba等元素主要分布在粗模態(tài)，這些元素的來源與地殼源排放有關(guān)，As、Se、Ag、Cd、Tl和Pb主要分布在積聚模態(tài)，主要與化石燃料的排放有關(guān)，Be、Na、K、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn和Mo呈多模態(tài)分布，則與土壤塵、揚(yáng)塵、汽車尾氣排放、燃煤等混合源的貢獻(xiàn)有關(guān)[35].

不同季節(jié)和天氣條件下，一些金屬元素粒徑分布的峰值位置會發(fā)生變化[36].北京觀測結(jié)果顯示，霧天Zn峰值出現(xiàn)在0.65～1.1μm，而晴天和霾天出現(xiàn)在0.43～0.65μm，這種現(xiàn)象與顆粒物的吸濕增長有關(guān)；晴天Cu主峰值出現(xiàn)在粗模態(tài)，而霾天和霧天出現(xiàn)在積聚模態(tài)；晴天和霾天Mn主峰值出現(xiàn)在粗模態(tài)，而霧天則出現(xiàn)在積聚模態(tài)[13](P663-675).采暖燃煤也會影響到粒徑分布，Na和Ni在采暖前，粗模態(tài)峰值出現(xiàn)在5.8～9.0μm，而采暖季出現(xiàn)在4.7～5.8μm，較采暖前，粗模態(tài)中元素粒徑分布向細(xì)粒徑段發(fā)生移動[37].

4 垂直分布特征

由于受到大氣顆粒物粒徑分布、排放源類型、城市下墊面類型、城市湍流輸送和氣象條件等因素的影響，不同金屬元素在垂直方向呈現(xiàn)不同的分布特征，而且通過含量垂直分布規(guī)律能夠初步判斷其大致來源[3](P654-657)[15](P979-984).天津市氣象塔10、120和220m觀測結(jié)果顯示，大部分元素含量隨著高度增加，呈現(xiàn)降低趨勢，表明地面排放源是大多金屬元素的主要來源，而K濃度高值出現(xiàn)在120m，考慮與河北南部生物質(zhì)燃燒遠(yuǎn)距離輸送有關(guān)[38].開封市不同高度采樣點(diǎn)觀測結(jié)果表明，Ca、Fe、Mg等地殼元素受到地面揚(yáng)塵影響，Cr、Ni由于受到近地面汽車尾氣排放源影響，一般近地面濃度均高于高層濃度；Pb、Zn和Cu由于受近地面汽車尾氣和工業(yè)排放源輸送雙重影響，垂直分布特征不明顯；Mn由于受到土壤源和工業(yè)源影響，濃度分布比較均勻[39].北京市氣象塔8、80和240m研究結(jié)果顯示，Al、Fe、Mg、Ca、Ba、Sr、Zr和Na濃度高值出現(xiàn)在80m，可能與城市湍流輸送特征和下墊面的類型有關(guān)；Zn、Sn、Cu、Ni和Mn濃度高值出現(xiàn)在8m，可能與近地面局部污染源排放有關(guān)；Pb、As、K和Cd濃度垂直分布比較均勻，可能與這些元素受局地源的影響較小，而且主要分布在細(xì)粒子有關(guān)[32](P675-679).亞馬遜河流域森林站點(diǎn)54m氣象塔觀測結(jié)果顯示，白天，與生物質(zhì)燃燒、土壤塵相關(guān)的元素濃度高值，出現(xiàn)在森林冠層上部；夜間，生物源類的氣溶膠濃度高值出現(xiàn)在森林冠層下部，可能與白天對流混合、夜間邊界層稀薄有關(guān)[40].

5 結(jié)語

大氣顆粒物中金屬元素對人體和環(huán)境的影響不容忽視，已成為當(dāng)前大氣污染研究的熱點(diǎn)之一.由于受到氣象條件、地形條件、排放源的類型和顆粒物粒徑分布等多種因素的影響，大氣顆粒物中金屬元素呈現(xiàn)不同的時間、空間、粒徑和垂直分布特征.盡管已經(jīng)取得了大量的研究成果，但相關(guān)主要觀測結(jié)果所采用的大氣顆粒物樣品采集方法、前處理方法、金屬元素的分析測試手段等諸多方面不盡相同，因此，今后應(yīng)完善大氣顆粒物中金屬元素的監(jiān)測技術(shù)與方法體系，開展大尺度、多站點(diǎn)的同步觀測研究.此外，應(yīng)在對比分析大量研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，深入開展大氣重金屬污染來源及控制措施的研究.

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[責(zé)任編輯：尤書才]

Research Progresses on the Distribution Features of Metal Elements in Atmospheric Particulates

WANG Jian, LI Xu, YE Xia, ZHANG Wen-yu

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Cangzhou Normal University, Cangzhou, Hebei 061001, China)

Metal elements are important components of the atmospheric particulates, which are closely related to the global environmental safety and human health, therefore the research of these metal elements has become one of hot topics in the study of air pollution. The distribution features of the metal elements in atmospheric particulates were summarized in this thesis, mainly including the research results in terms of time, space, particle size and the vertical distribution of the metal elements. It is aimed to provide reference for the study of the metal elements in atmospheric particulates.

atmospheric particulates; distribution feature; metal; research progress

2017-03-13

滄州市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“基于GIS技術(shù)的大氣顆粒物金屬元素分布特征研究”，編號：No.151303003；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目“滄州大氣顆粒物中金屬元素污染特征及來源研究”，編號：No. QN2015305.

王 劍(1980-)，男，河北邯鄲人，滄州師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院副教授，理學(xué)博士，研究方向：環(huán)境監(jiān)測和評價.

X513;X820.4

A

2095-2910(2017)02-0058-04