極干旱地區沙塵與非沙塵天氣PM2.5及所含金屬元素的濃度特征分析

玉散·吐拉甫，迪麗努爾·塔力甫*，王新明，丁翔，阿布力克木·阿不力孜，買麗克扎提·買合木提，米吉提·依明

極干旱地區沙塵與非沙塵天氣PM2.5及所含金屬元素的濃度特征分析

玉散·吐拉甫1，迪麗努爾·塔力甫1*，王新明2，丁翔2，阿布力克木·阿不力孜1，買麗克扎提·買合木提1，米吉提·依明3

1. 煤炭清潔轉化與化工過程自治區重點實驗室//新疆大學，新疆 烏魯木齊 830046；2. 中國科學院廣州地球化學研究所，廣東 廣州 510640；3. 和田地區環境監測站，新疆 和田 848000

大氣PM2.5污染和金屬元素健康風險已成為大氣環境研究熱點。研究目標區域位于塔克拉瑪干沙漠南緣，氣候極其干旱，全年降水稀少，風沙較多，沙塵天氣一定程度上影響著該區域的大氣環境。于2014年1月、4月、7月和10—11月在和田市城區采集PM2.5樣品，采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測定了樣品中的17種金屬元素，分析了金屬元素在不同季節沙塵和非沙塵氣象狀況下的暴露特征及與氣象參數的關系，采用富集因子（EF）和正交矩陣因子（PMF)法對金屬元素來源進行了分析并對健康風險進行了評價。結果表明，（1）PM2.5質量濃度季節性特征表現為春季（973.5 9 μg·m-3）＞夏季（728.08 μg·m-3）＞秋季（366.51 μg·m-3）＞冬季（259.84 μg·m-3），并且 PM2.5質量濃度與風速和溫度呈正相關。（2）PM2.5中金屬元素質量濃度在沙塵天氣（108.12～268.25 μg·m-3）明顯高于非沙塵天氣（43.19～126.41 μg·m-3），秋季金屬元素Ni、Cd和Pb出現富集，EF值分別為10.26、42.06、27.39；冬季Ni、Zn、As、Cd和Pb出現富集，EF值分別為22.46、11.03、18.49、84.35、206.03。（3）金屬元素在沙塵期間的來源主要為汽車排放（17.66%）、生物質燃燒（10.58%）、化石燃料9.97%和揚沙（61.78%），非沙塵期間4種排放源的貢獻分別為23.63%、20.34%、18.39%、37.63%。（4）健康風險評價結果表明，金屬元素風險指數小于閾值1，可以忽略；致癌金屬Cr的致癌風險值小于10-6，沒有致癌風險，但Co、Ni、As和Cd的致癌風險值在10-6～10-4之間，有一定的致癌風險。

和田市城區；沙塵/非沙塵天氣；PM2.5；金屬元素；PMF

大氣顆粒物（Particulate matter，PM）是懸浮在大氣中的微小固體或液體微粒的總稱，因其對人體健康危害極大而越來越受到世界各國政府和衛生機構的關注（Duan et al.，2012）。不同粒徑的大氣顆粒物，對人體的損傷程度也不同，其中細顆粒物PM2.5（動力學直徑≤2.5 μm）在大氣中的停留時間長、粒徑小、比表面積大，表面能夠吸附更多化學物質，因而對人體造成更大的危害，75%以上的PM2.5可以通過呼吸道到達人體肺泡并沉淀，干擾肺部氣體的交換和血液循環，從而引起心肺功能障礙性疾病，導致呼吸系統、心血管系統的損傷（林瑜等，2016）。金屬元素是 PM2.5中的主要化學組分之一，毒理學研究表明PM2.5中Pd會引起人體腦損傷，As、V和Cd在環境空氣中的增加與某些癌癥病人的死亡率呈顯著正相關，而且重金屬與PM2.5中其他組分協同作用將會對人體產生更大的危害（劉立等，2014）。對北京冬季 PM2.5中金屬元素的研究發現，金屬元素濃度在重污染天氣下比優良天氣下高出1倍（喬寶文等，2017）；于瑞蓮等（2010）研究表明泉州市不同功能區大氣降塵重金屬生態危害程度表現為工業區＞商業區＞交通繁忙區＞居民區＞農業區（于瑞蓮等，2010）；通過富集因子分析發現，北京市大氣顆粒物中As、Cu、Zn和 Pb等金屬主要來自人為源（楊勇杰等，2008）；通過主因子分析表明，南京市 PM2.5中金屬元素來源有工業排放、燃煤、生物質燃燒和揚塵、沙塵等（張恒等，2016）；研究發現南京市10個不同公園降塵中重金屬健康風險有所不同（王呈等，2016）；京津冀地區沙塵暴發生時，由于外來沙塵源輸送的影響，空氣中的顆粒物和金屬元素質量濃度顯著增加（劉慶陽等，2014）。但是，針對和田市城區PM2.5及其所含金屬質量濃度的季節性特征及金屬元素的富集程度、來源以及健康風險的研究還未見報道。

和田市城區面積16 km2，位于東亞最大的沙源——塔克拉瑪干沙漠南緣，氣候極其干旱，全年降水稀少，風沙較多，是中國沙塵暴災害頻發區域之一（李江風，2003）。以2014年1月、4月、7月和10月采集的和田市城區PM2.5樣品為研究對象，對 PM2.5質量濃度與氣象因素的關系及其所含金屬元素的質量濃度的變化特征、來源和健康風險進行了分析，以期為“一帶一路”戰略帶環保調控措施的制定及人體健康效應的研究提供理論依據和基礎數據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣點設在和田市環保局（東經79°30′，北緯37°06′）4樓樓頂，距地面12 m，采樣點距和田市城區主干道500 m，附近沒有高層和污染源，而且和田市城區位于塔克拉瑪干沙漠南緣，氣候極其干旱，全年降水稀少，風沙較多，能夠代表和田市城區的空氣質量狀況。不同季節氣象條件不同，因此分別在2014年1月（冬）、4月（春）、7月（夏）10—11月（秋）進行采樣。使用武漢天虹儀表有限責任公司生產的智能大容量懸浮微粒采樣儀（TH-1000，流量為 1.05 m3·min-1）每月連續采樣（除雨、雪天氣之外），每次采樣22小時。春季從4月6—27日共采集22個樣品；夏季采樣時間為7月3—26日，采集樣品數為18個；秋季10月15日—11月11日采樣天數為19 d，冬季1月7—31日采樣天數為24 d，總共采集83個樣品，其中有效樣品為 61個。采樣后用鋁箔紙將膜包好裝入密封袋置于冷凍柜（-18 ℃）中保存，待實驗分析。

1.2 樣品分析

1.2.1 PM2.5質量分析

采樣前將石英纖維濾膜（英國Whatman公司）用鋁箔紙包好置于馬弗爐中，經450 ℃高溫灼燒5 h，除去膜上的有機物等污染物。采樣前后的濾膜均于恒溫恒濕箱[溫度(20±2) ℃，相對濕度45%～55%]中放置 48 h，以減少水蒸氣的干擾，再進行稱量（梅特勒-托利多公司，AB204-S），最近兩次稱量的誤差不超過0.01 mg時，采樣前后膜的質量差即為顆粒物的質量，再根據采樣器體積計算出PM2.5的質量濃度。

1.2.2 金屬元素分析

用面積為5.06 cm2標準切膜刀切取樣品膜，將切好的樣品膜與4 mL濃硝酸和1 mL氫氟酸一起置入消解罐中，消解罐放入密閉式智能微波消解儀中，經過三步升溫程序在200 ℃保持30 min，再將溫度降至室溫，消解罐放入樣品預處理蒸干儀中趕酸至剩最后一滴消解液時再加入2 mL濃硝酸溶樣，用超純水定容至12 mL，并在4 ℃條件下避光保存待分析。

PM2.5樣品中的17種元素（Na、Mg、Al、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Cs和Pb）采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）進行測定。

1.2.3 質量控制與質量保證

采樣前后的膜連續稱量3～4次，保證質量差值小于0.1 mg；金屬元素的測量于中國科學院廣州地球化學研究所國家重點實驗室中完成。使用超純的濃硝酸和氫氟酸溶樣，后于密封微波消解儀中進行消解。ICP-MS設備操作條件：氬氣壓力為(700±24.5)kPa，反應器壓力（氫氣和氦氣）為(40±20) kPa，循環水用蒸餾水，溫度應在 15～20 ℃，壓力為230～440 kPa，循環水中加入50 mL IPA，防止生菌，排風量為 7～8 m3·min-1。每批次樣品都對儀器進行校準，分析時隨機選取部分樣品，進行重復分析。17種元素的檢測線范圍為0.001～3.14 ng·L-1，每批次實驗過程中同時測定膜空白和實驗空白，所測元素的相對標準偏差均小于10%。

1.3 來源解析

1.3.1 后向軌跡分析

本研究利用 NOAA（美國國家海洋和大氣管理，National Oceanic and Atmospheric Administration）研制的后向軌跡模型 HSPLIT4（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated）分析了4個季節的氣團軌跡。所需氣象數據選用 GDAS數據庫（全球數據同化系統，Global Date Assimilation System）中的相關資料，每隔 6 h計算 1次軌跡（0:00；6:00；12:00；18:00），每次向后延伸 72 h，軌跡模擬起始高度設定為 1500 m。模型詳細介紹見：http://www.arl.noaa.gov/ready/open/hysplit4.html。

1.3.2 富集因子分析

金屬元素的 EF值（富集因子，Enrichmentfactor）可用來判斷和評價大氣顆粒物中金屬元素的來源。計算公式如下（楊勇杰等，2008）：

式中，ρi為所測金屬元素 i的質量濃度；ρn為參比元素的質量濃度。一般選擇遷移過程中性質較穩定的元素作為參比元素，例如Al、Fe、Ti、Si、Sr、K等（楊勇杰等，2008）。本文選擇Al作為參比元素，元素的土壤背景值選用塔克拉瑪干沙漠地區土壤元素的背景值作為參照（趙貴海等，1994）。研究表明（Dockery et al.，1993），若EF＞10，認為金屬元素主要來源于人為污染；EF≤10，主要來源于土壤等自然源。

1.3.3 PMF受體模型

PMF模型（正交矩陣因子，Positive matrix facorization）是美國環保部署推薦的受體模型之一，詳細方法可見文獻（Paatero et al.，1994），其基本原理是采用最小二乘法判定污染物的主要來源，并可計算出每個來源對污染物的貢獻率。首先對受體樣品進行化學成分分析，得到顆粒物中化學組分的濃度，并構成濃度矩陣 X（n×m），n為樣品數，m為化學成分數目，X可分解為X=GF+E，G和F分別為n×p和p×m的矩陣，p為主要污染源的數目，E為殘差矩陣，表示為：

式中，xij為樣品 i中 j元素的質量濃度（μg·m-3）；gik為第k個排放源對樣品i的貢獻；fkj為來源k中j元素的含量；eij為j元素的殘差；uij為第i個樣品第j種物質的不確定度。模型運行的優化目標是經過多次擬合，使 Q 值趨于最小（Paatero et al.，1994）。

模型不確定度可用下列公式進行估算：

式中，ρ和 MDL分別為元素質量濃度和方法檢測線（Paatero et al.，1994）。

1.4 健康風險評價

金屬元素對人體健康風險的評價選用以美國環境保護署（US EPA）提出的土壤健康風險模型為基礎（Granero et al.，2002），對其部分參數進行修改后的計算模型（楊孝智等，2011）。本文以 V、Cr、Mn、Co、Ni、Zn、As、Cd、Pb 為目標元素，將研究對象分為兒童和成人，分別計算出其呼吸吸入金屬的日均暴露劑量和終生暴露劑量值。

呼吸吸入的非致癌金屬日均暴露劑量 Dinh（mg·kg-1·d-1）計算公式為：

呼吸吸入的致癌金屬終生暴露劑量（LADD，lifetime average daily dose，mg·kg-1·d-1）計算式為：

式中，InhR 為呼吸速率（inhalation rate，m3·d-1。其中，InhRchild為兒童，InhRadult為成人）；EF為暴露頻率（exposure frequency，d·a-1）；ED 為暴露年限（exposure duration，a。其中，EDchild為兒童，EDadult為成人）；BW為平均體質量（body mass，kg）；AT為平均暴露時間(averaging time，d)。參數取值詳見文獻（Gómez et al.，2002；李萍等，2014）。

金屬對人體的風險商（HQ）和風險指數（HI）計算公式為：

式中，RfD是最大暴露參考劑量，表示單位時間、單位體質量攝取量不會引起人體不良反應的污染物最大劑量（mg·kg-1·d-1）（Ferreira-Baptista et al.，2005）。本研究目標重金屬元素（V、Cr、Mn、Co、Ni、Zn、As、Cd、Pb）選用的 RfD 值分別取 7×10-3、2.86×10-5、1.4×10-5、5.71×10-6、2.06×10-2、3.01×10-1、3.01×10-4、1×10-3、3.52×10-3。本文只研究呼吸吸入的危險指數，因此 HQ=HI。若HI＜1.0認為對人體健康不產生影響；若HI＞1.0，則認為對人體健康有影響（Ferreira-Baptista et al.，2005）。

金屬元素的致癌風險可用下式進行計算：

式中，SFa為斜率，即單位暴露劑量所產生的健康風險值（mg·kg-1·d-1），對于致癌金屬 Cr、Co、Ni、As和 Cd，SFa值分別取 42、9.8、0.84、15.1和 6.4。國際上認可的致癌風險閾值為 10-6，若 Rt小于該閾值則認為重金屬沒有致癌風險；若 Rt在10-6～10-4之間，則認為人體處于可耐受范圍；若Rt大于或等于10-4，認為重金屬存在高致癌風險（Feng et al.，2016；Wang et al.，2007）。

圖1 采樣期間PM2.5質量濃度和氣象參數Fig. 1 PM2.5mass concentration and meteorological condition during the sampling periods

2 結果與討論

2.1 PM2.5質量濃度的季節性特征

和田市城區 PM2.5質量濃度、風速和溫度變化如圖1所示。采樣期間PM2.5樣品的質量濃度變化范圍為 143.3～2176.18 μg·m-3，平均質量濃度為(677.78±503.4) μg·m-3，超出國家環境空氣質量二級標準（75 μg·m-3，GB3905—2012），約是烏魯木齊2011年PM2.5年均質量濃度(92.8±107.85) μg·m-3的7倍(王果等，2016)。季節性變化特征為：春季(973.59±498.5) μg·m-3＞夏季(728.08±562.2) μg·m-3＞秋 季 (366.51±82.0) μg·m-3＞ 冬 季 (259.84±138.8)μg·m-3，這與北京（楊勇杰等，2008）、南京（王呈等，2016）、烏魯木齊（王果等，2016）等城市PM2.5質量濃度冬季最高而夏季最低的結果不一致。春、夏兩個季節和田市城區分別有50%和42%的樣品超出了平均值，而且 PM2.5質量濃度多次出現急劇上升情況，如4月23日采樣日PM2.5質量濃度為采樣期的最高值（2176.2 μg·m-3）。對比氣象條件發現，當日和田市城區發生嚴重的沙塵暴，風速達到最高（16 km·h-1）。相關性分析表明，PM2.5質量濃度與風速和溫度均呈正相關，相關性系數分別為r=0.68和r=0.57。這與北方春季沙塵暴與氣象關系研究中報道的南疆沙塵暴與氣象因素有較好的相關性相一致（王金艷等，2007），但與中國其他城市風速越大，PM2.5質量濃度越低不一致（王呈等，2016；王果等，2016；楊勇杰等，2008）。這可能是因為和田城區位于塔克拉瑪干沙漠南緣，氣候極干燥而且植被稀少，大風容易將沙土和戈壁揚塵吹入大氣，易導致PM2.5濃度急劇上升。從圖1還可知，夏季風速并不高，但其 PM2.5質量濃度較高，這是因為和田地區夏季浮塵天氣頻次較多，導致 PM2.5質量濃度處于較高水平（劉新春等，2011）。采樣期間，春季沙塵樣本占春季總樣本數的74%，夏季占60%，這進一步說明和田市城區PM2.5質量濃度受沙塵氣象因素的影響較大。研究（劉新春等，2011）表明，塔克拉瑪干沙漠腹地 3—8月沙塵天氣發生頻次較多，10月—翌年2月沙塵天氣發生頻次較少。本研究中，秋季和冬季和田市城區沙塵天氣發生頻率相對較少，PM2.5質量濃度變化相對穩定，但仍處于較高水平，這與秋季和冬季風速和溫度較低，使懸浮在環境中的顆粒物容易富集有關（喬寶文等，2017）。

采用反向軌跡綜合分析法進一步解釋和田市城區PM2.5的來源，結果如圖2所示。對春季（圖2a）88條有效軌跡進行聚類分析發現，東北向氣團區域輸送占26%、西北向跨區域輸送占31%，西向跨區域輸送占43%；對夏季（圖2b）108條有效軌跡進行聚類分析，北向氣團區域輸送占56%，西北向跨區域傳輸占44%；分別對秋季（圖2c）112條和冬季（圖2d）100條有效軌跡進行聚類分析，發現氣團主要來自西向長距離跨區域輸送。采樣點的東北區域為塔克拉瑪干沙漠，表明春、夏兩個季節塔克拉瑪干沙漠的氣團輸送造成的沙塵天氣是導致和田城區 PM2.5濃度增加的主要原因；秋、冬季來自西邊跨區域輸送的氣團是影響和田城區大氣PM2.5污染的因素之一。

圖2 各季節氣團72 h后向軌跡模擬結果Fig. 2 Seasonal 72 h back air mass trajectory results春季 Spring（a），夏季 Summer（b），秋季 Autumn（c），冬季 Winter（d）

2.2 PM2.5中金屬元素質量濃度的季節性變化

采樣期間，和田市城區 PM2.5中金屬元素質量濃度從高到底依次為 Al、Na、Fe、Ti、K、Mg、Mn、Pb、Zn、Cr、Ni、V、Cu、As、Cs、Co 和Cd，其中地殼元素（Na、Mg、Al、K、Fe和Ti）的質量濃度占PM2.5質量濃度的16.69%，人為污染元素（V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Cs和Pd）占PM2.5的0.12%。地殼元素質量濃度占總金屬元素的98.02%，明顯高于北京（91.4%）（喬寶文等，2017），表明和田市城區PM2.5所含金屬元素中，地殼元素占主導地位。在和田市城區采集的PM2.5樣品中，春季沙塵樣本占春季總樣本數的74%，夏季占60%，秋季和冬季雖然有浮塵天氣出現，但沒有出現明顯的沙塵天氣。因此，本文根據采樣期間和田地區環保局提供的沙塵天氣氣象參數將春、夏季樣本分為沙塵和非沙塵天氣，將秋季和冬季定義為非沙塵天氣（秋冬季節觀測到的沙塵氣象現象少）進行討論，結果如表1所示。采樣期間，地殼元素季節性變化特征表現為春季＞夏季＞秋季＞冬季；沙塵天氣＞非沙塵天氣；人為污染元素的季節性變化特征為冬季＞秋季＞春季＞夏季；沙塵天氣＞非沙塵天氣。劉慶陽等（2014）報道的沙塵暴期間污染物在長距離輸送過程中，高濃度的沙塵暴和人為排放污染物會出現疊加效應（劉慶陽等，。和田市城區春季沙塵天氣地殼元素的平均質量濃度（182.76 μg·m-3）相比非沙塵天氣（117.13 μg·m-3）上升了約0.5倍，人為污染元素在沙塵期間的質量濃度為 878.78 ng·m-3，相比非沙塵期間（433.33 ng·m-3）上升約 1倍。夏季沙塵天氣地殼元素和人為污染元素質量濃度是非沙塵天氣的2倍，人為污染元素中Cr、Mn、Zn和As受沙塵暴影響較大，相比非沙塵天氣，其在沙塵天氣中的質量濃度上升了20%～50%。

金屬元素Mn在春季沙塵期間的質量濃度高達580.24 ng·m-3，是 WHO 環境空氣質量標準（150 ng·m-3）的 3 倍（Duan et al.，2013）。研究表明（Yongming et al.，2006），西安大氣PM2.5中Mn的質量濃度為 587.0 ng·m-3，與土壤參考值（583.0 ng·m-3）相當，說明其來自土壤。本研究中，Mn在沙塵期間的質量濃度也與塔克拉瑪干沙漠地區土壤元素背景值（538.7 ng·m-3）相當（趙貴海等，1994），認為和田市城區PM2.5中Mn主要來自于揚沙和戈壁粉塵。Ni和As在冬季的最高質量濃度分別為 60.59 ng·m-3和 14.42 ng·m-3，是 WHO 標準（Ni=25 ng·m-3、As=6.6 ng·m-3）的 2 倍。研究發現，As和Ni主要來自人為排放，如化石燃料燃燒等（張恒等，2016），所以認為Ni和As可能與和田市城區及周圍居民區燃燒煤等化石燃料有關。元素 Cr在采樣期間的平均質量濃度為46.00 ng·m-3，遠大于WHO標準（0.025 ng·m-3），其季節性變化表現為春＞秋＞夏＞冬，春季沙塵天氣其質量濃度達到了最大值64.91 ng·m-3，表明Cr來源比較復雜。其他金屬元素如V、Zn、Cu、Cd和Pb等的質量濃度均低于國家標準及北京、上海、南京等城市化程度比較高的城市（Duan et al.，2013），其中，元素Pb在春季、夏季和秋季非沙塵期間的質量濃度變化幅度不大，但冬季質量濃度達到130.94 ng·m-3，雖然低于2011年烏魯木齊（伊麗米熱·阿布達力木等，2012）采暖期（364.67 ng·m-3）的值，但高于非采暖期（78.35 ng·m-3），說明和田市城區冬季Pb污染較為嚴重。

表1 PM2.5中重金屬季節性分布Table 1 Mass concentration of metals in PM2.5by seasonal periods ng·m-3

圖3 不同季節PM2.5中金屬元素的富集程度Fig. 3 Seasonal enrichment factors of metals in PM2.5

2.3 來源解析

2.3.1 富集因子

和田市城區 PM2.5中金屬元素在不同季節及沙塵和非沙塵天氣的EF值如圖3所示。春季和夏季，不論是沙塵還是非沙塵天氣，17種金屬元素的 EF值均小于 10，表明春季（圖 3a）和夏季（圖 3b）PM2.5中17種金屬元素主要來自自然源；從圖3c可知，Ni、Cd和 Pb在秋季出現富集，EF值分別為10.26、42.06、27.39；Ni、Zn、As、Cd 和 Pb 在冬季出現富集，EF 值分別為 22.46、11.03、18.49、84.35、206.03；說明這些金屬元素主要來自人為污染。這是因為冬季不利于污染物擴散（姜濱等，2015），造成金屬元素富集值較高。冬季Cd和Pb這兩種致癌金屬的富集程度較高，污染較嚴重。其原因可能是冬季和田地區燃煤取暖而造成其質量濃度較高（姜濱等，2015；楊勇杰等，2008）。另外，參比元素 Al在冬季的濃度低于其他季節也是造成這些金屬元素 EF值很高的原因之一。總之，和田市城區大氣PM2.5金屬元素冬季富集較為嚴重，秋季次之，春季和夏季沒有出現富集。

2.3.2 PMF受體模型

圖4 PMF分析PM2.5中重金屬元素的5種來源Fig. 4 Profiles of five sources identified from the PMF model for metals in PM2.5

利用PMF 5.0受體模型分沙塵與非沙塵天氣對17種金屬元素進行源解析，沙塵天氣樣本數為 22個，非沙塵天氣為 39個。解析結果殘數值大部分在-3～3之間，經過多次擬合，模型趨于穩定，最終結果如圖 4所示。因子 1沙塵天氣主要負載 Ni（49.94%）、Cu（51.48%）和Zn（64.84%），非沙塵天氣主要負載 Cu（33.38%）、Zn（56.75%）、As（44.60%）和Cd（72.24%）。對臺灣中西部2008—2012年大氣顆粒物中的元素組分來源進行分析，結果表明 Ni、Cu和 Zn來自汽車尾氣和輪胎的磨損（Hsu et al.，2016），因此，因子1確定為汽車尾氣排放源。因子2中負載的Na、Mg和K，3種元素在沙塵天氣的負載量分別為 28.16%、57.91%和47.78%，非沙塵天氣分別為 35.37%、51.70%和50.42%。K是生物質燃燒的主要示蹤物（Khare et al.，2010），部分Na和Mg來自秸稈燃燒（Fabretti et al.，2009）。因此，因子 2確定為生物質燃燒。因子3負載的V、As、Cd和Pb在沙塵天氣的負載率分別為42.39%、64.88%、55.67%和65.55%，非沙塵天氣分別為 54.80%、68.54%、15.08%和60.30%。自含鉛汽油在中國被全面禁用以來，交通不再是大氣中 Pb的主要來源，研究報道稱煤炭燃燒是V、As和Pb等元素的重要來源之一（Hsu et al.，2016）。由此，將因子3確定為化石燃料源。因子4主要負載Al、Fe、Mn和Ti，其在沙塵天氣的負載量分別為74.70%、73.72%、67.69%和66.88%，非沙塵天氣分別為 65.63%、50.73%、54.60%和48.10%，這些元素是地殼標識元素（Hsu et al.，2016）。因此，將因子4確定為土壤源，即為戈壁和沙漠揚沙。

和田市城區沙塵天氣各污染源對 PM2.5中金屬元素暴露的貢獻率為（圖5a）汽車尾氣排放17.66%、生物質燃燒 10.58%、化石燃料燃燒 9.97%、揚沙61.78%；非沙天氣為（圖5b）汽車尾氣排放23.63%、生物質燃燒20.34%、化石燃料燃燒18.39%、揚沙37.63%，非沙塵天氣生物質燃燒和化石燃料燃燒排放貢獻均上升50%。這可能與秋季和冬季和田市城區及周圍農場燃燒生物質和煤取暖有關。沙塵天氣揚沙源的貢獻約為非沙塵的2倍，而且對于和田市城區而言，無論是沙塵還是非沙塵天氣，揚沙源的貢獻率最大。有研究報道（Sharma et al.，2016；Wang et al.，2016），蘭州和印度德里大氣污染物來源中揚沙貢獻率分別占21.8%和20.5%，是揚沙對和田市城區 PM2.5中金屬元素貢獻的二分之一，這表明和田市城區大氣污染物受揚沙影響較大。

圖5 沙塵（a）和非沙塵（b）天氣污染源的貢獻Fig. 5 Average mass concentrations and percentages of identified sources for (a) dust and (b) non-dust

2.4 重金屬的健康風險評價

根據式（5）和式（6）計算出和田市城區PM2.5中 9種重金屬元素（V、Cr、Mn、Co、Ni、Zn、As、Cd和Pb）在沙塵和非沙塵天氣通過呼吸吸入的暴露劑量，如表2所示。沙塵天氣，重金屬的兒童 非致 癌暴 露劑 量變 化在 3.11×10-8～4.30×10-5mg·kg-1·d-1之 間 ， 總 暴 露 劑 量 為 1.23×10-4mg·kg-1·d-1；成人暴露劑量變化范圍為 7.02×10-8～2.49×10-5mg·kg-1·d-1， 總 暴 露 劑 量 為 7.88×10-5mg·kg-1·d-1。非沙塵天氣，兒童非致癌暴露劑量變化范圍為 3.97×10-7～7.82×10-5mg·kg-1·d-1，總暴露劑量為 1.87×10-4mg·kg-1·d-1；成人暴露劑量在 2.23×10-7～4.41×10-5mg·kg-1·d-1之間，總暴露劑量為 1.29×10-4mg·kg-1·d-1。沙塵和非沙塵天氣，兒童每日暴露劑量均高于成人，這與北京（楊孝智等，2011）、南京（王呈等，2016）和蘭州（李萍等，2014）等地PM2.5中金屬元素兒童每日暴露劑量高于成人相一致。部分金屬日均暴露劑量在沙塵天氣有所上升，如V、Mn和 Co在沙塵天氣的暴露劑量分別上升了23.63%、113.93%和11.08%，表明沙塵天氣影響金屬元素的暴露劑量。

表2 沙塵和非沙塵天氣金屬元素日均暴露劑量Table 2 Daily exposure of metal during dust and non-dust mg·kg-1·d-1

致癌金屬（Cr、Co、Ni、As和 Cd）終生日均暴露劑量為 Cr＞Ni＞As＞Co＞Cd，與采樣期間金屬元素質量濃度大小順序一致。在沙塵天氣，致癌金屬終生暴露劑量變化范圍為 1.01×10-7～ 9.39×10-6mg·kg-1·d-1， 非 沙 塵 天 氣 的 終 生 暴 露 劑 量 為1.68×10-7～7.53×10-6mg·kg-1·d-1，無論是沙塵還是非沙塵天氣，致癌金屬終生暴露劑量均高于南京、蘭州等地（李萍等，2014；王呈等，2016）。

根據式（7）～（10）計算出和田市城區沙塵和非沙塵天氣 PM2.5中重金屬元素的風險指數（HI）和致癌風險（Rt），結果如表3所示。沙塵期間，重金屬的兒童風險指數（HI）在3.88×10-5～0.24之間，成人在 3.02×10-5～0.38之間；非沙塵期間，兒童風險指數在 1.05×10-4～0.45 之間，而成人在2.23×10-4～0.37之間。無論是沙塵還是非沙塵，兒童和成人的HI均小于US EPA規定的限制值1。這表明，和田市城區 PM2.5中重金屬元素對人體健康造成的風險可以忽略。致癌金屬（Cr、Co、Ni、As和 Cd）在沙塵期間的致癌風險值（Rt）分別為3.98×10-6、 1.57×10-5、 2.19×10-6、 2.97×10-5和6.48×10-7，非沙塵期間分別為 3.19×10-6、1.27×10-5、5.53×10-6、3.53×10-5和 1.02×10-7。這些值雖然大于南京、蘭州等地（李萍等，2014；王呈等，2016），但 Cd的 Rt值無論在沙塵還是非沙塵均小于閾值（10-6），沒有致癌風險。其余金屬 Rt值的變化在10-4～10-6之間，表明有一定的致癌風險。表3進一步顯示，Cr和Co在沙塵期間的致癌風險大于非沙塵，表明沙塵天氣會導致Cr和Co的致癌風險上升。另外，結合表2和表3分析發現，重金屬健康風險指數的大小與暴露劑量的大小并不一致，這是由于健康風險除了和暴露劑量有關外，也受重金屬毒性（RfD）影響（張恒等，2016）。如Zn的暴露劑量最大，但由于毒性小，其健康風險較低；Cr和Co暴露劑量小，但由于毒性大，因其暴露風險較大。

表3 沙塵和非沙塵期間金屬元素暴露風險值Table 3 Health risk of metal during dust and non-dust

3 結論

利用2014年1月、4月、7月和10月和田市城區 PM2.5質量濃度及其中金屬元素質量濃度以及氣象參數資料，分析了和田市城區 PM2.5及其中金屬元素的污染特征，得出以下結論：

（1）與其他城市不同，和田市城區大氣 PM2.5質量濃度與風速呈正相關，其季節性分布為：春季(973.59±498.5) μg·m-3＞夏季(728.08±562.2) μg·m-3＞秋 季 (366.51±82.0) μg·m-3＞ 冬 季 (259.84±138.8)μg·m-3。

（2）和田市城區 PM2.5中地殼元素（Na、Mg、Al、K、Fe和 Ti）質量濃度占 PM2.5質量濃度的16.69%，占總金屬元素質量濃度98.02%；其他人為污染元素（V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Cs和Pd）占PM2.5質量濃度的0.12%，沙塵天氣金屬元素質量濃度均高于非沙塵天氣。

（3）富集因子法分析表明，春、夏兩個季節和田市城區 PM2.5中金屬元素主要來自自然源；秋季Ni、Cd和Pb，冬季Ni、Zn、As、Cd和Pb出現富集，受人為排放影響較大。

（4）正交矩陣因子分解模型分析表明，和田市城區 PM2.5中金屬元素的來源主要有汽車尾氣排放、生物質燃燒、化石燃料燃燒和揚沙。沙塵期間各源貢獻率分別為 17.66%、10.58%、9.97%、61.78%；非沙塵期間分別為 23.63%、20.34%、18.39%、37.63%。揚沙對和田市城區PM2.5中金屬元素貢獻最大。

（5）沙塵期間V、Mn、Co的暴露劑量大于非沙塵；無論是沙塵還是非沙塵天氣，重金屬的兒童風險指數大于成人，但其值均低于US EPA限值。致癌金屬 Cd的致癌風險值小于 10-6，沒有致癌風險，Cr、Co、Ni、As 4種重金屬致癌風險值在10-4～10-6之間，有一定的致癌風險。

DOCKERY D W, XU X, SPENGLER J D, et al. 1993. An association between air pollution and mortality in six U.S. cities [J]. New England Journal of Medicine, 329(24): 1753-1759.

DUAN J C, TAN J H, WANG S L, et al. 2012. Size distributions and sources of elements in particulate matter at curbside, urban and rural sites in Beijing [J]. Journal of Environmental Sciences, 24(1): 87-94.

DUAN J, TAN J. 2013. Atmospheric heavy metals and Arsenic in China:Situation, sources and control policies [J]. Atmospheric Environment,74(2): 93-101.

FABRETTI J F, SAURET N, GAL J F, et al. 2009. Elemental characterization and source identification of PM2.5using Positive Matrix Factorization: The Malraux road tunnel, Nice, France [J].Atmospheric Research, 94(2): 320-329.

FENG J, YU H, SU X, et al. 2016. Chemical composition and source apportionment of PM2.5during Chinese Spring Festival at Xinxiang, a heavily polluted city in North China: Fireworks and health risks [J].Atmospheric Research, 182: 176-188.

FERREIRA-BAPTISTA L, MIGUEL E D. 2005. Geochemistry and risk assessment of street dust in Luanda, Angola: A tropical urban environment [J]. Atmospheric Environment, 39(25): 4501-4512.

GóMEZ B, PALACIOS M A, GOMEZ M, et al. 2002. Levels and risk assessment for humans and ecosystems of platinum-group elements in the airborne particles and road dust of some European cities [J].Science of the Total Environment, 299(1-3): 1-19.

GRANERO S, DOMINGO J L. 2002. Levels of metals in soils of Alcala de Henares, Spain: human health risks [J]. Environment International,28(3): 159-164.

HSU C Y, CHIANG H C, LIN S L, et al. 2016. Elemental characterization and source apportionment of PM10and PM2.5in the western coastal area of central Taiwan [J]. Science of the Total Environment, 541:1139-1150.

KHARE P, BARUAH B P. 2010. Elemental characterization and source identification of PM2.5using multivariate analysis at the suburban site of North-East India [J]. Atmospheric Research, 98(1): 148-162.

PAATERO P, TAPPER U. 1994. Positive matrix factorization: A non-negative factor model with optimal utilization of error estimates of data values [J]. Environmetrics, 5(2): 111-126.

SHARMA S K, MANDAL T K, JAIN S, et al. 2016. Source Apportionment of PM2.5in Delhi, India Using PMF Model [J]. Bulletin of Environmental Contamination & Toxicology, 97(2): 286-293.

WANG Y, JIA C, TAO J, et al. 2016. Chemical characterization and source apportionment of PM2.5in a semi-arid and petrochemical-industrialized city, Northwest China [J]. Science of the Total Environment, 573:1031-1040.

WANG Y, ZHUANG G, XU C, et al. 2007. The air pollution caused by the burning of fireworks during the lantern festival in Beijing [J].Atmospheric Environment, 41(2): 417-431.

YONGMING H, PEIXUAN D, JUNJI C, et al. 2006. Multivariate analysis of heavy metal contamination in urban dusts of Xi'an, Central China[J]. Science of the Total Environment, 355(1-3): 176-186.

姜濱, 李博, 楊冬. 2015. 煙臺市區PM10、PM2.5濃度季節性分布規律研究[J]. 環境科學與管理, 40(1): 150-152.

李江風. 2003. 塔克拉瑪干沙漠和周邊山區天氣氣候 [M]. 北京: 科學出版社: 736.

李萍, 薛粟尹, 王勝利, 等. 2014. 蘭州市大氣降塵重金屬污染評價及健康風險評價[J]. 環境科學, 35(3): 1021-1028.

林瑜, 葉芝祥, 楊懷金, 等. 2016. 成都市西南郊區春季大氣 PM2.5的污染水平及來源解析[J]. 環境科學, 37(5): 1629-1638.

劉立, 胡輝, 李嫻, 等. 2014. 東莞市PM1中重金屬元素的污染特征及來源解析[J]. 環境科學學報, 34(2): 303-309.

劉慶陽, 劉艷菊, 趙強, 等. 2014. 2012年春季京津冀地區一次沙塵暴天氣過程中顆粒物的污染特征分析[J]. 環境科學, 35(8): 2843-2850.

劉新春, 鐘玉婷, 何清, 等. 2011. 塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵氣溶膠質量濃度的觀測研究[J]. 中國環境科學, 31(10): 1609-1617.

喬寶文, 劉子銳, 胡波, 等. 2017. 北京冬季 PM2.5中金屬元素濃度特征和來源分析[J]. 環境科學, 38(3): 876-883.

王呈, 錢新, 李慧明, 等. 2016. 南京公園降塵中重金屬污染水平及風險評價[J]. 環境科學, 37(5): 1662-1669.

王果, 迪麗努爾·塔力甫, 買里克扎提·買合木提, 等. 2016. 烏魯木齊市PM2.5和PM2.5～10中碳組分季節性變化特征[J]. 中國環境科學, 36(2):356-362.

王金艷, 王式功, 馬艷, 等. 2007. 我國北方春季沙塵暴與氣候因子之關系[J]. 中國沙漠, 27(2): 296-300.

楊孝智, 陳揚, 徐殿斗, 等. 2011. 北京地鐵站灰塵中重金屬污染特征及健康風險評價[J]. 中國環境科學, 31(6): 944-950.

楊勇杰, 王躍思, 溫天雪, 等. 2008. 北京市大氣顆粒物中 PM10和PM2.5質量濃度及其化學組分的特征分析[J]. 環境化學, 27(1):117-118.

伊麗米熱·阿布達力木, 迪麗努爾·塔力甫, 阿布力孜·伊米提. 2012. 烏魯木齊市大氣顆粒物中重金屬濃度的分布特征[J]. 環境科學與技術, 35(8): 107-111.

于瑞蓮, 胡恭任, 戚紅璐, 等. 2010. 泉州市不同功能區大氣降塵重金屬污染及生態風險評價[J]. 環境化學, 29(6): 1086-1090.

張恒, 周自強, 趙海燕, 等. 2016. 青奧會前后南京 PM2.5重金屬污染水平與健康風險評估[J]. 環境科學, 37(1): 28-34.

趙貴海, 樊自立, 季方. 1994. 塔克拉瑪干沙漠地區土壤元素背景值研究[J]. 干旱區研究, 11(2): 35-40.

Abstract: Atmospheric PM2.5pollution and the risk of elements have become the important topics in the atmospheric research. The target area is located in the southern margin of the Taklamakan Desert, with extremely arid climate and the annual precipitation is rare, and dust weather affects the atmospheric environment in the region every year. Based on the PM2.5samples were collected from the urban area of Hotan city in January, April, July and October in 2014. Seventeen metal elements in PM2.5were analyzed using ICP-MS. EF and PMF method were used to analyzed the sources and assessed the health risk during the dust and non-dust periods.The results showed that, (1) the seasonal variation of PM2.5were: spring (973.59 μg·m-3)＞summer (728.08 μg·m-3)＞autumn (366.51 μg·m-3)＞winter (259.84 μg·m-3), and have a positive correlation with the wind speed and temperature. (2) The concentration of elements in dust period (108.12～268.25 μg·m-3) were significantly higher than non-dust period (43.19～126.41 μg·m-3). Elements Ni,Cd and Pd were enriched in autumn, the EF values were 10.26, 42.06 and 27.39, respectively. Ni, Zn, As, Cd and Pd was enriched in winter, which values were 22.46, 11.03, 18.49, 84.53 and 206.03, respectively. (3) Four major sources were identified by PMF model in dust and non-dust period, such as traffic emissions, biomass burning, fossil-fuels combustion and soil dust, with the contributions of 17.66%, 10.58%, 9.97% and 61.78%, respectively in dust period, and 23.63%, 20.34%, 18.39% and 37.63%, respectively in non-dust period. (4) The non-cancer hazard indexes and carcinogen risk were both lower than the threshold values, suggesting that they will not harm the health.

Key words: Hotan; dust storms; elements; PMF; health risk assessments

Elemental Characterization in PM2.5during the Dust and Non-dust Periods in the Extremely-arid Areas

Yusan TURAP1, Dilinuer TALIFU1*, WANG Xinming2, DING Xiang2, Abulikemu ABULIZI1,Mailikezhati MAIHEMUTI1, Mijit YIMING3

1. Key Laboratory of Coal Cleaning Conversion and Chemical Engineering Process, Xinjiang Uyghur Autonomous Region//Xinjiang University,Urumqi, 830046, China;2. State Key Laboratory of Organic Geochemistry//Guangzhou Institute of Geochemistry Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3. Environmental Monitoring Station, Hotan 848000, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.011

X16

A

1674-5906（2017）09-1529-10

玉散·吐拉甫, 迪麗努爾·塔力甫, 王新明, 丁翔, 阿布力克木·阿不力孜, 買麗克扎提·買合木提, 米吉提·依明. 2017.極干旱地區沙塵與非沙塵天氣PM2.5及所含金屬元素的濃度特征分析[J]. 生態環境學報, 26(9): 1529-1538.

Yusan TURAP, Dilinuer TALIFU, WANG Xinming, DING Xiang, Abulikemu ABULIZI, Mailikezhati MAIHEMUTI, Mijit YIMING. 2017. Elemental characterization in PM2.5during the dust and non-dust periods in the extremely-arid areas [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1529-1538.

國家自然科學基金項目（41465007)；中國沙漠氣象科學研究基金項目（Sqj2013003）

玉散·吐拉甫（1990年生），男，碩士研究生，主要研究方向為環境監測與評價。E-mail: yusantlf@163.com*通信作者。E-mail: dilnurt@xju.edu.cn

2017-06-23