源解析模型在中国大气颗粒物重金属来源分析中的应用研究

王 菲，方凤满

（安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241000）

源解析模型在中国大气颗粒物重金属来源分析中的应用研究

王 菲，方凤满

（安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241000）

大气颗粒物中的重金属除直接通过呼吸、皮肤接触直接进入人体，还能够在干湿沉降作用下进入土壤和水体，并通过食物链危害人体健康.通过文献调研分析了中国大气中重金属污染状况及暴露特征，综述目前国内几种常用的大气颗粒物中重金属源解析方法，并提出应加强源解析模型的综合应用，建立排污标准.

大气颗粒物；重金属；源解析模型；暴露特征

0 引言

随着中国经济的快速发展和人口的急剧增加，工业生产、交通运输及居民生活排放进入大气的有毒有害物质急剧增加，大气中的颗粒物影响人体健康和环境质量，其中由于重金属的生物富集性和毒性，成为目前颗粒物污染研究的热点.大气颗粒物中的重金属经过呼吸系统、食物链途径和皮肤接触进入人体，导致人体身体机能障碍，严重时会引发心脏病和癌症.研究大气颗粒物中重金属分布及其来源，对人体健康、污染物迁移转化及治理大气环境意义非凡.

1 大气颗粒物中重金属含量水平及暴露特征

1.1 大气颗粒物概念

分散存在于大气中的各种固态或液态颗粒状物质即大气颗粒物[1].大气颗粒物在人体不同部位的沉积主要取决于其空气动力学粒径，粒径在10-100 μm的颗粒物能够阻挡在人体的鼻腔外，人体吸入量较少；粒径在2.5-10 μm的颗粒物（PM10）能够进入人体鼻腔，但大部分会被鼻腔截留；小于2.5 μm的大气颗粒物（PM2.5），即细粒径颗粒物能够在人体肺泡和支气管中沉积，甚至进入人体血液中，严重影响人体健康[2].

1.2 中国大气颗粒物中重金属含量分析

通过文献查阅，收集了国内外城市大气颗粒物中重金属的含量水平（表1），全国很多城市大气都出现了不同程度的重金属污染，北方城市污染现象较南方城市严重.其中天津市污染较严重，许多元素均超WHO标准，北京、武汉、成都、深圳、厦门的Cd，Ni不同程度出现超标现象.亚洲许多城市As，Ni也出现了不同程度的污染现象，但国内城市大气颗粒物中重金属含量较其他国家偏高，污染问题较为严重.

1.3 大气颗粒物中重金属暴露特征

中国环境工作者在对许多城市大气颗粒物中重金属含量研究中发现，大气颗粒物中重金属在不同的时间、空间、形态和粒径下具有不同的暴露水平.

重金属元素浓度在大气颗粒物中的分布具有显著的季节变化和日变化规律.刘昌岭[17]指出青岛市区大气颗粒物中重金属的浓度春季高于夏季，图们市[18]冬季由于燃煤采暖排放，其大气颗粒物中重金属含量要高于秋季；刘艳秋[18]报道图们市秋冬季安山、卫检所附近大气悬浮颗粒物中重金属均呈现早>午>晚的规律，李晓[19]也指出成都市大气颗粒物中Cd，As等元素的浓度在早上（5∶00-9∶00）和晚上（17∶00-21∶00）出现高值.大气颗粒物中重金属元素季节变化（冬季>秋季>春季>夏季、采暖期>非采暖期）与日变化（早上较高）的变化规律主要受人为排放强度、大气湿度和气流稳定度等影响[20].

表1 2013年不同城市区大气颗粒物中重金属质量浓度/（ng/m3）

重金属排放量的空间差异会引起大气颗粒物中重金属在不同区域暴露水平不同.重庆市沙坪坝区 （工业区）、江北区（汽车密度大）等人类活动频繁的地区污染严重，说明重金属污染主要来自人为源[21]；北方城市由于燃煤排放，污染较南方城市严重（表1）[13].一般人类活动频繁的工业区和交通区污染较为严重.

大气颗粒物中不同化学形态的重金属的具有不同的化学活性和生物有效性，决定了其可能产生的毒害效应.衡阳大气颗粒物中Pb在粗（>2μm）、细（≤2.0 μm）颗粒物中以不溶态（残渣态）为主，Zn以水溶态、碳酸盐态、氧化态、有机态4种有效态存在，具有很强的化学活性，对环境具有潜在的风险[22]；张美秀[23]利用Tessier提取法对长春市PM2.5在重金属进行分析，结果表明Zn以酸溶态（66.8%）为主，易形成配合物在中性和酸性溶液中可溶，因此在大气环境中易发生迁移，Cd也以酸溶态和铁锰氧化物态为主，具有较高的生物可利用性.

大气颗粒物中重金属在细颗粒物上的含量要明显高于粗粒径，周卫静[24]报道保定市Pb，Zn，Cd在≤2.5细颗粒物中占65%-80%，成都市PM2.5重金属浓度明显高于PM10和TSP[12]，细颗粒物粒径小，在大气中漂移时间长，易被人体摄入，其所含的重金属元素对人体危害更大[25].

2 源解析大气颗粒物中重金属来源

源解析是指对大气颗粒物中各种组成成分进行定性的识别，并定量计算出各个污染源对大气环境污染成分的贡献率[26].大气颗粒物中重金属来源非常复杂，源解析技术主要包括源模型（扩散模型）、受体模型和源清单（排放清单）[26-29]，目前，国内外较多使用的源解析方法主要为受体模型.

2.1 源模型

源模型亦称扩散模型，是以污染源为研究对象，以污染源排放污染物的量和当时当地的气象资料为基础，基于统计理论的正态烟流模型.源模型将各种污染源信息资源、气象资料以及地表条件等各种参数以一定的模型和数学表达式模拟污染物排放、迁移、扩散及转化等过程，分析并定量估算污染源对大气污染的贡献状况，预测特定污染源污染防治措施的环境效益[27-29].

2.2 受体模型

受体模型以受污染区域为研究对象，受体的污染物承受量的与污染源排放量呈质量平衡的关系，根据污染源和受体颗粒物的化学、物理特征等，使用物理数学模型定量分析各污染源类对大气颗粒物的污染贡献.受体模型包括显微镜法（扫描电子显微镜法和光学显微镜法）、化学法（化学质量平衡法CBM[30]、富集因子法EF[21，31]、因子分析法FA[32]、多元线性回归、遗传算法[9]等）和物理法（X射线衍射XRD），其中解析大气颗粒物中重金属来源的主要是化学法.

2.2.1 化学质量平衡法（CMB）

CMB模型理论基础是质量守恒定律，即假设大气中重金属等污染物质量从污染源传输到污染受体的过程当中没有亏损，利用环境污染样品的化学成分构建线性方程，对不同来源的污染物贡献进行评价.孙伶俐[30]利用CMB模型对武汉A区TSP（总悬浮颗粒物）中标识元素（Mg，Al，Mn，Fe，Ni，Pb，Zn）进行分析，发现土壤源（54.09%）、交通源（30.47%）、煤烟源（9.33%）为A区TSP的主要污染源.

2.2.2 富集因子法（EF）

富集因子法是基于大气颗粒物样品与已知物质组成的相似性，判断大气颗粒物中是否来源于已知物质的一种分析方法[1，21].富集因子法用于研究大气颗粒物中重金属元素的富集程度，并依据富集因子大小判断重金属元素的自然源和人为源.范雪波[31]以Fe作为参比元素，利用富集因子法对上海市大气颗粒物重金属来源进行分析，发现Mn，Cr的富集因子小于10，来自自然源，As，Ni，Pb，Cu元素的则主要来自人为污染源.重庆大气颗粒物中Pb，Zn，Ni，Cd，As，Cu污染都来自于人为活动，夏季人为排放对Pb，Cd，As的浓度影响尤为明显[21].

2.2.3 因子分析法（FA）

因子分析法是根据因子载荷大小和对污染源性质的了解，根据元素因子载荷系数研究颗粒物污染来源.朱奕[10]利用因子分析法，As，Pb，Al，Ca分别在第1，2，3，4主因子中具有较大因子系数，其中As是燃煤的标识性元素，Pb是典型的汽车排放元素，Al为地壳元素，Ca主要为建筑源，据此分析得出燃煤与工业排放、机动车尾气排放、土壤扬尘源、建筑尘是长沙城区降尘中金属的主要来源.

2.2.4 多元线性回归法

多元线性回归法也称示踪元素法，选择由某一种排放源排放的物种作为示踪元素，对各种示踪元素和受体的污染物浓度进行多元线性回归，根据回归系数分析各示踪元素对应的污染源对受体污染的贡献率[1，29].

2.2.5 遗传算法（GA）

遗传算法是借鉴进化论、物种选择说和群体遗传学说，模拟自然界优胜劣汰的进化遗传机制，对个体反复进行选择、交叉、变异，搜索最优污染源解.李祚泳[32]利用遗传算法解析模型对重庆市区大气颗粒物中Pb，Cd，Cr，Ni，Zn，Cu等元素来源进行分析，结果显示大气颗粒物的重金属在春、夏、秋三季的污染源都主要来自燃煤烟尘和钢铁烟尘，两者约占全部污染源的80%左右，由于春季和冬季气温低，民用和工业煤炭消耗量大，燃煤排放的重金属含量居首位.

CBM模型能够检验“排放源假设”，富集因子法和因子分析法能够识别污染源类型（自然源与人为源），多元线性回归法能够得出各种污染源对受体污染的贡献率，遗传算法可以在群体污染源中找出最优污染源.

2.3 源清单

源清单即排放清单，是对各类污染源进行详细分析调查后，根据型污染源排放因子和活动水平估算污染物排放量，建立污染源排放清单数据库，据此找出对大气污染有贡献的主要排放污染源.吴文俊[33]在文献调研的基础上，建立了重点源（燃煤排放、有色金属冶炼、再生铅冶炼、垃圾焚烧排放）对大气中铅砷排放贡献清单，并指出燃煤排放是中国大气重金属铅、砷污染的最主要来源.

表2 大气颗粒物中重金属解析模型优缺点对比

3 研究展望

1）大气颗粒物中重金属的来源广，且在一定气候条件下会进行迁移转化，大气中重金属元素之间或与其他物质会产生协同催化作用，单纯的利用某种源解析技术可能得不到准确的污染源，在未来源解析过程中，结合利用多种源解析技术，更加准确的确定大气颗粒物中重金属的来源.

2）加强大气颗粒物中重金属污染人体生物有效性研究，即其对人体健康产生的实际风险.

3）开展大气颗粒物中重金属暴露水平及污染源监测，分析污染的区域性特征及主要污染源，建立排放大气颗粒物中重金属排放标准，严格控制大气重金属污染.

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（责任编辑 李健飞）

A Study on Application of Source Apportionment Model in China’s Atmospheric Particles Heavy Metals

WANG Fei，FANG Feng-man
（School of Terrestrial Resources&Tourism，Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241000，China）

Through breathing and skin exposure，heavy metals in atmospheric particles can enter human body directly，and they can also enter the soil and water under the effect of dry wet sedimentation，producing harms for human health through the food chain.This paper analyzes the current situation of contamination and exposure，and it also summarizes several commonly-used sources apportionments of heavy metals in atmospheric particles.Finally，it presents comprehensive application of source apportionment model and emission standards.

atmospheric particle；heavy metal；source apportionment model；exposure characteristic

X51

A

1673-1972（2015）03-0095-05

2015-01-16

国家自然科学基金（41371480）

王菲（1988-），女，安徽滁州人，硕士研究生，主要从事环境灾害评价与风险评估研究.