极干旱地区沙尘与非沙尘天气PM2.5及所含金属元素的浓度特征分析

玉散·吐拉甫，迪丽努尔·塔力甫*，王新明，丁翔，阿布力克木·阿不力孜，买丽克扎提·买合木提，米吉提·依明

极干旱地区沙尘与非沙尘天气PM2.5及所含金属元素的浓度特征分析

玉散·吐拉甫1，迪丽努尔·塔力甫1*，王新明2，丁翔2，阿布力克木·阿不力孜1，买丽克扎提·买合木提1，米吉提·依明3

1. 煤炭清洁转化与化工过程自治区重点实验室//新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830046；2. 中国科学院广州地球化学研究所，广东 广州 510640；3. 和田地区环境监测站，新疆 和田 848000

大气PM2.5污染和金属元素健康风险已成为大气环境研究热点。研究目标区域位于塔克拉玛干沙漠南缘，气候极其干旱，全年降水稀少，风沙较多，沙尘天气一定程度上影响着该区域的大气环境。于2014年1月、4月、7月和10—11月在和田市城区采集PM2.5样品，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定了样品中的17种金属元素，分析了金属元素在不同季节沙尘和非沙尘气象状况下的暴露特征及与气象参数的关系，采用富集因子（EF）和正交矩阵因子（PMF)法对金属元素来源进行了分析并对健康风险进行了评价。结果表明，（1）PM2.5质量浓度季节性特征表现为春季（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质量浓度与风速和温度呈正相关。（2）PM2.5中金属元素质量浓度在沙尘天气（108.12～268.25 μg·m-3）明显高于非沙尘天气（43.19～126.41 μg·m-3），秋季金属元素Ni、Cd和Pb出现富集，EF值分别为10.26、42.06、27.39；冬季Ni、Zn、As、Cd和Pb出现富集，EF值分别为22.46、11.03、18.49、84.35、206.03。（3）金属元素在沙尘期间的来源主要为汽车排放（17.66%）、生物质燃烧（10.58%）、化石燃料9.97%和扬沙（61.78%），非沙尘期间4种排放源的贡献分别为23.63%、20.34%、18.39%、37.63%。（4）健康风险评价结果表明，金属元素风险指数小于阈值1，可以忽略；致癌金属Cr的致癌风险值小于10-6，没有致癌风险，但Co、Ni、As和Cd的致癌风险值在10-6～10-4之间，有一定的致癌风险。

和田市城区；沙尘/非沙尘天气；PM2.5；金属元素；PMF

大气颗粒物（Particulate matter，PM）是悬浮在大气中的微小固体或液体微粒的总称，因其对人体健康危害极大而越来越受到世界各国政府和卫生机构的关注（Duan et al.，2012）。不同粒径的大气颗粒物，对人体的损伤程度也不同，其中细颗粒物PM2.5（动力学直径≤2.5 μm）在大气中的停留时间长、粒径小、比表面积大，表面能够吸附更多化学物质，因而对人体造成更大的危害，75%以上的PM2.5可以通过呼吸道到达人体肺泡并沉淀，干扰肺部气体的交换和血液循环，从而引起心肺功能障碍性疾病，导致呼吸系统、心血管系统的损伤（林瑜等，2016）。金属元素是 PM2.5中的主要化学组分之一，毒理学研究表明PM2.5中Pd会引起人体脑损伤，As、V和Cd在环境空气中的增加与某些癌症病人的死亡率呈显著正相关，而且重金属与PM2.5中其他组分协同作用将会对人体产生更大的危害（刘立等，2014）。对北京冬季 PM2.5中金属元素的研究发现，金属元素浓度在重污染天气下比优良天气下高出1倍（乔宝文等，2017）；于瑞莲等（2010）研究表明泉州市不同功能区大气降尘重金属生态危害程度表现为工业区＞商业区＞交通繁忙区＞居民区＞农业区（于瑞莲等，2010）；通过富集因子分析发现，北京市大气颗粒物中As、Cu、Zn和 Pb等金属主要来自人为源（杨勇杰等，2008）；通过主因子分析表明，南京市 PM2.5中金属元素来源有工业排放、燃煤、生物质燃烧和扬尘、沙尘等（张恒等，2016）；研究发现南京市10个不同公园降尘中重金属健康风险有所不同（王呈等，2016）；京津冀地区沙尘暴发生时，由于外来沙尘源输送的影响，空气中的颗粒物和金属元素质量浓度显著增加（刘庆阳等，2014）。但是，针对和田市城区PM2.5及其所含金属质量浓度的季节性特征及金属元素的富集程度、来源以及健康风险的研究还未见报道。

和田市城区面积16 km2，位于东亚最大的沙源——塔克拉玛干沙漠南缘，气候极其干旱，全年降水稀少，风沙较多，是中国沙尘暴灾害频发区域之一（李江风，2003）。以2014年1月、4月、7月和10月采集的和田市城区PM2.5样品为研究对象，对 PM2.5质量浓度与气象因素的关系及其所含金属元素的质量浓度的变化特征、来源和健康风险进行了分析，以期为“一带一路”战略带环保调控措施的制定及人体健康效应的研究提供理论依据和基础数据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采样点设在和田市环保局（东经79°30′，北纬37°06′）4楼楼顶，距地面12 m，采样点距和田市城区主干道500 m，附近没有高层和污染源，而且和田市城区位于塔克拉玛干沙漠南缘，气候极其干旱，全年降水稀少，风沙较多，能够代表和田市城区的空气质量状况。不同季节气象条件不同，因此分别在2014年1月（冬）、4月（春）、7月（夏）10—11月（秋）进行采样。使用武汉天虹仪表有限责任公司生产的智能大容量悬浮微粒采样仪（TH-1000，流量为 1.05 m3·min-1）每月连续采样（除雨、雪天气之外），每次采样22小时。春季从4月6—27日共采集22个样品；夏季采样时间为7月3—26日，采集样品数为18个；秋季10月15日—11月11日采样天数为19 d，冬季1月7—31日采样天数为24 d，总共采集83个样品，其中有效样品为 61个。采样后用铝箔纸将膜包好装入密封袋置于冷冻柜（-18 ℃）中保存，待实验分析。

1.2 样品分析

1.2.1 PM2.5质量分析

采样前将石英纤维滤膜（英国Whatman公司）用铝箔纸包好置于马弗炉中，经450 ℃高温灼烧5 h，除去膜上的有机物等污染物。采样前后的滤膜均于恒温恒湿箱[温度(20±2) ℃，相对湿度45%～55%]中放置 48 h，以减少水蒸气的干扰，再进行称量（梅特勒-托利多公司，AB204-S），最近两次称量的误差不超过0.01 mg时，采样前后膜的质量差即为颗粒物的质量，再根据采样器体积计算出PM2.5的质量浓度。

1.2.2 金属元素分析

用面积为5.06 cm2标准切膜刀切取样品膜，将切好的样品膜与4 mL浓硝酸和1 mL氢氟酸一起置入消解罐中，消解罐放入密闭式智能微波消解仪中，经过三步升温程序在200 ℃保持30 min，再将温度降至室温，消解罐放入样品预处理蒸干仪中赶酸至剩最后一滴消解液时再加入2 mL浓硝酸溶样，用超纯水定容至12 mL，并在4 ℃条件下避光保存待分析。

PM2.5样品中的17种元素（Na、Mg、Al、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Cs和Pb）采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）进行测定。

1.2.3 质量控制与质量保证

采样前后的膜连续称量3～4次，保证质量差值小于0.1 mg；金属元素的测量于中国科学院广州地球化学研究所国家重点实验室中完成。使用超纯的浓硝酸和氢氟酸溶样，后于密封微波消解仪中进行消解。ICP-MS设备操作条件：氩气压力为(700±24.5)kPa，反应器压力（氢气和氦气）为(40±20) kPa，循环水用蒸馏水，温度应在 15～20 ℃，压力为230～440 kPa，循环水中加入50 mL IPA，防止生菌，排风量为 7～8 m3·min-1。每批次样品都对仪器进行校准，分析时随机选取部分样品，进行重复分析。17种元素的检测线范围为0.001～3.14 ng·L-1，每批次实验过程中同时测定膜空白和实验空白，所测元素的相对标准偏差均小于10%。

1.3 来源解析

1.3.1 后向轨迹分析

本研究利用 NOAA（美国国家海洋和大气管理，National Oceanic and Atmospheric Administration）研制的后向轨迹模型 HSPLIT4（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated）分析了4个季节的气团轨迹。所需气象数据选用 GDAS数据库（全球数据同化系统，Global Date Assimilation System）中的相关资料，每隔 6 h计算 1次轨迹（0:00；6:00；12:00；18:00），每次向后延伸 72 h，轨迹模拟起始高度设定为 1500 m。模型详细介绍见：http://www.arl.noaa.gov/ready/open/hysplit4.html。

1.3.2 富集因子分析

金属元素的 EF值（富集因子，Enrichmentfactor）可用来判断和评价大气颗粒物中金属元素的来源。计算公式如下（杨勇杰等，2008）：

式中，ρi为所测金属元素 i的质量浓度；ρn为参比元素的质量浓度。一般选择迁移过程中性质较稳定的元素作为参比元素，例如Al、Fe、Ti、Si、Sr、K等（杨勇杰等，2008）。本文选择Al作为参比元素，元素的土壤背景值选用塔克拉玛干沙漠地区土壤元素的背景值作为参照（赵贵海等，1994）。研究表明（Dockery et al.，1993），若EF＞10，认为金属元素主要来源于人为污染；EF≤10，主要来源于土壤等自然源。

1.3.3 PMF受体模型

PMF模型（正交矩阵因子，Positive matrix facorization）是美国环保部署推荐的受体模型之一，详细方法可见文献（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来源，并可计算出每个来源对污染物的贡献率。首先对受体样品进行化学成分分析，得到颗粒物中化学组分的浓度，并构成浓度矩阵 X（n×m），n为样品数，m为化学成分数目，X可分解为X=GF+E，G和F分别为n×p和p×m的矩阵，p为主要污染源的数目，E为残差矩阵，表示为：

式中，xij为样品 i中 j元素的质量浓度（μg·m-3）；gik为第k个排放源对样品i的贡献；fkj为来源k中j元素的含量；eij为j元素的残差；uij为第i个样品第j种物质的不确定度。模型运行的优化目标是经过多次拟合，使 Q 值趋于最小（Paatero et al.，1994）。

模型不确定度可用下列公式进行估算：

式中，ρ和 MDL分别为元素质量浓度和方法检测线（Paatero et al.，1994）。

1.4 健康风险评价

金属元素对人体健康风险的评价选用以美国环境保护署（US EPA）提出的土壤健康风险模型为基础（Granero et al.，2002），对其部分参数进行修改后的计算模型（杨孝智等，2011）。本文以 V、Cr、Mn、Co、Ni、Zn、As、Cd、Pb 为目标元素，将研究对象分为儿童和成人，分别计算出其呼吸吸入金属的日均暴露剂量和终生暴露剂量值。

呼吸吸入的非致癌金属日均暴露剂量 Dinh（mg·kg-1·d-1）计算公式为：

呼吸吸入的致癌金属终生暴露剂量（LADD，lifetime average daily dose，mg·kg-1·d-1）计算式为：

式中，InhR 为呼吸速率（inhalation rate，m3·d-1。其中，InhRchild为儿童，InhRadult为成人）；EF为暴露频率（exposure frequency，d·a-1）；ED 为暴露年限（exposure duration，a。其中，EDchild为儿童，EDadult为成人）；BW为平均体质量（body mass，kg）；AT为平均暴露时间(averaging time，d)。参数取值详见文献（Gómez et al.，2002；李萍等，2014）。

金属对人体的风险商（HQ）和风险指数（HI）计算公式为：

式中，RfD是最大暴露参考剂量，表示单位时间、单位体质量摄取量不会引起人体不良反应的污染物最大剂量（mg·kg-1·d-1）（Ferreira-Baptista et al.，2005）。本研究目标重金属元素（V、Cr、Mn、Co、Ni、Zn、As、Cd、Pb）选用的 RfD 值分别取 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险指数，因此 HQ=HI。若HI＜1.0认为对人体健康不产生影响；若HI＞1.0，则认为对人体健康有影响（Ferreira-Baptista et al.，2005）。

金属元素的致癌风险可用下式进行计算：

式中，SFa为斜率，即单位暴露剂量所产生的健康风险值（mg·kg-1·d-1），对于致癌金属 Cr、Co、Ni、As和 Cd，SFa值分别取 42、9.8、0.84、15.1和 6.4。国际上认可的致癌风险阈值为 10-6，若 Rt小于该阈值则认为重金属没有致癌风险；若 Rt在10-6～10-4之间，则认为人体处于可耐受范围；若Rt大于或等于10-4，认为重金属存在高致癌风险（Feng et al.，2016；Wang et al.，2007）。

图1 采样期间PM2.5质量浓度和气象参数Fig. 1 PM2.5mass concentration and meteorological condition during the sampling periods

2 结果与讨论

2.1 PM2.5质量浓度的季节性特征

和田市城区 PM2.5质量浓度、风速和温度变化如图1所示。采样期间PM2.5样品的质量浓度变化范围为 143.3～2176.18 μg·m-3，平均质量浓度为(677.78±503.4) μg·m-3，超出国家环境空气质量二级标准（75 μg·m-3，GB3905—2012），约是乌鲁木齐2011年PM2.5年均质量浓度(92.8±107.85) μg·m-3的7倍(王果等，2016)。季节性变化特征为：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，这与北京（杨勇杰等，2008）、南京（王呈等，2016）、乌鲁木齐（王果等，2016）等城市PM2.5质量浓度冬季最高而夏季最低的结果不一致。春、夏两个季节和田市城区分别有50%和42%的样品超出了平均值，而且 PM2.5质量浓度多次出现急剧上升情况，如4月23日采样日PM2.5质量浓度为采样期的最高值（2176.2 µg·m-3）。对比气象条件发现，当日和田市城区发生严重的沙尘暴，风速达到最高（16 km·h-1）。相关性分析表明，PM2.5质量浓度与风速和温度均呈正相关，相关性系数分别为r=0.68和r=0.57。这与北方春季沙尘暴与气象关系研究中报道的南疆沙尘暴与气象因素有较好的相关性相一致（王金艳等，2007），但与中国其他城市风速越大，PM2.5质量浓度越低不一致（王呈等，2016；王果等，2016；杨勇杰等，2008）。这可能是因为和田城区位于塔克拉玛干沙漠南缘，气候极干燥而且植被稀少，大风容易将沙土和戈壁扬尘吹入大气，易导致PM2.5浓度急剧上升。从图1还可知，夏季风速并不高，但其 PM2.5质量浓度较高，这是因为和田地区夏季浮尘天气频次较多，导致 PM2.5质量浓度处于较高水平（刘新春等，2011）。采样期间，春季沙尘样本占春季总样本数的74%，夏季占60%，这进一步说明和田市城区PM2.5质量浓度受沙尘气象因素的影响较大。研究（刘新春等，2011）表明，塔克拉玛干沙漠腹地 3—8月沙尘天气发生频次较多，10月—翌年2月沙尘天气发生频次较少。本研究中，秋季和冬季和田市城区沙尘天气发生频率相对较少，PM2.5质量浓度变化相对稳定，但仍处于较高水平，这与秋季和冬季风速和温度较低，使悬浮在环境中的颗粒物容易富集有关（乔宝文等，2017）。

采用反向轨迹综合分析法进一步解释和田市城区PM2.5的来源，结果如图2所示。对春季（图2a）88条有效轨迹进行聚类分析发现，东北向气团区域输送占26%、西北向跨区域输送占31%，西向跨区域输送占43%；对夏季（图2b）108条有效轨迹进行聚类分析，北向气团区域输送占56%，西北向跨区域传输占44%；分别对秋季（图2c）112条和冬季（图2d）100条有效轨迹进行聚类分析，发现气团主要来自西向长距离跨区域输送。采样点的东北区域为塔克拉玛干沙漠，表明春、夏两个季节塔克拉玛干沙漠的气团输送造成的沙尘天气是导致和田城区 PM2.5浓度增加的主要原因；秋、冬季来自西边跨区域输送的气团是影响和田城区大气PM2.5污染的因素之一。

图2 各季节气团72 h后向轨迹模拟结果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中金属元素质量浓度的季节性变化

采样期间，和田市城区 PM2.5中金属元素质量浓度从高到底依次为 Al、Na、Fe、Ti、K、Mg、Mn、Pb、Zn、Cr、Ni、V、Cu、As、Cs、Co 和Cd，其中地壳元素（Na、Mg、Al、K、Fe和Ti）的质量浓度占PM2.5质量浓度的16.69%，人为污染元素（V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Cs和Pd）占PM2.5的0.12%。地壳元素质量浓度占总金属元素的98.02%，明显高于北京（91.4%）（乔宝文等，2017），表明和田市城区PM2.5所含金属元素中，地壳元素占主导地位。在和田市城区采集的PM2.5样品中，春季沙尘样本占春季总样本数的74%，夏季占60%，秋季和冬季虽然有浮尘天气出现，但没有出现明显的沙尘天气。因此，本文根据采样期间和田地区环保局提供的沙尘天气气象参数将春、夏季样本分为沙尘和非沙尘天气，将秋季和冬季定义为非沙尘天气（秋冬季节观测到的沙尘气象现象少）进行讨论，结果如表1所示。采样期间，地壳元素季节性变化特征表现为春季＞夏季＞秋季＞冬季；沙尘天气＞非沙尘天气；人为污染元素的季节性变化特征为冬季＞秋季＞春季＞夏季；沙尘天气＞非沙尘天气。刘庆阳等（2014）报道的沙尘暴期间污染物在长距离输送过程中，高浓度的沙尘暴和人为排放污染物会出现叠加效应（刘庆阳等，。和田市城区春季沙尘天气地壳元素的平均质量浓度（182.76 μg·m-3）相比非沙尘天气（117.13 μg·m-3）上升了约0.5倍，人为污染元素在沙尘期间的质量浓度为 878.78 ng·m-3，相比非沙尘期间（433.33 ng·m-3）上升约 1倍。夏季沙尘天气地壳元素和人为污染元素质量浓度是非沙尘天气的2倍，人为污染元素中Cr、Mn、Zn和As受沙尘暴影响较大，相比非沙尘天气，其在沙尘天气中的质量浓度上升了20%～50%。

金属元素Mn在春季沙尘期间的质量浓度高达580.24 ng·m-3，是 WHO 环境空气质量标准（150 ng·m-3）的 3 倍（Duan et al.，2013）。研究表明（Yongming et al.，2006），西安大气PM2.5中Mn的质量浓度为 587.0 ng·m-3，与土壤参考值（583.0 ng·m-3）相当，说明其来自土壤。本研究中，Mn在沙尘期间的质量浓度也与塔克拉玛干沙漠地区土壤元素背景值（538.7 ng·m-3）相当（赵贵海等，1994），认为和田市城区PM2.5中Mn主要来自于扬沙和戈壁粉尘。Ni和As在冬季的最高质量浓度分别为 60.59 ng·m-3和 14.42 ng·m-3，是 WHO 标准（Ni=25 ng·m-3、As=6.6 ng·m-3）的 2 倍。研究发现，As和Ni主要来自人为排放，如化石燃料燃烧等（张恒等，2016），所以认为Ni和As可能与和田市城区及周围居民区燃烧煤等化石燃料有关。元素 Cr在采样期间的平均质量浓度为46.00 ng·m-3，远大于WHO标准（0.025 ng·m-3），其季节性变化表现为春＞秋＞夏＞冬，春季沙尘天气其质量浓度达到了最大值64.91 ng·m-3，表明Cr来源比较复杂。其他金属元素如V、Zn、Cu、Cd和Pb等的质量浓度均低于国家标准及北京、上海、南京等城市化程度比较高的城市（Duan et al.，2013），其中，元素Pb在春季、夏季和秋季非沙尘期间的质量浓度变化幅度不大，但冬季质量浓度达到130.94 ng·m-3，虽然低于2011年乌鲁木齐（伊丽米热·阿布达力木等，2012）采暖期（364.67 ng·m-3）的值，但高于非采暖期（78.35 ng·m-3），说明和田市城区冬季Pb污染较为严重。

表1 PM2.5中重金属季节性分布Table 1 Mass concentration of metals in PM2.5by seasonal periods ng·m-3

图3 不同季节PM2.5中金属元素的富集程度Fig. 3 Seasonal enrichment factors of metals in PM2.5

2.3 来源解析

2.3.1 富集因子

和田市城区 PM2.5中金属元素在不同季节及沙尘和非沙尘天气的EF值如图3所示。春季和夏季，不论是沙尘还是非沙尘天气，17种金属元素的 EF值均小于 10，表明春季（图 3a）和夏季（图 3b）PM2.5中17种金属元素主要来自自然源；从图3c可知，Ni、Cd和 Pb在秋季出现富集，EF值分别为10.26、42.06、27.39；Ni、Zn、As、Cd 和 Pb 在冬季出现富集，EF 值分别为 22.46、11.03、18.49、84.35、206.03；说明这些金属元素主要来自人为污染。这是因为冬季不利于污染物扩散（姜滨等，2015），造成金属元素富集值较高。冬季Cd和Pb这两种致癌金属的富集程度较高，污染较严重。其原因可能是冬季和田地区燃煤取暖而造成其质量浓度较高（姜滨等，2015；杨勇杰等，2008）。另外，参比元素 Al在冬季的浓度低于其他季节也是造成这些金属元素 EF值很高的原因之一。总之，和田市城区大气PM2.5金属元素冬季富集较为严重，秋季次之，春季和夏季没有出现富集。

2.3.2 PMF受体模型

图4 PMF分析PM2.5中重金属元素的5种来源Fig. 4 Profiles of five sources identified from the PMF model for metals in PM2.5

利用PMF 5.0受体模型分沙尘与非沙尘天气对17种金属元素进行源解析，沙尘天气样本数为 22个，非沙尘天气为 39个。解析结果残数值大部分在-3～3之间，经过多次拟合，模型趋于稳定，最终结果如图 4所示。因子 1沙尘天气主要负载 Ni（49.94%）、Cu（51.48%）和Zn（64.84%），非沙尘天气主要负载 Cu（33.38%）、Zn（56.75%）、As（44.60%）和Cd（72.24%）。对台湾中西部2008—2012年大气颗粒物中的元素组分来源进行分析，结果表明 Ni、Cu和 Zn来自汽车尾气和轮胎的磨损（Hsu et al.，2016），因此，因子1确定为汽车尾气排放源。因子2中负载的Na、Mg和K，3种元素在沙尘天气的负载量分别为 28.16%、57.91%和47.78%，非沙尘天气分别为 35.37%、51.70%和50.42%。K是生物质燃烧的主要示踪物（Khare et al.，2010），部分Na和Mg来自秸秆燃烧（Fabretti et al.，2009）。因此，因子 2确定为生物质燃烧。因子3负载的V、As、Cd和Pb在沙尘天气的负载率分别为42.39%、64.88%、55.67%和65.55%，非沙尘天气分别为 54.80%、68.54%、15.08%和60.30%。自含铅汽油在中国被全面禁用以来，交通不再是大气中 Pb的主要来源，研究报道称煤炭燃烧是V、As和Pb等元素的重要来源之一（Hsu et al.，2016）。由此，将因子3确定为化石燃料源。因子4主要负载Al、Fe、Mn和Ti，其在沙尘天气的负载量分别为74.70%、73.72%、67.69%和66.88%，非沙尘天气分别为 65.63%、50.73%、54.60%和48.10%，这些元素是地壳标识元素（Hsu et al.，2016）。因此，将因子4确定为土壤源，即为戈壁和沙漠扬沙。

和田市城区沙尘天气各污染源对 PM2.5中金属元素暴露的贡献率为（图5a）汽车尾气排放17.66%、生物质燃烧 10.58%、化石燃料燃烧 9.97%、扬沙61.78%；非沙天气为（图5b）汽车尾气排放23.63%、生物质燃烧20.34%、化石燃料燃烧18.39%、扬沙37.63%，非沙尘天气生物质燃烧和化石燃料燃烧排放贡献均上升50%。这可能与秋季和冬季和田市城区及周围农场燃烧生物质和煤取暖有关。沙尘天气扬沙源的贡献约为非沙尘的2倍，而且对于和田市城区而言，无论是沙尘还是非沙尘天气，扬沙源的贡献率最大。有研究报道（Sharma et al.，2016；Wang et al.，2016），兰州和印度德里大气污染物来源中扬沙贡献率分别占21.8%和20.5%，是扬沙对和田市城区 PM2.5中金属元素贡献的二分之一，这表明和田市城区大气污染物受扬沙影响较大。

图5 沙尘（a）和非沙尘（b）天气污染源的贡献Fig. 5 Average mass concentrations and percentages of identified sources for (a) dust and (b) non-dust

2.4 重金属的健康风险评价

根据式（5）和式（6）计算出和田市城区PM2.5中 9种重金属元素（V、Cr、Mn、Co、Ni、Zn、As、Cd和Pb）在沙尘和非沙尘天气通过呼吸吸入的暴露剂量，如表2所示。沙尘天气，重金属的儿童 非致 癌暴 露剂 量变 化在 3.11×10-8～4.30×10-5mg·kg-1·d-1之 间 ， 总 暴 露 剂 量 为 1.23×10-4mg·kg-1·d-1；成人暴露剂量变化范围为 7.02×10-8～2.49×10-5mg·kg-1·d-1， 总 暴 露 剂 量 为 7.88×10-5mg·kg-1·d-1。非沙尘天气，儿童非致癌暴露剂量变化范围为 3.97×10-7～7.82×10-5mg·kg-1·d-1，总暴露剂量为 1.87×10-4mg·kg-1·d-1；成人暴露剂量在 2.23×10-7～4.41×10-5mg·kg-1·d-1之间，总暴露剂量为 1.29×10-4mg·kg-1·d-1。沙尘和非沙尘天气，儿童每日暴露剂量均高于成人，这与北京（杨孝智等，2011）、南京（王呈等，2016）和兰州（李萍等，2014）等地PM2.5中金属元素儿童每日暴露剂量高于成人相一致。部分金属日均暴露剂量在沙尘天气有所上升，如V、Mn和 Co在沙尘天气的暴露剂量分别上升了23.63%、113.93%和11.08%，表明沙尘天气影响金属元素的暴露剂量。

表2 沙尘和非沙尘天气金属元素日均暴露剂量Table 2 Daily exposure of metal during dust and non-dust mg·kg-1·d-1

致癌金属（Cr、Co、Ni、As和 Cd）终生日均暴露剂量为 Cr＞Ni＞As＞Co＞Cd，与采样期间金属元素质量浓度大小顺序一致。在沙尘天气，致癌金属终生暴露剂量变化范围为 1.01×10-7～ 9.39×10-6mg·kg-1·d-1， 非 沙 尘 天 气 的 终 生 暴 露 剂 量 为1.68×10-7～7.53×10-6mg·kg-1·d-1，无论是沙尘还是非沙尘天气，致癌金属终生暴露剂量均高于南京、兰州等地（李萍等，2014；王呈等，2016）。

根据式（7）～（10）计算出和田市城区沙尘和非沙尘天气 PM2.5中重金属元素的风险指数（HI）和致癌风险（Rt），结果如表3所示。沙尘期间，重金属的儿童风险指数（HI）在3.88×10-5～0.24之间，成人在 3.02×10-5～0.38之间；非沙尘期间，儿童风险指数在 1.05×10-4～0.45 之间，而成人在2.23×10-4～0.37之间。无论是沙尘还是非沙尘，儿童和成人的HI均小于US EPA规定的限制值1。这表明，和田市城区 PM2.5中重金属元素对人体健康造成的风险可以忽略。致癌金属（Cr、Co、Ni、As和 Cd）在沙尘期间的致癌风险值（Rt）分别为3.98×10-6、 1.57×10-5、 2.19×10-6、 2.97×10-5和6.48×10-7，非沙尘期间分别为 3.19×10-6、1.27×10-5、5.53×10-6、3.53×10-5和 1.02×10-7。这些值虽然大于南京、兰州等地（李萍等，2014；王呈等，2016），但 Cd的 Rt值无论在沙尘还是非沙尘均小于阈值（10-6），没有致癌风险。其余金属 Rt值的变化在10-4～10-6之间，表明有一定的致癌风险。表3进一步显示，Cr和Co在沙尘期间的致癌风险大于非沙尘，表明沙尘天气会导致Cr和Co的致癌风险上升。另外，结合表2和表3分析发现，重金属健康风险指数的大小与暴露剂量的大小并不一致，这是由于健康风险除了和暴露剂量有关外，也受重金属毒性（RfD）影响（张恒等，2016）。如Zn的暴露剂量最大，但由于毒性小，其健康风险较低；Cr和Co暴露剂量小，但由于毒性大，因其暴露风险较大。

表3 沙尘和非沙尘期间金属元素暴露风险值Table 3 Health risk of metal during dust and non-dust

3 结论

利用2014年1月、4月、7月和10月和田市城区 PM2.5质量浓度及其中金属元素质量浓度以及气象参数资料，分析了和田市城区 PM2.5及其中金属元素的污染特征，得出以下结论：

（1）与其他城市不同，和田市城区大气 PM2.5质量浓度与风速呈正相关，其季节性分布为：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）和田市城区 PM2.5中地壳元素（Na、Mg、Al、K、Fe和 Ti）质量浓度占 PM2.5质量浓度的16.69%，占总金属元素质量浓度98.02%；其他人为污染元素（V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Cs和Pd）占PM2.5质量浓度的0.12%，沙尘天气金属元素质量浓度均高于非沙尘天气。

（3）富集因子法分析表明，春、夏两个季节和田市城区 PM2.5中金属元素主要来自自然源；秋季Ni、Cd和Pb，冬季Ni、Zn、As、Cd和Pb出现富集，受人为排放影响较大。

（4）正交矩阵因子分解模型分析表明，和田市城区 PM2.5中金属元素的来源主要有汽车尾气排放、生物质燃烧、化石燃料燃烧和扬沙。沙尘期间各源贡献率分别为 17.66%、10.58%、9.97%、61.78%；非沙尘期间分别为 23.63%、20.34%、18.39%、37.63%。扬沙对和田市城区PM2.5中金属元素贡献最大。

（5）沙尘期间V、Mn、Co的暴露剂量大于非沙尘；无论是沙尘还是非沙尘天气，重金属的儿童风险指数大于成人，但其值均低于US EPA限值。致癌金属 Cd的致癌风险值小于 10-6，没有致癌风险，Cr、Co、Ni、As 4种重金属致癌风险值在10-4～10-6之间，有一定的致癌风险。

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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, 迪丽努尔·塔力甫, 王新明, 丁翔, 阿布力克木·阿不力孜, 买丽克扎提·买合木提, 米吉提·依明. 2017.极干旱地区沙尘与非沙尘天气PM2.5及所含金属元素的浓度特征分析[J]. 生态环境学报, 26(9): 1529-1538.

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国家自然科学基金项目（41465007)；中国沙漠气象科学研究基金项目（Sqj2013003）

玉散·吐拉甫（1990年生），男，硕士研究生，主要研究方向为环境监测与评价。E-mail: yusantlf@163.com*通信作者。E-mail: dilnurt@xju.edu.cn

2017-06-23