城市大气污染是世界各国面临的重大挑战之一^[1]。城市大气污染对环境、气候和人体健康产生的重要影响受到各国政府的高度重视^[2]。过去50年来，我国沙尘暴发生频率呈显著增加趋势，此现象与区域气候变化有关; 此外，人为活动的持续加剧，已使我国荒漠化面积急剧扩张。人们逐渐认识到沙尘天气频繁出现会带来严重的生态和环境问题。包头市气候干燥、降雨量少，常年主导西北风。特定的地理位置和气候条件使包头成为每年特别是春天频繁遭受沙尘天气的地区。包头市邻近内蒙古几大沙漠，有我国最大的稀土矿山，其稀土储量居世界第一。春季地表土壤解冻，但是缺乏植被覆盖，气候干燥，冷空气活动频繁，风力大，因此容易发生沙尘天气。多年统计表明，沙尘天气一般出现在3— 4月份，但偶然也有1月份和5月份出现的时候^[3]。选择包头市研究沙尘天气出现对大气颗粒物PM₁₀和PM_2.5中稀土元素含量的影响。本次研究的监测点位于该市市中心包头医学院内，周围无污染源。

1 材料与方法 1.1 大气采样和稀土元素的测定

春季是我国北方沙尘天气出现的高发期，为研究沙尘天气对大气稀土元素成分的影响，本研究选择2005年和2006年内蒙古包头市每年春季进行连续40 d大气颗粒物中的采样监测并进行相应稀土元素成分的实验室分析测定。具体时间如下: 2005年3月28日—2005年5月6日; 2006年4月27日—2006年6月5日。

PM₁₀和PM_2.5的空气采样，使用PM₁₀ -2滤膜采样器(中国北京Dike公司制造，流量78 L /min)进行每天23.5 h连续空气采样，采样时间从前日17: 00—当日16: 30 (30 min换模时间)。包头市大气PM₁₀和PM_2.5的采样膜为玻璃纤维膜，用精确度为0.001 g的电子秤称量。利用重量法由采样前后质量差计算PM₁₀和PM_2.5的日均质量浓度。大气颗粒物中稀土元素质量浓度使用电感耦合等离子体质谱仪进行分析测定。样品的预处理，仪器的使用，操作条件均按照实验室规定执行。

1.2 大气颗粒物中稀土元素富集分析

用富集因子研究大气颗粒物中元素的富集程度，以分析、判断人为源与自然源对颗粒物中元素含量的贡献水平，表征颗粒物的来源，是研究者普遍使用的方法之一^[4]。元素富集因子(EF)又称富集因子法。其公式如下:

式中: C_i :研究元素i的质量浓度;

    C_r :选定的参比元素r的质量浓度;

    颗粒:颗粒物中i元素含量与参比元素r含量的比值;

    背景:地壳中i元素的平均含量与参比元素r的平均含量比值。

参比元素的选择，一般选用地壳中普遍存在的而人为污染来源较少、化学稳定性好、分析结果精确度高的低挥发性元素。国际上多用Fe、Al、Si、Ti、Sc等。地壳中元素含量(即地壳的元素丰度)可用地球化学上的数据，如选用梅森(B.Mason，1966) 的，也有采用泰勒(S.R.Taylor)的。本研究选用泰勒的地壳元素丰度数值。研究显示^[5-7]，大气颗粒物中元素富集因子大于10，则该元素被富集，主要是人类活动引起的各种污染所致，而并非来自地壳物质; 富集因子接近于1的元素，则主要是由土壤或岩石风化的尘埃刮入大气引起的，介于二者之间的元素为混合来源，且人为污染亦占相当的比例。

1.3 统计分析

颗粒物中元素含量利用Excle 2003建立数据库。采用SPSS 13.0统计软件进行单因素统计分析。

1.4 质量控制

采样器在使用前经过校准调试，由专人进行每日颗粒物采样工作，并做好每日的仪器运转情况记录。数据录入时采用双录入，双核查的方法，确保数据录入的准确性。

2 结果 2.1 研究期间发生沙尘暴天气情况及大气颗粒物质量浓度

2.1.1 包头市2005和2006年大气颗粒物质量浓度

2005年，包头市共计10 d出现沙尘天气。2006年，包头市共计8 d出现沙尘天气。由表 1可知，大气颗粒物PM₁₀质量浓度2006年较2005年有降低的趋势，PM_2.5质量浓度2006年较2005年有增高的趋势，但差异无显著性(P＞0.05);但PM_2.5在PM₁₀中所占的比例2006年高于2005年，差异有显著性(P＜0.05)。显示包头市2005年和2006年大气颗粒物PM₁₀与PM_2.5自身质量浓度变化不大，但PM_2.5与PM₁₀的比例有所不同(表 1)。

2.1.2 研究期间沙尘天气与非沙尘天气大气颗粒物情况

由表 2可知，沙尘天气时，包头市PM₁₀、PM_2.5浓度沙尘天气明显高于非沙尘天气，差异有显著性(P＜0.05)。说明沙尘天气发生，大气颗粒物浓度显著升高。沙尘天气时，PM_2.5在PM₁₀中所占的比例有降低的趋势，但差异无显著性(P＞0.05)。说明，沙尘天气发生时，大于2.5 μm的较粗颗粒物浓度增多的比小于2.5 μm的细颗粒物浓度增多的更多，且2006年这种现象更加明显(表 3)。

2.2 大气颗粒物中稀土元素含量变化

由表 4可知，2005年沙尘天气出现时PM_2.5中La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd元素质量浓度增高，差异有显著性(P＜0.05)，其它元素质量浓度较非沙尘天气时有增高的趋势，但差异无显著性。大气颗粒物PM₁₀中各元素质量浓度较非沙尘天气时有增高的趋势，但差异无显著性(P＞0.05)。

由表 5可知，2006年沙尘天气出现时PM₁₀中Dy、Tm、Lu元素质量浓度增高，差异有显著性(P＜0.05)。发生沙尘天气时，大气颗粒物PM₁₀中La、Ce、Pr质量浓度较非沙尘天气时有减少的趋势，其它元素质量浓度较非沙尘天气时有增高的趋势，但差异无显著性(P＞0.05)。大气颗粒物PM_2.5中各元素质量浓度较非沙尘天气时有增高的趋势，但差异无显著性(P＞0.05)。

2.3 大气颗粒物中稀土元素富集分析

2005年包头市大气颗粒物PM₁₀中La、Ce、Pr、Nd、Tb、Tm和PM_2.5中Ce、Tb、Tm元素，富集因子大于10，且沙尘天气发生时富集因子增大。大气颗粒物PM₁₀中Sm、Eu、Gd和PM_2.5中La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd非沙尘天气时富集因子在1 ~ 10之间，沙尘天气时富集因子增大，且均大于10。PM₁₀中Er、Yb、Lu和PM_2.5中Yb、Lu富集因子在1 ~ 10之间，且沙尘天气发生时富集因子增大。PM₁₀和PM_2.5中Dy元素在沙尘与非沙尘天气时富集因子接近于1，可以认为其来源为本地自然源，主要是土壤或岩石风化的尘埃刮入大气引起的(表 6)。

2006年包头市大气颗粒物PM₁₀中La、Ce、Pr富集因子大于10，沙尘天气发生时富集因子减小。大气颗粒物PM₁₀中Nd、Eu、Gd、Tb、Tm，PM_2.5中La、Ce、Pr、Nd、Tb、Tm富集因子大于10，且沙尘天气发生时富集因子增大。大气颗粒物PM₁₀中Er、Yb、Lu和PM_2.5中Er、Yb、Lu、Gd、Sm富集因子在1 ~ 10之间，且沙尘天气发生时富集因子增大。PM₁₀和PM_2.5中Dy元素在沙尘与非沙尘天气时富集因子接近于1，可以认为其来源主要是土壤或岩石风化的尘埃刮入大气引起的。2006年包头市稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Eu、Tb、Tm在大气中有明显富集，其来源主要是由于稀土开采、洗选等人为活动引起的(表 7)。

2.4 研究期间包头市大气颗粒物中稀土元素含量排序

由表 8可知，各稀土元素在沙尘天气与非沙尘天气时，含量排序完全一致。Ce元素浓度是包头市大气颗粒物中含量最多的稀土元素，其次是La和Nd，而Lu则是包头市大气颗粒物中含量最少的稀土元素。此次研究中Ce、La、Nd等轻稀土元素在颗粒物中质量浓度均高于研究中的重稀土元素，而Eu表现为负异常现象。包头市白云鄂博稀土矿主要为氟碳铈矿和独居石，其主要化学成分为Ce和La。白云鄂博矿区土壤稀土元素的分布模式为轻稀土富集模式，Eu表现为负异常。这说明包头市大气颗粒物中稀土元素含量与该地区矿区土壤中稀土元素含量分布具有相似性。

3 讨论

沙尘天气出现时，PM₁₀和PM_2.5浓度均较非沙尘天气时增高，但颗粒粒径在2.5 ~ 10 μm之间的颗粒物浓度增高的比PM_2.5多。说明，沙尘天气发生时，大风将更多的较粗颗粒物卷入空气中。

沙尘天气出现时，大气颗粒物PM_2.5中La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu元素质量浓度显著增高，大气颗粒物PM₁₀中Dy、Tm、Lu元素质量浓度显著增高，差异有显著性。发生沙尘天气时大气颗粒物PM₁₀中La、Ce、Pr元素质量浓度呈下降趋势且富集因子减小。说明La等轻稀土元素易附着在粒径小于2.5 μm的细颗粒中，Dy等重稀土元素易附着在较粗的颗粒物中。且沙尘天气时，由于颗粒粒径在2.5 μm到10 μm之间的较大颗粒物更多的被卷入空气中，对上述La、Ce、Pr元素起到一定的稀释作用。

包头市沙尘天气出现时，大气颗粒物PM₁₀中Dy质量浓度显著增高，而大气颗粒物PM_2.5中未发现该元素浓度显著增高，研究期间大气颗粒物粒径在2.5 ~ 10 μm间的粗颗粒物较粒径小于2.5 μm的细颗粒增加的比例大。包头市大气颗粒物中Dy富集因子接近于1，说明Dy元素性状较稳定，其在大气中的含量主要是由当地土壤、岩石的尘埃刮入大气中而形成的，人为因素对其影响不大。

我国是稀土资源最丰富的国家，包头市白云鄂博矿山是世界上最大的稀土矿山。我国轻、重稀土储量在地理分布上呈现“北轻南重”的特点，即轻稀土主要分布在北方地区，重稀土则主要分布在南方地区。郭鹏然^[8]等对包头地区土壤中稀土元素的分析和分布研究表明，采集土壤样品中轻稀土元素含量较高，特别是La、Ce和Nd的含量高。重稀土元素在土壤样品含量较低，除Gd、Dy和Yb含量稍高外，其余含量都很低。这一结果与大气颗粒物中稀土元素含量排序一致。近些年，稀土元素越来越多的被大家所重视，人们开始大规模开采稀土矿藏。包头地区稀土矿大量的开采以及不规范的开采方式，使稀土元素进入大气。因此，沙尘天气发生时，包头大气颗粒物中稀土元素主要来源于附近稀土矿区地壳土壤。