2. 北京大学公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学系;
3. 天津医科大学公共卫生学院
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大气颗粒物污染已经成为影响我国居民身体健康的环境问题。了解大气颗粒物的主要来源对防治污染和保护健康有重要意义。因子分析法和富集因子法已广泛应用于大气颗粒物的源解析。在缺少源成分谱时可以用因子分析模型来解析大气颗粒物的主要来源及其相对贡献[1]。富集因子是双重归一处理数据而得到的数[2]，有研究者提出用富集因子表示气溶胶中元素富集程度比用绝对浓度更确切可靠[3]。本研究采用因子分析法结合富集因子法对包头市大气可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)的来源进行分析，并研究沙尘天气时颗粒物中化学成分的变化情况，为包头市防治空气污染和保护人群健康提供科学依据。
1 对象和方法 1.1 大气颗粒物的采样于2006年4月27日—6月5日，在包头医学院公卫学院楼顶，采用TH-150C 型滤膜采样器(成都驰名仪器有限责任公司)监测大气中PM2.5和PM10的浓度，流量为78 L/min，采样滤膜是石英纤维滤膜，每天连续23.5 h采样。包头市发生沙尘天气的日期为5月1、5、6、16、17、20、24日。
1.2 大气颗粒物中化学元素的测定由北京大学医学部中心实验室采用原子吸收光谱法、X—荧光分析法和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定PM10、PM2.5中化学元素的日均浓度。检测方法的回收率为95%～105%，相对标准差<5%。
1.3 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并负责记录仪器运转情况。采用双录入，双核查的方法录入数据，以保证数据录入的准确性。
1.4 统计学分析采用SPSS 13.0统计软件进行统计学分析。
1.4.1 描述性统计分析颗粒物中化学元素的浓度呈偏态分布，以中位数和最大值、最小值表示。沙尘天气和非沙尘天气颗粒物中元素浓度的比较采用秩和检验。检验水准α=0.05。
1.4.2 因子分析法因子分析法是从变量之间的相关关系出发求解公因子及因子载荷，在不损失主要信息的前提下，将一些具有复杂关系的变量归结为数量较少的几个综合因子，因子载荷系数的大小反映了因子与变量间的相关程度[1]。此法用颗粒物的实测元素浓度进行运算，主因子是不同种类的污染源或其组合，主因子载荷系数反映了主因子(污染源)与变量(元素)之间的相关性，每个主因子只有少数变量的系数较大，结合专业知识，可以明确了解该主因子的实际意义[4]。本研究应用SPSS 13.0软件对化学元素浓度数据进行最大方差旋转因子分析。参考徐昶等[5]的研究成果确定了排放源的标识元素：土壤风沙尘: 铝(Al)、铁(Fe)、硅(Si)、钛(Ti)、钡(Ba)、锰(Mn)、钠(Na);建筑水泥尘: 钙(Ca)、镁(Mg); 燃煤尘：砷(As)、铜(Cu)、镉(Cd)；石化燃料、燃油的排放：镍(Ni)；冶金化工：Fe、Mn、锌(Zn)、Cd、Cu、铅(Pb)、铬(Cr)；机动车排放：Zn、Cu、Pb；生物质燃料燃烧：钾(K)；二次转化源：铵根离子(NH+4)、硝酸根离子(NO-3)、硫酸根离子(SO2-4)。
1.4.3 富集因子分析富集因子常用于表征颗粒物的来源，计算公式[2]为：
| $$Ef=\frac{Cn/Cref(sample)}{Bn/Bref(background)}$$ |
式中：Ef —富集因子；
Cn，Cref —颗粒物中元素的测量浓度和选定的参比元素的测量浓度，μg/m3；
Bn，Bref —参比系统中测量元素和参比元素的浓度，μg/m3。
采用化学性质稳定、迁移率低的Al作为参比元素[2]。首先从《中华人民共和国土壤环境背景值图集》[6]中查到包头市主要土壤类型为绿洲土，再到《中国土壤元素背景值》[7]中查到绿洲土对应的A层土壤元素背景值，以此作为参比系统进行富集因子计算。元素的富集因子基本小于5，说明主要来自于地壳源；10～100，说明受到地壳源和污染源混合的影响；大于100甚至大于1 000，说明主要来自于污染源[5]。
2 结果 2.1 包头市东河区研究期间沙尘和非沙尘天气大气PM10和PM2.5中化学元素浓度的比较沙尘天气和非沙尘天气PM10和PM2.5中各元素质量浓度经秩和检验，差异均无统计学意义(P＞ 0.05，表 1、表 2)。为排除沙尘天气的持续影响，剔除沙尘天气发生后3 d的大气样本，结果显示，非沙尘天气大气PM10中Si的浓度中位值(范围值)为8.26 μg/m3(1.66～16.83 μg/m3)低于沙尘天气，差异有统计学意义(U值为29.0，P=0.040)；非沙尘天气大气PM2.5中Mn和Si的浓度中位值(范围值)分别为0.27 μg/m3(0.07～0.61 μg/m3)和6.19 μg/m3(0.01～15.20 μg/m3)低于沙尘天气，Cu的浓度为0.11 μg/m3(0.08～0.29 μg/m3)高于沙尘天气，差异均有统计学意义(U值分别为 25.0、29.0、30.0，对应的P值分别为0.021、0.040、0.046)。
| 元素 | 沙尘天气(n=7) | 非沙尘天气(n=32) | Mann-Whitney U | P值 |
| Cra | 14.57(4.87~121.48) | 15.65(3.06~200.24) | 106.0 | 0.826 |
| Mn | 0.55(0.36~0.50) | 0.42(0.11~1.02) | 72.0 | 0.143 |
| Cu | 0.11(0.08~0.26) | 0.14(0.02~0.44) | 99.5 | 0.645 |
| As | 0.66(0.26~0.96) | 0.69(0.01~1.36) | 83.5 | 0.297 |
| Pb | 0.22(0.06~0.34) | 0.25(0.06~0.61) | 94.5 | 0.521 |
| Nia | 7.37(4.04~10.71) | 6.57(1.39~13.33) | 85.0 | 0.323 |
| Cda | 2.17(0.75~4.10) | 2.39(0.59~5.07) | 94.5 | 0.522 |
| Si | 14.31(7.02~19.05) | 8.92(1.66~82.32) | 63.0 | 0.073 |
| Zn | 0.54(0.19~0.92) | 0.65(0.14~1.31) | 87.0 | 0.360 |
| Al | 5.58(3.11~11.68) | 5.95(1.38~17.3) | 106.5 | 0.840 |
| Fe | 2.74(1.96~4.81) | 2.05(0.64~4.65) | 83.5 | 0.297 |
| Ca | 17.22(10.49~35.07) | 19.78(6.31~44.30) | 99.0 | 0.634 |
| Mg | 3.97(1.97~6.27) | 3.98(1.37~8.90) | 111.0 | 0.971 |
| Na | 0.89(0.26~1.48) | 0.91(0.16~3.07) | 102.0 | 0.714 |
| K | 2.55(1.59~3.08) | 2.37(1.06~5.74) | 111.0 | 0.971 |
| 注：括号内外数据分别为范围值和中位数;a单位为ng/m3 | ||||
| 元素 | 沙尘天气(n=7) | 非沙尘天气(n=32) | Mann-Whitney U | P值 |
| Cra | 10.39(4.39~27.70) | 8.42(0.66~38.82) | 94.0 | 0.510 |
| Mn | 0.42(0.25~0.77) | 0.29(0.07~0.79) | 61.0 | 0.062 |
| Cu | 0.09(0.04~0.12) | 0.11(0.06~6.30) | 59.0 | 0.062 |
| As | 0.73(0.12~1.43) | 0.63(0.06~2.02) | 103.0 | 0.836 |
| Pb | 0.25(0.06~0.54) | 0.22(0.05~0.50) | 99.5 | 0.647 |
| Nia | 5.50(2.67~7.88) | 4.03(0.41~10.72) | 80.0 | 0.242 |
| Cda | 2.70(0.74~4.72) | 2.07(0.48~4.96) | 102.0 | 0.714 |
| Si | 9.64(6.01~18.34) | 6.74(0.00~16.35) | 65.0 | 0.085 |
| Zn | 0.57(0.14~1.10) | 0.48(0.14~1.51) | 109.0 | 0.913 |
| Al | 5.83(1.78~9.19) | 5.11(0.45~14.57) | 105.0 | 0.798 |
| Fe | 2.20(1.45~3.72) | 1.65(0.29~3.40) | 71.0 | 0.133 |
| Ca | 18.27(6.82~25.08) | 15.09(2.47~37.93) | 104.0 | 0.770 |
| Mg | 4.26(1.33~6.24) | 3.05(0.58~7.92) | 97.0 | 0.583 |
| Na | 0.88(0.21~1.46) | 0.69(0.00~2.27) | 108.0 | 0.884 |
| K | 2.09(1.60~3.22) | 2.12(0.99~5.01) | 105.0 | 0.798 |
| 注：括号内外数据分别为范围值和中位数;a单位为ng/m3 | ||||
2.2 包头市东河区研究期间大气PM10和PM2.5化学元素因子分析结果
剔除沙尘天气的监测数据，以避免气象因素的干扰，对PM10和PM2.5中化学元素进行因子分析。
2.2.1 大气PM10化学元素因子分析结果主因子1中因子负荷系数较大的元素为Pb(0.839)、Ca(0.815)、Mg(0.801)、Al(0.795)，为建筑水泥尘、土壤风沙尘、机动车尾气因子；主因子2中为Fe(0.933)、Si(0.924)、Mn(0.863)，为土壤风沙尘因子；主因子3中为Cd(0.965)、Zn(0.923)、As(0.822)，为工业粉尘、燃煤尘因子；主因子4中为Cr( 0.933)。4种主因子对PM10的方差贡献率分别为29.44%、27.17%、20.36%和10.86%。
2.2.2 大气PM2.5 化学元素因子分析结果主因子1 中因子负荷系数较大的元素为Ca(0.943)、Mg(0.931)、Al(0.903)、Na(0.890)、Ni(0.883)、Mn(0.863)、Si(0.880)、Fe(0.858)，为建筑水泥尘、土壤风沙尘因子；主因子2中为Cd(0.959)、Zn(0.920)、As(0.792)，为工业粉尘、燃煤尘因子；主因子3中为Cu(0.829)，为工业粉尘因子。3个主因子对PM2.5的方差贡献率分别为54.03%、20.39%和9.59%。
2.3 大气PM10和PM2.5中化学元素的富集因子分析结果非沙尘天气和沙尘天气PM10和PM2.5中Cr、Ni、Fe、Ca、Mg、Na、K的富集因子均小于5，说明主要来自于地壳源；Cu、Zn、Pb的富集因子基本在10~100之间，说明受到地壳源和污染源的混合影响；As、Cd的富集因子均大于100，说明主要来自于污染源。沙尘天气发生时，大气PM10中重金属元素Cu、As、Pb的富集因子下降而Zn的富集因子上升；PM2.5中Cu和As的富集因子下降而Zn和Cd的富集因子上升。与非沙尘天气比较，沙尘天气大气PM10和PM2.5中来自于地壳源的元素的富集因子无明显变化。无论是沙尘天气还是非沙尘天气，PM2.5中As、Zn、Pb、Cd等重金属元素的富集因子均高于PM10(表 3)。
| 元素 | PM10 | PM2.5 | ||
| 非沙尘天气 | 沙尘天气 | 非沙尘天气 | 沙尘天气 | |
| Cr | 3.0 | 3.0 | 2.4 | 2.6 |
| Mn | 6.1 | 9.5 | 5.3 | 9.3 |
| Cu | 54.2 | 41.4 | 49.0 | 34.6 |
| As | 351.0 | 308.0 | 509.6 | 500.1 |
| Pb | 102.3 | 80.2 | 125.8 | 125.8 |
| Ni | 2.1 | 2.3 | 1.7 | 2.4 |
| Cd | 134.8 | 134.8 | 208.7 | 218.2 |
| Zn | 70.0 | 81.2 | 104.1 | 108.3 |
| Fe | 0.7 | 0.9 | 0.7 | 1.2 |
| Ca | 4.1 | 3.7 | 3.9 | 4.0 |
| Mg | 2.2 | 2.1 | 2.3 | 2.5 |
| Na | 0.7 | 0.6 | 0.7 | 0.7 |
| K | 1.2 | 1.4 | 1.5 | 1.6 |
3 讨论
包头市是内蒙古自治区最大的工业城市，能源消耗以燃煤为主[8]。包头属半干旱中温带大陆性季风气候，大气颗粒物自然本底值较高。本研究在春季进行，结果表明，土壤风沙尘和建筑水泥尘对包头市东河区大气PM10和PM2.5的贡献最大，工业尘和燃煤尘次之，与该市特点相符。有研究者于2002年采用基于源成份谱的化学质量平衡法(CMB)对包头市大气PM10的来源进行解析，结果表明，土壤尘贡献最高(43.5%)，燃煤尘其次(28.7%)，建筑和冶炼贡献各自不超过10%[9]，与本研究结果略有不同。本研究缺少源成份谱信息，因此采用因子分析进行源解析，与实际情况的吻合性低于CMB。但近年来对包头市大气PM10，特别是PM2.5的源解析研究尚少，因此作为典型的案例研究，仍具有一定的参考意义。
富集因子分析表明，无论是沙尘天气还是非沙尘天气，包头市东河区大气PM2.5中重金属元素Pb、Zn、Cd、As的富集因子均高于PM10，说明这些污染元素容易在PM2.5中聚集，与腾恩江等[10]对重庆、武汉、兰州、广州空气颗粒物元素组成特征的分析相一致。与非沙尘天气比较，沙尘天气发生时包头市东河区大气PM10中重金属元素Cu、As、Pb的富集因子下降程度大于PM2.5。沙尘天气发生时，粒径在2.5~10 μm之间的较大的颗粒物更多地被卷入空气中[11]，而重金属元素更易于在小粒径颗粒物中富集，因此沙尘天气对PM10中重金属元素的稀释作用更大。同属于内蒙古自治区的阿拉善盟的研究结果显示，沙尘天气发生时，地壳中含量丰富的元素K、Ca、Na、Mg在PM10 中的富集程度明显增高，而在PM2.5中的富集程度无明显变化[12]。与非沙尘天气比较，本研究中沙尘天气发生时PM10和PM2.5中来自于地壳源的元素的富集因子无明显变化，与阿拉善盟的研究结果有差异。这可能与沙尘天气过后悬浮在空气中的颗粒物会持续影响空气质量，从而弱化沙尘天气和非沙尘天气颗粒物中元素浓度的区别有关。剔除沙尘天气发生后3 d的数据重新分析，结果表明，沙尘天气发生时PM10中Mn浓度和PM2.5中的Si、Mn浓度高于非沙尘天气。由于本研究中沙尘天气天数较少，因此可能对结果的稳定性有一定的影响，有待于今后持续监测，深入研究。
| [1] | 邹本东, 徐子优, 华蕾, 等. 因子分析法解析北京市大气颗粒物PM10的来源[J]. 中国环境监测, 2007, 23(2): 79–85. |
| [2] | 姬亚芹, 朱坦, 冯银厂, 等. 用富集因子法评价我国城市土壤风沙尘元素的污染[J]. 南开大学学报, 2006, 29(2): 94–99. |
| [3] | 毕木天. 关于富集因子及其应用问题[J]. 环境科学, 1984, 9(5): 68–70. |
| [4] | 李玉武, 刘咸德, 李冰, 等. 绝对主因子分析法解析北京大气颗粒物中铅来源[J]. 环境科学, 2008, 29(12): 3310–3318. doi: 10.3321/j.issn:0250-3301.2008.12.003 |
| [5] | 徐昶. 中国特大城市气溶胶的理化特性、来源及其形成机制[D]. 上海:复旦大学,2010,77-80. |
| [6] | 中国环境监测总站. 中华人民共和国土壤环境背景值图集[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 1994: 40-60. |
| [7] | 中国环境监测总站. 中国土壤元素背景值[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 1990: 1-501. |
| [8] | 隋丽华, 田强. 包头市城区大气环境质量现状评价及其预测[J]. 阴山学刊, 2008, 22(4): 53–56. |
| [9] | 马晓明. 环境规划理论与方法[M]. 北京: 北学工业出版社, 2004: 23-54. |
| [10] | 腾恩江, 胡伟, 吴国平, 等. 中国四城市空气中粗细颗粒物元素组成特征[J]. 中国环境科学, 1999, 19(3): 238–242. |
| [11] | 王巍, 陶辉, KimDS, 等. 沙尘天气大气颗粒物中稀土元素含量的变化[J]. 环境卫生学杂志, 2012, 2(6): 257–261. |
| [12] | 木拉提, 王佳佳, 丽娜, 等. 沙尘天气期间大气PM2.5 和PM10 中部分元素浓度的变化特征[J]. 环境与健康杂志, 2010, 27(9): 755–758. |