李思思，黃正旭*，王存美，李惠玲*，李梅，周振

1. 暨南大學質(zhì)譜儀器與大氣環(huán)境研究所，廣東 廣州 510632；2. 廣東省大氣污染在線源解析系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510632；3. 張家口市環(huán)境監(jiān)測站，河北 張家口 075000

張家口市一次沙塵天氣氣溶膠單顆粒理化特征和來源研究

李思思1,2，黃正旭1,2*，王存美3，李惠玲3*，李梅1,2，周振12

1. 暨南大學質(zhì)譜儀器與大氣環(huán)境研究所，廣東 廣州 510632；2. 廣東省大氣污染在線源解析系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510632；3. 張家口市環(huán)境監(jiān)測站，河北 張家口 075000

為了從單顆粒角度了解沙塵天氣顆粒物特征和來源，利用單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀（SPAMS）對張家口市2016年春季一次沙塵天氣期間的氣溶膠顆粒進行了化學組分、粒徑分布和來源的分析。根據(jù)顆粒的質(zhì)譜圖特征，將其分為沙塵（Dust）和非沙塵（Non-dust）顆粒兩大類，兩者占比分別為12.9%和87.1%。Dust顆粒粒徑主要分布在0.5～1.1 μm，包含沙塵-鋁（Dust-Al）、沙塵-硅（Dust-Si）、沙塵-金屬（Dust-metal）、沙塵-鈣（Dust-Ca）顆粒4個主要子類別，比例均超過20%，表現(xiàn)出明顯的礦塵顆粒特征。非沙塵類顆粒分布在0.4～0.8 μm粒徑段，包含4個子類別：含碳（Carbonaceous）、富鉀（K-rich）、工業(yè)金屬（Industrial Metal）和其他顆粒（Other）。結(jié)合后向軌跡分析，沙塵顆粒可能主要來自新疆、蒙古、內(nèi)蒙古等地區(qū)的沙塵源，少部分來自當?shù)亍⑸轿鞯鹊氐牡V塵源、工業(yè)源；非沙塵顆?？赡苤饕獊碜援?shù)丶爸苓叺貐^(qū)工業(yè)排放和燃煤；Dust顆粒的NO3-/HSO4-（顆粒數(shù)）比值為1.31，顆粒老化程度較高。含Cl的Dust顆粒物占比為32%，說明顆粒中混有人為組分。研究結(jié)果表明SPAMS可用于沙塵天氣顆粒物理化特征和來源的在線分析，可為沙塵防治提供參考信息。

單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀；沙塵；單顆粒；源解析

在大氣環(huán)境問題日益突出的今天，沙塵天氣也備受關(guān)注。沙塵天氣包括：揚沙、沙塵暴和浮塵3類天氣（馬新成等，2016）95。張家口市位于河北省西北部，處于蒙古高原與華北平原的過渡帶（邵平等，2012），與西北的內(nèi)蒙古形成一個由高及低的階梯地貌，東南部與首都北京相接，是甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古高空沙塵暴的必經(jīng)之路，是侵襲北京及南方廣大地區(qū)的沙塵源之一。由于干旱少雨，土地沙化程度較重，風沙土壤較多，生態(tài)環(huán)境脆弱，西北大風過境時容易形成揚沙和沙塵暴天氣（邵平等，2012）。近年的研究表明，蒙古地區(qū)是目前北京市沙塵暴的主要來源地，張家口則是北京沙塵傳輸北路和西北路徑加強源之一（張志剛等，2007），因而張家口市沙塵主要來源地也是蒙古地區(qū)。沙塵導致不同粒徑的大氣顆粒物含量急劇增多，引起能見度下降；顆粒物在長距離的輸送過程中，導致二次有機氣溶膠濃度增加，進而危害人類的健康。近年來，大量流行病學研究表明，長期生活在沙塵環(huán)境中的居民，其呼吸系統(tǒng)會受到慢性損傷，甚至發(fā)展成沙塵暴肺（王金玉，2014）。

沙塵顆粒由于來源、化學過程不同，其粒徑大小、化學組成及混合態(tài)與非沙塵顆粒存在區(qū)別，其中粒徑分布和化學組成是決定沙塵對氣候和環(huán)境影響效應(yīng)的重要因素。因此，研究沙塵顆粒的理化特征對認識其形成、發(fā)展、來源及治理沙塵災(zāi)害有著非常重要的意義。有研究報道（馬新成等，2016；劉慶陽等，2014；李珊珊等，2016），沙塵期間氣溶膠分布在粗粒徑段比例提高，地殼元素、污染物濃度等增加。李貴玲等（2014）研究表明，上海沙塵日PM2.5和PM10質(zhì)量濃度較非沙塵日顯著升高。Yuan et al.（2006）、Wang et al.（2005）、Huang et al.（2010）對沙塵期間顆粒與污染氣溶膠的混合情況進行分析研究，發(fā)現(xiàn)沙塵期間氣溶膠污染水平較高，顆粒組成復雜。也有研究表明，沙塵可以通過大氣輸送實現(xiàn)區(qū)域傳遞（鄧梅等，2015；Tan et al.，2017）。有關(guān)張家口地區(qū)沙塵氣溶膠的研究報道較少，且都是采用傳統(tǒng)的離線分析技術(shù)將顆粒物富集到濾膜上，再結(jié)合各種儀器分析顆粒物中的組分。單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術(shù)被國內(nèi)外學者應(yīng)用于細顆粒物的單顆粒物理化學組分特征研究和來源解析：李梅等（2011）研究了廣州市礦塵顆粒類型及質(zhì)譜特征；李磊等（2013）運用SPAMS分析了柴油車新鮮排放及老化顆粒物在粒徑分布和化學組成上的差異；Ma et al.（2016）利用SPAMS研究了北京不同天氣下大氣顆粒物和北京春季含鉛大氣顆粒物的化學組分特征和來源；Fu et al.（2015）利用SPAMS研究了黃河和渤海上空細顆粒物的理化特征及來源；張俊等（2015）利用SPAMS在線監(jiān)測了鹽城市大氣細顆粒物的可能來源；王宇俊等（2016）應(yīng)用SPAMS對廣州秋季灰霾生消過程氣溶膠單顆粒的組成特征進行了研究；桂林、石家莊等地區(qū)也都相繼利用SPAMS對PM2.5做了源解析（杜鵑等，2015；周靜博等，2015）。雖然目前SPAMS被廣泛應(yīng)用于單顆粒氣溶膠的研究，但用于沙塵天氣溶膠的研究還鮮見報道。

該研究利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術(shù)測量了張家口市一次沙塵發(fā)生期間大氣細顆粒物的粒徑分布和化學組分，分析了顆粒物的時間變化和粒徑譜變化特征，并與北京地區(qū)沙塵顆粒物的理化性質(zhì)進行對比，旨在從單顆粒的角度了解本次沙塵期間顆粒物的來源和危害。

1 材料與方法

1.1 SPAMS工作原理

本研究所采用的在線監(jiān)測儀器為單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀（SPAMS，廣州禾信儀器股份有限公司），環(huán)境中的大氣通過直徑0.1 mm的進氣孔進入儀器，經(jīng)過緩沖腔在空氣動力學透鏡的作用下聚焦成顆粒束并進入真空系統(tǒng)，首先經(jīng)過測徑區(qū)，通過雙激光檢測顆粒的空氣動力學直徑，然后到達電離區(qū)中心被紫外脈沖激光電離，最后電離產(chǎn)生的正負離子由雙極飛行時間質(zhì)量分析器分別檢測。

1.2 樣品采集

2016年3月27日—4月1日，使用在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀開展在線監(jiān)測。監(jiān)測點設(shè)置在張家口市環(huán)保局（40°47′32″N，114°52′50″E），即張家口市高新區(qū)緯三路世紀豪園，與附近的居民區(qū)和最近的交通干道相距超過50 m，周圍主要為居民區(qū)?？諝饨?jīng)由一根內(nèi)徑6 mm，長約2 m的導電硅膠管進入SPAMS進氣孔，外接一臺采樣泵用于縮短氣體在采樣管中的停留時間。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)氣象情況，選取2016年3月31日14:00:00—2016年3月31日24:00:00的沙塵天氣進行分析。采用基于Matlab平臺的，專門用來分析單顆粒質(zhì)譜數(shù)據(jù)的軟件包進行分析處理，獲得18626個具有正負譜圖的顆粒。先利用示蹤離子法將顆粒物分為兩大主要類別：Dust顆粒和Non-dust顆粒（表1），再利用自適應(yīng)共振理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（ART-2a）對兩類顆粒進行進一步分類，本研究中的算法參數(shù)為：警戒因子0.65，學習效率0.05，迭代次數(shù)20。

表1 2016年3月31日14∶00∶00—2016年3月31日24∶00∶00期間各類顆粒物的百分占比情況Table 1 Percentage of all particle types from 2016-03-31 (14:00:00) to 2016-03-31 (24:00:00)

1.4 氣象數(shù)據(jù)和后向軌跡分析

通過Weather Underground（http://www.wunderground.com/）在線獲取了監(jiān)測期間的溫度（T）、相對濕度（RH）、風速（WS）、風向、能見度等氣象數(shù)據(jù)。監(jiān)測期間張家口市氣象局發(fā)布沙塵預(yù)警，沙塵期間PM2.5和PM10質(zhì)量濃度突然增加，能見度下降到10 km以下（圖1）。

圖1 監(jiān)測期間PM2.5，PM10的質(zhì)量濃度和能見度隨時間變化序列Fig. 1 Time series of PM2.5, PM10mass concentration and visibility during monitoring

為了研究沙塵源對顆粒物特征的影響，利用美國NOAA研制的軌跡模型HYSPLIT4（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory version）計算沙塵期間每6個小時到達采樣點的氣團的48 h后向軌跡。從沙塵期間的后向軌跡圖（圖2）可知，部分空氣氣團從新疆經(jīng)甘肅和內(nèi)蒙古地區(qū)或從西北方向經(jīng)過蒙古到達采樣點，傳輸路徑較遠，屬于高空沙塵源；另一部分是由位于西南方向的山西等地帶來，傳輸路徑較短。

圖2 沙塵期間48 h空氣后向軌跡圖Fig. 2 48 h backward trajectories calculated using the HYSPLIT model during the dust event

圖3 監(jiān)測期間Dust類顆粒物百分比的時間變化趨勢Fig. 3 Time series of the percentage of dust particles during monitoring

圖4 沙塵期間Dust和Non-dust顆粒的粒徑分布Fig. 4 Size distributions of dust and non-dust particles during the dust event

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑分布

根據(jù)質(zhì)譜數(shù)據(jù)特點，將沙塵期間的顆粒分為Dust（12.9%）和Non-dust（87.1%）兩類，各類別名稱及占比情況見表1。圖3為Dust顆粒占總顆粒百分比例隨時間的變化趨勢，可以看到沙塵期間Dust比例增大，持續(xù)保持在11%以上的較高值。圖4為Dust和Non-dust類顆粒物顆粒個數(shù)隨粒徑變化的分布情況。由于SPAMS對不同粒徑的顆粒物傳輸效率不同，因此其測得的粒徑分布與大氣中真實的粒徑分布有所不同，峰值集中在傳輸效率較高的粒徑段，但從中仍可看出不同類別顆粒間的粒徑分布差異。由圖4中可明顯看出，沙塵期間Dust顆粒集中分布在0.5～1.1 μm粒徑段，特別是1.6 μm以后的粒徑段，均以Dust顆粒為主，峰值出現(xiàn)在0.8 μm處；而Non-dust顆粒物主要分布在0.4～0.8 μm粒徑段，且1.0 μm以上的粒徑段顆粒數(shù)明顯減少，粒徑峰值出現(xiàn)在0.5 μm處，明顯小于Dust顆粒。

2.2 化學組分和來源分析

2.2.1 Dust顆粒

利用ART-2a分類方法，并以其質(zhì)譜圖中出現(xiàn)的礦塵標識物為分類依據(jù)，將Dust顆粒分為包含Dust-Al、Dust-Si、Dust-metal、Dust-Ca、Dust-Mg和Other 6個子類別，前四類顆粒物數(shù)量占比在21.6%～26.4%之間，合計高達96.4%（表1）。其中Dust-Mg和Other顆粒占比較小，本文不予以討論。圖5為沙塵期間Dust類顆粒物及其中4種主要子類別顆粒物的平均質(zhì)譜圖。張家口市Dust-Al類顆粒物是沙塵期間含量最豐富的Dust子類別，占比為26.4%，與Ma et al.（2016）1326研究的北京地區(qū)Dust顆粒中Dust-Al類顆粒物含量差別不大。正負譜圖中有較強的24Na+、27Al+、39K+、42CNO-、46NO2-、62NO3-、97HSO4-離子信號，以及較弱的40Ca+、56CaO+/56Fe+、16O-、17OH-、26CN-、35Cl-、60SiO2-、76SiO3-離子信號。Al作為礦塵組分的指標之一，是單顆粒氣溶膠質(zhì)譜檢測到的最常見礦塵組分（Sullivan et al.，2007）。Li et al.（2014）研究報道Al為北京沙塵暴的示蹤元素之一，張家口作為北京沙塵源途經(jīng)地之一，同樣可將Al作為其沙塵源的示蹤元素。

圖5 沙塵期間Dust顆粒及其子類別的平均質(zhì)譜圖Fig. 5 Average mass spectra of dust particles and their subtypes during the dust event

Dust-Si類顆粒物則是沙塵期間含量第二豐富的Dust子類別，占Dust顆粒的25.7%，與Ma et al.（2016）1326研究的北京地區(qū)Dust顆粒不同，北京地區(qū)Dust-Si類顆粒占比高達50%以上。質(zhì)譜圖表現(xiàn)為較強的39K+、40Ca+、硝酸鹽（42NO2-，62NO3-）和硅酸鹽（60SiO2-，76SiO3-）信號，而23Na+、27Al+、56CaO+/56Fe+、207Pb+、16O-、26CN-、35Cl-、79PO3-、97HSO4-離子信號則相對較弱。Si曾被發(fā)現(xiàn)是沙塵期間數(shù)濃度和質(zhì)量濃度表現(xiàn)最豐富的礦塵元素（Li et al.，2010），而在全球范圍內(nèi)礦塵顆粒物是大氣中P的主要來源（李梅等，2011；Manuel et al.，2010）。后向軌跡分析已表明部分空氣氣團經(jīng)由內(nèi)蒙古西北方向等地到達，而內(nèi)蒙古地區(qū)又是磷稀土礦產(chǎn)地，表明了張家口市的Dust顆?？赡苡善鋽y帶而來。

Dust-metal類顆粒物是Dust顆粒中含量僅次于Dust-Al和Dust-Si的顆粒，Dust-metal類顆粒表現(xiàn)為正譜圖較強的27Al+、39K+、40Ca+、51V+、55Mn+、56CaO+/56Fe+、63Zn+、64Cu+和207Pb+等大量的金屬離子信號，負譜圖表現(xiàn)為16O-、26CN-、35Cl-、42NO2-、60SiO2-、62NO3-、76SiO3-、79PO3-、97HSO4-等信號，這與Ma et al.（2016）對北京沙塵顆粒的研究不同，北京的Dust顆粒中并未出現(xiàn)高比例的含金屬離子顆粒。猜測金屬元素的可能來源有以下幾個方面：首先張家口市盛產(chǎn)礦產(chǎn)資源，是河北省的資源大市之一，區(qū)域內(nèi)金屬礦產(chǎn)主要有鐵礦、錳礦、銅礦等，沙塵天氣的強風將地表的來自工業(yè)過程的礦塵顆粒物攜帶到空氣中；其次，張家口部分空氣氣團來自西南方向，而山西是張家口西南方向上著名的礦產(chǎn)資源大省，顆粒中部分金屬礦塵可能由西南方向的空氣氣團從山西等地攜帶而來；最后，含礬類顆粒物可能與重油燃燒有關(guān)（Ault et al.，2010；Healy et al.，2009）。

Dust-Ca類顆粒質(zhì)譜圖表現(xiàn)為較強的23Na+、39K+、40Ca+、56CaO+/56Fe+、42NO2-、62NO3-離子信號，和相對較弱的27Al+、207Pb+、16O-、17OH-、35Cl-、60SiO2-、76SiO3-、79PO3-、97HSO4-離子信號，這與李梅等（2011）研究報道的廣州礦塵顆粒中含Ca顆粒物特征相似。該類顆粒物中極強的硝酸鹽信號說明在長距離的傳輸過程中含Ca顆粒物可能在大氣中與NOx發(fā)生了非均相反應(yīng)。

Dust顆粒正譜圖中出現(xiàn)的Al、Si、Fe等礦物元素標志著沙塵的發(fā)生，負譜圖普遍表現(xiàn)為很強的硝酸鹽信號，表明該類顆粒物可能在大氣中經(jīng)歷了明顯的老化（何俊杰等，2013），而其混合著Cl-則表明Dust顆粒中可能混合著垃圾焚燒（Keane，2007）、化石燃料燃燒顆粒（Zhang et al.，2009）或來自西北地區(qū)的鹽漬土顆粒（張興贏等，2004）。譜圖中較強的Ca、M、Si等元素的信號與Silva（2000）報道過的沙塵樣品的譜圖特征相似，其中很強的Si信號和微弱的Li信號則說明其可能混著土壤塵，一般的化學檢測方法是無法檢測出Li信號的。Silva et al.（2000）曾對Yucca Valley沙漠地區(qū)的顆粒進行研究，發(fā)現(xiàn)其元素特征與土壤塵一樣。該研究中Dust顆粒的Si、Ca、Al等元素表現(xiàn)出強信號，表明張家口市Dust顆粒中地殼源比例更大，這與袁蕙等（2004）發(fā)現(xiàn)的北京沙塵期間的顆粒體現(xiàn)了沙塵源頭的地殼源一致。華蕾等（2006）曾對北京的一些排放源進行了成分譜分析，其中城市揚塵的化學組分主要為Si、Al、Ca、Fe、K、Mg及OC、EC、SO42-，與本研究的Dust顆粒特征有相似之處。同時，Pb來自金屬冶煉，V、Zn來自工藝過程等，說明張家口Dust顆粒實為混合了多種塵的顆粒，但是主要為礦塵顆粒。總之，沙塵期間張家口的Dust顆粒主要為地殼源和部分人為源，包括本地源和外來源，分別來自本地的礦塵顆粒、揚塵、工業(yè)源和新疆、蒙古、內(nèi)蒙古、山西等氣團經(jīng)過地區(qū)的礦塵顆粒。

2.2.2 Non-dust顆粒

根據(jù)Non-dust顆?；瘜W組分特征，將其分為富鉀（K-rich）、含碳（Carbonaceous）、工業(yè)金屬（Industrial metal）和其他顆粒（Other）4個子類別。Other類顆粒較少，比例僅為0.5%，在此不作討論。圖6是Non-dust顆粒及其子類別的平均質(zhì)譜圖。

圖6b為沙塵期間Carbonaceous顆粒的平均質(zhì)譜圖，此類顆粒物在沙塵期間百分占比為81.3%（表1）。正譜圖表現(xiàn)為較強的39K+離子峰和相對較弱的23Na+離子峰、EC族離子（12C+、24C2+、…、60C5+）、OC族離子（27C2H3+37C3H+39C3H3+50C4H2+63C5H3+）和有機離子43C2H3O+；負譜圖表現(xiàn)為很強的無機二次組分97HSO4-和較弱的46NO2-、62NO3-、EC族離子（12C-、24C2-、…、60C5-）和26CN-等離子峰信號。正譜圖中的二次組分18NH4+和有機離子43C2H3O+表明了Carbonaceous類顆粒的老化過程，負譜圖中硫酸鹽離子強信號是該類顆粒物區(qū)別于其他類顆粒物的特點，這與此前Li et al.（2014）的有關(guān)碳質(zhì)顆粒上硫酸信號更強的研究結(jié)果一致。Cheng et al.（2013）發(fā)現(xiàn)，在北京約有50%的OC類顆粒與生物質(zhì)燃燒有關(guān)，Liu et al.（2007）發(fā)現(xiàn)EC顆粒主要來自于生物質(zhì)燃燒、煤燃燒和柴油機尾氣排放。同時強硫酸鹽信號也反映了Carbonaceous顆粒經(jīng)歷了二次老化過程，可能來自傳輸過程中由其他地區(qū)攜帶而來的碳質(zhì)顆粒。張家口市煤炭資源豐富，西南緊靠煤炭大省山西的大同市，結(jié)合空氣后向軌跡圖，沙塵期間Carbonaceous類顆粒主要來源于當?shù)厝济?、生物質(zhì)燃燒和汽車尾氣的排放以及山西等地的區(qū)域傳輸。

圖6c為K-rich顆粒的平均離子質(zhì)譜圖，正譜圖表現(xiàn)為很強的39K+信號和較弱的23Na+、40Ca+等離子峰信號；負譜圖則主要為很強的硝酸鹽（42NO2-、62NO3-）、97HSO4-離子信號，同時還有24C2-、26CN-、36C3-、79PO3-等較弱的離子峰。鉀元素被認為是家庭或人為生物質(zhì)燃燒顆粒的示蹤元素（Bi et al.，2011）。硝酸鹽表現(xiàn)出來的信號強度大于硫酸鹽的信號強度，這個結(jié)果可能是由于區(qū)域二次組分的形成或者當?shù)叵跛猁}-硫酸鹽不平衡造成的。沙塵期間，由于風速較大，空氣氣團不穩(wěn)定，很多非沙塵期間積累的顆粒被氣團帶走，導致K-rich顆粒比例（10.6%）下降。含硝酸顆粒主要是通過顆粒物表面的氮氧化物中和或多相氧化形成（Hu et al.，2008；Wang et al.，2009），所以，沙塵期間K-rich顆粒的來源主要為生物質(zhì)燃燒。

圖6 沙塵期間Non-dust類顆粒物及其子類別的平均質(zhì)譜圖Fig. 6 Average mass spectra of non-dust particles and their subtypes during the dust event

圖7 沙塵期間Non-dust、Dust顆粒及其子類別顆粒與一次，二次組分的混合狀態(tài)圖Fig. 7 The mixing state of non-dust, dust particles, and subtypes of dust particles with primary and secondary components during the dust event

沙塵期間Industrial metal顆粒物的占比為7.60%（表1），而Dust中金屬顆粒占比為22.7%。圖6d所示為沙塵期間Industrial metal顆粒物的平均質(zhì)譜圖，正譜圖表現(xiàn)為較強的39K+、56Fe+、207Pb+離子信號和較弱的23Na+、51V+、55Mn+、64Cu+、63Zn+離子信號，負譜圖則表現(xiàn)為較強的硝酸鹽（42NO2-、62NO3-）信號，較弱的16O-、17OH-、26CN-、35Cl-、79PO3-、97HSO4-離子信號。從質(zhì)譜圖可知，56Fe+的信號僅比39K+稍低，表明沙塵期間張家口市鐵礦石工業(yè)源為其主要的本地源。而質(zhì)譜圖中出現(xiàn)的較弱的51V+、55Mn+、64Cu+、63Zn+等金屬離子信號，也表明該類顆粒物可能來自工業(yè)過程。

2.3 混合狀態(tài)

一次組分Cl-，二次組分NH4+、NO3-、HSO4-為Dust顆粒中含量較高的組分，比例分別為32%，20%、81%及61%（圖7）。Dust和Non-dust顆粒主要與NO3-、HSO4-混合，但Dust顆粒中NO3-/HSO4-（數(shù)濃度）比值為1.31，大于Non-dust顆粒1.03的比值，表明Dust顆粒經(jīng)歷了更大程度的老化演變。其中，Dust-Ca顆粒物的NO3-/HSO4-比值更是超過1.5，說明沙塵期間Dust顆粒在長距離的傳輸過程中經(jīng)歷了更長的化學過程，氣溶膠的凝并等現(xiàn)象更突出（牟瑩瑩等，2013）。劉咸德等（2005）曾對山東長島縣一次沙塵事件中的顆粒物進行分析，表明高濃度的風沙塵在長距離傳輸過程與遇到的氣態(tài)和顆粒態(tài)的污染物有充分的機會混合、交匯、相互作用，特別是沙塵暴的前鋒形成的高濃度的風沙塵與高濃度的人為源排放典型含硫、含氮污染物的重合與迭加。由圖還可知，沙塵顆粒與一次組分Cl-的混合比例比非沙塵顆粒高，且超過其與NH4+的混合比例，其中在Dust-Mg和Dust-metal中的混合比例高達40%以上，具體的分析將在以后的研究中詳細論述。

3 結(jié)論

（1）本研究利用SPAMS分析了2016年春季張家口市的一次沙塵天氣氣溶膠單顆粒的化學組分和粒徑分布。沙塵期間顆粒物被分成Dust和Non-dust兩大類別，其中，Dust顆粒包含Dust-Si、Dust-Ca、Dust-Al、Dust-metal 4個主要子類別。

（2）Dust顆粒來源于自然源和人為源。根據(jù)空氣后向軌跡圖和顆粒的化學組分和粒徑特征，該次沙塵顆粒主要來自新疆、蒙古、內(nèi)蒙古等西北地區(qū)的外來沙塵源和少部分本地、山西等西南地區(qū)的礦塵和工業(yè)源；Non-dust類顆粒則來自當?shù)丶爸苓叺貐^(qū)工業(yè)排放和燃煤。顆粒的來源分析可為沙塵天氣的預(yù)防措施的制定和沙塵防治提供參考信息。

（3）該次沙塵期間各類顆粒物與一次組分和二次組分也表現(xiàn)出不同的內(nèi)混程度，沙塵期間沙塵顆粒與硝酸鹽內(nèi)混比例最高為81%，NO3-/HSO4-（顆粒數(shù)）比值為1.31，表明Dust顆粒經(jīng)歷了較大程度的老化演變。

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Chemical and Physical Characteristics and Sources of Single Particle Aerosols during A Dust Event in Zhangjiakou

LI Sisi1,2, HUANG Zhengxu1,2*, WANG Cunmei3, LI Huiling3*, LI Mei1,2, ZHOU Zhen1,2
1. Institute of Mass Spectrometer and Atmospheric Environment, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2. Guangdong Provincial Engineering Research Center for air pollution online source apportionment system, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 3. Zhangjiakou Environmental Monitor Station, Zhangjiakou 075000, China

In order to understand the origin and characteristics of particles during dust days from the aspect of single particles, a single particle aerosol mass spectrometer (SPAMS) was employed to analyze the chemical composition, size distributions, and sources of aerosol particles during a dust event in the spring of 2016 in Zhangjiakou. According to particle mass spectra, the particles were classified as two main categories: dust particles and non-dust particles, which accounted for 12.9% and 87.1% of total particle number. Dust particles were mainly in the size of 0.5～1.1 μm, which included four major subtypes: dust-Al, dust-Si, dust-metal, and dust-Ca particles. Each subtype of particles accounted for more than 20% of total number of dust-containing particles, with the significant characteristics of mineral particles. Non-dust particles were mainly in the size of 0.4～0.8 μm, which included four subtypes: carbonaceous, K-rich, industrial metal, and other particles. In combination with backward trajectory analysis, dust particles could mainly originate from the dust sources of Xinjiang, Mongolia, and Inner Mongolia, and a small part from the mineral and industrial sources of Zhangjiakou and Shanxi. No-dust particles are possible to be mainly contributed by the industrial emissions and coal burning of local and surrounding areas of Zhangjiakou. The ratio of NO3-/HSO4-(number concentration) is 1.31 in dust particles, indicating a high degree of particle aging. Cl-containing particles accounted for 32% of the total number of dust particles, indicating mixed artificial components. Our results showed that the SPAMS can be used to analyze the physical and chemical characteristics and sources of single particles on line during the dust event，and can provide referable information for taking effective measures to prevent and reduce dust events.

single particle aerosol mass spectrometer; dust; single particle; source apportionment

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.03.011

X131.1

A

1674-5906（2017）03-0437-08

李思思, 黃正旭, 王存美, 李惠玲, 李梅, 周振. 2017. 張家口市一次沙塵天氣氣溶膠單顆粒理化特征和來源研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 26(3): 437-444.

LI Sisi, HUANG Zhengxu, WANG Cunmei, LI Huiling, LI Mei, ZHOU Zhen. 2017. Chemical and physical characteristics and sources of single particle aerosols during a dust event in Zhangjiakou [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(3): 437-444.

科技部科技支撐項目（2014BAC21B01）；2014年廣東省公益研究與能力建設(shè)專項資金重點項目（2014B020216005）；廣東省自然基金項目（2015A030313339）；珠江科技新星專項（201506010013）

李思思（1991年生），女，碩士研究生，主要從事氣溶膠單顆粒研究。E-mail:570665794@qq.com

*通信作者：黃正旭，副研究員，E-mail: zx.huang@hxmass.com；李惠玲，高級工程師，E-mail: hbjlihl@163.com

2017-01-24