沙尘暴尘的化学组成和粒径分布特征

　　沙尘暴发生前后，PM10主要由燃煤飞灰、烟尘集合体组成，其次是少量的矿物颗粒，而沙尘暴高峰期则相反。

　　对沙尘暴尘的构成分析一直是国内外沙尘暴研究工作者关心的问题之一。以往有关沙尘暴的研究主要集中在沙尘暴天气条件下大气颗粒物的质量浓度特征、、沙尘暴的成因、监测与防治等方面，对我国西北地区沙尘暴降尘沉积物中化学组分和粒度分布状况的研究开展不多。研究沙尘暴过程中PM10的组成变化特征不仅有利于弄清楚沙尘暴的来源、输送机制及其发展阶段，而且还有助于了解沙尘暴对所经地区大气环境的影响。

　　沙尘暴尘的化学组成特征

　　近几年笔者利用场发射扫描电镜(FES－EM)与图像分析单颗粒技术方法、离子色谱法，先后开展了沙尘暴期间及其发生前后PM10的微观形貌、粒度分布、水溶性离子等变化特征的研究。笔者根据近年采集到的沙尘暴降尘样品，使用中子活化分析法和X射线吸收一沉降法对沙尘暴沉积物中的Al、As、Au等38种化学元素和粒径、粒径分布状况进行了全面测定。

　　对兰州市全年大气自然降尘的粒径分布研究分析显示:兰州大气降尘沉积物的质量中值直径范围为6.39μm～12.64μm，年平均为8.93μm，几何平均直径为1.37μm～8.21μm，年平均为3.78μm，二者的月、季度变化不十分明显。降尘粒径最集中的范围为30μm～5μm，并在10μm和5μm处各出现一个峰值区。由各季度的频率分布看，一、二、四季度的曲线比较相近，而三季度各月的离散性较大，降尘粒径的相对频率分布也相应出现变化。兰州大气自然降尘的粒子有84.55％集中在30μm～5μm的粒径段内。

　　沙尘暴沉积物的粒径分布特征

　　大气中颗粒物的来源可以分为天然来源和人为来源两类。在天然源和人为源中都有一次和二次颗粒物的来源，其粒径一般大于0.5μm。据有关资料统计，全球天然源的发生量中一次颗粒物为1207×106t/a，二次颗粒物为1105×106t/a。关于天然源与人为源的产生量，各种资料的统计结果都有所不同。有人认为，人为活动产生的量约占9％～11％±，随着工业的发展，人为源的量还会增加。

　　对1996年5月30日敦煌发生特大沙尘暴现场采集样品的分析，发现其粒径与武威沙尘暴有所不同，粒径主要集中在30μm～10μm和10μm～30μm的粒径段上。相对频率的累计值分别占总量的51.12％和39.47％。

　　用在线监测设备对沙尘暴水溶物开展分析研究

　　在对2010年3月19日沙尘暴在兰州过境期间的观测研究中，笔者首次使用了大气/气溶胶中阴阳离子在线监测设备(以下简称URG)，首次进行了沙尘暴中PM2.5和大气中离子浓度在不同时段的变化状况研究，取得了非常好的效果。

　　URG逐小时监测结果显示，沙尘暴天气在兰州过境期间约11个小时的初期，PM2.5中被测离子浓度由于受沙尘暴的影响，呈急速下降趋势，而同一时刻PM2.5中的Ca2＋浓度则呈急速上升再下降的变化过程(图2)。随着沙尘暴前锋离境，PM2.5中的Ca2＋浓度也随之回归到与其他离子相同的浓度水平。与我们通常使用的手工采集沙尘暴样品的方法不同，URG在线装置很好地分阶段捕捉到了这一变化全过程。由此可以断定，当沙尘暴到来时，前锋将当地大气中原有的气态和固态污染物裹挟出兰州，同时又将沙源地的沙尘带到了兰州。而气态和固态污染物中被测无机离子浓度在沙尘天气过境前、过境期间和过境后的剧烈变化现象证明了这一变化过程。沙尘暴的发生与气象条件密切相关。此次沙尘暴过境时，强大风速和它携带的大量沙尘，使当地的能见度从平时的30km瞬间下降到了4km以下。随着沙尘暴离境，它所携带的大量沙尘随同沙尘暴也被带离兰州，使得PM2.5中的Ca2＋浓度随之快速下降。强沙尘暴的发生，是对兰州盆地内有限大气环境容量的一次大置换的过程，强风使得当地人为排放的污染物，得以向外迅速扩散和被置换出兰州盆地。

　　用场发射扫描电镜(FESEM)和图像分析技术研究沙尘暴尘中的单颗粒特征

　　为研究沙尘暴过程对大气PM10组成变化的影响，笔者利用场发射扫描电镜(FESEM)和图像分析技术，研究了2006年3月31日发生在兰州市的沙尘暴期间及其发生前后PM10中的单颗粒特征。结果表明，沙尘暴发生前后，PM10主要由燃煤飞灰、烟尘集合体组成，其次是少量的矿物颗粒，而沙尘暴高峰期则相反。与沙尘暴发生前后相比，沙尘暴高峰期矿物颗粒的数量百分比(59.31％)和体积百分比(99.39％)有明显增加，而其数量和体积粒度分布则相反。根据沙尘暴过程中PM10的组成变化特征，可将其划分为4个不同的阶段:本地污染物清除阶段、新污染物携入阶段、本地新污染物吹入及外来沙尘颗粒减少阶段、沙尘颗粒基本清除阶段。

　　沙尘暴影响生态环境与人体健康

　　沙尘暴通过沙埋、吹刮等，对西北地区的植被生态环境造成了严重的破坏，大大加快了西北地区土地荒漠化的进程。沙尘暴不但破坏环境，而且对人体的皮肤、耳、鼻和肺都有一定的损害，已成为影响人类健康的一大问题。

　　随着我国人口增长尤其是西部人口增加和工业的发展，以及滥垦、滥牧、滥伐、滥采等现象，使本已脆弱的西部生态环境变得更加脆弱。人类的活动使得地表植被大面积减少和退化，再加上全球变暖引起的中西部气候干旱，使得这一地区沙尘暴频繁发生。人类的生产和生活活动已成为沙尘暴形成和演变的重要驱动因子，应该认真地对待和保护本已脆弱的西部生态环境。每发生一次特大沙尘暴，都会对源地及周围地区人民群众的财产及农林牧业、电力通讯、公路铁路交通运输等造成巨大损失。沙尘暴通过沙埋、吹刮等，对西北地区的植被生态环境造成了严重的破坏，大大加快了西北地区土地荒漠化的进程，其间接经济损失是难以估量的。为我国的可持续发展，为子孙后代造福，保护西部脆弱的生态环境已刻不容缓。

　　沙尘暴不但破坏环境，而且对人体的皮肤、耳、鼻和肺都有一定的损害，已成为影响人类健康的一大问题。每当沙尘暴产生时就有大量的沙(土)尘微粒悬浮于大气中，使大气环境质量严重恶化。混浊的空气使人们呼吸困难，严重影响人体健康，应该积极开展沙尘暴对人体健康影响的调查和研究工作。

图1甘肃各区域大气背景点年降尘总量变化曲线

图2强沙尘暴在兰州过境前后Ca2＋在PM2.5和大气中浓度变化状况
　　                        作者单位:甘肃省环境监测中心站

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