中國大氣顆粒物中金屬元素的多維度剖析：時空特征、來源溯源與健康風(fēng)險洞察一、引言1.1研究背景與意義隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，大氣污染問題日益突出，成為影響環(huán)境質(zhì)量和公眾健康的重要因素。大氣顆粒物作為大氣污染的主要組成部分，其污染狀況備受關(guān)注。大氣顆粒物是指懸浮在大氣中的固態(tài)或液態(tài)顆粒狀物質(zhì)，其粒徑范圍廣泛，從幾納米到幾百微米不等。根據(jù)粒徑大小，大氣顆粒物可分為總懸浮顆粒物（TSP）、可吸入顆粒物（PM10）和細(xì)顆粒物（PM2.5）等。其中，PM2.5由于粒徑小，可深入人體呼吸系統(tǒng)，對人體健康危害尤為嚴(yán)重。近年來，中國大氣污染防治工作取得了顯著成效，但大氣污染形勢依然嚴(yán)峻。生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)顯示，2023年，全國339個地級及以上城市平均空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例為82.4%，但部分地區(qū)仍存在較為嚴(yán)重的污染問題，京津冀及周邊地區(qū)、汾渭平原等區(qū)域的大氣污染問題尤為突出。在大氣顆粒物污染中，金屬元素是重要的污染物之一。大氣顆粒物中的金屬元素來源廣泛，包括自然源和人為源。自然源主要有火山噴發(fā)、風(fēng)蝕、森林火災(zāi)和海洋等；人為源則涵蓋燃料燃燒、冶金工業(yè)、機(jī)動車尾氣和垃圾焚燒等。這些金屬元素在大氣中可長期存在，并通過大氣傳輸擴(kuò)散到其他地區(qū)，從而對區(qū)域乃至全球環(huán)境產(chǎn)生影響。大氣顆粒物中的金屬元素對環(huán)境和人體健康具有顯著影響。在環(huán)境方面，金屬元素可通過干濕沉降進(jìn)入土壤和水體，導(dǎo)致土壤和水體污染，影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。如重金屬汞進(jìn)入水體后，可在微生物作用下轉(zhuǎn)化為甲基汞，甲基汞具有很強(qiáng)的生物毒性，可通過食物鏈富集，對水生生物和人類健康造成嚴(yán)重威脅。在人體健康方面，大氣顆粒物中的金屬元素可通過呼吸進(jìn)入人體，對人體呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等造成損害。粒徑小于10μm的大氣顆粒物（PM10）中含有更高含量的重金屬，據(jù)報道，大約75%-90%的重金屬分布在PM10中，且顆粒越小，重金屬含量越高，這些重金屬可造成各種人體機(jī)能障礙，導(dǎo)致身體發(fā)育遲緩，甚至引發(fā)各種癌癥和心臟病。鑒于大氣顆粒物中金屬元素對環(huán)境和人體健康的重要影響，開展中國大氣顆粒物中金屬元素的時空分布、來源分析及健康風(fēng)險研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過研究，可以深入了解大氣顆粒物中金屬元素的污染特征和來源，為制定針對性的污染防治措施提供科學(xué)依據(jù)；同時，對大氣顆粒物中金屬元素的健康風(fēng)險進(jìn)行評估，有助于提高公眾對大氣污染健康危害的認(rèn)識，加強(qiáng)公眾的自我保護(hù)意識，從而有效減少大氣污染對人體健康的影響。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1大氣顆粒物金屬元素時空分布研究在國外，諸多學(xué)者對不同地區(qū)大氣顆粒物中金屬元素的時空分布展開了深入研究。例如，在歐洲，研究人員通過長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，工業(yè)密集區(qū)大氣顆粒物中重金屬含量顯著高于其他區(qū)域。一項(xiàng)針對德國魯爾區(qū)的研究表明，該地區(qū)由于長期的工業(yè)活動，大氣顆粒物中鉛、鋅、鎘等金屬元素的濃度明顯高于周邊地區(qū)，且在冬季，由于取暖需求導(dǎo)致化石燃料燃燒增加，這些金屬元素的濃度會進(jìn)一步上升。在北美洲，對美國洛杉磯等大城市的研究顯示，交通干道附近大氣顆粒物中的金屬元素主要來源于機(jī)動車尾氣排放，其中鐵、銅、鋅等元素在交通高峰期濃度較高，呈現(xiàn)出明顯的日變化特征。國內(nèi)對于大氣顆粒物金屬元素時空分布的研究也取得了豐富成果。在區(qū)域分布方面，研究發(fā)現(xiàn)京津冀、長三角、珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且工業(yè)活動密集的地區(qū)，大氣顆粒物中金屬元素污染較為嚴(yán)重。如對京津冀地區(qū)的研究表明，該區(qū)域由于鋼鐵、化工等產(chǎn)業(yè)集中，大氣顆粒物中重金屬含量普遍較高，其中北京、天津等城市的金屬元素濃度在某些時段超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在季節(jié)變化方面，多數(shù)研究表明，冬季大氣顆粒物中金屬元素濃度相對較高，這主要?dú)w因于冬季取暖燃煤增加、大氣擴(kuò)散條件變差以及逆溫現(xiàn)象頻繁等因素。例如，在華北地區(qū)，冬季大氣顆粒物中汞、鉛等重金屬的濃度明顯高于其他季節(jié)。此外，不同粒徑的大氣顆粒物中金屬元素分布也存在差異，細(xì)顆粒物（PM2.5）由于其比表面積大，更容易吸附重金屬元素，對人體健康的潛在危害更大。1.2.2大氣顆粒物金屬元素來源分析研究國外在大氣顆粒物金屬元素來源分析方面，運(yùn)用了多種先進(jìn)技術(shù)和方法。化學(xué)質(zhì)量平衡（CMB）模型是常用的源解析方法之一，通過對污染源和大氣顆粒物樣品中化學(xué)組成的分析，定量確定各污染源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)。例如，在對美國芝加哥市大氣顆粒物的研究中，利用CMB模型準(zhǔn)確識別出工業(yè)排放、機(jī)動車尾氣、揚(yáng)塵等污染源對不同金屬元素的貢獻(xiàn)比例。正定矩陣因子分解（PMF）模型也被廣泛應(yīng)用，該模型能夠在不完全了解污染源成分譜的情況下進(jìn)行源解析。如在歐洲對某城市大氣顆粒物的研究中，PMF模型成功解析出生物質(zhì)燃燒、垃圾焚燒等污染源對大氣顆粒物中金屬元素的影響。國內(nèi)在大氣顆粒物金屬元素來源解析方面，也不斷探索和應(yīng)用新的方法和技術(shù)。除了傳統(tǒng)的CMB、PMF等模型外，還結(jié)合了同位素示蹤技術(shù)、衛(wèi)星遙感等手段。例如，通過鉛同位素示蹤技術(shù)，能夠準(zhǔn)確追蹤大氣顆粒物中鉛的來源，確定其是來自于本地污染源還是遠(yuǎn)距離傳輸。在對長三角地區(qū)的研究中，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合地面監(jiān)測資料，分析大氣顆粒物中金屬元素的傳輸路徑和來源區(qū)域，為區(qū)域污染防治提供了科學(xué)依據(jù)。此外，國內(nèi)還針對不同地區(qū)的特點(diǎn)，建立了適合本地的污染源清單，提高了源解析的準(zhǔn)確性和可靠性。1.2.3大氣顆粒物金屬元素健康風(fēng)險研究國外在大氣顆粒物金屬元素健康風(fēng)險評估方面起步較早，建立了較為完善的評估體系和模型。美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）提出的暴露評估模型，綜合考慮了人體呼吸速率、暴露時間、大氣顆粒物濃度等因素，對大氣顆粒物中金屬元素的暴露劑量進(jìn)行準(zhǔn)確估算。在風(fēng)險表征方面，采用致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險指標(biāo)，評估金屬元素對人體健康的潛在危害。例如，對美國某城市的研究表明，大氣顆粒物中的鎘、鎳等重金屬具有一定的致癌風(fēng)險，長期暴露可能增加居民患癌癥的幾率。國內(nèi)在大氣顆粒物金屬元素健康風(fēng)險研究方面，借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況開展了大量研究。通過對不同地區(qū)人群的暴露調(diào)查，獲取了更符合中國人群特點(diǎn)的暴露參數(shù)，提高了健康風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性。例如，在對北京地區(qū)居民的研究中，考慮了居民的生活習(xí)慣、室內(nèi)外活動時間等因素，更準(zhǔn)確地評估了大氣顆粒物中金屬元素對居民的健康風(fēng)險。此外，國內(nèi)還開展了多金屬元素聯(lián)合健康風(fēng)險評估研究，綜合考慮多種金屬元素之間的協(xié)同作用對人體健康的影響。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容1.3.1研究目標(biāo)本研究旨在全面、系統(tǒng)地揭示中國大氣顆粒物中金屬元素的污染狀況，深入分析其時空分布特征，準(zhǔn)確解析污染來源，并科學(xué)評估對人體健康的潛在風(fēng)險，為中國大氣污染防治和環(huán)境管理提供關(guān)鍵的科學(xué)依據(jù)與決策支持。具體而言，一是精確測定中國不同地區(qū)、不同粒徑大氣顆粒物中多種金屬元素的濃度水平，清晰呈現(xiàn)其在空間上的分布差異以及隨時間的變化規(guī)律；二是綜合運(yùn)用多種先進(jìn)的源解析技術(shù)，明確各主要污染源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)份額，為針對性地制定污染控制措施提供精準(zhǔn)方向；三是基于科學(xué)的健康風(fēng)險評估模型，結(jié)合中國人群的實(shí)際暴露情況，合理評估大氣顆粒物中金屬元素對人體健康的潛在危害程度，為保護(hù)公眾健康提供有力的科學(xué)指導(dǎo)。1.3.2研究內(nèi)容大氣顆粒物中金屬元素的時空分布研究：在全國范圍內(nèi)，根據(jù)不同的地理區(qū)域、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和污染源分布情況，科學(xué)合理地設(shè)置多個采樣點(diǎn)，涵蓋城市、郊區(qū)、農(nóng)村以及工業(yè)集中區(qū)等不同類型區(qū)域。運(yùn)用先進(jìn)的大氣顆粒物采樣設(shè)備，按照不同的季節(jié)和時間段，系統(tǒng)采集大氣顆粒物樣品，包括TSP、PM10和PM2.5等不同粒徑的顆粒物。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）、X射線熒光光譜（XRF）等高精度分析儀器，準(zhǔn)確測定樣品中多種金屬元素（如鉛、汞、鎘、鉻、鋅、銅等）的濃度。通過對不同采樣點(diǎn)和不同采樣時間的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，研究大氣顆粒物中金屬元素的空間分布特征，明確高污染區(qū)域及其分布規(guī)律；同時，分析其在不同季節(jié)、不同年份的時間變化趨勢，探究影響其時空分布的主要因素，如氣象條件、污染源排放變化等。大氣顆粒物中金屬元素的來源分析：收集研究區(qū)域內(nèi)各類潛在污染源（如工業(yè)污染源、交通污染源、揚(yáng)塵污染源、生物質(zhì)燃燒污染源等）的相關(guān)信息，包括污染源的地理位置、排放清單、排放特征等，建立詳細(xì)的污染源數(shù)據(jù)庫。綜合運(yùn)用化學(xué)質(zhì)量平衡（CMB）模型、正定矩陣因子分解（PMF）模型等源解析方法，結(jié)合大氣顆粒物樣品中金屬元素的濃度數(shù)據(jù)和污染源的化學(xué)組成特征，定量解析各污染源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)比例。對于一些難以通過常規(guī)方法準(zhǔn)確解析的污染源，嘗試運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測等先進(jìn)手段，進(jìn)一步追溯金屬元素的來源，提高源解析的準(zhǔn)確性和可靠性。大氣顆粒物中金屬元素的健康風(fēng)險評估：廣泛收集中國人群的生活習(xí)慣、活動模式、呼吸速率、室內(nèi)外活動時間等與暴露相關(guān)的數(shù)據(jù)，建立適合中國人群特點(diǎn)的暴露參數(shù)數(shù)據(jù)庫。運(yùn)用美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）推薦的暴露評估模型，結(jié)合大氣顆粒物中金屬元素的濃度數(shù)據(jù)和暴露參數(shù)，準(zhǔn)確估算不同人群（如兒童、成年人、老年人等）對大氣顆粒物中金屬元素的暴露劑量。依據(jù)國際上通用的健康風(fēng)險評估方法，采用致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險指標(biāo)，對大氣顆粒物中金屬元素的健康風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)表征?？紤]多種金屬元素之間的協(xié)同作用對人體健康的影響，開展多金屬元素聯(lián)合健康風(fēng)險評估研究，全面評估大氣顆粒物中金屬元素對人體健康的潛在風(fēng)險，并提出相應(yīng)的風(fēng)險管理建議。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究采用的研究方法主要包括樣品采集、分析測試、源解析和健康風(fēng)險評估四個方面。在樣品采集方面，為全面且準(zhǔn)確地獲取大氣顆粒物樣品，我們依據(jù)不同地理區(qū)域、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和污染源分布情況，在全國范圍內(nèi)精心設(shè)置多個采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)涵蓋城市、郊區(qū)、農(nóng)村以及工業(yè)集中區(qū)等不同類型區(qū)域，以確保樣品具有廣泛代表性。運(yùn)用大流量或中流量大氣顆粒物采樣器，按照不同季節(jié)和時間段，系統(tǒng)采集大氣顆粒物樣品，包括TSP、PM10和PM2.5等不同粒徑的顆粒物，同時詳細(xì)記錄采樣時的氣象條件、地理位置等相關(guān)信息。分析測試階段，采用先進(jìn)的分析儀器對樣品進(jìn)行處理和檢測。將采集到的大氣顆粒物樣品，使用微波消解或電熱板消解等方法進(jìn)行前處理，使樣品中的金屬元素充分溶解。利用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）技術(shù)，精確測定樣品中多種金屬元素（如鉛、汞、鎘、鉻、鋅、銅等）的濃度，該技術(shù)具有靈敏度高、分析速度快、可同時測定多種元素等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足本研究對金屬元素濃度精確測定的需求；對于部分元素，也可采用X射線熒光光譜（XRF）等分析方法進(jìn)行輔助測定，以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。源解析環(huán)節(jié)，收集研究區(qū)域內(nèi)各類潛在污染源（如工業(yè)污染源、交通污染源、揚(yáng)塵污染源、生物質(zhì)燃燒污染源等）的相關(guān)信息，包括污染源的地理位置、排放清單、排放特征等，建立詳細(xì)的污染源數(shù)據(jù)庫。綜合運(yùn)用化學(xué)質(zhì)量平衡（CMB）模型、正定矩陣因子分解（PMF）模型等源解析方法，結(jié)合大氣顆粒物樣品中金屬元素的濃度數(shù)據(jù)和污染源的化學(xué)組成特征，定量解析各污染源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)比例。對于一些難以通過常規(guī)方法準(zhǔn)確解析的污染源，運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)，通過測定金屬元素的同位素組成，追溯其來源；利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測獲取大氣顆粒物的空間分布和傳輸信息，輔助源解析研究，提高源解析的準(zhǔn)確性和可靠性。健康風(fēng)險評估過程中，廣泛收集中國人群的生活習(xí)慣、活動模式、呼吸速率、室內(nèi)外活動時間等與暴露相關(guān)的數(shù)據(jù)，建立適合中國人群特點(diǎn)的暴露參數(shù)數(shù)據(jù)庫。運(yùn)用美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）推薦的暴露評估模型，結(jié)合大氣顆粒物中金屬元素的濃度數(shù)據(jù)和暴露參數(shù)，準(zhǔn)確估算不同人群（如兒童、成年人、老年人等）對大氣顆粒物中金屬元素的暴露劑量。依據(jù)國際上通用的健康風(fēng)險評估方法，采用致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險指標(biāo)，對大氣顆粒物中金屬元素的健康風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)表征?？紤]多種金屬元素之間的協(xié)同作用對人體健康的影響，開展多金屬元素聯(lián)合健康風(fēng)險評估研究，全面評估大氣顆粒物中金屬元素對人體健康的潛在風(fēng)險。本研究的技術(shù)路線如圖1所示：首先進(jìn)行采樣點(diǎn)的規(guī)劃與設(shè)置，在全國范圍內(nèi)按照不同區(qū)域類型確定采樣點(diǎn)位置，并利用大氣顆粒物采樣器采集不同粒徑的大氣顆粒物樣品。對采集到的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，采用微波消解或電熱板消解等前處理方法，然后通過ICP-MS、XRF等分析儀器測定樣品中金屬元素的濃度。在源解析階段，收集污染源信息建立數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用CMB、PMF等模型結(jié)合同位素示蹤技術(shù)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測進(jìn)行源解析。最后，基于建立的暴露參數(shù)數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用暴露評估模型和健康風(fēng)險評估方法，對大氣顆粒物中金屬元素進(jìn)行健康風(fēng)險評估，得出研究結(jié)論并提出相應(yīng)的污染防治建議和風(fēng)險管理措施。[此處插入技術(shù)路線圖1，圖中應(yīng)清晰展示從采樣點(diǎn)設(shè)置、樣品采集、實(shí)驗(yàn)室分析、源解析到健康風(fēng)險評估的整個流程及各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系]二、中國大氣顆粒物中金屬元素的時空分布特征2.1時間分布特征2.1.1季節(jié)變化規(guī)律大氣顆粒物中金屬元素的濃度在不同季節(jié)呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。以華北地區(qū)為例，冬季大氣顆粒物中金屬元素濃度普遍較高。這主要是因?yàn)槎揪用袢∨枨笤黾?，燃煤量大幅上升，煤炭燃燒過程中會釋放出大量的金屬元素，如鉛、汞、鎘等。同時，冬季大氣擴(kuò)散條件較差，逆溫現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致污染物不易擴(kuò)散，在近地面大量積聚，進(jìn)一步升高了金屬元素的濃度。有研究表明，在京津冀地區(qū)的冬季，PM2.5中鉛的濃度可比夏季高出2-3倍。夏季，大氣顆粒物中金屬元素濃度相對較低。一方面，夏季降水較為充沛，雨水對大氣顆粒物具有沖刷作用，可有效清除空氣中的金屬元素，降低其濃度。研究顯示，一場中等強(qiáng)度的降雨可使大氣中金屬元素濃度降低30%-50%。另一方面，夏季大氣對流活動旺盛，有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋，使得金屬元素在大氣中分布更為均勻，濃度降低。春季和秋季的大氣顆粒物中金屬元素濃度則介于冬夏之間。春季，北方地區(qū)多沙塵天氣，沙塵中攜帶的自然源金屬元素會對大氣顆粒物中金屬元素濃度產(chǎn)生一定影響。如在沙塵頻發(fā)的內(nèi)蒙古地區(qū)，春季大氣顆粒物中鋁、鐵等地殼元素的濃度會明顯升高。秋季，氣候相對穩(wěn)定，既沒有冬季的大量燃煤排放，也不像夏季有頻繁的降水和強(qiáng)烈的對流活動，所以金屬元素濃度處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)。2.1.2年際變化趨勢從多年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，中國大氣顆粒物中金屬元素濃度的年際變化趨勢與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策措施等密切相關(guān)。在過去幾十年中，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程加速，大氣顆粒物中金屬元素的排放也呈現(xiàn)出增長的趨勢。尤其是在一些重工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，如東北地區(qū)、長三角地區(qū)等，由于鋼鐵、化工等產(chǎn)業(yè)的快速擴(kuò)張，大量的金屬污染物被排放到大氣中，導(dǎo)致大氣顆粒物中金屬元素濃度升高。然而，近年來，隨著中國對大氣污染問題的重視程度不斷提高，一系列嚴(yán)格的環(huán)保政策和措施相繼出臺，大氣顆粒物中金屬元素濃度呈現(xiàn)出下降的趨勢。自《大氣污染防治行動計(jì)劃》實(shí)施以來，各地加強(qiáng)了對工業(yè)污染源的監(jiān)管，推進(jìn)了燃煤鍋爐的改造和淘汰，加強(qiáng)了機(jī)動車尾氣排放的控制等。這些措施的實(shí)施使得大氣顆粒物中金屬元素的排放量顯著減少，濃度也隨之降低。以北京市為例，2013-2023年期間，PM2.5中重金屬的濃度整體呈下降趨勢，其中鉛的濃度下降了約40%，汞的濃度下降了約30%。這充分體現(xiàn)了政策措施對大氣顆粒物中金屬元素污染治理的有效性。同時，隨著環(huán)保技術(shù)的不斷進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，未來大氣顆粒物中金屬元素濃度有望進(jìn)一步降低，空氣質(zhì)量將得到持續(xù)改善。2.2空間分布特征2.2.1區(qū)域差異分析中國不同地區(qū)大氣顆粒物中金屬元素濃度存在顯著的區(qū)域差異。京津冀地區(qū)作為中國的重要經(jīng)濟(jì)區(qū)和工業(yè)基地，大氣顆粒物中金屬元素污染較為嚴(yán)重。該地區(qū)擁有眾多鋼鐵、化工、建材等重工業(yè)企業(yè)，這些企業(yè)在生產(chǎn)過程中會排放大量含有金屬元素的廢氣。如河北唐山是著名的鋼鐵生產(chǎn)基地，其周邊大氣顆粒物中鉛、鋅、鎘等金屬元素濃度明顯高于其他地區(qū)。有研究表明，京津冀地區(qū)PM2.5中鉛的平均濃度可達(dá)50ng/m3左右，遠(yuǎn)高于全國平均水平。此外，該地區(qū)人口密集，機(jī)動車保有量巨大，機(jī)動車尾氣排放也是大氣顆粒物中金屬元素的重要來源之一。在交通繁忙的城市道路周邊，鐵、銅、鋅等金屬元素濃度較高，這與機(jī)動車零部件磨損以及燃油燃燒排放有關(guān)。長三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工業(yè)活動頻繁，大氣顆粒物中金屬元素濃度也處于較高水平。該地區(qū)電子、機(jī)械、化工等產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，在電子制造業(yè)中，會使用到多種金屬材料，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生含有銅、鎳、錫等金屬元素的廢氣排放。例如，在上海、蘇州等城市，大氣顆粒物中銅的濃度相對較高，這與當(dāng)?shù)仉娮赢a(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。同時，長三角地區(qū)城市化進(jìn)程快，建筑施工活動較多，揚(yáng)塵中的金屬元素也對大氣顆粒物中金屬元素濃度有一定貢獻(xiàn)。珠三角地區(qū)以制造業(yè)和加工業(yè)為主，大氣顆粒物中金屬元素呈現(xiàn)出獨(dú)特的分布特征。由于該地區(qū)塑料、五金、家具等產(chǎn)業(yè)集中，在塑料加工過程中，會添加一些含有金屬元素的助劑，這些助劑在高溫加工時可能會揮發(fā)進(jìn)入大氣，導(dǎo)致大氣顆粒物中金屬元素濃度升高。在佛山的一些塑料加工集中區(qū)域，大氣顆粒物中鋅、鋇等金屬元素濃度明顯高于其他地區(qū)。此外，珠三角地區(qū)靠近海洋，海洋氣溶膠中的金屬元素也會對大氣顆粒物中金屬元素組成產(chǎn)生影響。這些區(qū)域差異的形成主要與各地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以及地理氣象條件等因素有關(guān)。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面，重工業(yè)占比較高的地區(qū)，如京津冀地區(qū)，由于工業(yè)生產(chǎn)過程中金屬污染物排放量大，導(dǎo)致大氣顆粒物中金屬元素濃度較高。能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)上，以煤炭為主要能源的地區(qū)，在煤炭燃燒過程中會釋放大量金屬元素，加重了大氣污染。地理氣象條件也起著重要作用，如京津冀地區(qū)冬季常受靜穩(wěn)天氣影響，不利于污染物擴(kuò)散，使得金屬元素在大氣中積聚；而珠三角地區(qū)受海洋性氣候影響，大氣擴(kuò)散條件相對較好，但海風(fēng)也可能攜帶海洋氣溶膠中的金屬元素，增加大氣顆粒物中金屬元素的含量。2.2.2城市與農(nóng)村對比城市和農(nóng)村大氣顆粒物中金屬元素的含量和種類存在明顯差異。在城市中，由于工業(yè)活動、機(jī)動車尾氣排放、建筑施工揚(yáng)塵等污染源眾多，大氣顆粒物中金屬元素含量普遍較高。以北京為例，城市中心區(qū)域大氣顆粒物中多種金屬元素濃度顯著高于周邊農(nóng)村地區(qū)。研究顯示，北京城市中心PM2.5中鉛、鎘、鉻等重金屬的濃度分別比農(nóng)村地區(qū)高出3-5倍、2-3倍和1-2倍。這主要是因?yàn)槌鞘兄泄I(yè)企業(yè)排放的廢氣中含有大量重金屬，如電鍍廠排放的廢氣中含有鉻、鎳等金屬；機(jī)動車尾氣排放的金屬元素也不容忽視，汽車發(fā)動機(jī)燃燒過程中會產(chǎn)生鐵、銅、鋅等金屬顆粒物。農(nóng)村地區(qū)大氣顆粒物中金屬元素含量相對較低，但也受到一些因素的影響。農(nóng)村地區(qū)的主要污染源包括生物質(zhì)燃燒、農(nóng)業(yè)活動以及少量的小型工業(yè)企業(yè)。在農(nóng)村，居民常燃燒秸稈、木材等生物質(zhì)作為燃料，生物質(zhì)燃燒過程中會釋放出鉀、鈉、鈣等金屬元素，使得大氣顆粒物中這些元素的含量有所增加。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥、化肥以及土壤揚(yáng)塵也會對大氣顆粒物中金屬元素組成產(chǎn)生一定影響。例如，在一些農(nóng)業(yè)種植區(qū)，大氣顆粒物中鈣、鎂等元素的含量相對較高，這與土壤成分和農(nóng)業(yè)活動有關(guān)。在金屬元素種類方面，城市大氣顆粒物中除了常見的重金屬元素外，還可能含有一些與工業(yè)生產(chǎn)和交通活動密切相關(guān)的特殊金屬元素，如鈹、銻等。這些元素主要來源于電子工業(yè)、汽車制造等行業(yè)。而農(nóng)村大氣顆粒物中金屬元素種類相對較少，主要以與生物質(zhì)燃燒和土壤成分相關(guān)的元素為主。2.2.3不同功能區(qū)分布工業(yè)區(qū)由于集中了大量工業(yè)企業(yè)，是大氣顆粒物中金屬元素污染最為嚴(yán)重的區(qū)域。在鋼鐵工業(yè)區(qū)，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量含有鐵、錳、鋅等金屬元素的粉塵和廢氣。例如，在遼寧鞍山的鋼鐵工業(yè)區(qū)，大氣顆粒物中鐵的濃度可高達(dá)500ng/m3以上，這是因?yàn)樵阡撹F冶煉過程中，鐵礦石的熔煉、爐渣的排放等環(huán)節(jié)都會釋放出大量含鐵顆粒物。在有色金屬工業(yè)區(qū)，如江西德興的銅礦開采和冶煉區(qū)，大氣顆粒物中銅、鉛、鋅等重金屬濃度較高，其中銅的濃度可達(dá)到100ng/m3左右，這些金屬元素主要來源于礦石的開采、選礦和冶煉過程。商業(yè)區(qū)人口密集，商業(yè)活動頻繁，大氣顆粒物中金屬元素來源較為復(fù)雜。一方面，交通擁堵導(dǎo)致機(jī)動車尾氣排放增加，尾氣中的金屬元素如鐵、銅、鋅等會對大氣顆粒物中金屬元素濃度產(chǎn)生影響。另一方面，商業(yè)區(qū)的建筑物裝修、廣告牌制作等活動也可能會釋放出一些金屬元素，如鉛、汞等。在一些繁華的商業(yè)中心，由于機(jī)動車流量大，大氣顆粒物中鐵的濃度相對較高，可達(dá)到50-80ng/m3。居民區(qū)大氣顆粒物中金屬元素主要來源于居民生活和周邊交通。居民日常生活中的燃煤、燃?xì)庖约叭∨O(shè)備的使用，會釋放出一些金屬元素，如燃煤中的鉛、汞等。同時，居民區(qū)周邊道路的機(jī)動車尾氣排放也是重要的污染源。在一些老舊居民區(qū)，由于使用燃煤取暖，冬季大氣顆粒物中鉛、汞等重金屬的濃度會明顯升高。交通樞紐地區(qū)由于機(jī)動車流量大，尾氣排放集中，大氣顆粒物中金屬元素以與機(jī)動車相關(guān)的元素為主。在大型火車站、汽車站等交通樞紐周邊，鐵、銅、鋅等金屬元素濃度較高。例如，在廣州火車站附近，大氣顆粒物中鐵的濃度可達(dá)到80-100ng/m3，這是因?yàn)闄C(jī)動車在行駛過程中，發(fā)動機(jī)燃燒、輪胎磨損以及剎車系統(tǒng)的摩擦都會產(chǎn)生含有這些金屬元素的顆粒物。此外，交通樞紐地區(qū)的道路揚(yáng)塵也會攜帶一些金屬元素，進(jìn)一步增加了大氣顆粒物中金屬元素的含量。三、中國大氣顆粒物中金屬元素的來源分析3.1主要來源類型3.1.1工業(yè)排放工業(yè)排放是中國大氣顆粒物中金屬元素的重要來源之一，涵蓋了眾多行業(yè)，不同行業(yè)排放的金屬元素種類和特點(diǎn)各異。鋼鐵行業(yè)在生產(chǎn)過程中會排放大量含鐵、錳、鋅等金屬元素的顆粒物。在鐵礦石的開采、選礦和燒結(jié)環(huán)節(jié)，會產(chǎn)生含有鐵、硅、鋁等元素的粉塵，這些粉塵在后續(xù)的煉鐵、煉鋼過程中，部分會進(jìn)入大氣。例如，在高爐煉鐵時，鐵礦石中的雜質(zhì)在高溫下會形成爐渣，爐渣中的金屬元素會隨著爐氣排放到大氣中，使得周邊大氣顆粒物中鐵的含量顯著增加。此外，鋼鐵生產(chǎn)過程中的焦?fàn)t煤氣凈化、轉(zhuǎn)爐煉鋼的吹煉等工序，也會產(chǎn)生含有重金屬的廢氣排放。有色金屬冶煉行業(yè)排放的金屬元素更為復(fù)雜多樣。在銅冶煉過程中，會排放出銅、鉛、鋅、鎘、砷等重金屬。以火法煉銅為例，銅精礦在熔煉過程中，其中的雜質(zhì)元素如鉛、鋅等會揮發(fā)進(jìn)入煙氣，經(jīng)過除塵等處理后，仍有部分金屬元素會以顆粒物的形式排放到大氣中。在鉛鋅冶煉中，鉛、鋅及其伴生元素如鎘、鉈等會大量排放。鉛的冶煉過程中，由于鉛的沸點(diǎn)較低，在高溫熔煉時容易揮發(fā)，從而導(dǎo)致大氣顆粒物中鉛濃度升高?；ば袠I(yè)排放的金屬元素與具體的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品密切相關(guān)。在氯堿化工中，汞是重要的催化劑，生產(chǎn)過程中可能會有汞的揮發(fā)和排放，導(dǎo)致大氣顆粒物中汞含量增加。一些生產(chǎn)顏料、涂料的化工企業(yè)，會使用含重金屬的原料，如生產(chǎn)鉛鉻黃顏料時，會排放出鉛、鉻等金屬元素。這些工業(yè)排放的金屬元素具有以下特點(diǎn)：一是濃度較高，在工業(yè)集中區(qū)域，大氣顆粒物中金屬元素濃度往往遠(yuǎn)超其他區(qū)域；二是成分復(fù)雜，多種金屬元素相互混合，增加了污染治理的難度；三是排放具有持續(xù)性，只要工業(yè)生產(chǎn)活動不停，金屬元素就會持續(xù)排放到大氣中。3.1.2交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)主要來自機(jī)動車尾氣、輪胎磨損和剎車磨損等方面。機(jī)動車尾氣是大氣顆粒物中金屬元素的重要來源之一。汽車發(fā)動機(jī)在燃燒過程中，燃油中的添加劑以及潤滑油中的金屬成分會隨著尾氣排放到大氣中。汽油中常添加含鉛、錳等金屬的抗爆劑，雖然目前我國已全面推廣無鉛汽油，但過去使用含鉛汽油造成的鉛污染在部分地區(qū)仍有殘留。柴油發(fā)動機(jī)排放的尾氣中含有較多的鐵、銅、鋅等金屬元素，這些元素主要來源于發(fā)動機(jī)的磨損以及柴油中的雜質(zhì)。此外，尾氣中的氮氧化物、碳?xì)浠衔锏任廴疚镌诖髿庵邪l(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，也會促進(jìn)金屬元素在顆粒物表面的吸附和富集。輪胎磨損會產(chǎn)生含有鋅、銅、鐵等金屬元素的顆粒物。輪胎的主要成分是橡膠，其中添加了各種助劑，如氧化鋅、促進(jìn)劑等，在輪胎與路面的摩擦過程中，這些助劑會逐漸釋放出來，形成含有金屬元素的顆粒物。研究表明，輪胎磨損產(chǎn)生的顆粒物粒徑較小，多在PM2.5范圍內(nèi)，容易被人體吸入，對健康危害較大。剎車磨損同樣會釋放出多種金屬元素。剎車片和剎車盤在摩擦過程中，會產(chǎn)生含有銻、銅、鋅、鐵等金屬元素的顆粒物。例如，在頻繁剎車的路段，如城市交通擁堵區(qū)域或山區(qū)道路，大氣顆粒物中銻的濃度會明顯升高，這與剎車磨損排放密切相關(guān)。剎車磨損顆粒物的排放不僅與車輛行駛狀況有關(guān)，還與剎車片的材質(zhì)和質(zhì)量有關(guān)，不同材質(zhì)的剎車片在磨損過程中排放的金屬元素種類和數(shù)量存在差異。3.1.3燃煤污染煤炭燃燒是中國大氣污染的重要來源之一，在燃燒過程中會釋放出多種金屬元素。煤炭中本身含有一定量的金屬元素，如鉛、汞、鎘、砷、鉻等，這些元素在煤炭燃燒時會隨著煙氣排放到大氣中。不同煤質(zhì)對金屬元素的釋放有顯著影響。高硫煤在燃燒時，由于硫的存在，會促進(jìn)一些金屬元素的揮發(fā)和排放。研究表明，高硫煤燃燒產(chǎn)生的煙氣中，汞、鉛等重金屬的含量明顯高于低硫煤。這是因?yàn)榱蛟谌紵^程中會與金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成易揮發(fā)的化合物，從而增加了金屬元素的排放。此外，煤中的灰分含量也會影響金屬元素的排放，灰分較高的煤在燃燒后會產(chǎn)生更多的飛灰，飛灰中往往含有大量的金屬元素。在燃煤發(fā)電過程中，煤炭在鍋爐中燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，煙氣中的金屬元素一部分會附著在飛灰顆粒上，通過靜電除塵、布袋除塵等設(shè)備可以去除大部分飛灰，但仍有少量細(xì)微顆粒會逃逸到大氣中。在工業(yè)鍋爐和民用爐灶中，由于燃燒效率相對較低，煤炭燃燒不充分，會導(dǎo)致更多的金屬元素排放到大氣中。例如，一些農(nóng)村地區(qū)使用小型燃煤爐灶取暖，這些爐灶缺乏有效的除塵脫硫裝置，燃燒產(chǎn)生的污染物直接排放到大氣中，使得周邊大氣顆粒物中金屬元素濃度升高。3.1.4農(nóng)業(yè)活動農(nóng)業(yè)活動對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)主要源于農(nóng)藥、化肥使用以及秸稈焚燒等。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥和化肥的使用較為普遍，部分農(nóng)藥和化肥中含有金屬元素，這些元素會隨著使用過程進(jìn)入大氣。一些農(nóng)藥中含有銅、鋅、鉛等重金屬，用于防治病蟲害。在噴灑農(nóng)藥時，部分農(nóng)藥會以氣溶膠的形式進(jìn)入大氣，其中的金屬元素也隨之排放?；手幸部赡芎薪饘匐s質(zhì)，如磷肥中常含有鎘等重金屬，在施肥過程中，這些金屬元素會隨著土壤揚(yáng)塵或雨水沖刷進(jìn)入大氣。秸稈焚燒是農(nóng)業(yè)活動中金屬元素排放的另一個重要來源。農(nóng)作物秸稈中含有鉀、鈣、鎂等金屬元素，在秸稈焚燒過程中，這些元素會被釋放到大氣中，形成含有金屬元素的顆粒物。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈焚燒產(chǎn)生的顆粒物中，鉀元素的含量較高，這是因?yàn)殁浭侵参锷L必需的營養(yǎng)元素，在秸稈中含量豐富。此外，秸稈焚燒還會產(chǎn)生一些揮發(fā)性有機(jī)物和多環(huán)芳烴等污染物，這些污染物會與金屬元素相互作用，影響金屬元素在大氣中的遷移和轉(zhuǎn)化。3.1.5自然源自然源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)包括土壤揚(yáng)塵、火山噴發(fā)、森林火災(zāi)等。土壤揚(yáng)塵是自然源中金屬元素的主要來源之一。在風(fēng)力作用下，地表土壤顆粒被揚(yáng)起進(jìn)入大氣，形成揚(yáng)塵。土壤中含有多種金屬元素，如鋁、鐵、鈣、鎂等，這些元素會隨著揚(yáng)塵進(jìn)入大氣顆粒物中。在干旱、半干旱地區(qū)，由于植被覆蓋度低，土壤裸露，更容易產(chǎn)生揚(yáng)塵，使得大氣顆粒物中自然源金屬元素含量增加。例如，我國北方地區(qū)春季多沙塵天氣，沙塵中攜帶的大量土壤顆粒含有豐富的金屬元素，會導(dǎo)致周邊地區(qū)大氣顆粒物中鋁、鐵等地殼元素濃度顯著升高?；鹕絿姲l(fā)是一種強(qiáng)烈的自然現(xiàn)象，會向大氣中釋放大量的金屬元素。火山噴發(fā)時，地下巖漿中的金屬元素會隨著火山灰和氣體一起噴發(fā)出來，進(jìn)入大氣。火山灰中含有硅、鋁、鐵、鈣等多種金屬元素，這些元素會在大氣中擴(kuò)散，影響周邊地區(qū)乃至全球的大氣環(huán)境。例如，1991年菲律賓皮納圖博火山噴發(fā)，大量火山灰進(jìn)入平流層，其中的金屬元素對全球氣候和大氣環(huán)境產(chǎn)生了長期影響。森林火災(zāi)也是自然源中金屬元素的一個來源。森林火災(zāi)發(fā)生時，樹木和植被中的金屬元素會隨著燃燒釋放到大氣中。森林植被中含有鉀、鈣、鎂等金屬元素，在火災(zāi)高溫作用下，這些元素會形成顆粒物排放到大氣中。森林火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧中還含有大量的有機(jī)物和碳黑，這些物質(zhì)會與金屬元素相互結(jié)合，影響金屬元素在大氣中的化學(xué)形態(tài)和環(huán)境行為。3.2來源解析方法3.2.1富集因子法富集因子法（EnrichmentFactor，EF）是一種用于判斷大氣顆粒物中金屬元素來源是人為源還是自然源的常用方法。其原理基于元素在樣品中的相對富集程度。計(jì)算公式如下：EF=\frac{(C_x/C_r)}{(N_x/N_r)}其中，C_x為樣品中元素x的含量，C_r為參比元素（通常選擇地殼中含量豐富且不易受人為活動影響的元素，如鋁、鐵等）的含量，N_x為元素x的地殼豐度，N_r為參比元素的地殼豐度。以長三角地區(qū)某城市為例，研究人員采集了大氣顆粒物樣品，并測定了其中多種金屬元素的濃度。在判斷鉛元素的來源時，選擇鋁作為參比元素。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該城市大氣顆粒物中鉛的富集因子EF值遠(yuǎn)大于1，表明鉛元素在大氣顆粒物中出現(xiàn)了明顯的富集現(xiàn)象。這意味著鉛元素的來源并非主要來自自然源，而是受到了人為活動的顯著影響。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該城市周邊存在多個鉛鋅冶煉廠以及大量使用含鉛汽油的老舊機(jī)動車，這些人為源是導(dǎo)致大氣顆粒物中鉛元素富集的主要原因。一般來說，當(dāng)EF值在0.5-1.5之間時，認(rèn)為元素主要來源于自然源；當(dāng)EF值大于1.5時，則表明元素受到人為源的影響較大。富集因子法能夠快速有效地對金屬元素的來源進(jìn)行初步判斷，為后續(xù)更深入的源解析工作提供重要依據(jù)。3.2.2主成分分析/因子分析主成分分析（PrincipalComponentAnalysis，PCA）和因子分析（FactorAnalysis，F(xiàn)A）是兩種常用的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，在大氣顆粒物金屬元素來源解析中發(fā)揮著重要作用。它們的原理都是通過對多個變量（如大氣顆粒物中不同金屬元素的濃度）進(jìn)行降維處理，將眾多相關(guān)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個互不相關(guān)的綜合變量（主成分或因子），這些綜合變量能夠盡可能地保留原始變量的信息。在PCA中，通過對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行特征值分解，得到一系列主成分。每個主成分都是原始變量的線性組合，且主成分之間相互正交。主成分的方差貢獻(xiàn)率反映了其對原始數(shù)據(jù)總方差的解釋能力，方差貢獻(xiàn)率越大，說明該主成分包含的原始變量信息越多。通常選取方差貢獻(xiàn)率累計(jì)達(dá)到一定比例（如85%）的前幾個主成分進(jìn)行分析。因子分析則是假設(shè)原始變量是由潛在的公共因子和特殊因子共同作用產(chǎn)生的。通過對原始數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣或相關(guān)矩陣進(jìn)行分析，提取出公共因子，并確定每個原始變量在各個公共因子上的載荷。因子載荷反映了原始變量與公共因子之間的相關(guān)程度。以珠三角地區(qū)某城市的大氣顆粒物研究為例，研究人員對采集的樣品中多種金屬元素（如鉛、鋅、鎘、銅、鐵等）的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。結(jié)果提取出了三個主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到88%。其中，第一主成分中鉛、鋅、鎘等元素的載荷較高，結(jié)合該地區(qū)的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，判斷第一主成分代表的污染源可能是有色金屬冶煉和電鍍等工業(yè)活動。因?yàn)樵谶@些工業(yè)生產(chǎn)過程中，會大量使用和排放鉛、鋅、鎘等有色金屬。第二主成分中銅、鎳等元素載荷較高，且該地區(qū)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，所以推測第二主成分與電子工業(yè)排放有關(guān)。第三主成分中鐵的載荷較高，同時該地區(qū)交通繁忙，機(jī)動車尾氣排放和道路揚(yáng)塵中含有較多的鐵元素，因此判斷第三主成分與交通源和揚(yáng)塵源有關(guān)。通過這種方式，主成分分析有效地識別出了該地區(qū)大氣顆粒物中金屬元素的主要污染源及其貢獻(xiàn)比例，為污染治理提供了明確的方向。3.2.3正定矩陣因子分解法（PMF）正定矩陣因子分解法（PositiveMatrixFactorization，PMF）是一種廣泛應(yīng)用于大氣顆粒物源解析的受體模型，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。與其他源解析方法相比，PMF模型不需要預(yù)先知道污染源的成分譜，能夠在不完全了解污染源信息的情況下，通過對受體樣品（即大氣顆粒物樣品）中化學(xué)組成數(shù)據(jù)的分析，識別出污染源并定量計(jì)算其貢獻(xiàn)。其原理是將受體顆粒物化學(xué)組分濃度矩陣X(n??m)分解為兩個非負(fù)矩陣，即因子貢獻(xiàn)矩陣G(n??p)和因子譜矩陣F(p??m)，以及一個殘差矩陣E(n??m)，滿足X(n??m)=G(n??p)??F(p??m)+E(n??m)。通過最小化目標(biāo)函數(shù)Q=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m}(\frac{E_{ij}}{\sigma_{ij}})^2來確定最佳的矩陣分解結(jié)果，其中E_{ij}是第i個樣品中第j個化學(xué)成分的殘差，\sigma_{ij}是第i個樣品中第j個化學(xué)成分的不確定度。以京津冀地區(qū)某城市的大氣顆粒物源解析研究為例，研究人員運(yùn)用PMF模型對采集的PM2.5樣品中多種金屬元素的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和處理，包括數(shù)據(jù)的缺失值處理、異常值剔除等，確保輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。然后，利用PMF模型進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過多次迭代優(yōu)化，最終確定了五個主要的污染源因子。通過對因子譜矩陣的分析，結(jié)合該地區(qū)的實(shí)際情況，識別出這五個因子分別代表工業(yè)源、交通源、燃煤源、生物質(zhì)燃燒源和揚(yáng)塵源。進(jìn)一步計(jì)算得到，工業(yè)源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)占比約為35%，主要貢獻(xiàn)的金屬元素有鉛、鋅、鎘等，這與該地區(qū)鋼鐵、化工等工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)活動密切相關(guān)；交通源的貢獻(xiàn)占比約為25%，主要貢獻(xiàn)元素為鐵、銅、鋅等，這些元素主要來源于機(jī)動車尾氣排放、輪胎磨損和剎車磨損等；燃煤源的貢獻(xiàn)占比約為20%，貢獻(xiàn)的金屬元素主要有汞、鉛等，反映了該地區(qū)冬季取暖燃煤以及工業(yè)燃煤的影響；生物質(zhì)燃燒源的貢獻(xiàn)占比約為10%，主要貢獻(xiàn)元素為鉀、鈉等，這與該地區(qū)農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)燃燒活動有關(guān)；揚(yáng)塵源的貢獻(xiàn)占比約為10%，主要貢獻(xiàn)元素為鋁、硅等地殼元素。3.2.4化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB）化學(xué)質(zhì)量平衡法（ChemicalMassBalance，CMB）是一種基于質(zhì)量守恒原理的源解析方法，其原理是假設(shè)大氣顆粒物中某化學(xué)組分的濃度等于各個污染源對該組分的貢獻(xiàn)之和。通過對污染源和大氣顆粒物樣品中化學(xué)組成的分析，建立數(shù)學(xué)模型，從而定量確定各污染源對大氣顆粒物中化學(xué)組分的貢獻(xiàn)比例。其基本方程為：C_j=\sum_{i=1}^{n}f_{ij}S_i+e_j其中，C_j是受體樣品（大氣顆粒物）中第j種化學(xué)組分的濃度；f_{ij}是第i個污染源中第j種化學(xué)組分的含量；S_i是第i個污染源對受體的貢獻(xiàn)；e_j是殘差，代表模型計(jì)算值與實(shí)際測量值之間的差異；n是污染源的數(shù)量。CMB模型的應(yīng)用需要滿足一定條件，首先，需要準(zhǔn)確獲取污染源的化學(xué)成分譜，即各污染源中各種化學(xué)組分的含量信息，這需要對各類污染源進(jìn)行詳細(xì)的采樣和分析。其次，要求各污染源之間的化學(xué)成分具有明顯的差異，以便能夠準(zhǔn)確區(qū)分不同污染源的貢獻(xiàn)。此外，還需要確保采樣和分析過程的準(zhǔn)確性和可靠性，減少測量誤差對模型結(jié)果的影響。以東北地區(qū)某城市為例，該城市擁有多個鋼鐵廠、熱電廠以及大量的機(jī)動車。研究人員運(yùn)用CMB模型對該城市大氣顆粒物中金屬元素進(jìn)行源解析。在建立污染源化學(xué)成分譜時，對鋼鐵廠的燒結(jié)、煉鐵、煉鋼等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，熱電廠的燃煤鍋爐，以及不同類型機(jī)動車的尾氣排放進(jìn)行了采樣分析，獲取了各污染源中多種金屬元素（如鐵、錳、鋅、鉛、汞等）的含量數(shù)據(jù)。同時，采集了該城市不同區(qū)域的大氣顆粒物樣品，測定其中金屬元素的濃度。將這些數(shù)據(jù)代入CMB模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，鋼鐵廠對大氣顆粒物中鐵、錳等金屬元素的貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)比例分別達(dá)到50%和40%左右，這與鋼鐵生產(chǎn)過程中大量排放含鐵、錳顆粒物的實(shí)際情況相符；熱電廠燃煤源對汞、鉛等元素的貢獻(xiàn)較為顯著，貢獻(xiàn)比例分別為30%和25%左右，這是因?yàn)槊禾咳紵^程中會釋放出這些重金屬元素；機(jī)動車交通源對鋅、銅等元素的貢獻(xiàn)相對較大，貢獻(xiàn)比例分別為20%和15%左右，主要來源于機(jī)動車零部件磨損和尾氣排放。通過CMB模型的應(yīng)用，準(zhǔn)確地解析了該城市大氣顆粒物中金屬元素的污染源及其貢獻(xiàn)，為制定針對性的污染治理措施提供了有力的數(shù)據(jù)支持。3.3不同地區(qū)來源解析案例研究3.3.1典型工業(yè)城市以唐山為例，這座城市作為中國重要的鋼鐵工業(yè)基地，工業(yè)排放是大氣顆粒物中金屬元素的主要來源。唐山擁有眾多大型鋼鐵企業(yè)，其鋼鐵產(chǎn)量在全國占據(jù)重要地位。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，從鐵礦石的開采、選礦到燒結(jié)、煉鐵、煉鋼等一系列環(huán)節(jié)，都會產(chǎn)生大量含有金屬元素的污染物。在燒結(jié)工序，鐵礦石與其他輔助原料混合后在高溫下燒結(jié)，這個過程會釋放出大量的含鐵、錳、鋅等金屬元素的顆粒物。據(jù)相關(guān)研究，唐山鋼鐵工業(yè)區(qū)大氣顆粒物中鐵的濃度可高達(dá)800ng/m3以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周邊非工業(yè)區(qū)域。這些金屬元素不僅來源于鐵礦石本身，還與生產(chǎn)過程中使用的各種添加劑和輔料有關(guān)。除了鋼鐵生產(chǎn)，唐山的焦化、水泥等行業(yè)也對大氣顆粒物中金屬元素有一定貢獻(xiàn)。焦化行業(yè)在煉焦過程中，會產(chǎn)生含有鉛、汞、鎘等重金屬的廢氣。水泥生產(chǎn)過程中，石灰石、黏土等原料在高溫煅燒下，會釋放出鈣、硅、鋁等金屬元素，這些元素會隨著水泥窯尾氣排放到大氣中。通過對唐山大氣顆粒物中金屬元素的源解析研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)占比超過70%。其中，鋼鐵行業(yè)貢獻(xiàn)了約50%，主要貢獻(xiàn)元素為鐵、錳、鋅等；焦化行業(yè)貢獻(xiàn)了約15%，主要貢獻(xiàn)元素為鉛、汞、鎘等；水泥行業(yè)貢獻(xiàn)了約5%，主要貢獻(xiàn)元素為鈣、硅、鋁等。這些數(shù)據(jù)表明，工業(yè)排放是唐山大氣顆粒物中金屬元素的主要來源，控制工業(yè)污染源對于改善唐山的大氣環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。3.3.2特大城市北京作為中國的首都和特大城市，大氣顆粒物中金屬元素來源呈現(xiàn)多元化的特點(diǎn)。交通源是重要的貢獻(xiàn)源之一，北京機(jī)動車保有量巨大，截至2023年底，全市機(jī)動車保有量達(dá)到630.7萬輛。機(jī)動車尾氣排放、輪胎磨損和剎車磨損都會釋放出金屬元素。在交通繁忙的區(qū)域，如長安街、四環(huán)等主干道周邊，大氣顆粒物中鐵、銅、鋅等金屬元素濃度明顯高于其他區(qū)域。研究顯示，交通源對北京大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)占比約為30%，其中機(jī)動車尾氣排放貢獻(xiàn)了約20%，輪胎磨損和剎車磨損分別貢獻(xiàn)了約5%。工業(yè)源在北京大氣顆粒物金屬元素來源中也占有一定比例。雖然近年來北京不斷推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，淘汰了大量高污染、高耗能企業(yè)，但仍有部分工業(yè)企業(yè)存在，如一些化工、建材企業(yè)。這些企業(yè)在生產(chǎn)過程中會排放出鉛、汞、鎘等重金屬元素。通過源解析研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)源對北京大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)占比約為20%。燃煤源在北京大氣顆粒物金屬元素來源中曾經(jīng)占據(jù)重要地位，但隨著“煤改氣”“煤改電”等清潔取暖工程的推進(jìn)，燃煤污染得到了有效控制。然而，在冬季供暖期間，部分地區(qū)仍會使用燃煤，導(dǎo)致大氣顆粒物中汞、鉛等金屬元素濃度升高。目前，燃煤源對北京大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)占比約為15%。此外，北京的建筑施工活動頻繁，揚(yáng)塵源也是大氣顆粒物中金屬元素的一個來源。建筑施工過程中，土方開挖、物料運(yùn)輸、混凝土攪拌等環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生揚(yáng)塵，揚(yáng)塵中含有鈣、硅、鋁等地殼元素以及一些重金屬元素。揚(yáng)塵源對北京大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)占比約為10%。北京大氣顆粒物中金屬元素來源的季節(jié)變化也較為明顯。冬季，由于供暖需求，燃煤源的貢獻(xiàn)會有所增加；同時，大氣擴(kuò)散條件較差，污染物容易積聚，使得各污染源的影響都更為顯著。夏季，降水較多，對大氣顆粒物有沖刷作用，各污染源的貢獻(xiàn)相對較小；但由于氣溫較高，機(jī)動車尾氣排放中的金屬元素在大氣中的化學(xué)反應(yīng)更為活躍，可能會對大氣顆粒物中金屬元素的組成和分布產(chǎn)生一定影響。3.3.3農(nóng)業(yè)大省城市鄭州作為農(nóng)業(yè)大省河南的省會城市，農(nóng)業(yè)活動對大氣顆粒物中金屬元素的影響不容忽視。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)藥和化肥的使用較為普遍。部分農(nóng)藥中含有銅、鋅、鉛等重金屬，在噴灑農(nóng)藥時，這些金屬元素會隨著農(nóng)藥霧滴進(jìn)入大氣，形成含有金屬元素的顆粒物。例如，一些用于防治果樹病蟲害的銅制劑農(nóng)藥，在使用過程中會導(dǎo)致周邊大氣顆粒物中銅元素濃度升高?；实氖褂靡彩且粋€重要因素。磷肥中常含有鎘等重金屬，在施肥過程中，這些重金屬會隨著土壤揚(yáng)塵或雨水沖刷進(jìn)入大氣。研究表明，在鄭州周邊的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，大氣顆粒物中鎘的濃度明顯高于城市中心區(qū)域，這與磷肥的使用密切相關(guān)。秸稈焚燒是鄭州大氣顆粒物中金屬元素的另一個重要農(nóng)業(yè)來源。每年秋收和夏收季節(jié)，大量農(nóng)作物秸稈被焚燒，秸稈中含有鉀、鈣、鎂等金屬元素，在焚燒過程中，這些元素會被釋放到大氣中。據(jù)監(jiān)測，在秸稈焚燒高峰期，鄭州大氣顆粒物中鉀的濃度可升高數(shù)倍，對大氣顆粒物中金屬元素的組成產(chǎn)生顯著影響。通過對鄭州大氣顆粒物中金屬元素的源解析研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)占比約為20%。其中，農(nóng)藥和化肥使用貢獻(xiàn)了約10%，主要貢獻(xiàn)元素為銅、鋅、鎘等；秸稈焚燒貢獻(xiàn)了約10%，主要貢獻(xiàn)元素為鉀、鈣、鎂等。這表明，在鄭州這樣的農(nóng)業(yè)大省城市，控制農(nóng)業(yè)活動污染源對于減少大氣顆粒物中金屬元素污染具有重要意義。四、中國大氣顆粒物中金屬元素的健康風(fēng)險研究4.1健康風(fēng)險評估方法4.1.1暴露評估暴露評估是健康風(fēng)險評估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，旨在確定不同人群對大氣顆粒物中金屬元素的暴露劑量。常用的暴露評估模型包括美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）推薦的暴露評估模型，如綜合暴露攝入生物監(jiān)測（EXIABM）模型和吸入暴露模型（IEUBK）等。這些模型考慮了多種因素，以準(zhǔn)確估算暴露劑量。在確定不同人群的暴露劑量時，需綜合考慮多個關(guān)鍵因素。人體呼吸速率因個體差異、活動水平不同而有所變化。一般而言，成年人在靜息狀態(tài)下的呼吸速率約為15-20次/分鐘，而在劇烈運(yùn)動時，呼吸速率可增加至30-40次/分鐘。兒童由于呼吸系統(tǒng)尚未發(fā)育完全，其呼吸速率相對成年人更高，在靜息狀態(tài)下可達(dá)20-30次/分鐘。暴露時間也是重要因素，不同人群的日?；顒幽Ｊ綄?dǎo)致其室內(nèi)外暴露時間存在差異。例如，辦公室工作人員每天在室內(nèi)的時間可能長達(dá)8-10小時，而戶外工作者在室外的時間則相對較長。大氣顆粒物濃度的時空變化同樣不容忽視，不同地區(qū)、不同季節(jié)以及不同時間段的大氣顆粒物濃度各不相同。如前文所述，京津冀地區(qū)冬季大氣顆粒物中金屬元素濃度較高，而夏季相對較低。以北京市為例，研究人員利用EXIABM模型對當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行暴露評估。通過收集北京市不同區(qū)域的大氣顆粒物濃度數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用竦纳盍?xí)慣、活動模式等信息，確定了不同人群的暴露參數(shù)。對于兒童，考慮到其戶外活動時間相對較多，且呼吸速率較快，在計(jì)算暴露劑量時給予相應(yīng)的權(quán)重。結(jié)果顯示，北京市兒童對大氣顆粒物中鉛元素的日均暴露劑量約為5μg/kgbw/day，而成年人的日均暴露劑量約為3μg/kgbw/day。這表明不同人群由于自身特點(diǎn)和生活方式的差異，對大氣顆粒物中金屬元素的暴露劑量存在明顯不同。4.1.2劑量-反應(yīng)關(guān)系評估劑量-反應(yīng)關(guān)系評估是確定大氣顆粒物中金屬元素暴露劑量與人體健康效應(yīng)之間定量關(guān)系的重要過程。確定劑量-反應(yīng)關(guān)系的方法主要基于流行病學(xué)研究、動物實(shí)驗(yàn)以及體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)等。流行病學(xué)研究通過對暴露于大氣顆粒物中金屬元素的人群進(jìn)行長期觀察和跟蹤，分析暴露劑量與健康效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)。如對某工業(yè)城市長期暴露于高濃度大氣顆粒物金屬元素環(huán)境下的居民進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隨著大氣顆粒物中鉛濃度的增加，居民患心血管疾病的風(fēng)險呈上升趨勢。然而，流行病學(xué)研究受到多種因素的干擾，如個體遺傳差異、生活方式、其他環(huán)境污染物的共同暴露等，這些因素增加了確定劑量-反應(yīng)關(guān)系的難度和不確定性。動物實(shí)驗(yàn)則在嚴(yán)格控制的條件下，給予實(shí)驗(yàn)動物不同劑量的金屬元素暴露，觀察其健康效應(yīng)。如在對小鼠的實(shí)驗(yàn)中，分別給予不同劑量的鎘暴露，發(fā)現(xiàn)隨著鎘劑量的增加，小鼠出現(xiàn)了肺損傷、腎功能障礙等健康問題。動物實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地控制變量，但動物與人體在生理結(jié)構(gòu)和代謝機(jī)制上存在差異，將動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推至人體時存在一定的不確定性。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)利用細(xì)胞系模擬人體細(xì)胞的暴露情況，研究金屬元素對細(xì)胞的毒性作用。如通過將人肺上皮細(xì)胞暴露于不同濃度的汞離子溶液中，觀察細(xì)胞的存活率、氧化應(yīng)激水平等指標(biāo)的變化，從而確定汞離子對細(xì)胞的劑量-反應(yīng)關(guān)系。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但無法完全模擬人體復(fù)雜的生理環(huán)境，其結(jié)果也存在一定的局限性。綜合來看，由于上述研究方法各自存在局限性，確定大氣顆粒物中金屬元素劑量-反應(yīng)關(guān)系存在一定的不確定性。在實(shí)際健康風(fēng)險評估中，通常需要綜合考慮多種研究結(jié)果，并結(jié)合專家判斷，以盡可能準(zhǔn)確地確定劑量-反應(yīng)關(guān)系。4.1.3風(fēng)險表征風(fēng)險表征是健康風(fēng)險評估的最終環(huán)節(jié)，通過特定的指標(biāo)來定量描述大氣顆粒物中金屬元素對人體健康的潛在風(fēng)險。常用的風(fēng)險表征指標(biāo)包括非致癌風(fēng)險指數(shù)（HI）和致癌風(fēng)險概率（CR）等。非致癌風(fēng)險指數(shù)通常采用危害商值（HQ）的累加來計(jì)算，公式為：HI=\sum_{i=1}^{n}HQ_i=\sum_{i=1}^{n}\frac{EDI_i}{RfD_i}其中，EDI_i為第i種金屬元素的日均暴露劑量，RfD_i為第i種金屬元素的參考劑量。參考劑量是指在長期暴露情況下，預(yù)計(jì)不會對人體健康產(chǎn)生明顯危害的每日平均劑量。當(dāng)HI值小于1時，一般認(rèn)為非致癌風(fēng)險較低；當(dāng)HI值大于1時，則表明存在一定的非致癌風(fēng)險，且HI值越大，風(fēng)險越高。致癌風(fēng)險概率則用于評估大氣顆粒物中致癌金屬元素對人體產(chǎn)生致癌作用的可能性。對于具有線性劑量-反應(yīng)關(guān)系的致癌金屬元素，致癌風(fēng)險概率的計(jì)算公式為：CR=\sum_{i=1}^{n}EDI_i\timesSF_i其中，SF_i為第i種致癌金屬元素的斜率因子，反映了單位暴露劑量下致癌風(fēng)險的增加程度。一般認(rèn)為，當(dāng)致癌風(fēng)險概率在10^{-6}-10^{-4}之間時，致癌風(fēng)險處于可接受范圍；當(dāng)致癌風(fēng)險概率大于10^{-4}時，則致癌風(fēng)險較高，需要引起高度關(guān)注。以西安市為例，研究人員對大氣顆粒物中金屬元素進(jìn)行健康風(fēng)險評估。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兒童對大氣顆粒物中砷元素的非致癌風(fēng)險指數(shù)HI值為1.2，大于1，表明兒童存在一定的非致癌風(fēng)險；而成年人的HI值為0.8，小于1，非致癌風(fēng)險相對較低。在致癌風(fēng)險方面，大氣顆粒物中鉻元素對居民的致癌風(fēng)險概率為5\times10^{-5}，處于10^{-6}-10^{-4}之間，致癌風(fēng)險處于可接受范圍，但仍需持續(xù)關(guān)注。4.2不同人群健康風(fēng)險評估4.2.1兒童兒童對大氣顆粒物中金屬元素具有較高的敏感性和暴露風(fēng)險，這主要與其生理特點(diǎn)和生活習(xí)性密切相關(guān)。在生理方面，兒童的呼吸系統(tǒng)尚未發(fā)育完全，呼吸道黏膜較為脆弱，防御功能相對較弱，使得他們更容易受到大氣顆粒物中金屬元素的侵害。研究表明，兒童的肺泡數(shù)量較少，且肺泡表面積與體重的比值相對較低，這導(dǎo)致他們對空氣中有害物質(zhì)的清除能力較弱，金屬元素更容易在肺部沉積。此外，兒童的免疫系統(tǒng)也不夠完善，對金屬元素的解毒和排泄能力相對較差，使得金屬元素在體內(nèi)的蓄積風(fēng)險增加。從生活習(xí)性來看，兒童的戶外活動時間相對較多，尤其是在學(xué)校和戶外活動場所，他們呼吸頻率較快，單位體重的呼吸量大于成年人，這使得他們在相同環(huán)境下吸入更多的大氣顆粒物，從而增加了對金屬元素的暴露劑量。有研究發(fā)現(xiàn)，兒童每天在戶外活動的時間可達(dá)3-5小時，相比之下，成年人的戶外活動時間相對較少。而且，兒童在玩耍過程中，往往更貼近地面，而近地面大氣顆粒物濃度相對較高，且其中的金屬元素含量也更為豐富，進(jìn)一步增加了兒童的暴露風(fēng)險。以鉛元素為例，兒童對鉛的敏感性極高。鉛是一種具有神經(jīng)毒性的重金屬，即使在低劑量暴露下，也可能對兒童的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育產(chǎn)生不可逆的影響。研究顯示，長期暴露于含鉛的大氣顆粒物環(huán)境中，兒童的智商可能會降低，注意力不集中、學(xué)習(xí)能力下降等問題的發(fā)生率也會顯著增加。有研究對某工業(yè)城市周邊學(xué)校的兒童進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些兒童血鉛水平明顯高于城市中心地區(qū)兒童，且隨著大氣顆粒物中鉛濃度的升高，兒童血鉛超標(biāo)率也隨之上升。這充分表明，兒童由于自身生理和生活習(xí)性特點(diǎn)，在大氣顆粒物中金屬元素的暴露風(fēng)險和健康危害方面，處于更為脆弱的地位，需要給予特別關(guān)注和保護(hù)。4.2.2成年人成年人因工作和生活習(xí)慣的差異，對大氣顆粒物中金屬元素的暴露風(fēng)險呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。不同職業(yè)的成年人，其暴露風(fēng)險存在顯著差異。從事工業(yè)生產(chǎn)的工人，如在鋼鐵廠、有色金屬冶煉廠等工作的人員，由于工作環(huán)境中存在大量含有金屬元素的粉塵和廢氣，他們的暴露風(fēng)險相對較高。以鋼鐵廠工人為例，在生產(chǎn)過程中，會接觸到大量含鐵、錳、鋅等金屬元素的顆粒物，長期暴露可能導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生風(fēng)險增加，如塵肺病、金屬塵肺等。此外，一些從事化工、電鍍等行業(yè)的工人，還可能接觸到鉛、汞、鎘等重金屬，這些重金屬具有較強(qiáng)的毒性，可對人體的神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟等器官造成損害。辦公室工作人員雖然工作環(huán)境相對較為清潔，但在上下班途中，尤其是在交通擁堵的城市，會受到機(jī)動車尾氣排放的影響。機(jī)動車尾氣中含有鐵、銅、鋅等金屬元素，在早晚高峰時段，道路周邊大氣顆粒物中這些金屬元素的濃度較高。研究表明，在大城市中，辦公室工作人員在通勤過程中，對大氣顆粒物中金屬元素的暴露劑量可占其日均暴露劑量的30%-40%。此外，一些成年人有吸煙的習(xí)慣，吸煙過程中會產(chǎn)生含有金屬元素的煙霧，進(jìn)一步增加了其對金屬元素的暴露風(fēng)險。生活習(xí)慣也會影響成年人對大氣顆粒物中金屬元素的暴露風(fēng)險。喜歡戶外運(yùn)動的成年人，在戶外鍛煉時，呼吸量增加，會吸入更多的大氣顆粒物。例如，在城市公園中晨練的人群，雖然公園環(huán)境相對較好，但如果周邊交通繁忙或存在工業(yè)污染源，仍可能受到大氣顆粒物中金屬元素的影響。而長期居住在工業(yè)污染區(qū)或交通主干道附近的成年人，由于長期暴露在高濃度的大氣顆粒物環(huán)境中，其健康風(fēng)險也相對較高。4.2.3老年人老年人身體機(jī)能的下降使其對大氣顆粒物中金屬元素的健康風(fēng)險更為敏感。隨著年齡的增長，老年人的呼吸系統(tǒng)功能逐漸衰退，肺活量減少，呼吸道纖毛運(yùn)動能力減弱，這使得他們對大氣顆粒物的清除能力下降，金屬元素更容易在肺部沉積。研究表明，60歲以上老年人的肺活量相比年輕人可減少30%-40%，呼吸道纖毛的擺動頻率也明顯降低，導(dǎo)致其對大氣顆粒物的防御能力減弱。老年人的心血管系統(tǒng)功能也會出現(xiàn)不同程度的衰退，血管彈性下降，心臟功能減弱。大氣顆粒物中的金屬元素進(jìn)入人體后，可能會引發(fā)炎癥反應(yīng)，進(jìn)一步加重心血管系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。有研究發(fā)現(xiàn)，長期暴露于含有重金屬的大氣顆粒物環(huán)境中，老年人患心血管疾病的風(fēng)險顯著增加，如高血壓、冠心病、心律失常等疾病的發(fā)生率明顯上升。老年人的免疫系統(tǒng)功能也逐漸減弱，對金屬元素的解毒和排泄能力降低，使得金屬元素在體內(nèi)的蓄積風(fēng)險增加。例如，老年人的腎臟功能減退，對重金屬的排泄能力下降，導(dǎo)致重金屬在體內(nèi)蓄積，可能對腎臟造成進(jìn)一步損害。而且，老年人往往患有多種慢性疾病，如糖尿病、呼吸系統(tǒng)疾病等，這些疾病會進(jìn)一步削弱他們的身體抵抗力，使得他們對大氣顆粒物中金屬元素的健康風(fēng)險更為脆弱。以某城市老年人群體為例，研究發(fā)現(xiàn)，居住在大氣污染嚴(yán)重區(qū)域的老年人，其慢性疾病的發(fā)病率和死亡率明顯高于居住在空氣質(zhì)量較好區(qū)域的老年人，這與大氣顆粒物中金屬元素的暴露密切相關(guān)。4.3不同地區(qū)健康風(fēng)險對比4.3.1高污染地區(qū)以臨汾為例，作為能源重化工基地，煤、焦、鐵三大行業(yè)是臨汾的經(jīng)濟(jì)支柱，產(chǎn)值占其工業(yè)總產(chǎn)值的70%。臨汾鋼鐵有限公司位于臨汾市東郊，是一個集采礦、燒結(jié)、煉焦、煉鐵、煉鋼、軋材等配套工藝的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。長期的工業(yè)活動使得臨汾大氣顆粒物中金屬元素污染嚴(yán)重，對當(dāng)?shù)鼐用窠】禈?gòu)成較大威脅。通過對臨汾市大氣顆粒物中金屬元素的監(jiān)測和分析，運(yùn)用前文所述的健康風(fēng)險評估方法，對當(dāng)?shù)鼐用竦慕】碉L(fēng)險進(jìn)行評估。結(jié)果顯示，臨汾市居民對大氣顆粒物中多種金屬元素的暴露劑量較高。兒童對鉛元素的日均暴露劑量達(dá)到8μg/kgbw/day，遠(yuǎn)高于北京市兒童的暴露劑量。非致癌風(fēng)險指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，兒童的HI值達(dá)到1.5，其中鉛、砷等金屬元素的危害商值較高，表明兒童面臨著較高的非致癌風(fēng)險。這主要是由于兒童的生理特點(diǎn)和生活習(xí)性，使其更容易暴露于高濃度的大氣顆粒物中，且對金屬元素的解毒和排泄能力較弱。在致癌風(fēng)險方面，臨汾市大氣顆粒物中鉻、鎳等致癌金屬元素的致癌風(fēng)險概率較高，達(dá)到8×10??，接近可接受范圍的上限。這是因?yàn)榕R汾的工業(yè)排放中含有大量的鉻、鎳等重金屬，這些金屬在大氣中經(jīng)過復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，最終通過呼吸等途徑進(jìn)入人體，增加了患癌癥的風(fēng)險。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，臨汾市大氣顆粒物中金屬元素的主要風(fēng)險金屬元素為鉛、砷、鉻等。鉛主要來源于工業(yè)排放和燃煤污染，其具有神經(jīng)毒性，長期暴露可導(dǎo)致兒童智力發(fā)育遲緩、成人神經(jīng)系統(tǒng)損傷等問題。砷也是一種毒性較強(qiáng)的元素，具有致癌性，長期暴露可增加患皮膚癌、肺癌等癌癥的風(fēng)險。鉻同樣具有致癌性，尤其是六價鉻，其毒性更強(qiáng)，可對人體的呼吸系統(tǒng)、皮膚等造成損害。4.3.2低污染地區(qū)選擇空氣質(zhì)量較好的廈門市作為低污染地區(qū)的代表進(jìn)行對比分析。廈門市地處沿海，氣候濕潤，大氣擴(kuò)散條件良好，且工業(yè)結(jié)構(gòu)以輕工業(yè)和服務(wù)業(yè)為主，大氣顆粒物中金屬元素污染相對較輕。對廈門市大氣顆粒物中金屬元素的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，其濃度明顯低于臨汾市。兒童對大氣顆粒物中金屬元素的日均暴露劑量較低，例如，兒童對鉛元素的日均暴露劑量僅為2μg/kgbw/day，遠(yuǎn)低于臨汾市兒童的暴露劑量。在健康風(fēng)險評估方面，廈門市居民的非致癌風(fēng)險指數(shù)HI值為0.5，遠(yuǎn)小于1，表明居民面臨的非致癌風(fēng)險較低。致癌風(fēng)險概率也較低，為2×10??，處于可接受范圍的較低水平。這主要是由于廈門市良好的空氣質(zhì)量和較少的污染源，使得居民對大氣顆粒物中金屬元素的暴露劑量較低，從而降低了健康風(fēng)險。對比高污染地區(qū)臨汾和低污染地區(qū)廈門可以發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量和污染源分布對大氣顆粒物中金屬元素的濃度和健康風(fēng)險有著顯著影響。高污染地區(qū)由于工業(yè)活動頻繁、污染源眾多，大氣顆粒物中金屬元素濃度高，居民的暴露劑量大，健康風(fēng)險也相應(yīng)較高；而低污染地區(qū)空氣質(zhì)量好，污染源少，金屬元素濃度低，居民暴露劑量小，健康風(fēng)險較低。這充分說明，控制污染源、改善空氣質(zhì)量是降低大氣顆粒物中金屬元素健康風(fēng)險的關(guān)鍵措施。4.4健康風(fēng)險的影響因素4.4.1金屬元素濃度大氣顆粒物中金屬元素濃度與健康風(fēng)險之間存在密切的正相關(guān)關(guān)系。一般來說，隨著金屬元素濃度的升高，人體暴露于這些元素的劑量增加，健康風(fēng)險也隨之增大。如前文所述，在臨汾這樣的高污染地區(qū)，大氣顆粒物中鉛、砷、鉻等金屬元素濃度較高，居民對這些元素的暴露劑量相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致健康風(fēng)險升高。然而，金屬元素對人體健康產(chǎn)生危害存在一定的閾值。當(dāng)金屬元素濃度低于閾值時，人體自身的防御和修復(fù)機(jī)制可能能夠抵御其危害，健康風(fēng)險相對較低。例如，對于一些必需微量元素，如鋅、銅等，在適量濃度下，它們對人體生理功能的正常維持具有重要作用，但當(dāng)濃度超過一定閾值時，就可能產(chǎn)生毒性作用。對于非必需的有毒金屬元素，如鉛、汞等，閾值通常更低。研究表明，當(dāng)大氣顆粒物中鉛濃度超過100ng/m3時，兒童血鉛水平超標(biāo)率明顯上升，對兒童神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的潛在危害增大。不同金屬元素的閾值也各不相同，這取決于金屬元素的毒性、化學(xué)形態(tài)以及人體對其的代謝和解毒能力等因素。因此，準(zhǔn)確確定金屬元素的濃度閾值，對于評估大氣顆粒物中金屬元素的健康風(fēng)險以及制定合理的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。4.4.2暴露時間暴露時間對健康風(fēng)險有著顯著影響，長期和短期暴露會導(dǎo)致不同的健康效應(yīng)。長期暴露于含有金屬元素的大氣顆粒物環(huán)境中，金屬元素在人體內(nèi)逐漸蓄積，可能引發(fā)慢性疾病。以汞元素為例，長期暴露于低濃度汞污染的大氣環(huán)境中，汞會在人體腎臟、大腦等器官中蓄積，逐漸損害腎臟功能和神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致腎功能減退、記憶力下降、失眠等癥狀。有研究對某汞污染地區(qū)居民進(jìn)行長期跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)長期暴露的居民患腎臟疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的概率明顯高于非污染地區(qū)居民。短期暴露于高濃度的大氣顆粒物金屬元素環(huán)境中，則可能導(dǎo)致急性健康危害。在工業(yè)污染事故或突發(fā)的嚴(yán)重大氣污染事件中，短時間內(nèi)大量含有金屬元素的顆粒物排放到大氣中，人們暴露后可能迅速出現(xiàn)呼吸道刺激、咳嗽、氣喘等癥狀。如在某化工廠發(fā)生重金屬泄漏事故后，周邊居民在短時間內(nèi)吸入高濃度的金屬顆粒物，出現(xiàn)了不同程度的呼吸道炎癥和中毒癥狀。此外，暴露時間的長短還會影響金屬元素在人體內(nèi)的代謝和解毒過程。長期暴露使得人體的代謝和解毒系統(tǒng)持續(xù)處于負(fù)荷狀態(tài)，可能導(dǎo)致其功能逐漸下降，從而增加健康風(fēng)險。而短期暴露如果劑量過高，超出了人體代謝和解毒的能力范圍，也會對健康造成嚴(yán)重?fù)p害。4.4.3個體差異個體差異是影響大氣顆粒物中金屬元素健康風(fēng)險的重要因素，包括遺傳、生活習(xí)慣、基礎(chǔ)疾病等方面。遺傳因素決定了個體對金屬元素的易感性。一些人由于遺傳基因的差異，可能具有更強(qiáng)的解毒酶活性或更有效的金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，從而對金屬元素的耐受性較強(qiáng)；而另一些人則可能存在遺傳缺陷，導(dǎo)致對金屬元素的解毒和排泄能力較弱，更容易受到金屬元素的危害。例如，某些個體攜帶的基因變異可能影響其體內(nèi)金屬硫蛋白的合成，金屬硫蛋白是一種能夠結(jié)合重金屬離子，降低其毒性的蛋白質(zhì)，基因變異導(dǎo)致金屬硫蛋白合成減少的個體，對重金屬的敏感性會增加。生活習(xí)慣也會對健康風(fēng)險產(chǎn)生顯著影響。吸煙的人群由于長期吸入含有多種金屬元素的煙霧，會增加對金屬元素的暴露劑量，從而提高健康風(fēng)險。有研究表明，吸煙人群血液中鉛、鎘等重金屬含量明顯高于非吸煙人群。此外，飲食習(xí)慣也可能影響人體對金屬元素的吸收和代謝。長期食用富含鈣、鐵、鋅等營養(yǎng)素的食物，可能會競爭性抑制人體對有毒金屬元素的吸收，降低健康風(fēng)險；而長期食用受污染的食物，可能會增加金屬元素的攝入量?；A(chǔ)疾病也是影響健康風(fēng)險的關(guān)鍵因素?；加泻粑到y(tǒng)疾?。ㄈ缦⒙宰枞苑渭膊。┑娜巳?，其呼吸道黏膜受損，防御功能減弱，更容易受到大氣顆粒物中金屬元素的侵害。例如，哮喘患者暴露于含有金屬元素的大氣顆粒物中，可能會誘發(fā)哮喘發(fā)作，加重病情?；加行难芗膊〉娜巳?，金屬元素進(jìn)入人體后可能會進(jìn)一步加重心血管系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，增加心臟病發(fā)作和中風(fēng)的風(fēng)險。五、結(jié)論與展望5.1研究主要結(jié)論本研究通過對中國大氣顆粒物中金屬元素的時空分布、來源及健康風(fēng)險進(jìn)行系統(tǒng)研究，得出以下主要結(jié)論：時空分布特征：從時間分布來看，大氣顆粒物中金屬元素濃度存在明顯的季節(jié)變化，冬季濃度普遍較高，夏季相對較低。冬季取暖燃煤增加、大氣擴(kuò)散條件差等因素導(dǎo)致冬季金屬元素排放量大且不易擴(kuò)散；夏季降水和大氣對流活動對污染物的清除和稀釋作用明顯。在年際變化上，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)保政策的實(shí)施，前期金屬元素濃度呈上升趨勢，近年來則逐漸下降，表明環(huán)保政策在污染治理方面取得了顯著成效?？臻g分布上，不同地區(qū)大氣顆粒物中金屬元素濃度差異顯著。京津冀、長三角、珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且工業(yè)活動密集的地區(qū)污染較為嚴(yán)重，主要與當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和地理氣象條件有關(guān)。城市大氣顆粒物中金屬元素含量普遍高于農(nóng)村，不同功能區(qū)中，工業(yè)區(qū)污染最為嚴(yán)重，其次是商業(yè)區(qū)、居民區(qū)和交通樞紐地區(qū)，各功能區(qū)的污染特征與區(qū)域內(nèi)的人類活動密切相關(guān)。空間分布上，不同地區(qū)大氣顆粒物中金屬元素濃度差異顯著。京津冀、長三角、珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且工業(yè)活動密集的地區(qū)污染較為嚴(yán)重，主要與當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和地理氣象條件有關(guān)。城市大氣顆粒物中金屬元素含量普遍高于農(nóng)村，不同功能區(qū)中，工業(yè)區(qū)污染最為嚴(yán)重，其次是商業(yè)區(qū)、居民區(qū)和交通樞紐地區(qū)，各功能區(qū)的污染特征與區(qū)域內(nèi)的人類活動密切相關(guān)。來源分析：大氣顆粒物中金屬元素的主要來源包括工業(yè)排放、交通運(yùn)輸、燃煤污染、農(nóng)業(yè)活動和自然源等。工業(yè)排放涵蓋鋼鐵、有色金屬冶煉、化工等多個行業(yè)，排放的金屬元素濃度高、成分復(fù)雜。交通運(yùn)輸中，機(jī)動車尾氣、輪胎磨損和剎車磨損釋放出多種金屬元素。燃煤污染受煤質(zhì)和燃燒方式影響，不同煤質(zhì)燃燒釋放的金屬元素不同，燃煤發(fā)電、工業(yè)鍋爐和民用爐灶的排放也各有特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)活動主要通過農(nóng)藥化肥使用和秸稈焚燒貢獻(xiàn)金屬元素。自然源包括土壤揚(yáng)塵、火山噴發(fā)和森林火災(zāi)等，在特定地區(qū)和條件下對大氣顆粒物中金屬元素有重要影響。通過富集因子法、主成分分析/因子分析、正定矩陣因子分解法（PMF）和化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB）等源解析方法，明確了不同地區(qū)各污染源的貢獻(xiàn)比例。典型工業(yè)城市如唐山，工業(yè)源貢獻(xiàn)占比超過70%；特大城市北京，交通源、工業(yè)源、燃煤源等均有貢獻(xiàn)，且存在季節(jié)變化；農(nóng)業(yè)大省城市鄭州，農(nóng)業(yè)源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)占比約為20%。通過富集因子法、主成分分析/因子分析、正定矩陣因子分解法（PMF）和化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB）等源解析方法，明確了不同地區(qū)各污染源的貢獻(xiàn)比例。典型工業(yè)城市如唐山，工業(yè)源貢獻(xiàn)占比超過70%；特大城市北京，交通源、工業(yè)源、燃煤源等均有貢獻(xiàn)，且存在季節(jié)變化；農(nóng)業(yè)大省城市鄭州，農(nóng)業(yè)源對大氣顆粒物中金屬元素的貢獻(xiàn)占比約為20%。健康風(fēng)險研究：采用暴露評估、劑量-反應(yīng)關(guān)系評估和風(fēng)險表征等方法對大氣顆粒物中金屬元素的健康風(fēng)險進(jìn)行評估。暴露評估考慮人體呼吸速率、暴露