元素空气

大气颗粒物中重金属污染研究进展

摘要近年来由于大气颗粒物中的重金属污染，对人体和环境造成一系列的

危害，因此大气颗粒物中的重金属受到学者们的广泛研究。针对颗粒物中重金属

在不同时间和空间及不同粒径颗粒物中的含量和分布特征，以及重金属的来源解

析和形态分析上进行综述，总结近年来大气颗粒物中重金属研究的成果，并就该

领域研究方向进行了展望。

关键词大气颗粒物；重金属；分布特征；来源解析；形态分析

大气颗粒物（ParticulateMatter，PM），是指大气中除气体之外的物质，包

括各种各样的液体、固体和气溶胶，其粒径范围在0.01～200.00μm[1]。

我国的《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中定义：悬浮颗粒物为能悬

浮在空气中，空气动力学当量直径小于100μm的颗粒物，用TSP表示；可吸入

颗粒物为悬浮在空气中，空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物，用PM10

表示；环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，用PM2.5表

示[2]。TSP的粒径范围为0.1～100.0μm，它不仅包括被风扬起的大颗粒物，也

包括烟、雾以及污染物相互作用产生的二次污染物等极小颗粒物[3]。

重金属原义是指比重大于5的金属，如Cu、Pb、Zn、Fe、Co、Ti、Mn、

Cd、Hg、W、Mo、Ni、V、Ta、Au、Ag等。生物的生命活动中需要某些微量

或者痕量的重金属如Cu、Zn、Mn等来促进生物的生长需要，但大部分重金属

如Pb、Cd等并非生命活动所必须，而且所有重金属具有生物积累性，在生物体

内富集，超过一定浓度时都具有显著的生物毒性对人体、环境都具有危害。

随着经济的快速发展，工业化进程的加速，重金属的开采、冶炼、加工、使

用，使得大量重金属及其化合物以各种形式存在于大气、水体、土壤等中，对环

境产生严重污染。由于重金属的毒性和它们通过食物链生物积累导致了严重的生

态和健康问题，因此对于重金属污染的研究也成为目前环境研究的热点问题。

大气颗粒物中重金属的来源有很多，大体分为自然源和人为源。自然源主要

来自于地壳土壤中的金属，由于气象等因素到大气中。人为源主要是由于人类活

动引起的，如汽车尾气排放、燃煤燃料的燃烧等。我国的大气颗粒物中重金属污

染比较严重，尤其是城市大气颗粒物中的重金属污染。因此众多学者对我国城市

大气颗粒物中的重金属进行了一系列的研究。

1大气颗粒物中重金属的分布特征

1.1时间分布

金属元素在大气颗粒物中的时间分布变化显著，往往具有明显的季节变化和

日变化规律[4]。闫向阳等[5]对沈阳市环境空气颗粒物中的重金属污染进行研究

发现，沈阳市大气PM10中人为源排放重金属除硒（Se）元素含量最大值出现在

春季（4月）以外，Pb、As、Zn、Cu等重金属含量最大值均出现在冬季（1月）。

而重金属含量最小值均出现在夏季（7月）。刘艳秋等[6]对图们市大气颗粒物中

重金属含量及分布特征研究发现：图们市大气颗粒物中重金属含量由高到低的顺

序是Fe>Cr>Zn>Pb>Mn>Cu>Cd。伊丽米热·阿布达力木等[7]对新疆乌鲁木齐市大

气颗粒物中重金属浓度分布特征进行研究，发现采暖期、非采暖期PM2.5和

PM10中重金属的总浓度除Ni之外其他重金属的浓度采暖期均高于非采暖期。

刘刚等[8]也研究了随着季节的变化杭州市大气PM2.5中重金属，发现PM2.5

中金属元素总平均质量百分含量在各个采样点基本上均依春、夏、秋、冬的次序

逐渐降低。张志刚[9]也研究了鞍山市各个季节大气中PM10和PM2.5中重金属

含量得出1月最高，7月最低，颗粒物中重金属含量随季节变化特征明显。

1.2空间分布

大气中的重金属浓度随空间分布的不同也有很大差异。近年来，不少学者对

不同空间上的重金属的浓度进行了相关研究。在纵向空间研究上，侧重于不同高

度大气颗粒物中重金属含量的调查和对比，得出重金属空间分布的规律。

袁媛[10]对河南省开封市大气颗粒物随高度垂直分布变化进行研究，通过对

秋季和冬季玉祥酒店和电业局2个采样点各在4个不同高度的PM10和PM2.5

中的重金属浓度进行监测，发现各金属元素来源不同垂直分布特征也不相同。

余涛等[11]对辽宁省的3个典型城市沈阳市、锦州市、葫芦岛市大气颗粒

物中重金属元素的分布进行了研究，发现不同城市重金属在颗粒物中的分布、含

量有很大的差异。梁越等[12]对南昌市3个功能区采样点大气颗粒物PM10中

的重金属污染特征研究，发现工业区采样点大气颗粒物PM10重金属的浓度远高

于交通区和居民住宅区。按重金属污染程度排序依次为

Zn>Mn>Pb>Cd>Cu>Cr>Ni。

1.3颗粒物粒径分布

大气颗粒物中重金属不仅与时间和空间的变化有关，而且还与颗粒物的粒径

有关。大气中的重金属大75%～90%分布细颗粒物中[13-14]。

齐学先[15]对河北省保定市大气颗粒物中重金属砷3种价态的污染特征进行

了研究，结果如下：三价砷在TSP、PM10、PM2.5中的含量依次上升，分别是

0.60、2.41、17.24μg/g，五价砷的含量依次是0.39、1.06、4.63μg/g，总砷的含

量依次为0.99、3.47、21.87μg/g。表明对于不同粒径的颗粒物来说，粒径越小，

其携带的砷浓度越高，说明粒径越小对砷的载带能力越高。康富华[16]也研究探

讨石家庄市大气颗粒物中重金属铅的污染发现金属元素铅随着大气颗粒物比表

面积的增大，含量也在增加。

鲁静等[17]等究了我国西南地区小龙潭、阳宗海和贵阳3个燃煤电厂排放

可吸入颗粒物（PM10）中重金属元素（As、Se、Be、Pb、Cd和Co）的分布与

富集特征发现，以As、Se、Cd和Pb为代表的元素表现出随PM10粒径的减小

其含量总体增大的趋势，其中As和Se随颗粒物粒径的减小，含量上升趋势明

显。林治卿等[18]研究了天津市采暖期不同颗粒物中重金属污染状况发现，PM2.5

和PM10中重金属含量在TSP的重量百分比而言，PM10占TSP总量的68.86%，

PM2.5占TSP总量的12.80%。而PM2.5对重金属的载带能力明显高于PM10。

杜刚[19]和余涛等[11]通过研究后也认为辽宁省大气颗粒物中重金属更容易富

集在PM2.5上，PM2.5中所含有的重金属在PM10中重金属的含量都超过了50%，

重金属Cr甚至达到90%。这也表明颗粒物粒径越小，重金属更易富集。

2重金属的来源解析

大气颗粒物中重金属的来源分析方法一般有聚类分析（HCA）、化学质量平

衡（CMB），因子分析（FA）、多重线性回归分析（MLR）、主成分分析法（PCA）、

富集因子法（EF）等[20]。其中主成分分析法和富集因子法运用的比较多。王焕

顺等[21]用主成分分析法对大连市区大气颗粒物中重金属来源进行了分析，结果

表明大连市区大气颗粒物中的Fe、Mn、Pb来源于土壤扬尘，Ni、Cu来源于燃

煤排放，Cd的来源可能是化工尘。

富集因子法是最常用的重金属来源研究的分析手段。富集因子法可以判别大

气颗粒物中污染元素的人为成因和自然成因[22]。通过计算大气颗粒物中重金属

元素的富集程度，将富集因子值大于10的元素判定为人为来源元素。

黄顺生等[23]对南京市大气降尘重金属来源进行研究，用富集因子法，以Fe

为参比元素，分析了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Mo、Ni、Pb、Se、Zn等元

素富集因子。结果表明，第1类是Cr、Mn，它们的富集因子普遍小于或接近1，

平均值分别为1.8、1.0，表明大气降尘中Cr、Mn主要来源于土壤颗粒；第2类

是As、Hg、Ni、Cu、Mo，它们的富集因子主要在1～10，表明这些元素除土壤

来源外，还可能叠加工业污染的影响；第3类是以Cd、Pb、Zn、Se为典型的元

素，它们的富集因子普遍大于10，平均值分别高达28、14、11、29，表明这些

元素受到明显的污染。

谢东海等[24]用富集因子法对海口市颗粒物重金属来源分析发现，海口市大

气颗粒物中Mn、Cr、V、Ni、Co元素富集因子小于10，相对于地壳来源没有富

集，而Pb、Cu、Zn、Cd元素富集因子均大于10，说明这些元素说明这些元素

在空气颗粒物中的浓度主要与人类的活动有关。

刘齐等[25]对柳州市大气PM10中的重金属来源进行了研究，以Mn为参比

元素，用富集分析法进行了分析发现除参比元素Mn外，Fe、Zn、Pb、Cd的富

集因子均>10，Zn和Cd的富集因子极大。表明PM10中Fe、Zn、Pb、Cd主要

不是来自地壳（扬尘），而是与人类活动的污染有关。

路新燕[26]用富集因子分析法对郑州市采暖季和非采暖季TSP、PM10和

PM2.5中的8种重金属的富集情况进行了评价。结果表明，颗粒物中的重金属

Pb和Cd在采暖期和非采暖期的富集程度最严重，属极重污染元素；Cu的富集

程度在经分析的8种重金属的富集程度属中等程度，Cr、Mn、Co、Ni、Be受到

的污染较轻。Pb、Cd在粒径小的细粒子上更容易被富集，除此以外，重金属在

颗粒物上的富集还受到季节的气候、空气相对湿度等方面原因的影响。

3重金属的形态分析

同一种重金属元素在不同的化学相中具有不一样的活性，对人体和环境危害

程度也不同。因此，对大气环境中重金属的不同形态分析的研究是很有必要的。

Tessieretal[27]采用连续提取法把固体颗粒金属的存在形态划分为可交换态、碳

酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态等5类。Tessier连续提

取法也被国内外学者广泛应用于大气环境重金属形态分析中。BCR三步萃取法

是欧共体标准局在Tessier分析方法的基础上提出的，该方法按步骤定义为弱酸

提取态（HAc提取）、可还原态（NH2OH·HCl提取）、可氧化态（H2O2）[28]。

采用改进的BCR连续提取法将重金属元素形态分为酸可提取态、氧化物结合态、

有机物结合态和残渣态。其中，酸可提取态最为活跃，在外界pH值降低时容易

释放出来；氧化物结合态和有机物结合态相对稳定，但在外界氧化还原条件改变

时易发生转化；残渣态比较稳定，不易迁移和转化，对环境危害较小。

谢华林等[29]用Tessier五步提取法分析了大气颗粒物中重金属的形态，发现

Zn元素主要以水溶态、碳酸盐态、氧化态和有机态4种有效态存在；Pb元素主

要以不溶态存在，同时有一部分以水溶态和氧化态存在；Cu元素在细粒子中均

匀分布在4种有效态中，在粗粒子中则均匀分布在水溶态、氧化态和有机态中；

V主要分布在不溶态和氧化态中；Mn元素主要分布在水溶态和氧化态中；Co

元素则主要分布在水溶态、氧化态和不溶态中。

彭景[30]研究了大气TSP和PM10中重金属不同形态占总量的百分比的空间

分布，发现在TSP重金属中，可交换态浓度超过总量的50%的重金属有Pb、Zn、

Cd、Ni、Mn；在PM10重金属中，可交换态浓度超过总量的50%的重金属有Pb、

Cd、Ni、Mn，说明这几类重金属环境活性更强，危害更大。

钱枫等[31]采用改进的BCR连续提取法对北京交通环境PM10中重金属形

态进行了分析，用F1、F2、F3、F4分别代表酸可提取态、氧化物结合态、有机

物结合态和残渣态重金属浓度，得出Cr中F3>F4>F1>F2，Ni中F3>F1>F4>F2，

Cu中F1>F3>F2>F4，Zn和Pb为F1>F2>F3>F4，Cd中F2、F3、F4中浓度很小，

几乎检测不出。Zn的酸可提取态浓度最大，为0.2829μg/m3。而张慧峰等[32]

测定了北京春季大气中重金属含量及2种组成形态含量，酸可提取态和不溶态，

大气TSP和PM10中酸可提取态百分比大小分别为Cd>Pb>Cu>Cr>Ni和

Cd>Cu>Pb>Cr>Ni，Ni的酸可提取态百分比最小，Cd的酸提取态含量占总含量

的50%以上，远大于其他重金属元素。田艳丽[33]分别采用Tessier五步分级连续

提取法和BCR法测定了大气颗粒物样品重金属Hg、As、Pb的形态分布，并对

其结果进行了比较。Tessier五步提取法得出Hg、As、Pb的可交换态、碳酸盐结

合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态4种形态百分率之和（即为可提取态）分

别为4.6%、25.3%和30.3%，说明大气颗粒物中Pb的迁移性最大，As次之，Hg

最小。BCR提取法测得Hg、As、Pb的酸溶态、可氧化态和可还原态3种形态

百分率之和（即为可提取态）分别为7.1%、25.6%和11.5%，说明大气颗粒物中

As的迁移性最大，Pb次之，Hg最小，与Testier法结果有所不同。

4结语

大气颗粒物中的重金属铅对人体和环境的危害是不容忽视的，只有对天气颗

粒物中的重金属颗粒物的物理特征、化学成分进行很好的研究，才能从根本上预

防和治理天气颗粒物中的重金属，从而为人气环境质量提供依据。在过去的几年

里，各国专家学者在大气颗粒物重金属方面开展了大量的研究，并在大气重金属

的来源、化学特征、迁移与转化及其生物有效性方面取得了一定的成果，但仍然

有较多的问题需要深入研究。如PM2.5和PM0.1中重金属含量和成分的分析、

重金属在环境中的迁移和转化对生物有机体的生理生态的影响，尤其是大气重金

属污染的综合治理亟待加强和深入。

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