江苏省典型城市PM2.5及其主要化学组分污染特征与来源分析*

江苏省环境监测中心 汪琦，袁琦，秦艳红，徐政，秦玮

随着工农业发展、城市化进程加快及大量化石燃料的使用，我国大气污染问题仍较为突出，尤其是细颗粒物(PM2.5)，已成为当前影响我国空气质量的重要因素。根据我国生态环境部发布的《中国生态环境状况公报》，2019年我国 337个地级及以上城市发生重度及以上污染 1849 天次，以 PM2.5为首要污染物的天数占重度及以上污染天数的比例高达 78.8%。研究表明，PM2.5对生态环境、气候变化和人体健康等均存在较大的负面影响[1-4]，水溶性离子、含碳气溶胶（一般分为：有机碳OC和元素碳EC）、无机元素是PM2.5的主要组成部分，水溶性离子中的硫酸盐和硝酸盐具有较强消光效应，会导致大气能见度降低，导致雾霾天气发生；OC中含有多种致癌物质,可对人体健康造成极大危害、EC具有较强的吸收特性,会吸收太阳辐射,加热大气,影响大气能见度甚至全球气候变化。此外，PM2.5中的一些重金属元素，尽管含量较低，但是对环境危害极大。因此，研究PM2.5及其化学组分特征对于大气污染成因分析和大气污染控制意义重大

江苏省是我国东部经济较发达、人口密集，同时大气污染问题较为严重的地区。近年来，许多学者对江苏省内PM2.5及其主要化学组分进行过相关研究[5-6]，这些研究主要集中在南京、苏州等部分大城市，缺乏对省级尺度的系统分析。本文基于江苏省8个典型城市空气质量自动监测站点的常规参数逐时数据、超级站颗粒物在线数据，对省内PM2.5及其主要化学组分的污染特征进行系统分析，以期为制定更有针对性的大气污染防治政策提供参考。

一、数据与方法

本文选取江苏省徐州、连云港、南通、镇江、常州、无锡及苏州8个典型城市为研究对象，对2020年1-10月空气质量监测数据、气象数据及颗粒物组分数据进行研究。基于常规六参数、气象五参数和颗粒物特征组分数据，对分析时段的监测数据进行初审和复审，确保研究数据质量的可靠性。

颗粒物源解析技术是对大气环境中颗粒物的来源进行定性或定量研究的技术，是颗粒物污染防治工作中所应用的重要技术手段，可以全面地建立颗粒物源排放和大气环境质量之间的关系。利用源解析的结果指导颗粒物污染治理工作，可以提高污染物治理工作的科学性、合理性和针对性。随着源解析研究的深入发展和相关技术的进步，当前颗粒物来源解析方法主要分为排放清单法、扩散模型和受体模型三大类。

本文基于受体点的观测数据，主要采用PMF受体模型对江苏省颗粒物的来源结构进行解析。

二、结果与分析

（一）PM2.5浓度变化特征分析

图1为2020年1-10月江苏省各城市PM2.5月均浓度分布情况。由图可以看出，不同月份各城市PM2.5的质量浓度波动较为明显，冬季（1-2月）PM2.5浓度值普遍较高，夏季（6-8月）PM2.5浓度值最低。同时，空间分布也较为明显，徐州、宿迁等苏北地区PM2.5浓度明显高于其他城市，苏州、无锡、南京等苏南地区PM2.5浓度处于较低水平。同时，东部沿海地区PM2.5浓度要低于西部地区，这种空间分布差异与当地的产业结构、工业布局、气象条件等因素关系密切。

（二）PM2.5主要化学组分分析

分析江苏省8个城市的PM2.5的化学组成以及各组分浓度累积情况可知，1-10月各组分平均累积浓度范围在27.11μg/m3-48.25μg/m3之间，其中徐州的浓度最大，其次是南京、常州和无锡，除镇江外，苏州的浓度最小。从组成上看，各城市均以水溶性离子为主，尤其是连云港，水溶性离子占比变化范围为60.0%（苏州）-73.7%（连云港）；其次均为OM，占比从21.1%（常州）-33.4%（苏州）；EC以及无机元素占比变化范围分别为2.4%（徐州）-6.3%（常州）和2.0%（苏州）-5.1%（徐州）。各城市水溶性离子在不同季节均为PM2.5的主要组分，且呈现冬季大于春、夏、秋季的特征，除镇江外其次均为OM，OM季节特征不显著，无锡秋季以及苏州秋季OM占比较大，分别为61.6%和45.4%。

进一步探究二次有机气溶胶的分布特征，徐州和无锡不同月份之间SOC浓度波动较大，徐州1月和2月份SOC浓度突出，占累计浓度的比值分别为63.6%和72.1%，苏州4月份SOC占比显著高于其他月份，达97.0%，光化学反应剧烈。连云港和常州1-2月的POC相较于其他月份明显上升，特别是2月时连云港的POC浓度超过了SOC，占比为56.3%，南通和南京POC浓度较为稳定。

2020年1-10月4城市无机元素总浓度均值为1.52μg/m3。其中徐州的无机元素总体浓度最高，苏州最低（徐州和苏州均缺测地壳元素重要组分Al和Si，可能导致其总体浓度偏低）。其中徐州市Cu元素浓度水平最高，Fe和Zn相较于其他城市也处于较高水平，这与徐州的产业结构有关，徐州矿产资源丰富，是我国重要的工业基地之一，辖区内有多家大型钢铁机械加工企业。南京和无锡浓度较高的元素种类均为Al、Si和Fe，主要来自土壤源。苏州（Al和Si缺测）浓度较高的元素仅为Fe。

4城市无机元素浓度均在春季达到最高值，与春季沙尘天频发，地壳元素等物种浓度较高有关。徐州市无机元素中以Fe和Cu为主要组分，Fe和Sn浓度在春冬季明显升高，Cu浓度较为稳定；南京和无锡主要组分为Fe、Al和Si；苏州主要组分为Fe。

（三）PM2.5来源分析

分析江苏省碳质气溶胶的主要来源，结果表明：徐州冬季的碳质气溶胶主要来源于燃煤排放，其他季节还包含少量移动源排放和生物质燃烧排放；连云港、南通、南京、无锡及苏州碳质气溶胶的主要来源均为移动源排放和燃煤排放；常州碳质气溶胶主要来源于移动源排放，燃煤排放较少。

借助NO3-和SO42-的质量比来判断环境大气中N、S固定排放源和移动排放源的相对重要性，所有城市的NO3-/SO42-质量比均大于1，表明这些城市机动车相比固定源对NO2和SO2有更高的贡献。其中连云港N/S值最高，这与其拥有连云港港这一江苏最大海港或有直接关系，轮船及港口作业机械燃料多为柴油，使用过程中会产生明显的氮氧化物排放。

借助金属元素之间的相关性判定其主要来源，发现徐州Cu、Ni、Co和Zn相关性显著，Mn和V相关性较高，均指向工业排放，Fe和Ti之间相关显著，共同来自土壤源。南京Mn、Fe、Cr和Ni相关性较高，可能来自冶金工业，Fe、Si、Ti和Se有明显的相关性，均主要来自土壤扬尘。无锡Hg与Ni、Cu、Au、Zn、Pb等元素相关性显著，表明工业排放是这些组分的主要来源，Fe、Mn、Cr和Ni具有良好的相关性，可能来自钢铁冶炼。苏州Fe、Mn、Cr和Ni之间相关性较好，均主要来自钢铁冶炼。

三、结束语

江苏省不同月份PM2.5的质量浓度波动较为明显，冬季（1-2月）PM2.5浓度值较高，夏季（6-8月）PM2.5浓度值最低。PM2.5浓度空间分布特征明显，苏北地区PM2.5浓度高于苏南地区，西部地区PM2.5浓度高于东部地区。苏州、无锡、南京PM2.5浓度处于较低水平。冬季，徐州碳质气溶胶的主要来源为燃煤排放，连云港、南通、南京、无锡及苏州主要来源均为移动源排放和燃煤排放。

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细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5。细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

2013年2月，全国科学技术名词审定委员会将PM2.5的中文名称命名为细颗粒物。细颗粒物的化学成分主要包括有机碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐（Na+）等。

颗粒物的成分很复杂，主要取决于其来源。主要有自然源和人为源两种，但危害较大的是后者。在学术界的分为一次气溶胶（Primary aerosol）和二次气溶胶（Secondary aerosol）两种。

自然源包括土壤扬尘（含有氧化物矿物和其他成分）海盐（颗粒物的第二大来源，其组成与海水的成分类似）、植物花粉、孢子、细菌等。自然界中的灾害事件，如火山爆发向大气中排放了大量的火山灰，森林大火或裸露的煤原大火及尘暴事件都会将大量细颗粒物输送到大气层中。