南京市某居民區空氣PM2.5和PM10污染分布特征分析

王園園，周連，吳俊，張秀珍，丁震，陳曉東

(1.東南大學公共衛生學院，江蘇南京 210009;2.江蘇省疾病預防控制中心，江蘇 南京 210009)

近年來，隨著我國經濟的快速發展、機動車保有量的迅猛增加以及城市化進程的加快，我國的空氣污染狀況十分堪憂［1－2］。2013 年 1 月，《中華人民共和國國家環境分析》報告指出，全世界污染最嚴重的10個城市有7個位于中國，中國的500個大型城市中達到WHO空氣質量標準的城市不到1%。南京市作為長江三角洲的中心城市之一，近年來灰霾天氣頻發，PM2.5污染越來越嚴重，其環境質量不僅對經濟發展、城市建設有影響，而且對居民身體健康狀況也有很大的影響。人們生活的空間逐漸向高處發展，因此，調查研究生活居住區的顆粒物的垂直分布情況是很有必要的。本研究在南京某居民區內設立兩個監測點，分別距離地面1.5 m和15 m，采集生活區春、夏、秋、冬季PM2.5及春夏季PM10質量濃度并分析研究其分布特征。

1 樣品采集與分析

1.1 儀器和材料

所用采樣器為智能中流量總懸浮微粒采樣器(TH－150)，使用前進行校準，以保證采樣結果的準確性。使用的濾膜為Waterman玻璃纖維濾膜和石英濾膜。采樣前，濾膜先放置馬弗爐內高溫灰化，然后放入干燥器中平衡，最后稱質量并記錄。

1.2 樣品采集

在某居民區垂直高度設2個監測點(1.5 m、15 m)，于春季(2012年5月10～16日)、夏季(2012年7月19～25日)、秋季(2012年11月13～19日)和冬季(2013年1月10～16日)采集 PM2.5，PM2.5用玻璃纖維濾膜和石英濾膜兩種濾膜同時采集，為后期PM2.5成分分析做準備;PM10于春夏季監測，且用玻璃纖維濾膜。采樣前后濾膜經過統一處理后，用萬分之一天平準確稱質量，分別記錄采樣前后濾膜的質量，根據采樣前后濾膜的質量差及采樣體積，用質量法計算出可吸入顆粒物濃度。

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2007進行數據錄入與整理，用SPSS 17.0統計軟件進行數據分析，不同季節的差異采用Kruskal－Wallis H 檢驗，PM2.5和 PM10質量濃度不同高度的差異均用Wilcoxon秩和檢驗，用Pearson積差相關分析PM2.5與PM10之間的關系及不同氣象因素對兩種顆粒物濃度的影響，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 PM2.5、PM10質量濃度監測結果

PM2.5由玻璃纖維濾膜和石英濾膜同時采集，并于春、夏、秋、冬季在不同高度進行監測，共采集16組，每組7張膜，共得樣品膜112張。見表1。

PM10只于春、夏季在不同高度用玻璃纖維濾膜采集，共采集4組，每組7張膜，共得樣品膜28張。見表2。

參考我國環境空氣質量二級標準(GB 3095－2012)日平均值(PM2.5日均值 0.075 mg·m－3，PM10日均值 0.150 mg·m－3)，南京市 PM2.5超標率為 41%，春、夏、秋、冬季的 PM2.5超標率分別為 28.6%、10.7% 、28.6% 、100% ，冬季 PM2.5污染嚴重，超標近 2倍。春、夏季PM10濃度均未超過國家標準。

2.2 PM2.5和PM10質量濃度變化趨勢

2.2.1 不同季節 PM2.5、PM10質量濃度的比較 結合表1，兩種濾膜采集的PM2.5質量濃度冬季最高，其次是春季、秋季，夏季最低。利用多個獨立樣本Kruskal－Wallis H檢驗分析PM2.5質量濃度季節差異，結果顯示:由兩種濾膜采集的不同季節的PM2.5質量濃度差異均存在統計學意義(均 P＜0.001)，不同高度采集的 PM2.5質量濃度也有顯著的季節差異(均P＜0.001)(表3)。

表1 不同高度各個季節PM2.5質量濃度(± s，n=28)Tab 1 The concentrations of PM2.5of different height in four seasons(± s，n=28)

表1 不同高度各個季節PM2.5質量濃度(± s，n=28)Tab 1 The concentrations of PM2.5of different height in four seasons(± s，n=28)

a指玻璃纖維濾膜;b指石英濾膜

指 標 高度/m 春季 夏季 秋季 冬季ρ(PM2.5)a/(mg·m －3)1.5 0.070 ±0.018 0.045 ±0.023 0.093 ±0.011 0.135 ±0.036 15 0.068 ±0.015 0.051 ±0.025 0.070 ±0.015 0.132 ±0.040 ρ(PM2.5)b/(mg·m －3)1.5 0.051 ±0.013 0.030 ±0.022 0.086 ±0.012 0.148 ±0.042 15 0.071 ±0.017 0.037 ±0.025 0.058 ±0.017 0.129 ±0.039

表2 不同高度春、夏季PM10質量濃度± s，n=14)Tab 2 The concentrations of PM10of different height in spring and summer± s，n=14)

表2 不同高度春、夏季PM10質量濃度± s，n=14)Tab 2 The concentrations of PM10of different height in spring and summer± s，n=14)

指 標 高度/m 春季 夏季ρ(PM10)/(mg·m －3)1.5 0.112 ±0.025 0.088 ±0.026 15 0.121 ±0.027 0.095 ±0.029

結合表2，春季PM10質量濃度高于夏季，通過兩個獨立樣本非參數檢驗得出，春、夏季不同高度，PM10質量濃度均無顯著性差異(表3)。

2.2.2 PM2.5和 PM10質量濃度連續 7 d 的變化 本次實驗在春、夏、冬季進行為期7 d的現場監測，秋季兩個監測點同步監測從15號(周四)開始，周四為一周的開始，采樣時間包含休息日和工作日，如圖1所示。由連續7 d的采樣結果得出:對于PM2.5來說，夏季工作日和休息日質量濃度最低，春季、秋季次之，冬季最高，工作日PM2.5質量濃度均低于休息日(夏季則相反);對于PM10，春夏季工作日質量濃度均高于休息日。

表3 不同季節不同濾膜PM2.5和PM10質量濃度差異Tab 3 Differences in the concentration of PM2.5and PM10membranes in different seasons

圖1 不同季節PM2.5、PM10質量濃度的周期性變化趨勢Fig 1 Periodic change of PM2.5and PM10concentrations in different seasons

2.3 PM2.5和PM10質量濃度的垂直變化

圖2為春、冬兩季PM2.5質量濃度的垂直變化趨勢，隨著高度的增加，春季PM2.5質量濃度逐漸升高，而冬季PM2.5質量濃度則呈現下降的趨勢。經Wilcoxon秩和檢驗分析，春、冬季節不同高度處，PM2.5質量濃度差異有統計學意義(P ＜0.05)，而且冬季 PM2.5質量濃度遠遠高于春季。另外PM2.5和PM10兩種顆粒物質量濃度變化趨勢相似(圖3)，1.5 m和15 m兩個高度處春夏兩季的 PM2.5與 PM10的比值分別為 0.63、0.51 和0.56、0.43，PM2.5在 PM10中占有很高的比例，隨著高度的增加比值有減小的趨勢。經Pearson積差相關分析，PM2.5與 PM10呈顯著性相關關系(圖 4)。

2.4 氣象因素對PM2.5和PM10質量濃度的影響

PM10、PM2.5的質量濃度變化除受污染源的影響外，主要與氣象條件密切相關。對PM10和PM2.5質量濃度與風速、本站氣壓、溫度和水平能見度進行線性相關性統計分析顯示，PM10和PM2.5質量濃度與能見度、本站氣壓和風速相關性較好，與氣溫相關性較差。PM2.5質量濃度與氣壓和能見度呈負相關，其中秋、冬季相關系數較大，春、夏季相對較小。春季PM10、PM2.5質量濃度與風速呈顯著正相關關系(圖5)。

圖2 春、冬季節PM2.5質量濃度隨采樣日期的垂直變化Fig 2 The vertical changes of PM2.5concentration in spring and winter with sampling dates

圖3 夏季PM10、PM2.5質量濃度隨采樣時間的變化趨勢Fig 3 The changes of PM10and PM2.5concentrations with sampling dates in summer

圖4 春、夏季PM10質量濃度與PM2.5質量濃度的散點圖Fig 4 The scatter of PM10and PM2.5concentration in spring and summer

3 討 論

顆粒物污染的健康危害包括急性危害和慢性危害，其涵蓋呼吸系統、心血管系統、免疫系統、交通傷害等各個環節［3－6］。不同粒徑的顆粒物均為心血管疾病的危險因素，且心血管疾病入院率和死亡率與粒徑有關，PM2.5的危害高于 PM10［7］。與發達國家相比，我國的一些經濟比較發達的城市PM2.5濃度水平很高。在上海等地的研究［3］發現，PM2.5與每日死亡率有顯著的關聯性。Samet等［4］對美國20個城市發現，PM10與心血管疾病、呼吸系統疾病及其他原因引起的死亡有關。本次研究發現，南京市某居民區PM10質量濃度未超過國家環境空氣質量二級標準，PM2.5超標率為41%，均低于 2002 年南京市(PM10為 72% ，PM2.5為 92%)［8］、2005 年哈爾濱市(PM10為 50%)［9］、2012 年貴陽市(PM10為 15% ，PM2.5為 50%)［10］。

圖5 春季PM2.5和PM10質量濃度與風速的散點圖Fig 5 The scatter of PM2.5and PM10concentration and wind speed in spring

從季節性變化來看，林海鵬等［11］發現蘭州市某城區PM10和PM2.5濃度值呈現冬季高于夏季的整體特點。本研究結果顯示，所監測小區冬季PM2.5質量濃度最高，其次是春季、秋季，夏季最低，冬季PM2.5質量濃度遠遠超過夏季。這是由于冬季溫度降低，燃料用量多，燃燒產生的顆粒物對大氣顆粒物貢獻值相對較大，同時輻射與光化學反應減弱，大氣穩定度高，污染物擴散能力低的緣故。說明南京市某居民區細顆粒物污染嚴重，需要進一步治理。

從連續7 d的變化來看，春、秋、冬季工作日PM2.5質量濃度均低于休息日，同時冬季PM2.5濃度在工作日周二最高，休息日周日最低，這與魏玉香等［12］得出的污染物質量濃度變化周二最高、周六最低的結果不完全相同。這可能與監測點的選取及采樣期間的氣象條件有關，同時這與居民活動密切相關，造成這種現象的原因有待進一步研究。

有關南京市顆粒物濃度垂直變化的研究少見報道。孔春霞等［13］研究發現，隨高度增加夏季和秋季的PM10和PM2.5平均質量濃度均呈現逐漸減小的趨勢;而且不同高度顆粒物濃度的相對含量也發生了明顯變化。本研究顯示，隨著高度的增加，春季PM2.5質量濃度逐漸升高，而冬季PM2.5質量濃度逐漸下降，這可能是由采樣地點及監測點高度不同造成的。從夏季PM2.5和PM10質量濃度變化趨勢圖來看，兩者變化趨勢相似。丁國安等［14］證明城市冠層中存在空氣污染物的同位相時空分布特征，本結果與此結論一致。說明夏季大氣顆粒物粗細粒子的相對含量比例分布較穩定。也有研究證明，降水能減少空氣中可吸入顆粒物的濃度，并能使降水后一段時間內空氣中可吸入顆粒物濃度保持在較低水平［15］。本次在春季監測期間，5月13日和5月14日有降雨出現，不同高度PM10和PM2.5質量濃度明顯降低，說明雨水對粗細顆粒物有很好的沖刷作用。本次研究時間較短，顆粒物質量濃度日變化規律不明顯，要準確地評估南京市空氣質量，還需要長期逐日連續的多點監測、PM2.5成分分析以及對氣態污染物(如NO2、O3等)的進一步研究。

［1］CHEN B，HONG C，KAN H.Exposures and health outcomes from outdoor air pollutants in China［J］.Toxicology，2004，198(1－3):291－300.

［2］Anonymous.China:the air pollution capital of the world［J］.Lancet，2005，366(9499):1761－1762.

［3］KAN H，LONDON S J，CHEN G，et al，Differentiating the effects of fine and coarse particles on daily mortality in Shanghai，China［J］.Environ Int，2007，33(3):376－384.

［4］SAMET J M，DOMINICI F，CURRIERO F C，et al.Fine particulate airpollution and mortality in 20 U.S.cities，1987－1994［J］.N Engl J Med，2000，343(24):1742－1749.

［5］DOCKERY D W，POPE C A 3rd，XU X，et al.An association between air pollution and mortality in six U.S.cities［J］.N Engl J Med，1993，329(24):1753－1759.

［6］KüNZLI N，KAISER R，MEDINA S，et al.Public－health impact of outdoor and traffic－related air pollution:a European assessment［J］.Lancet，2000，356(9232):795－801.

［7］常旭紅，張鈺，吳建茹，等.大氣顆粒物暴露與人體心血管疾病急性效應關系研究的系統評價［J］.東南大學學報:醫學版，2012，31(1):1－8.

［8］黃鸝鳴，王格慧，王薈，等.南京市空氣中顆粒物 PM10、PM2.5污染水平［J］.中國環境科學，2002，22(4):334－337.

［9］王琨，王文帥，李宏偉，等.城市大氣可吸入顆粒物的時空分布分析［J］.黑龍江大學自然科學學報，2009，26(2):220－223.

［10］徐蘭，高庚申，安裕敏.貴陽市某城區大氣中TSP、PM10、PM2.5污染水平研究［J］.三峽環境與生態，2012，34(5):8－10.

［11］林海鵬，武曉燕，戰景明，等.蘭州市某城區冬夏季大氣顆粒物及重金屬的污染特征［J］.中國環境科學，2012，32(5):810－815.

［12］魏玉香，童堯青，銀燕，等.南京 SO2、NO2和 PM10變化特征及其與氣象條件的關系［J］.大氣科學學報，2009，32(3):451－457.

［13］孔春霞，郭勝利，湯莉莉.南京市生活區夏秋季節大氣顆粒物垂直分布特征［J］.環境科學與管理，2009，34(11):35－38.

［14］丁國安，陳尊裕，高志球，等.北京城區低層大氣PM10和PM2.5垂直結構及其動力特征［J］.中國科學 D 輯:地球科學，2005，35(增刊 1):31－44.

［15］尹振東.氣象條件對可吸入顆粒物濃度的影響［J］.環境科學與管理，2005，30(3):46－47.