江蘇省典型城市PM2.5及其主要化學組分污染特征與來源分析*

江蘇省環境監測中心 汪琦，袁琦，秦艷紅，徐政，秦瑋

隨著工農業發展、城市化進程加快及大量化石燃料的使用，我國大氣污染問題仍較為突出，尤其是細顆粒物(PM2.5)，已成為當前影響我國空氣質量的重要因素。根據我國生態環境部發布的《中國生態環境狀況公報》，2019年我國 337個地級及以上城市發生重度及以上污染 1849 天次，以 PM2.5為首要污染物的天數占重度及以上污染天數的比例高達 78.8%。研究表明，PM2.5對生態環境、氣候變化和人體健康等均存在較大的負面影響[1-4]，水溶性離子、含碳氣溶膠（一般分為：有機碳OC和元素碳EC）、無機元素是PM2.5的主要組成部分，水溶性離子中的硫酸鹽和硝酸鹽具有較強消光效應，會導致大氣能見度降低，導致霧霾天氣發生；OC中含有多種致癌物質,可對人體健康造成極大危害、EC具有較強的吸收特性,會吸收太陽輻射,加熱大氣,影響大氣能見度甚至全球氣候變化。此外，PM2.5中的一些重金屬元素，盡管含量較低，但是對環境危害極大。因此，研究PM2.5及其化學組分特征對于大氣污染成因分析和大氣污染控制意義重大

江蘇省是我國東部經濟較發達、人口密集，同時大氣污染問題較為嚴重的地區。近年來，許多學者對江蘇省內PM2.5及其主要化學組分進行過相關研究[5-6]，這些研究主要集中在南京、蘇州等部分大城市，缺乏對省級尺度的系統分析。本文基于江蘇省8個典型城市空氣質量自動監測站點的常規參數逐時數據、超級站顆粒物在線數據，對省內PM2.5及其主要化學組分的污染特征進行系統分析，以期為制定更有針對性的大氣污染防治政策提供參考。

一、數據與方法

本文選取江蘇省徐州、連云港、南通、鎮江、常州、無錫及蘇州8個典型城市為研究對象，對2020年1-10月空氣質量監測數據、氣象數據及顆粒物組分數據進行研究。基于常規六參數、氣象五參數和顆粒物特征組分數據，對分析時段的監測數據進行初審和復審，確保研究數據質量的可靠性。

顆粒物源解析技術是對大氣環境中顆粒物的來源進行定性或定量研究的技術，是顆粒物污染防治工作中所應用的重要技術手段，可以全面地建立顆粒物源排放和大氣環境質量之間的關系。利用源解析的結果指導顆粒物污染治理工作，可以提高污染物治理工作的科學性、合理性和針對性。隨著源解析研究的深入發展和相關技術的進步，當前顆粒物來源解析方法主要分為排放清單法、擴散模型和受體模型三大類。

本文基于受體點的觀測數據，主要采用PMF受體模型對江蘇省顆粒物的來源結構進行解析。

二、結果與分析

（一）PM2.5濃度變化特征分析

圖1為2020年1-10月江蘇省各城市PM2.5月均濃度分布情況。由圖可以看出，不同月份各城市PM2.5的質量濃度波動較為明顯，冬季（1-2月）PM2.5濃度值普遍較高，夏季（6-8月）PM2.5濃度值最低。同時，空間分布也較為明顯，徐州、宿遷等蘇北地區PM2.5濃度明顯高于其他城市，蘇州、無錫、南京等蘇南地區PM2.5濃度處于較低水平。同時，東部沿海地區PM2.5濃度要低于西部地區，這種空間分布差異與當地的產業結構、工業布局、氣象條件等因素關系密切。

（二）PM2.5主要化學組分分析

分析江蘇省8個城市的PM2.5的化學組成以及各組分濃度累積情況可知，1-10月各組分平均累積濃度范圍在27.11μg/m3-48.25μg/m3之間，其中徐州的濃度最大，其次是南京、常州和無錫，除鎮江外，蘇州的濃度最小。從組成上看，各城市均以水溶性離子為主，尤其是連云港，水溶性離子占比變化范圍為60.0%（蘇州）-73.7%（連云港）；其次均為OM，占比從21.1%（常州）-33.4%（蘇州）；EC以及無機元素占比變化范圍分別為2.4%（徐州）-6.3%（常州）和2.0%（蘇州）-5.1%（徐州）。各城市水溶性離子在不同季節均為PM2.5的主要組分，且呈現冬季大于春、夏、秋季的特征，除鎮江外其次均為OM，OM季節特征不顯著，無錫秋季以及蘇州秋季OM占比較大，分別為61.6%和45.4%。

進一步探究二次有機氣溶膠的分布特征，徐州和無錫不同月份之間SOC濃度波動較大，徐州1月和2月份SOC濃度突出，占累計濃度的比值分別為63.6%和72.1%，蘇州4月份SOC占比顯著高于其他月份，達97.0%，光化學反應劇烈。連云港和常州1-2月的POC相較于其他月份明顯上升，特別是2月時連云港的POC濃度超過了SOC，占比為56.3%，南通和南京POC濃度較為穩定。

2020年1-10月4城市無機元素總濃度均值為1.52μg/m3。其中徐州的無機元素總體濃度最高，蘇州最低（徐州和蘇州均缺測地殼元素重要組分Al和Si，可能導致其總體濃度偏低）。其中徐州市Cu元素濃度水平最高，Fe和Zn相較于其他城市也處于較高水平，這與徐州的產業結構有關，徐州礦產資源豐富，是我國重要的工業基地之一，轄區內有多家大型鋼鐵機械加工企業。南京和無錫濃度較高的元素種類均為Al、Si和Fe，主要來自土壤源。蘇州（Al和Si缺測）濃度較高的元素僅為Fe。

4城市無機元素濃度均在春季達到最高值，與春季沙塵天頻發，地殼元素等物種濃度較高有關。徐州市無機元素中以Fe和Cu為主要組分，Fe和Sn濃度在春冬季明顯升高，Cu濃度較為穩定；南京和無錫主要組分為Fe、Al和Si；蘇州主要組分為Fe。

（三）PM2.5來源分析

分析江蘇省碳質氣溶膠的主要來源，結果表明：徐州冬季的碳質氣溶膠主要來源于燃煤排放，其他季節還包含少量移動源排放和生物質燃燒排放；連云港、南通、南京、無錫及蘇州碳質氣溶膠的主要來源均為移動源排放和燃煤排放；常州碳質氣溶膠主要來源于移動源排放，燃煤排放較少。

借助NO3-和SO42-的質量比來判斷環境大氣中N、S固定排放源和移動排放源的相對重要性，所有城市的NO3-/SO42-質量比均大于1，表明這些城市機動車相比固定源對NO2和SO2有更高的貢獻。其中連云港N/S值最高，這與其擁有連云港港這一江蘇最大海港或有直接關系，輪船及港口作業機械燃料多為柴油，使用過程中會產生明顯的氮氧化物排放。

借助金屬元素之間的相關性判定其主要來源，發現徐州Cu、Ni、Co和Zn相關性顯著，Mn和V相關性較高，均指向工業排放，Fe和Ti之間相關顯著，共同來自土壤源。南京Mn、Fe、Cr和Ni相關性較高，可能來自冶金工業，Fe、Si、Ti和Se有明顯的相關性，均主要來自土壤揚塵。無錫Hg與Ni、Cu、Au、Zn、Pb等元素相關性顯著，表明工業排放是這些組分的主要來源，Fe、Mn、Cr和Ni具有良好的相關性，可能來自鋼鐵冶煉。蘇州Fe、Mn、Cr和Ni之間相關性較好，均主要來自鋼鐵冶煉。

三、結束語

江蘇省不同月份PM2.5的質量濃度波動較為明顯，冬季（1-2月）PM2.5濃度值較高，夏季（6-8月）PM2.5濃度值最低。PM2.5濃度空間分布特征明顯，蘇北地區PM2.5濃度高于蘇南地區，西部地區PM2.5濃度高于東部地區。蘇州、無錫、南京PM2.5濃度處于較低水平。冬季，徐州碳質氣溶膠的主要來源為燃煤排放，連云港、南通、南京、無錫及蘇州主要來源均為移動源排放和燃煤排放。

相關鏈接

細顆粒物又稱細粒、細顆粒、PM2.5。細顆粒物指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5微米的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。

2013年2月，全國科學技術名詞審定委員會將PM2.5的中文名稱命名為細顆粒物。細顆粒物的化學成分主要包括有機碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽（Na+）等。

顆粒物的成分很復雜，主要取決于其來源。主要有自然源和人為源兩種，但危害較大的是后者。在學術界的分為一次氣溶膠（Primary aerosol）和二次氣溶膠（Secondary aerosol）兩種。

自然源包括土壤揚塵（含有氧化物礦物和其他成分）海鹽（顆粒物的第二大來源，其組成與海水的成分類似）、植物花粉、孢子、細菌等。自然界中的災害事件，如火山爆發向大氣中排放了大量的火山灰，森林大火或裸露的煤原大火及塵暴事件都會將大量細顆粒物輸送到大氣層中。