北京奧運期間氣溶膠中水溶性無機離子濃度特征及來源解析

郭照冰，包春曉，陳天蕾，陳天，周飛，董瓊元，林明月

(南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇南京210044)

北京奧運期間氣溶膠中水溶性無機離子濃度特征及來源解析

郭照冰，包春曉，陳天蕾，陳天，周飛，董瓊元，林明月

(南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇南京210044)

2008年7—10月在中國科學院大氣物理研究所采集氣溶膠樣品，用離子色譜進行水溶性無機離子分析，并對其組成、質量濃度變化特征、相關性及存在形式、來源解析等方面進行研究。結果顯示，整個采樣期間、和NH4+是最主要的水溶性離子，主要以(NH4)2SO4和NH4NO3形式存在;、和、Ca2+和Mg2+的相關系數(shù)都較高，具有很好的同源性。/質量濃度比值表明，奧運前，固定源(燃煤)對水溶性離子的貢獻大于流動源(機動車)，而奧運期間和奧運后則相反。因子分析表明，交通、燃煤、土壤、建筑塵和生物質燃燒源是采樣期間北京大氣污染的主要來源。

氣溶膠;水溶性無機離子;源解析

0 引言

顆粒物是大氣中數(shù)量巨大、成分復雜、危害最大的污染物之一。水溶性無機離子作為大氣顆粒物的重要組分，不僅能通過對太陽光的散射和吸收作用，直接或間接地改變?nèi)蜉椛淦胶夂头植迹€可以作為云的凝結核影響云、霧形成，導致大氣能見度降低(王緯等，2000;劉大錳等，2003，2006)，間接影響全球氣候(Verma et al.，2006)。此外，大氣顆粒物還能引起呼吸道疾病和心血管疾病(Auger et al.，2006)，危及人類健康。因此，近年來對大氣顆粒物中水溶性離子的研究越來越受到關注。

2008年北京市成功舉辦了第29屆奧運會，為保證奧運會的順利進行，實現(xiàn)綠色奧運的口號，奧組委對北京市的大氣質量提出了更加嚴格的要求，北京市政府在奧運會期間采取了以下措施:汽車實行單雙號運行，以減少汽車尾氣的排放;施工單位停止施工，減少建筑工地粉塵的排放;重點污染企業(yè)停產(chǎn)和限產(chǎn)關停，減少工業(yè)粉塵的污染。這些措施的實施使北京市空氣質量在奧運會期間得到了明顯的好轉(胡婧等，2009)。

本研究于2008年7—10月期間，在中科院大氣物理所進行氣溶膠樣品采集，并將觀測期分為3個階段，即奧運前(2008年7月7日—8月7日)、奧運期間(8月8日—8月24日)、奧運后(8月25日—10月25日)，對北京大氣顆粒物中水溶性離子的組成、濃度變化特征、相關性及存在形式、來源解析等方面進行研究，以期為奧運會后北京及周邊地區(qū)的大氣污染防控措施的制定提供依據(jù)。

1 樣品采集與分析

1.1 樣品采集

選取中科院大氣物理所樓頂為采樣點，采樣點對面是條主干道，車流量較大，周圍分布了公園、研究所和商業(yè)區(qū)。在2008年7—10月期間，采用大流量濾膜采樣器(流量為1 m3·min－1)，每天從08:00至20:00(北京時間，下同)連續(xù)采樣，樣品收集于聚碳酸酯膜上，共采集92個樣品。

1.2 樣品預處理與分析

采樣后的濾膜放在密封袋中，置于冰箱(－18℃)避光保存至分析。取1/16濾膜，加入50 mL去離子水，恒溫超聲提取0.5 h，靜置后經(jīng)0.45 μm濾膜過濾待測。用離子色譜(ICS-2000，美國戴安)分別測定陰離子(、、Cl－、F－)和陽離子(Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+)的含量，各離子的最低檢測限度分別為0.01、0.05、0.02、0.02、0.02、0.05、0.04、0.01、0.006、0.04 μg·m－3。

2 結果與討論

2.1 水溶性無機離子的濃度特征

表1為采樣期間氣溶膠中水溶性無機離子的平均濃度?？梢钥闯龊驮谡麄€采樣期間是最主要的水溶性無機離子，分別占總水溶性離子的35.36%、31.71%和17.25%。

采樣期間氣溶膠中水溶性無機離子濃度的時間變化特征如圖1所示，可以看出，奧運期間各種離子濃度均明顯低于奧運前和奧運后。奧運前正值7月，此時氣象因素有利于SO2、NOx和NH3發(fā)生氣—粒轉化生成和等離子，導致奧運前這3種離子濃度一直較高。奧運期間，各種離子濃度明顯下降，其中，、和的濃度較奧運前分別下降了47.2%、35.8%和32.7%。這與北京及周邊政府對污染源排放的聯(lián)防聯(lián)控休戚相關，同時奧運期間的平均降水量達到66.7 mm，明顯高于奧運前(18.1 mm)與奧運后(29.0 mm)，因此奧運期間雨水對污染物也起到明顯的清除作用。奧運會后，機動車限行取消，建筑工地、工廠恢復運行，污染源排放有所增強，使各離子濃度有所回升。但此時和的平均濃度均低于奧運前。

表1 采樣期間氣溶膠中水溶性無機離子的平均質量濃度Table 1 Average mass concentration of water-soluble inorganic ions in aerosol during the sampling periodμg·m－3

圖1 水溶性無機離子質量濃度隨時間的變化a.F－;b.Mg2+;c.;d.K+;e.;f.N;g.Cl－;h.Na+;i;j.Ca2+Fig.1 Time variation of mass concentration of water-soluble inorganic ionsa.F－;b.Mg2+;c.;d.K+;e.;f;g.Cl－;h.Na+;i;j.Ca2+

2.2 相關性分析

通過對奧運前、奧運期間和奧運后的水溶性離子進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)和在各階段的相關系數(shù)R都很高(分別為0.917、0.742、0.856)，兩者具有很好的同源性，均來自燃煤、機動車排放的SOx和NOx的二次轉化。采樣期間，和、都有較好的相關性，但是和的相關系數(shù)(R=0.738)大于和的相關系數(shù)(R=0.657)，表明優(yōu)先和結合。如果和全部結合成(NH4)2SO4，則和的當量濃度比為1∶1;如果全部生成NH4HSO4，則其當量濃度比應為0.5∶1。本研究中，和在各階段的當量濃度比均值都大于1(分別為1.14、1.77、2.07)，說明和結合生成(NH4)2SO4后，剩余的NH4+和結合生成NH4NO3。

在奧運前后，Cl－和Na+的相關系數(shù)(0.681和0.623)明顯高于奧運期間(R=0.419)，表明奧運前后Cl－和Na+具有較好的同源性，可能均來自于燃煤;奧運期間，燃煤受到控制，致使Cl－和Na+的相關性降低。采樣期間，Cl－和、的相關系數(shù)分別為0.616和0.776，表明Cl－可能主要源于燃煤和機動車尾氣排放。Ca2+與Mg2+有較好的相關性，其相關系數(shù)為:奧運期間(0.914)＞奧運前(0.884)＞奧運后(0.698)，結合上面分析可知，這主要是由于各階段的污染源控制強度不同引起的，土壤和道路揚塵是奧運期間Ca2+和Mg2+的共同來源，而奧運前后Ca2+還來源于建筑塵。Na+與Mg2+、Ca2+相關性較好，表明Na+除源于燃煤，還來源于土壤揚塵。

2.4 因子分析

因子分析法是多元分析法的重要分支，用于解決多變量問題。其基本原理是，將污染源作為若干個待求的因子，建立起污染源因子與污染物元素數(shù)據(jù)間的數(shù)學模型，再由該數(shù)學模型推導出兩者間應滿足的關系式，解析關系式后對關系式系數(shù)矩陣(稱為因子負載矩陣)進行判斷，判斷結果即可得到某區(qū)域的污染源類型及其成因率或貢獻率(王靜，2010)。利用統(tǒng)計分析軟件SPSS對污染源進行分析，確定污染物排放的主要因子。分析的主要步驟為:1)數(shù)據(jù)的輸入;2)分析方法和各項指標的選擇，采用主因子分析法，并求得主因子個數(shù);3)求主因子的因子載荷矩陣;4)對規(guī)格化后的因子載荷矩陣施行方程最大的正交旋轉;5)計算因子得分。

對采樣期間各階段氣溶膠中水溶性無機離子濃度進行最大方差旋轉因子分析，結果如表2所示?？梢钥闯?，奧運前，因子分析模型將所有變量劃分為3個因子，這3個因子的累計成因率達到84.54%，能在一定程度上代表當?shù)氐奈廴驹搭愋汀Ｒ蜃?與、、、Cl－和Na+有很強的相關性，除Cl－和Na+外，其他離子主要是二次污染物，因此，因子1主要是二次污染源?？紤]到Cl－和Na+也可能來源于燃煤，因此因子1代表了燃煤和交通運輸源，其對水溶性離子的實際成因率高達42.56%。因子2主要與Mg2+和Ca2+有很強的相關性，其代表土壤、道路揚塵和建筑塵。因子3與K+高度相關，其代表了生物質燃燒源。

奧運期間和奧運后，因子分析模型都將所有變量劃分為2個因子。奧運期間，因子1與Mg2+、和K+等物種有很強的相關性，表明因子1代表了土壤、道路揚塵與生物質燃燒;因子2主要與、和Cl－有很強的相關性，代表了交通和燃煤源。奧運后則與奧運期間相反，因子1與和Cl－顯著相關，代表了交通和燃煤源;因子2與Mg2+和Ca2+的相關性較強，代表了土壤和建筑塵。

表2 采樣期間各階段水溶性無機離子正交旋轉后的因子負載矩陣Table 2 Orthogonal rotational factor loading matrix of water-soluble inorganic ions during the various stages of sampling period

因此，燃煤、交通、土壤、道路揚塵、建筑塵和生物質燃燒源是奧運前北京大氣污染物的主要來源;土壤、道路揚塵、交通和燃煤是奧運期間大氣污染物的主要來源;交通、燃煤、土壤和建筑塵則是奧運后大氣污染物的主要來源。

3 結論

3)奧運前，固定源(燃煤)對水溶性離子的貢獻大于流動源(機動車);而奧運期間和奧運后，流動源對水溶性離子的貢獻大于固定源。

4)交通、燃煤、土壤、建筑塵和生物質燃燒是采樣期間北京大氣污染物的主要來源。

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Mass concentration characteristics and source apportionment of water-soluble inorganic ions in aerosol in Beijing during 2008 Beijing Olympic Games

GUO Zhao-bing，BAO Chun-xiao，CHEN Tian-lei，CHEN Tian，ZHOU Fei，DONG Qiong-yuan，LIN Ming-yue

(School of Environmental Science and Engineering，NUIST，Nanjing 210044，China)

Aerosols are sampled at Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences from July to October 2008.The mass concentrations of water-soluble inorganic ions are determined with ion chromatogram(IC).This aims to investigate the composition，characteristics of mass concentration variation，relevance and form of the main water-soluble inorganic ions and their sources.The results show that，andare the main water-soluble inorganic ions in the aerosol samples，and they are mainly in the form of(NH4)2SO4and NH4NO3in aerosol particles.The correlation coefficients between，and，Ca2+and Mg2+are high，showing a good homology among these ions.Mass concentration ratio of/indicates that，before 2008 Beijing Olympics，the stationary source(coal burning)is the main pollution source for water-soluble species compared to the mobile source(vehicle)，which is opposite to those during the Olympics and after it.Factor analysis shows that vehicle，coal combustion，soil，building dust and biomass burning are the main sources for Beijing air pollution during the sampling period.

aerosol;water-soluble inorganic ions;source apportionment

P402

A

1674-7097(2011)06-0683-05

2011-02-23;改回日期:2011-06-11

江蘇省自然科學基金資助項目(BK2009414);江蘇省環(huán)?？蒲姓n題(201017);江蘇省“六大人才高峰”資助項目;江蘇省“青藍工程”人才項目;南京信息工程大學科研項目(20080316);江蘇省大學生科技創(chuàng)新項目(2010390/10CX006)

郭照冰(1972—)，男，江蘇徐州人，博士，教授，研究方向為大氣化學，guocumt@nuist.edu.cn.

郭照冰，包春曉，陳天蕾，等.2011.北京奧運期間氣溶膠中水溶性無機離子濃度特征及來源解析［J］.大氣科學學報，34(6):683-687.

Guo Zhao-bing，Bao Chun-xiao，Chen Tian-lei，et al.2011.Mass concentration characteristics and source apportionment of water-soluble inorganic ions in aerosol in Beijing during 2008 Beijing Olympic Games［J］.Trans Atmos Sci，34(6):683-687.

(責任編輯:張福穎)