大氣氣溶膠細粒子研究進展

彭艷梅，鐘玉婷，何 清，劉新春

（1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院, 新疆 烏魯木齊830046；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹木年輪生態(tài)實驗室；中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆 烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站，新疆 塔中841000）

在總懸浮顆粒物中空氣動力學直徑小于2.5 μm的顆粒物即為PM2.5，通常被稱為細粒子。當前，大氣細粒子PM2.5已成為國際上大氣污染研究領域的熱點和前沿。從20世紀80年代起，美國和部分歐洲國家對PM2.5展開了廣泛的研究；美國于1997年制定了有關PM2.5的環(huán)境空氣質量標準。我國對大氣顆粒物的相關研究還局限于部分城市的特定區(qū)域的短時段研究[1-7]，大規(guī)模的系統(tǒng)研究相對較少。同時，我國城市地區(qū)的PM2.5的污染問題正引起越來越多的關注，有關部門正在開展或計劃開展這方面的研究工作，初步建立了有關PM2.5的空氣質量標準。本文主要綜述國內外PM2.5的危害、研究方法和沙塵細顆粒物的研究進展和現(xiàn)狀，希望藉此引起更多的關注，并為國內開展該方面的研究提供有益的幫助。

1 PM2.5的危害

PM2.5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，富含大量的有毒、有害物質，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(huán)境質量的影響更大。

1.1 對人體健康的危害

PM2.5又被稱為可入肺顆粒物，該標準是由美國1997年提出的。顆粒物的直徑越小，進入人體呼吸道的部位就越深，對人體的傷害就越大。由于PM2.5的粒徑小，比表面積大，容易富集大氣中的有毒有害物質[8-9]，增加人們因此而引起的患病的機率。因此，國內外就細粒子對人體健康的影響做了大量的研究工作。

在20世紀，國外大量流行病專家的研究表明，可吸入顆粒物的濃度上升與呼吸道疾病、心肺疾病的發(fā)病率和死亡率的相關性較高[10-13]，同時有不少研究顯示，可吸入顆粒物中的可入肺顆粒物的比重相當大，且有毒成分主要富集于可入肺顆粒物中[14]。

我國學者也對此做了大量的研究。華宗祥[15]對燃煤集中區(qū)的細粒子研究表明細粒子的NO自由基嚴重損傷細胞膜結構，因而導致疾病的產(chǎn)生。胡偉、吳國平等[16]的研究表明對人體有害的多環(huán)芳烴和重金屬主要富集于細粒子當中。王薈等[17]認為水溶性硫酸及硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等成分主要以細粒子的形態(tài)存在。由此可見，細粒子對人體健康的危害是相當大的。

1.2 對大氣能見度影響的研究進展

光在大氣中傳播時，因受到氣溶膠和氣體分子的散射和吸收而削弱，從而導致大氣能見度的下降[18]。雖然顆粒物在大氣中所占比重很小，可是它對光學性質的影響可達99%[19]，尤其是在城市地區(qū)。

研究表明細粒子的散射作用明顯大于粗粒子[20]，所以PM2.5對能見度的影響遠大于大粒徑氣溶膠。Appel等[21]研究認為硝酸鹽細顆粒物的消光作用強于大顆粒物，而且消光系數(shù)與細粒子的質量濃度呈高度相關。Sloane等[22]認為大氣細顆粒物和氣體污染物對光的吸收和散射是大氣能見度降低的主要原 因。2000—2006 年 Cheng Man T、Hand J L、Andreas Petzold等[23-26]對能見度與氣溶膠質量濃度和粒徑分布的關系進行了研究，研究表明氣溶膠濃度與能見度成反比，小粒徑氣溶膠對大氣的消光作用比大粒徑貢獻大。

周軍等[27]的研究表明由于細粒子的污染，美國能見度僅為自然能見度的30%。洪盛茂等[28]分析了杭州市大氣能見度變化及其主要因子，研究表明氣溶膠細粒子（PM2.5）是影響能見度的主要因子之一。

2 研究方法

2.1 PM2.5采樣方法和監(jiān)測技術的發(fā)展

目前，各國環(huán)保部門廣泛采用的PM2.5測定方法有三種：重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法。

重量法是通過具有一定切割特性的采樣器，以恒速抽取定量體積的空氣，空氣中粒徑小于2.5 μm的氣溶膠顆粒物被截留到濾膜上，根據(jù)濾膜采樣前后重量之差以及抽取的空氣的體積來計算PM2.5的濃度，濾膜經(jīng)處理后進行組分分析。重量法是最直接、最可靠的方法，是驗證其它方法是否準確的標桿。然而重量法需人工稱重，程序繁瑣費時。如果要實現(xiàn)自動監(jiān)測，就需要用到另外兩種方法。

β射線吸收法：利用抽氣泵對大氣進行恒流采樣，經(jīng)PM2.5切割器切割后，大氣中的PM2.5顆粒物吸附在β源和蓋革計數(shù)管之間的濾紙表面，采樣前后蓋革計數(shù)管計數(shù)值的變化反映了濾紙上吸附灰塵的質量變化，由此可以得到采樣空氣中PM2.5的濃度。

微量振蕩天平法：一頭粗一頭細的空心玻璃管，粗頭固定，細頭裝有濾芯?？諝鈴拇诸^進，細頭出，PM2.5就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細頭以一定頻率振蕩，該頻率和細頭重量的平方根成反比。于是，根據(jù)振蕩頻率的變化，就可以算出收集到的PM2.5的重量[29]。

除了上述三種常用方法之外，當前較新的監(jiān)測技術是利用遙感技術來評估PM2.5的質量濃度與分布情況[30-31]，此方法主要用于評估大范圍乃至全球尺度的PM2.5的分布情況。

2.2 PM2.5化學組分分析方法的發(fā)展

2.2.1 元素的分析方法

主要有中子活化法（INAA）、質子熒光法（PLXE）、X 射線熒光元素分析法（XRF）、原子吸收法（AAS）、電感耦合等離子體質譜法（ICP-AES、ICP-MS）等方法。AAS是一種比較成熟的分析技術，靈敏度高、分析速度快、成本低、操作容易，在我國環(huán)境領域應用較為普遍，Guor-Cheng Fang等[32]運用AAS法對臺灣的不同粒徑的氣溶膠分析得出細粒子富集的Pb，Mn，Cu，Zn和Cr等元素比粗粒子多，但是在多元素同時測定方面有其局限性[32-33]。XRF可測定的元素范圍廣，從Na到U均可定量測量；不需要對樣品進行預處理，分析過程中對樣品無損壞，分析速度快；對于微量元素的分析可達ppm水平。美國國家環(huán)境保護局（USEPA）在環(huán)境空氣監(jiān)測站（NAMS）對PM2.5化學物種項目中選定XRF為分析元素成分的方法，D.G.Shendell等[34]對用XRF方法對Guamatula的細粒子進行了元素組分分析，檢測出 Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Se、Br、Rb、Sr、Zr、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、La、Au、Hg、Pb、U 等。ICP-MS 興起于 20世紀80年代，擁有快速分析、同時測定多種元素、低檢出限等優(yōu)點，目前已獲得了廣泛的應用。ICP-MS用作半定量分析時可測定約80種元素，絕大多數(shù)元素的測量誤差小于20%[35]。A H Bu-Olayan等[36]對科威特PM2.5的金屬元素分析中使用該方法，得出Cu>Fe>Zn>Ni>Pb>V。Yang Weifen等使用ICP-MS對我國南京的PM2.5進行了分析得出在陰霾天氣下PM2.5的 Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Zn、Pb、K 的含量較高[37]。

2.2.2 有機物分析

對細粒子中的有機物進行分析，首先要對其進行提取，然后采用氣相色譜-質譜聯(lián)用（GC-MS）、液相色譜-質譜聯(lián)用（LC-MS）、高效液相色譜（HPLC）等手段進行分析。沈軼等[38]運用氣相色譜法對我國上海市不同功能區(qū)的細粒子中的可提取有機物進行了分析，共檢驗出267種有機物，其中致癌的多環(huán)芳烴有82種。Pitts J N[39]研究認為富集于細粒子上的含氧多環(huán)芳烴和含氮多環(huán)芳烴是致癌、致突變的誘發(fā)物。

2.2.3 水溶性成分分析

USEPA在NAMS的PM2.5化學成分中選用IC作為目標陽離子（NH+、K+、Na+）和陰離子（與）的分析方法，Zeping Gu 等[41]等對臺北 PM2.5運用IC法進行了水溶性離子成分分析。Karthikeyan S[42]等人利用IC法結合超聲波提取，分析測定大氣細顆粒物中（PM2.5）水溶性離子，Kakoli Karar[43]等人在印度Kolkata城市居民區(qū)和工業(yè)區(qū)進行布點采樣，并用IC法分析了大氣中五種水溶性陰離子F-、，兩者研究測定結果都表明上述陰離子中濃度最大。Guor-Cheng Fang[44]等人對臺北海峽附近采集到的細顆粒物樣品用DIONEX-100型離子色譜進行分析，共測定了七種離子Cl-、，結果表明，大氣顆粒物中占主要地位的離子是此外，在冬季濃度較高，在夏季比較低。IC法作為我國的推薦使用方法，在研究大氣顆粒物可溶性離子方面的應用越來越多。余學春等[45-48]對我國上海、北京等城市的細粒子采用離子色譜法進行了相關分析。由此可見，離子色譜法目前是國內外研究細顆粒物水溶性成分的主要方法。

2.3 PM2.5來源解析技術的發(fā)展

大氣顆粒物的來源和濃度因不同地區(qū)的自然環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展、能源結構、工藝方法以及管理水平的不同而有很大的區(qū)別。目前來源解析的主要方法有3類：污染源排放清單法、擴散法和受體模型法，其中受體模型法被認為是現(xiàn)階段最有價值的分析工具。受體模型就是通過測量源和大氣環(huán)境（受體）樣品的物理、化學性質，定性識別對受體有貢獻的污染源并定量計算各污染源的分擔率。它包括化學質量平衡法（CMB）、因子分析法（FA）、目標變換因子分析法（TTFA）、顯微鏡法和化學—統(tǒng)計學方法等[49]，大致上可以分為3類：顯微鏡法、化學法、物理法。物理法主要是X射線衍射線（XRD）和軌跡分析法（trajectory analysis）[50]?；瘜W法的發(fā)展最為成熟，提出了化學質量平衡法（CMB）、因子分析法（FA）、多元線性回歸（MLR）、混合受體模式等?；诨瘜W質量平衡法，美國學者Gertler A W，Gilies J A等[51-54]對美國西部、洛杉磯等地區(qū)的PM2.5的來源做了分析，認為交通是該地區(qū)大氣中PM2.5的主要貢獻者；我國學者 Zhang Yuanxun、楊圣杰等[1，3，55-56]對上海、南京、北京等地區(qū)的PM2.5來源做了分析研究，得出我國的主要污染源是煤、石油燃燒，工業(yè)、汽車排放，這與我國的經(jīng)濟發(fā)展水平和能源結構也有很大的關系。其他國家如澳大利亞、希臘等也做了很多相關的研究[57-60]。

3 沙塵細粒子的研究進展

美國于1997年提出PM2.5的標準主要是為了更有效地監(jiān)測隨著工業(yè)化日益發(fā)達而出現(xiàn)的、在舊標準中被忽略的對人體有害的細小顆粒物。所以早期對于PM2.5的研究都主要集中于城市地區(qū)。目前，除了在城市地區(qū)的繼續(xù)研究之外，研究者們也在研究沙塵氣溶膠。

1996年Li X等[61]研究認為盡管來自非洲撒哈拉和撒赫爾地區(qū)的沙塵氣溶膠質量散射效率僅是硫酸鹽氣溶膠的1/4，但總質量卻是硫酸鹽氣溶膠的16倍，因此在沙塵源區(qū)及其下風方向沙塵氣溶膠的輻射強迫將遠遠超過其他氣溶膠成分，因而指出在區(qū)域尺度上研究沙塵氣溶膠輻射強迫的重要性；Tegen等[62]的模式結果表明就全球平均而言，硫酸鹽、煙塵、沙塵氣溶膠對全球平均氣溶膠光學厚度的貢獻大體相當，這說明即使在全球尺度上，沙塵氣溶膠的輻射強迫問題也不能忽視；Tegen等[63]通過對比沙塵輸送模式模擬的沙塵分布與衛(wèi)星觀測結果認為，人為因素導致的沙塵氣溶膠占大氣沙塵總量的50%±20%，這說明沙塵氣溶膠輻射強迫不僅來源于自然過程，人為因素在其中也起到了同等重要的作用。這些研究成果從根本上改變了以往關于沙塵氣溶膠的認識，從而指出了研究沙塵氣溶膠輻射強迫的重要性。

我國沙塵氣溶膠主要來源于巴丹吉林沙漠、內蒙古自治區(qū)中部的沙漠地區(qū)、河西走廊地區(qū)和塔克拉瑪干沙漠[64-65]。在春季，中國北方裸露的草原和耕地也是沙塵源區(qū)。針對中國沙塵氣溶膠的光學特性，近年來國內也開展了許多研究工作。牛生杰等[66]研究表明賀蘭山地區(qū)的沙塵量和大粒徑氣溶膠的比例與該區(qū)域的濁度系數(shù)和波長指數(shù)有很大的相關性。延昊等[67]對塔中站的觀測資料進行分析得出，PM10與TSP呈現(xiàn)線性相關關系，與能見度呈現(xiàn)負冪函數(shù)關系。沈志寶等[68]分析黑河實驗區(qū)沙塵氣溶膠消光系數(shù)得出3—5月的消光系數(shù)約為1月的1.7倍。張文煜等[69]對騰格里沙漠氣溶膠的研究發(fā)現(xiàn)騰格里沙漠氣溶膠光學厚度隨季節(jié)變化。

綜上，近年來，城市和區(qū)域環(huán)境的氣溶膠研究得到進一步重視和加強。對氣溶膠顆粒的成分除一般無機元素外，還開始重視元素碳、有機碳、有機化合物，大大豐富了氣溶膠研究的內容。研究重點也逐步趨向于“細化”，從TSP（總懸浮顆粒物）到PM10（可吸入顆粒物）、PM2.5（可入肺顆粒物），乃至PM1（超細顆粒物）和納米級的氣溶膠。沙塵氣溶膠的研究圍繞氣溶膠的光學效應和氣候效應展開，相關研究也是比較豐富的，但是對于分級氣溶膠的研究還較少，是以后沙塵氣溶膠的研究方向。

4 結語

由于PM2.5對人體健康、能見度影響比較大，其研究逐漸成為大氣環(huán)境研究的熱點。PM2.5的研究在未來應該主要在以下幾個方面進行擴展和加深：

（1）不同化學成分的粒子對人體健康的影響不同，尤其是有機物成分復雜的細粒子。所以在研究細粒子的可溶性化學成分時，同時也要著重有機物成分的分析和研究。

（2）PM2.5來源解析方面，應針對一個地區(qū)大氣細粒子排放特點研究主要污染源的排放特征，選擇典型研究區(qū)，結合季節(jié)的污染動態(tài)變化，開發(fā)出適合當?shù)刈匀画h(huán)境條件和社會經(jīng)濟的來源解析模型。

（3）加強沙源區(qū)氣溶膠的研究，對易于遠距離輸送的細顆粒沙塵氣溶膠進行重點分析研究。

（4）研究細粒子污染控制技術也是當前我國的主要任務，加快展開對PM2.5的相關研究，為我國盡快制定適合我國國情的PM2.5環(huán)境質量標準提供科學的依據(jù)。

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