北京市區(qū)冬季PM2.5污染特征及來源分析

龍小菊

（東北石油大學秦皇島分校，河北秦皇島066000）

北京市區(qū)冬季PM2.5污染特征及來源分析

龍小菊

（東北石油大學秦皇島分校，河北秦皇島066000）

選取北京市區(qū)為采樣點，于2016年1月進行PM2.5采集，并分析了PM2.5和水溶性組分的污染特征和來源。結果表明，采樣期間北京市PM2.5質量濃度平均為67.7μg/m3，水溶性離子是PM2.5的主要組分，其中SO42-、NO3-和NH4+之和占總離子的79.1%；Ca2+和Mg2+分別占PM2.5質量濃度的2.5%和0.9%，海鹽氣溶膠和K+分別占PM2.5的3.6%和1.6%。采樣期間NO3-/SO42-為1.1，表明NO2和SO2主要來自移動源的貢獻。北京市區(qū)冬季PM2.5主要來自二次污染源、揚塵、生物質燃燒和海鹽氣溶膠，貢獻率分別為42.351%、21.164%、16.314%和5.436%。

PM2.5；水溶性離子；污染特征；來源分析；北京市區(qū)

隨著我國經濟的快速發(fā)展，大氣復合污染愈發(fā)嚴重。北京市作為首都，是我國政治、經濟、文化中心，2013年以來，由于機動車保有量的不斷增加以及居民燃煤采暖和周邊區(qū)域污染傳輸，北京市經常遭受大氣重污染天氣[1]。北京市環(huán)境狀況公報顯示，2015年全市PM2.5（空氣動力學當量直徑≤2.5μm）年均濃度為80.6μg/m3，超過國家二級濃度標準（35μg/m3）1.3倍。冬季大氣易受靜穩(wěn)型天氣影響，是重污染天氣頻發(fā)的季節(jié)。受冬季污染物排放量大和不利氣象條件的共同影響，北京市于2015年12月8日7：00時首次發(fā)布大氣重污染紅色預警，政府部門對機動車、工業(yè)、揚塵、餐飲等排放源進行嚴格控制。由此可見，大氣PM2.5污染已成為影響人類活動和經濟發(fā)展的重要因素之一，PM2.5污染對大氣環(huán)境、人體健康和生態(tài)環(huán)境均有嚴重影響[2]。首先，PM2.5中的炭黑組分對光具有吸收和散射作用，造成大氣能見度降低，一定程度上會增加交通事故發(fā)生的概率[3]；其次，PM2.5粒徑小，在大氣環(huán)境中滯留時間長，表面攜帶的重金屬、有機物等有毒有害物質極易通過呼吸進入人體，造成支氣管哮喘、鼻炎等呼吸系統(tǒng)疾病[4]；PM2.5中的SO42-等酸性組分是引起酸雨的重要因素，酸雨會降低地表土壤的活性，破壞古建筑物整體構造，破壞生態(tài)環(huán)境。

針對PM2.5污染的嚴重性，國內外學者開展了大量研究，如黃眾思等[5]對上海市冬季和夏季PM2.5中的碳組分污染特征和來源進行了分析，結果顯示除了元素碳（EC），其他組分濃度均呈現(xiàn)冬季大于夏季的變化規(guī)律，燃煤、機動車和生物質燃燒是碳組分的主要來源；張霖琳等[6]對京津冀典型城市采暖期顆粒物與元素濃度的分布特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)PM2.5和PM10濃度相關性較強，S、Na、Al、K等是主要元素組分，含量均大于1%，顆粒物中重金屬主要來自于燃煤、工業(yè)和移動源等。但目前對于PM2.5中水溶性離子組分的污染特征及來源的分析研究相對較少。因此，本研究選取北京市市區(qū)為采樣點，對重污染天氣頻發(fā)的冬季進行PM2.5樣品采集，并分析PM2.5和水溶性組分的污染特征及來源，以期為北京市大氣污染防治提供基礎數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

PM2.5采樣點設置在北京市北四環(huán)一辦公樓樓頂，采樣點距離地面高度為15 m左右，該采樣點可較好地代表居住、商業(yè)和交通區(qū)，能反映出北京市區(qū)的PM2.5污染特征。采用PM2.5顆粒物采樣器（TH-150C，武漢市天虹儀表有限責任公司）對2016年1月1日至26日的PM2.5進行樣品采集，采樣時間為每天9:00至次日8:00，采樣器流量為100 L/min，采樣濾膜為纖維素濾膜，濾膜采樣完成后立即放在冰箱內保存，用于PM2.5和水溶性離子濃度分析。

1.2 樣品分析

將PM2.5采樣濾膜剪碎后放置于試管中，隨后加入10 m l高純水進行超聲波萃取。采用離子色譜儀（Metrohm861 Advanced Compact，瑞士萬通有限責任公司）對PM2.5中的10種水溶性離子（SO42-、NO3-、F-、Cl-、NO2-、Mg2+、Ca2+、NH4+、Na+和K+）進行定量分析。

1.3 質量保障

采樣過程操作的規(guī)范性對于結果分析至關重要，為保證顆粒物采樣儀器的氣密性，PM2.5采樣之前需將凡士林涂抹于顆粒物切割頭切片上。為扣除背景數(shù)據(jù)對最終結果的影響，本研究在樣品測試過程中設置了3組空白膜樣品，最終水溶性離子濃度結果均扣除了空白值。

2 結果與分析

2.1 冬季PM2.5濃度變化特征

圖1是北京市市區(qū)PM2.5、NO2、SO2日均濃度和濕度的變化曲線。由圖1可知，采樣期間北京市PM2.5質量濃度在9.4～262.0μg/m3之間，平均為67.7μg/m3，平均值小于環(huán)境空氣質量標準二級濃度限值（75μg/m3），但仍有34.6%的天數(shù)處于PM2.5濃度超標狀態(tài)，尤其是1月2日，PM2.5濃度高達262.0μg/m3，超標3.5倍，已達到嚴重污染級別，這是污染源排放和氣象條件共同造成的。

圖1 采樣期間北京市市區(qū)PM2.5日均濃度

從污染源排放方面來看，首先，冬季居民燃煤采暖和周邊村莊的散煤燃燒導致SO2前體物濃度較高（17.2μg/m3），采樣期間PM2.5與SO2的相關性為0.59，SO2在靜穩(wěn)型天氣下容易轉化為SO42-；其次，北京市作為經濟發(fā)展較快的城市之一，機動車保有量較大，截止到2015年底，北京市機動車保有量高達561萬輛，來源解析結果顯示，機動車尾氣排放對北京市PM2.5的貢獻約占31%左右[7]，機動車排放的大量NO2一定程度上會促進NO3-的生成；從氣象條件來看，采樣期間PM2.5濃度與濕度具有較好的相關性（R=0.87），且PM2.5濃度高值基本對應較高的濕度，顆粒物在高濕環(huán)境下有利于促進SO2、NO2、VOCs等前體物通過化學反應向二次顆粒物轉化，進而增加PM2.5濃度；再者，北京市西倚太行山山脈，北靠燕山山脈的特殊地理位置，有利于污染物的積聚與輸送通道的形成，北京市全年PM2.5來源解析結果顯示區(qū)域傳輸貢獻高達28%～36%[7]。

2.2 PM2.5中水溶性離子濃度變化特征

圖2為10種水溶性離子在PM2.5中的百分含量。由此可見，水溶性離子是PM2.5的主要組分，占PM2.5質量濃度的52.6%，其中SO42-、NO3-和NH4+含量豐富的水溶性離子，三者濃度之和（SIA）占總離子的79.1%。北京市區(qū)3種二次離子濃度呈現(xiàn)出NO3-＞SO42-＞NH4+的變化趨勢，這與北京周邊城市唐山[8]、石家莊[9]等地有所不同，主要是由于唐山、石家莊等地重污染企業(yè)、散煤等無組織燃燒較多，SO2排放量較大；而北京較高的NO3-濃度主要是機動車尾氣排放的NOx轉化而來，研究表明北京市機動車排放的NOx占全市該污染物排放總量的56%。本研究按照環(huán)境質量標準的要求，將PM2.5濃度分為優(yōu)（0～35）、良（35～75）、輕度污染（75～115）、中度污染（115～150）、重度污染（150～250）和嚴重污染（＞250）6個等級，并分析SIA濃度變化情況。結果顯示（圖2），隨著污染等級的增加，PM2.5濃度和SIA/PM2.5比值均呈現(xiàn)明顯增高趨勢，表明重污染靜穩(wěn)型天氣下，低風速、高濕度環(huán)境更有利于SO42-、NO3-和NH4+二次組分的生成。

圖2 PM2.5濃度與SIA/PM2.5關系

采樣期間，北京市區(qū)Ca2+和Mg2+的相關系數(shù)高達0.8，表明兩者來源相似，均是土壤等無組織塵的特征組分，分別占PM2.5質量濃度的2.5%和0.9%，在風速較大的天氣條件下，來自裸地、建筑塵、道路揚塵的無組織塵會增加大氣中Ca2+和Mg2+等地殼組分的含量，因此應加強施工工地、道路塵等的監(jiān)管。Na+和Cl-是海鹽的特征組分，研究認為Cl-與Na+的質量濃度比值為1.16[10]，通常采用Na+濃度的3.246倍估算海鹽氣溶膠的含量，本研究中海鹽氣溶膠僅占PM2.5濃度的3.6%。K+通常被認為是生物質燃燒的特征組分，占PM2.5濃度的1.6%，來自北京周邊村莊的秸稈燃燒對市區(qū)K+濃度有一定貢獻。F-和NO2-組分在PM2.5中含量小于0.6%。

2.3 NO3-與SO42-的質量比分析

研究中通常采用NO3-與SO42-的濃度比值估算固定源和移動源對大氣環(huán)境中NO2和SO2的貢獻，該比值大于1表明相比于固定源，移動源對NO2和SO2的貢獻較大；反之，如果該比值小于1，則是固定源的貢獻較大，該方法也被廣泛應用在其他研究中[11-12]。本研究中NO3-/SO42-為1.1，表明采樣期間NO2和SO2主要來自移動源的貢獻，這與機動車保有量的持續(xù)增長是密不可分的，其次，北京市近幾年針對工業(yè)、燃煤采取了一系列減排措施，例如“煤改電”采暖改造、清潔能源替代傳統(tǒng)的燒煤小鍋爐、加強燃煤鍋爐監(jiān)管等措施一定程度上減少了氣態(tài)污染物的排放。與其他城市相比，唐山市[8]和石家莊市[13]冬季NO3-/SO42-比值分別為0.6和0.5，表明燃煤排放仍是該地區(qū)的主要污染源。

2.4 PM2.5來源分析

為研究北京市區(qū)冬季PM2.5污染來源，本研究采用SPSS數(shù)理分析軟件對PM2.5來源進行定量分析，該方法廣泛應用在PM2.5來源分析中[14-15]。因子分析結果顯示（表1），本研究共解析出4個因子，其中因子1中SO42-、NO3-和NH4+的因子載荷較高，3種組分主要來自大氣中SO2、NO2等氣態(tài)前體物的二次轉化，因此可以代表二次污染源，貢獻率為40.351%；因子2中Ca2+和Mg2+的載荷較高，主要來自土壤塵等無組織排放，因此可以代表揚塵的貢獻，對PM2.5的貢獻為21.164%；因子3和因子4中K+和Na+的載荷較高，可分別代表生物質燃燒和海鹽氣溶膠的貢獻，貢獻率分別為16.314%和7.436%。由此可見，二次污染源是北京市區(qū)冬季PM2.5的主要貢獻來源，污染物主要來自機動車、工業(yè)、燃煤源排放的SO2、NO2和VOCs等氣態(tài)前體物在大氣中經過均相或非均相反應生成SIA或二次有機氣溶膠（SOA）等，因此應采取加強機動車尾氣排放控制、清潔能源替代等措施降低PM2.5污染。

表1 PM2.5因子分析結果

3 結論

本研究選取北京市市區(qū)為采樣點，對重污染天氣頻發(fā)的冬季進行PM2.5樣品采集，并分析PM2.5和水溶性組分的污染特征，研究結果表明：

（1）采樣期間北京市PM2.5濃度平均為67.7 μg/m3，仍有34.6%的天數(shù)處于PM2.5濃度超標狀態(tài)，主要是污染源排放和氣象條件造成的。

（2）水溶性離子是PM2.5的主要組分，占PM2.5質量濃度的52.6%，其中SO42-、NO3-和NH4+是含量豐富的水溶性離子，三者濃度之和（SIA）占總離子的79.1%；Ca2+和Mg2+分別占PM2.5質量濃度的2.5%和0.9%，來自裸地、建筑塵、道路揚塵的無組織塵會增加大氣中Ca2+和Mg2+等地殼組分的含量；海鹽氣溶膠僅占PM2.5濃度的3.6%，K+占PM2.5濃度的1.6%。

（3）本研究中NO3-/SO42-為1.1，表明采樣期間NO2和SO2主要來自移動源的貢獻，這與重工業(yè)為主的唐山和石家莊等地差異明顯。

（4）PM2.5來源分析結果表明，北京市區(qū)冬季PM2.5主要來自二次污染源（42.351%）、揚塵（21.164%）、生物質燃燒（16.314%）和海鹽氣溶膠（5.436%），因此應采取淘汰黃標車、加強機動車尾氣排放控制、清潔能源代替燃煤燃油等措施降低PM2.5污染。

[1]閻守政，紀德鈺，李丹，等.大連市區(qū)空氣中顆粒物（PM10和PM2.5）污染原因分析[J].中國環(huán)境管理干部學院學報，2015，25（4）：53-55.

[2]王晴晴，馬永亮，楊復沫，等.北京市冬季PM2.5中水溶性重金屬污染特征[J].中國環(huán)境科學，2014，34（9）：2204-2210.

[3]刑黎明，賈繼霞，張艷紅.大氣可吸入顆粒物對環(huán)境和人體健康的危害[J].安陽工學院學報，2009，6（4）：48-50.

[4]李延紅，袁東，闞海東，等.大氣顆粒物污染與人群死亡率變化流行病學研究進展[J].環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學，2003，20（1）：47-49.

[5]黃眾思，修光利，朱夢雅，等.上海市夏冬兩季PM2.5中碳組分污染特征及來源解析[J].環(huán)境科學與技術，2014，37（4）：124-129.

[6]張霖琳，高愈霄，刀谞，等.京津冀典型城市采暖季顆粒物濃度與元素分布特征[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30（6）：53-61.

[7]北杭廣深大氣污染首要污染源機動車[EB/OL].[2015-04-02]（2017-03-12).http：//bj.people.com.cn/n/2015/0402/c82840-24358218.html.

[8]溫維，韓力慧，陳旭峰，等.唐山市PM2.5理化特征及來源解析[J].安全與環(huán)境學報，2015，15（2）：313-318.

[9]ZHAO P S，DONG F，HE D，et al.Characteristics of concentrations and chemical compositions for PM2.5in the region of Beijing，Tianjin，and Hebei，China[J].Atmospheric Chemistry&Physics，2013，13（1）：863-901.

[10]TSITOURIDOU R，SAMARA C.First results of acidic and alkaline constituents determination in air particulates of Thessaloniki，Greece[J].Atmospheric Environment Part B Urban Atmosphere，1993，27（3）：313-319.

[11]XIAO H Y，LIU CQ.Chemical characteristics of water-soluble components in TSP over Guiyang，SW China，2003[J].Atmospheric Environment，2004，38（37）：6297-6306.

[12]WANG Y，ZHANG G S，ZHANG X Y，et al.The ion chemistry，seasonal cycle，and sourcesof PM2.5and TSP aerosol in Shanghai[J].Atmospheric Environment，2006，40（16）：2935-2952.

[13]戴春嶺，齊堃，張菲菲.石家莊市大氣顆粒物TSP，PM10和PM2.5主要成分研究[J].河北工業(yè)科技，2016，33（3）：252-257.

[14]王新，聶燕，陳紅，等.蘭州城區(qū)大氣PM2.5污染特征及來源解析[J].環(huán)境科學，2016，37（5）：1619-1628.

[15]林瑜，葉芝祥，楊懷金，等.成都市西南郊區(qū)春季大氣PM2.5的污染水平及來源解析[J].環(huán)境科學，2016，37（5）：1629-1638.

（編輯：程?。?/p>

Pollution Characteristics and Source Analysis of PM2.5in W inter in Beijing Urban Area

Long Xiaoju
（Northeast Petroleum University at Qinhuangdao,Qinhuangdao Hebei 066000,China）

Beijing urban area was selected to collect PM2.5samples in January 2016.Pollution characteristics and source of PM2.5and water soluble ionswere analyzed.Results demonstrated that themass concentrations of PM2.5in Beijing was 67.7μg/m3during sampling period.Water soluble ionswere themain components of PM2.5.The sum concentration of SO42-,NO3-,and NH4+accounted for 79.1%ofwater soluble ions.The concentrations of Ca2+and Mg2+accounted for 2.5%and 0.9% of PM2.5,respectively.Sea-salt aerosols and K+accounted for 3.6%and 1.6%,respectively.The ratio of NO3-and SO42-concentrations was 1.1 during sampling period,which indicated that the NO2and SO2were mainly derived from mobile sources.PM2.5was mainly derived from secondary pollution,dust,biomass burning and sea salt aerosols,and the contribution rates were 42.351%, 21.164%,16.314%,and 5.436%,respectively during winter in Beijing urban area.

PM2.5,water soluble ions,pollution characteristics,source analysis,Beijing urban area

X513

A

1008-813X（2017）02-0064-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.02.17

2017-02-07

龍小菊（1978-），女，河北秦皇島人，畢業(yè)于大慶石油學院礦產勘探與普查專業(yè)，碩士，講師，主要從事大氣污染治理的研究工作。