利用SPAMS研究景谷縣春季細顆粒物污染特征

劉浪 梅紅兵 彭劍平 馬思媛 王劍敏 劉軍

摘 要：2022年4月11日—4月25日期間，利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀（SPAMS）對景谷縣城區(qū)春季大氣細顆粒物化學成分和來源進行分析，并結(jié)合縣城空氣自動站監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度研究了該地區(qū)大氣細顆粒物污染特征。結(jié)果顯示，景谷縣春季細顆粒物成分主要為鉀離子、硫酸鹽、元素碳、硝酸鹽、有機碳、氯離子；主要污染源為燃煤源、機動車尾氣源、工業(yè)工藝源。監(jiān)測期間捕捉到5個短時污染天氣時段，此時燃煤源常為主要污染源；燃煤源占比峰值多出現(xiàn)在14：00—16：00，機動車尾氣源白天占比高于夜間，工業(yè)工藝源占比峰值多出現(xiàn)在21：00—次日9：00。景谷縣城區(qū)工業(yè)工藝源、生物質(zhì)燃燒源、二次無機源占比隨PM2.5質(zhì)量濃度升高而增大，餐飲源占比隨PM2.5質(zhì)量濃度降低而增大。

關(guān)鍵詞：SPAMS；春季；細顆粒物；污染特征；景谷

中圖分類號：X51文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2023）02-0-05

0 引言

PM2.5是指空氣動力學當量直徑不大于2.5 μm的顆粒物，通常也稱細顆粒物[1]。細顆粒物是大氣的重要組分，其化學組成復(fù)雜、粒徑小、在環(huán)境中停留時間長[2]；同時，細顆粒物中含有重金屬、多環(huán)芳烴和酸性物質(zhì)等眾多有毒有害物質(zhì)，對人體健康尤其是呼吸系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)具有明顯損害作用[3-6]。

近年來，景谷縣城區(qū)春季大氣污染頻發(fā)，污染因子主要為PM2.5，給居民生產(chǎn)和生活造成影響。本文利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀（SPAMS）實時獲取細顆粒物來源和化學成分，通過綜合分析細顆粒物特征，開展快速源解析研究，系統(tǒng)的了解景谷縣春季細顆粒物污染特征，為決策部門制定有效的大氣污染防治措施提供科學支撐。

1 實驗和方法

1.1 樣品采集

采樣點設(shè)置在景谷縣水文站（經(jīng)度100.720531，緯度23.502482）。2022年4月11日—25日期間，將載有SPAMS的應(yīng)急監(jiān)測車放置在文化站廣場空曠處進行采樣，共獲得具有粒徑信息的顆粒物（SIZE）3120800個，其中有正負質(zhì)譜圖的顆粒（MASS）779572個。

1.2 SPAMS工作原理

已有研究對SPAMS的工作原理、基本性能和質(zhì)量控制進行了詳細的闡述[7-8]。氣溶膠顆粒通過0.1 mm的進樣微孔引入到空氣動力學透鏡，在這里顆粒被聚焦成為筆直運動的粒子束進入真空系統(tǒng)。粒子束觸發(fā)雙側(cè)測徑激光完成粒徑測定和顆粒數(shù)統(tǒng)計，同時觸發(fā)電離激光，顆粒被打擊成為電離碎片，再由雙極飛行時間質(zhì)量分析器對顆粒化學組分進行檢測。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過SPAMS-ANALYZE-0515 V3.4.5.306軟件對顆粒質(zhì)譜信息進行處理，使用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法（Art-2a）對顆粒物進行分類，根據(jù)化學成分特征將顆粒物分為主要幾類：元素碳顆粒、有機碳顆粒、左旋葡聚糖顆粒、富鉀顆粒、重金屬顆粒以及礦物質(zhì)顆粒，它們占總顆粒數(shù)的90％以上。然后，根據(jù)本地污染源排放特征，采用示蹤離子法將采集到的顆粒物分為燃煤源、機動車尾氣源、工業(yè)工藝源、揚塵源、生物質(zhì)燃燒源、二次無機源、餐飲源、其它共8種來源。

2 結(jié)果與討論

2.1 SPAMS數(shù)濃度與PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)性分析

將監(jiān)測期間SPAMS顆粒物數(shù)濃度（SIZE）與景谷縣江東城建局空氣自動站監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度進行相關(guān)性分析。從圖1可以看出兩者變化趨勢較為一致（相關(guān)性R2 = 0.8），說明SPAMS監(jiān)測顆粒物數(shù)濃度在一定程度上可以反映大氣細顆粒物的污染狀況。

2.2 顆粒物成分分析

2.2.1 顆粒物平均質(zhì)譜圖

監(jiān)測期間整體顆粒物平均質(zhì)譜圖中如圖2所示，SPAMS采集到的顆粒物中均有較為明顯C+、C3+、C4+、C5+、C2-、C3-、C4-等元素碳信息（m/z=12、36、48、60、-24、-36、-48），同時有機碳（m/z=27/37/43/51/63），NH4+（m/z=18），Na+（m/z=23），Al+（m/z=27），NaH2O+（m/z=41），O-（m/z=-16），OH-（m/z=-17），OH-（m/z=-25），CN-（m/z=-26），Cl-（m/z=-35），C2HO-/ C2H2O-（m/z =-41），C4-（m/z=-48），C4H-（m/z=-49），SiO2-（m/z=-60）C2O3OH-（m/z=-89），SO4-/ C8-（m/z=-96），NO2-（m/z =-46），NO3-（m/z=-62），SO3-（m/z=-80），HSO4-（m/z=-97），左旋葡聚糖（m/z=-45/-59/-73）等離子的信號明顯。

2.2.2 整體顆粒物化學組成

監(jiān)測期間整體顆粒物化學組成如圖3所示?？梢钥闯?，監(jiān)測期間景谷縣細顆粒物中主要成分為鉀離子（24.2%）、硫酸鹽（20.3%）、元素碳（15.3%）、硝酸鹽（13%）、有機碳（5.97%）、氯離子（5.88%）等。

2.2.3 顆粒物各離子成分動態(tài)變化

監(jiān)測期間顆粒物各離子成分及PM2.5質(zhì)量濃度日變化趨勢如圖4所示。可以看出，4月15日PM2.5日均質(zhì)量濃度升高時，硫酸鹽、硝酸鹽、鉀離子、元素碳等離子數(shù)濃度明顯上升，說明該時間二次生成、機動車排放等反應(yīng)加強。

2.3 顆粒物源解析結(jié)果

2.3.1 總體源解析結(jié)果

總體顆粒物來源解析結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，監(jiān)測期間顆粒物污染來源構(gòu)成為：燃煤源（占比20.1%）、機動車尾氣源（占比18.9%）、工業(yè)工藝源（占比13.4%）、揚塵源（占比13.3%）、生物質(zhì)燃燒源（占比11.1%）、二次無機源（占比7.68%）、餐飲源（占比7.53%）、其它（占比7.98%）。其中，首要污染源為燃煤源，次要污染源為機動車尾氣源，第三污染源為工業(yè)工藝源。

2.3.2 晝夜源解析結(jié)果

晝、夜顆粒物來源解析結(jié)果如圖6所示。可以看出，白天和夜間的首要污染源、次要污染源、第三污染源均相同，分別是燃煤源、機動車尾氣源、工業(yè)工藝源；其中，白天燃煤源和機動車尾氣源占比高于夜間，這是由于居民出行及生產(chǎn)生活集中在白天時段，與居民生活與出行習慣規(guī)律吻合；夜間工業(yè)工藝源占比明顯高于白天，說明夜間工業(yè)污染物排放有加強趨勢。

2.3.3 顆粒物來源占比動態(tài)變化

監(jiān)測期間顆粒物污染來源占比及PM2.5質(zhì)量濃度小時變化趨勢分布如圖7所示。在線源解析的優(yōu)勢在于可得到每類污染源實時貢獻比例的變化趨勢?？梢钥闯觯O(jiān)測期間PM2.5質(zhì)量濃度均值為43 μg/m3，最大值為97 μg/m3；監(jiān)測期間捕捉到5個短時污染天氣時段，短時污染天氣出現(xiàn)時，燃煤源常為主要污染源；占比前三的污染源中，燃煤源占比峰值多出現(xiàn)在14：00—16：00，機動車尾氣源白天占比較高，7：00—18：00占比明顯上升，工業(yè)工藝源占比峰值多出現(xiàn)在21：00—次日9：00。

監(jiān)測期間PM2.5小時質(zhì)量濃度極值出現(xiàn)時段如表1所示?？梢钥闯?，PM2.5小時質(zhì)量濃度高值經(jīng)常出現(xiàn)在夜間至凌晨時段，濃度低值經(jīng)常出現(xiàn)在中午15：00—18：00。

PM2.5小時質(zhì)量濃度極值出現(xiàn)時段各污染源的占比如圖8所示?？梢钥闯?， PM2.5小時質(zhì)量濃度出現(xiàn)高值和低值的過程中伴隨者各污染源占比的增大與減小。PM2.5小時質(zhì)量濃度出現(xiàn)高值時，工業(yè)工藝源、生物質(zhì)燃燒源、二次無機源占比明顯增大；PM2.5小時質(zhì)量濃度出現(xiàn)低值時，餐飲源占比明顯增大；此外，燃煤源、機動車尾氣源占比一直保持在較高的水平。

3 結(jié)論

（1）景谷縣春季細顆粒物中主要成分為鉀離子、硫酸鹽、元素碳、硝酸鹽、有機碳、氯離子，其余離子占比較小。

（2）景谷縣城區(qū)主要污染源為燃煤源、機動車尾氣源、工業(yè)工藝源；夜間工業(yè)工藝源占比明顯高于白天，說明夜間工業(yè)污染物排放有加強趨勢。

（3）監(jiān)測期間捕捉到5個短時污染天氣時段，此時燃煤源常為主要污染源；燃煤源占比峰值多出現(xiàn)在14：00—16：00，機動車尾氣源白天占比高于夜間，工業(yè)工藝源占比峰值多出現(xiàn)在21：00—次日9：00。

（4）景谷縣城區(qū)工業(yè)工藝源、生物質(zhì)燃燒源、二次無機源占比隨PM2.5質(zhì)量濃度升高而增大，餐飲源占比隨PM2.5質(zhì)量濃度降低而增大。

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Abstract： During the period from April 11 to April 25， 2022， the chemical composition and source of fine particles in Jinggu County urban area in spring were analysed by using the single particle aerosol mass spectrometer （SPAMS）， and the pollution characteristics of fine particles in this area were studied in combination with the PM2.5 mass concentration monitored by the County Air Automatic Station. The results showed that the main components of fine particles in Jinggu County in spring were potassium ion， sulfate， elemental carbon， nitrate， organic carbon and chloride ion. The main pollution sources were coal-fired sources， vehicle tail gas sources and industrial process sources. Five short-term pollution weather periods were captured during the monitoring period， at which time the coal-fired source was often the main pollution source; The peak value of the proportion of coal-fired sources mostly occurred from 14：00 to 16：00， the proportion of Vehicle Exhaust Sources in the daytime was higher than that at night， and the peak value of industrial process sources mostly occurred from 21：00 to 9：00 the next day. The proportion of industrial process sources， biomass combustion sources and secondary inorganic sources in the urban area of Jinggu County increased with the increase of PM2.5 mass concentration; the proportion of catering sources increased with the decrease of PM2.5 mass concentration.

Key words： SPAMS; spring; fine particles; pollution characteristics; Jinggu County