安徽省大氣細(xì)顆粒物污染特征及來源解析

朱偉，張付海

（1. 安徽省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，安徽 合肥 230093；2. 安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，安徽 合肥 230061）

細(xì)顆粒物（PM2.5）是大氣復(fù)合污染的主要污染物，不僅會(huì)造成大氣能見度下降[1-2]，還會(huì)影響人類健康，帶來一系列生命和財(cái)產(chǎn)損失[3]。PM2.5主要由水溶性離子、有機(jī)物、黑炭和對人體有害的痕量元素（如鎳、銅和鉛等金屬元素）等多種復(fù)雜的成分組成，其來源主要包括機(jī)動(dòng)車尾氣排放、工業(yè)排放、燃煤、生物質(zhì)燃燒、揚(yáng)塵和氣態(tài)污染物的二次轉(zhuǎn)化等[4]。近幾年，我國大氣污染已從單一的煤煙型污染逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊簾熜秃凸饣瘜W(xué)型等多種污染類型并存的顆粒物和臭氧（O3）復(fù)合型污染[5-6]，大氣污染來源解析技術(shù)能為大氣污染防治精細(xì)化管理提供科學(xué)支撐。目前，污染源解析技術(shù)可分為受體模型法、數(shù)值模型法和多維度監(jiān)測方法等[7]。其中，受體模型主要有化學(xué)質(zhì)量平衡模型和因子分析類模型，因子分析類中正矩陣因子分解法（PMF）可以定量解析不同揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放源對O3生成潛勢的貢獻(xiàn)率[8]，或者對PM2.5來源進(jìn)行定量解析[3,7]；數(shù)值模型主要包括拉格朗日混合單粒子軌道模型（HYSPLIT）[9]和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型（如NAQPMS、CMAQ和CAMx）[10-12]等。數(shù)值模型具有成本較低、分析速度快以及可以分析本地和外來污染源貢獻(xiàn)，并進(jìn)行預(yù)測分析等優(yōu)勢，但需要配備詳細(xì)的氣象信息和本地源清單，而清單信息具有不確定性[13]。綜上，大氣污染來源定量解析需要綜合多種溯源方法，以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

近年來，國內(nèi)很多學(xué)者對北京[13]、西安[14]、濟(jì)南[15]和南京[16]等大中城市及京津冀[17]、珠三角[18]和長三角[19]等區(qū)域的大氣顆粒物污染特征進(jìn)行一系列研究，而對江淮地區(qū)開展的相關(guān)研究較少。安徽省地處江淮之間，受地理位置及季風(fēng)氣候的影響，大氣污染相較于長三角其他區(qū)域更為嚴(yán)重，沿江及江南地區(qū)與長三角城市污染特征較為接近，皖北四市（淮北、宿州、亳州和阜陽）屬于蘇皖魯豫交界地區(qū)，江淮之間城市大氣顆粒物來源復(fù)雜，不僅與本地污染物累積有關(guān)，還極易受到周邊省份大氣污染物的傳輸影響[20]。因此，加強(qiáng)對安徽省顆粒物污染特征及來源解析，有助于長三角區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的聯(lián)防聯(lián)控。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

2015-2020 年P(guān)M2.5、PM10和優(yōu)良天數(shù)比例數(shù)據(jù)均來自國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)每小時(shí)發(fā)布的安徽省16個(gè)市77個(gè)國控站點(diǎn)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測審核后的數(shù)據(jù)，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ 663—2013）對空氣質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)《2022 年國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方案》，全省設(shè)16 個(gè)區(qū)市，每市1 個(gè)PM2.5化學(xué)組分手工監(jiān)測點(diǎn)位，全年所有點(diǎn)位監(jiān)測頻次為1 次/3 天。如遇以PM2.5為首要污染物的空氣重污染情況，發(fā)生重污染的城市需加密為1次/天。監(jiān)測項(xiàng)目和方法見表1。

表1 監(jiān)測項(xiàng)目和方法

1.2 研究方法

正交矩陣因子分析（PMF）方法是一種基于大氣污染物目標(biāo)來源的化學(xué)組分進(jìn)行識(shí)別和定量溯源的數(shù)學(xué)模型，其基本原理是將受體矩陣（X）分解為源成分譜矩陣（F）、貢獻(xiàn)率矩陣（G）和殘差矩陣（E）[21-22]：

式中：Xij—第j 個(gè)樣本中的第i 個(gè)物種；Gik—第k 個(gè)源中第i物種；Fkj—第k個(gè)源中第j個(gè)樣本的貢獻(xiàn)；p—需要解析的污染源數(shù)；Eij—?dú)埐罹仃嚕籾ij—Xij的標(biāo)準(zhǔn)偏差；n—物種數(shù)量；m—樣本數(shù)量；Q—目標(biāo)函數(shù)，表示實(shí)際值與解析結(jié)果之間的差值[21]。本研究中將低于檢出限的物種濃度替換為方法檢出限的一半，以此選定19～23種具有代表性的PM2.5化學(xué)組分[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒物污染特征分析

從2015-2020 年期間安徽省PM2.5年均濃度變化來看，在2017年之前，全省PM2.5年均濃度在50 μg/m3以上且略有波動(dòng)，2017 年達(dá)到峰值，之后出現(xiàn)明顯下降，重度及以上污染天數(shù)比“十二五”末減少了57 天。2020年，全省PM2.5平均濃度為39 μg/m3，排序位于全國并列第24位（從低到高，與新疆并列），同比下降15.2%，降幅位于全國第7位；全省平均優(yōu)良天數(shù)比例為82.9%，排序位于全國第22 位（從高到低），同比上升11.1%，增幅位于全國第3位（僅次于湖北、河南）（圖1），環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)到歷史最好的監(jiān)測記錄，出現(xiàn)這種變化的原因是打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)期間的持續(xù)污染治理，并得到了良好的環(huán)境質(zhì)量改善績效。

圖1 2015-2020年安徽省PM2.5、PM10和優(yōu)良天數(shù)比例

全省空氣污染呈現(xiàn)出五個(gè)明顯特征：一是全省PM2.5日均濃度呈現(xiàn)“低值日增多、高值日減少”的趨勢，全省PM2.5日均濃度在0～75 μg/m3之間的天數(shù)逐年增加（2020 年比2015 年增加9.0%）；PM2.5日均濃度高于150 μg/m3的天數(shù)明顯逐年減少（2020 年比2015 年減少60.0%）。污染過程中，顆粒物粒徑分布逐漸細(xì)化，PM1.0/PM2.5在有污染情形下總體較無污染情形高10%以上。二是全省PM2.5日均濃度高值區(qū)主要分布在秋冬季和春末夏初。三是從區(qū)域環(huán)境質(zhì)量變化的協(xié)同性分析，以及城市污染天數(shù)比例、PM2.5日均濃度相關(guān)性、典型重污染過程發(fā)生來看，全省空氣污染可以劃分成四個(gè)空氣污染城市群，分別是皖北六市（阜陽、亳州、宿州、淮北、蚌埠和淮南）城市群、以合肥為中心的江淮之間城市群（合肥、六安和滁州）、以蕪湖和馬鞍山為中心的城市群、以池州和安慶為中心的城市群。四是局部短期污染和區(qū)域重污染過程顯著。五是環(huán)境空氣污染逐步由PM2.5為主轉(zhuǎn)向以PM2.5和O3復(fù)合污染，O3污染逐漸凸顯。

2.2 顆粒物組分監(jiān)測結(jié)果

2.2.1 PM2.5組分整體特征

通過對PM2.5各化學(xué)組分監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)后分為有機(jī)物、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、元素碳、氯鹽、地殼物質(zhì)、微量元素和其他9類組分（圖2）。2020年平均濃度較高的三個(gè)組分分別為有機(jī)物、硝酸鹽和銨鹽，濃度值分別達(dá)13.38 μg/m3、10.22 μg/m3、5.21 μg/m3；PM2.5化學(xué)組分占比較高的三個(gè)組分為有機(jī)物28.2%、硝酸鹽21.6%和硫酸鹽12.1%。

2.2.2 PM2.5組分時(shí)間變化特征

從季節(jié)變化來看，安徽省冬季（1月和12月）PM2.5質(zhì)量濃度明顯高于其他季節(jié)；此外，2月和11月的PM2.5質(zhì)量濃度較高，高于50 μg/m3；6～9 月平均濃度均低于35 μg/m3，主要組分濃度結(jié)果見圖3。有機(jī)物、硝酸鹽、銨鹽、元素碳、氯鹽的濃度變化趨勢與PM2.5質(zhì)量濃度相似，均為冬季最高，春秋兩季次之，夏季最低；硫酸鹽和微量元素的濃度變化趨勢為冬季最高，其他三季濃度相差較??；地殼元素則表現(xiàn)為夏季最低，其他三季濃度相近。其原因可能為有機(jī)物、硝酸鹽、銨鹽、元素碳、氯鹽等組分與污染排放有關(guān)，在冬季的大氣條件下發(fā)生二次轉(zhuǎn)化使?jié)舛仍黾覽23]；硫酸鹽和微量元素的排放濃度低，僅在冬季不利的氣象條件下明顯增加，而地殼元素的增加主要與外來沙塵傳輸有關(guān)[3]。

圖3 2020年安徽省不同季節(jié)PM2.5化學(xué)組分濃度

從各組分占比來看（圖4），硝酸鹽和銨鹽占比表現(xiàn)為冬季最高，春秋季次之，夏季最低；有機(jī)物占比的季節(jié)變化則與硝酸鹽相反，冬季低于其他季節(jié)，春秋季次之，夏季最高；硫酸鹽占比夏季最高，春季次之，秋冬季較低；地殼元素占比表現(xiàn)為冬季和夏季低，春秋季高；元素碳、氯鹽和微量元素占比均較低，季節(jié)變化不明顯。其中硝酸鹽占比變化范圍最大，在1%～40%之間；有機(jī)物變化范圍在15%～45%之間，有84%的有機(jī)物占比在20%～40%之間；銨鹽和硫酸鹽占比變化范圍較小。地殼元素占比超過20%的有4 天，均與沙塵有關(guān)。硝酸鹽、銨鹽、硫酸鹽和有機(jī)物分別與PM2.5濃度的線性回歸分析結(jié)果表明，硝酸鹽和銨鹽濃度分別與PM2.5濃度的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.96 和0.92；有機(jī)物和硫酸鹽的相關(guān)系數(shù)分別為0.85和0.69。綜上可知，在冬季PM2.5濃度較高的原因主要是硝酸鹽和銨鹽的濃度顯著增加。

圖4 2020年安徽省不同季節(jié)PM2.5化學(xué)組分占比

2.2.3 PM2.5組分空間分布特征

整體上，有機(jī)物、硝酸鹽、元素碳、氯鹽、地殼物質(zhì)的最高濃度值均出現(xiàn)在宿州；硫酸鹽和銨鹽的最高濃度值出現(xiàn)在淮北；微量元素的最高濃度值出現(xiàn)在亳州。按照地理位置分布，可將安徽省分為皖北（宿州、亳州、淮北、阜陽和淮南）、江淮（合肥、滁州和六安）、沿江（安慶、池州、銅陵、蕪湖和馬鞍山）、皖南（宣城和黃山）四個(gè)區(qū)域。PM2.5質(zhì)量濃度的分布規(guī)律也基本符合上述區(qū)域，從北到南PM2.5濃度逐漸降低，除馬鞍山濃度高于江淮區(qū)域的六安外，其他城市符合皖北＞江淮＞沿江＞皖南的規(guī)律（圖5）。

圖5 2020年安徽省各城市PM2.5組分濃度分布

各城市PM2.5化學(xué)組分濃度分布結(jié)果表明，有機(jī)物和元素碳在各地的差異最小，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為12%和13%，且最低值均不在黃山；氯鹽在各地的差異最大。硝酸鹽、銨鹽、微量元素在各地的差異較大，黃山市明顯偏低于其他城市。不同組分濃度的城市排名顯示，總體來看與PM2.5濃度的排名相近，但不同組分略有差異，由此可看出PM2.5組分的地域特征：宿州的有機(jī)物、硝酸鹽、氯鹽、元素碳濃度最高；淮北的硫酸鹽、銨鹽、微量元素和地殼元素濃度最高；亳州的微量元素濃度最高。除皖北城市外，安慶的有機(jī)物、硫酸鹽、元素碳較高；合肥的硝酸鹽和銨鹽較高；馬鞍山的氯鹽、微量元素和地殼元素較高。綜上，有機(jī)物占比為黃山明顯高于其他城市，皖北城市較低；硝酸鹽和銨鹽占比表現(xiàn)為黃山明顯低于其他區(qū)域，其他區(qū)域占比相近；其他組分在各城市的占比均無明顯差異。

2.3 PM2.5來源解析結(jié)果

基于PMF 模型對2020 年全省16 個(gè)市的PM2.5進(jìn)行來源解析，結(jié)果表明，各市PM2.5的來源可分為二次硝酸鹽、二次硫酸鹽和燃煤、機(jī)動(dòng)車排放、工業(yè)排放、燃燒源和揚(yáng)塵6 大類（表2）。僅黃山解析出5 類源，其他城市均解析出6類源。除黃山外，工業(yè)排放貢獻(xiàn)占比較高的城市為阜陽、銅陵和亳州；機(jī)動(dòng)車排放貢獻(xiàn)占比較高的城市為宣城、六安和合肥；二次硫酸鹽和燃煤貢獻(xiàn)占比較高的城市為淮北、滁州和淮南；燃燒源貢獻(xiàn)占比較高的城市為淮南、宿州和蚌埠；二次硝酸鹽貢獻(xiàn)占比較高的城市為滁州、馬鞍山和阜陽；揚(yáng)塵貢獻(xiàn)占比較高的城市為宣城、蚌埠和宿州。黃山PM2.5的來源中貢獻(xiàn)占比最高為二次硫酸鹽和燃煤，其他所有城市貢獻(xiàn)占比最高的來源均為二次硝酸鹽；宿州、淮北、淮南、合肥、馬鞍山、滁州、蕪湖、安慶和池州9個(gè)市貢獻(xiàn)占比次高的來源是硫酸鹽和燃煤，亳州、蚌埠、阜陽、銅陵和六安5 個(gè)市貢獻(xiàn)占比次高的來源是工業(yè)排放，宣城和黃山貢獻(xiàn)占比次高的來源是機(jī)動(dòng)車排放。綜上，全省PM2.5最主要的來源為二次硝酸鹽，其次為二次硫酸鹽、燃煤、工業(yè)排放和機(jī)動(dòng)車排放。

表2 2020年安徽省16個(gè)市PM2.5來源貢獻(xiàn)

3 結(jié)論

（1）2015-2020 年，全省空氣污染可劃分四個(gè)城市群，分別為皖北六市城市群、以合肥為中心的江淮之間城市群、以蕪湖和馬鞍山為中心的城市群、以池州和安慶為中心的城市群。整體上呈現(xiàn)PM2.5日均濃度低值日增多、高值日減少的趨勢，其中濃度高值主要分布在秋冬季和春末夏初，局部短期污染和區(qū)域重污染過程顯著，逐步向PM2.5與O3復(fù)合污染類型轉(zhuǎn)變。

（2）2020 年全省PM2.5中占比較高的三個(gè)組分為有機(jī)物28.2%、硝酸鹽21.6%和硫酸鹽12.1%。在秋冬季重污染過程中以硝酸鹽和銨鹽的濃度增加為主。不同區(qū)域組分特征差異顯著，例如，有機(jī)物占比為黃山明顯高于其他城市，皖北城市較低；硝酸鹽和銨鹽占比表現(xiàn)為黃山明顯低于其他區(qū)域，其他區(qū)域占比相近；其他組分在各城市的占比均無明顯差異?；赑MF源解析結(jié)果表明，全省16個(gè)市PM2.5最主要的來源是二次硝酸鹽，其次為二次硫酸鹽、燃煤、工業(yè)排放和機(jī)動(dòng)車排放。