貴州省大氣顆粒物中的陰陽離子特征及變化趨勢分析

摘要：大氣顆粒物中的陰陽離子不僅影響空氣質量，還影響人體健康和生態(tài)系統(tǒng)。以貴州省為研究區(qū)，采集并測定大氣顆粒物樣品，深入分析大氣顆粒物中的陰陽離子特征及變化趨勢。研究結果表明，貴州省大氣顆粒物的陰陽離子組成受到多種因素的影響，其中人類活動的增加顯著改變陰陽離子的來源和比例。硝酸鹽（NO3-）與硫酸鹽（SO42-）的質量比可以表征移動源對大氣顆粒物的貢獻程度，NO3-/SO42-越大，移動源對大氣顆粒物的貢獻率越高。大氣顆粒物中，銨鹽（NH4+）濃度的降低反映氨源排放的有效控制，與燃煤小鍋爐整治和工業(yè)源污染控制緊密相關。深入探討貴州省大氣顆粒物中的陰陽離子濃度特征和結構特征，分析大氣顆粒物中的陰陽離子變化趨勢，有助于明確區(qū)域大氣環(huán)境質量現(xiàn)狀和主要影響因素，進一步揭示大氣顆粒物污染的復雜性和動態(tài)性，為制定有效的大氣污染防治措施提供重要依據。

關鍵詞：大氣顆粒物；陰陽離子；污染特征；結構特征；變化趨勢；貴州省

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.057

Analysis of the characteristics and changing trends of anions and cations in atmospheric particulate matter in Guizhou Province

Ran Zhengyan， Xiao Xufang

（Yanhe Branch of Tongren Ecological Environment Bureau， Tongren 565300， China）

Abstract： The anions and cations in atmospheric particulate matter not only affect air quality， but also human health and ecosystems. Taking Guizhou province as the research area， the atmospheric particulate matter samples are collected and measured， and the characteristics and changing trends of anions and cations are deeply analyzed in atmospheric particulate matter. The research results indicate that the composition of anions and cations in atmospheric particulate matter in Guizhou province is influenced by various factors， among which the increase in human activities significantly changes the source and proportion of anions and cations. The mass ratio of nitrate （NO3-） to sulfate （SO42-） can characterize the contribution of mobile sources to atmospheric particulate matter， and the larger the NO3-/SO42-， the higher the contribution of mobile sources to atmospheric particulate matter. The decrease in ammonium （NH4+） concentration in atmospheric particulate matter reflects the effective control of ammonia source emissions， which is closely related to the renovation of coal-fired small boilers and industrial source pollution control. Deeply exploring the concentration and structural characteristics of anions and cations in atmospheric particulate matter in Guizhou province， and analyzing the trend of changes in anions and cations in atmospheric particulate matter can help to clarify the current status and main influencing factors of regional atmospheric environmental quality， further reveals the complexity and dynamics of atmospheric particulate matter pollution， and provides important basis for formulating effective measures for air pollution prevention and control.

Keywords： atmospheric particulate matter; anion and cation; pollution characteristics; structural characteristics; changing trends; Guizhou province

隨著經濟快速發(fā)展和城市化進程加快，大氣污染已成為貴州省面臨的重要環(huán)境問題之一。硫酸鹽（SO42-）、硝酸鹽（NO3-）和銨鹽（NH4+）等是大氣顆粒物中的主要陰陽離子，不僅影響空氣質量，還影響人體健康和生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。了解陰陽離子的濃度特征、結構特征及其變化趨勢對于制定有效的大氣污染控制策略至關重要[4-5]。

1 研究區(qū)概況

貴州省位于云貴高原東部，地勢西高東低，平均海拔為1 100 m，植被平均覆蓋度超過60%，展現(xiàn)出喀斯特地貌的典型特征。貴州省生境多樣，差異性顯著，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，大部分地區(qū)年平均氣溫約為15 ℃，年降水量約為1 300 mm，溫和濕潤，為大氣顆粒物研究提供獨特的自然背景。

2 樣品采集及測定

基于貴州省生態(tài)環(huán)境質量現(xiàn)狀，分別在貴陽市（G1）、安順市（G2）、畢節(jié)市（G3）、遵義市（G4）、黔南布依族苗族自治州（以下簡稱黔南州，G5）和六盤水市（G6）選取采樣點，如圖1所示。各采樣點均選取典型的市區(qū)環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測站和背景監(jiān)測站，以全面反映貴州省不同區(qū)域的大氣環(huán)境質量。

2.1 樣品采集

采樣時間跨度為2020年1月至2023年12月，旨在捕捉貴州省大氣顆粒物中陰陽離子的季節(jié)變化特征。因此，分別在春季、夏季、秋季與冬季采樣，每個季節(jié)采樣7 d，每天連續(xù)采樣24 h，以確保數據的準確性和代表性。采用智能中流量大氣顆粒物采樣器采集樣品。采樣過程中，采樣器流量設定為100 L/min，

選擇直徑為90 mm的石英濾膜。采樣完成后，有塵面朝內，將濾膜對折，并用硫酸紙包裹，確保樣品不受外界污染。最后，將包裹好的樣品置于4 ℃環(huán)境下儲存，待后續(xù)實驗室分析。

2.2 樣品測定

采集的大氣顆粒物樣品可以分為總懸浮顆粒物（total suspended particulates，TSP）、可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）。將已捕集3種大氣顆粒物樣品的濾膜分別裁剪成相同尺寸，然后置于離心管，加入20 mL超純水，超聲提取1 h，加入空白濾膜進行同時操作，浸提液由孔徑為0.22 μm的濾膜過濾后，采用離子色譜儀分析陰離子F-、Cl-、NO3-和SO42-，離子色譜法能夠準確區(qū)分和定量樣品中的各種陰離子，為污染特征分析提供可靠數據[6-8]。陽離子K+、Ca2+、Na+和Mg2+的測定采用原子吸收光譜儀，NH4+的測定則采用分光光度計[9-11]。

3 大氣顆粒物中的陰陽離子特征及變化趨勢

3.1 大氣顆粒物中的陰陽離子濃度特征

2020—2023年，貴州省主要城市的部分采樣點大氣顆粒物中，陰離子濃度的監(jiān)測結果如表1至表6所示。分析SO42-、NO3-、Cl-和F-等陰離子，可以揭示不同城市不同粒徑大氣顆粒物的陰離子分布特征。結果顯示，SO42-和NO3-是貴州省大氣顆粒物中的主要陰離子。2020年，畢節(jié)市TSP、PM10與PM2.5的SO42-濃度分別達到52.50 μg/m3、41.57 μg/m3和34.44 μg/m3，顯示出其顯著的污染貢獻。2020—2023年，TSP的NO3-最高濃度出現(xiàn)在安順市，為11.12 μg/m3；PM10的NO3-最高濃度出現(xiàn)在安順市，為8.04 μg/m3；PM2.5的NO3-最高濃度出現(xiàn)在畢節(jié)市，為8.51 μg/m3。

2020—2023年，貴州省主要城市的部分采樣點大氣顆粒物中，陽離子濃度的監(jiān)測結果如表7至表14所示。分析NH4+、Mg2+、Na+、Ca2+和K+等陽離子，可以揭示不同城市不同粒徑大氣顆粒物的陽離子分布特征。結果顯示，Mg2+和NH4+是貴州省大氣顆粒物中的主要陽離子，Mg2+濃度均高于其他陽離子，這與貴州省喀斯特地貌巖性特征有關。NH4+在不同城市不同粒徑顆粒物中也呈現(xiàn)不同的濃度特征，表明氨的區(qū)域性分布和其在大氣顆粒物中的轉化作用[12-13]。

3.2 大氣顆粒物中的陰陽離子結構特征

3.2.1 二次無機顆粒物

分析貴州省大氣顆粒物中的陰陽離子結構特征時，特別關注二次無機顆粒物（Sulfate，nitrate and ammonium，SNA）的貢獻率，即硫酸鹽（SO42-）、硝酸鹽（NO3-）和銨鹽（NH4+）。作為大氣顆粒物的主要成分，SNA對顆粒物的物理和化學特性有重要影響[14-16]。2021—2023年，SNA對TSP、PM10和PM2.5的貢獻率在不同年份表現(xiàn)出一定差異，如表15所示。數據反映出SNA在大氣顆粒物中所占比例的時間變化。

2021年，SNA對TSP、PM10與PM2.5的貢獻率均值分別為28.05%、33.78%和40.71%，表明SNA在更細的顆粒物中占比更高。2022年，監(jiān)測數據表現(xiàn)出類似的趨勢，但各粒徑顆粒物中SNA的最高貢獻率出現(xiàn)不同程度的變化。2023年，SNA對各類顆粒物的貢獻率略有下降，最高貢獻率顯著降低，這也充分說明大氣污染控制效果顯著。

3.2.2 NO3-/SO42-

NO3-和SO42-的質量比（NO3-/SO42-）是一個關鍵指標，能夠反映人類活動特別是移動源和固定源對大氣環(huán)境的影響[17-18]。NO3-主要源自化石燃料燃燒，尤其是汽油和天然氣，其主要來自機動車排放，而SO42-主要源自煤燃燒排放。分析2020—2023年貴州省主要城市大氣顆粒物樣品的NO3-/SO42-，可以明確不同污染源對大氣顆粒物的貢獻。2020—2023年，貴州省主要城市大氣顆粒物的NO3-/SO42-變化如表16所示，展現(xiàn)區(qū)域大氣污染物來源的轉變。隨著貴州省經濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，機動車數量顯著增加，而燃煤使用量逐漸減少，天然氣和燃油等能源的使用量大幅度增加。這些變化直接影響NO3-和SO42-在大氣顆粒物中的比例。

從季節(jié)變化來看，NO3-/SO42-在冬季最高，其次是春秋季，夏季最低，這與NO3-的生成過程有關。在春季、秋季和冬季，較低的溫度和較高的濕度有利于生成NH4NO3，而夏季高溫低濕條件下NO3-的生成受到抑制，相對促進SO42-的形成?？臻g分布方面，有些環(huán)境空氣質量背景監(jiān)測站的NO3-/SO42-低于市區(qū)環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測站，反映出這些區(qū)域車流量較少，植被覆蓋度較高。但是，隨著經濟的發(fā)展，部分環(huán)境空氣質量背景監(jiān)測站的車流量增加，導致其NO3-/SO42-與市區(qū)環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測站相差不大。

3.3 大氣顆粒物中的陰陽離子變化趨勢

2021年以來，貴州省全面落實大氣污染防治行動，大氣顆粒物中主要陰離子SO42-、NO3-和陽離子NH4+的濃度展現(xiàn)明顯的下降趨勢。貴州省因地制宜，綜合施策，有序推進大氣污染防治工作，包括整治燃煤小鍋爐、綜合治理城市及礦山揚塵、控制餐飲油煙、加強城市交通管理、提升燃油品質、加強機動車環(huán)保管理、推廣新能源汽車、開發(fā)利用清潔能源以及清潔高效利用煤炭等。SO42-和NH4+的濃度降低反映硫源和氨源排放的有效控制，與燃煤小鍋爐整治和工業(yè)源污染控制緊密相關[19-20]。此外，NO3-的濃度下降則與機動車排放控制措施的實施密切相關。盡管NO3-的濃度總體勢于下降，但安順市NO3-濃度出現(xiàn)略微上升，主要原因是該地區(qū)車流量增加，交通排放對大氣NO3-濃度有直接影響。相比之下，Ca2+濃度沒有表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，這可能與其來源有關。作為地殼的重要組分，Ca2+在大氣顆粒物中的濃度受人類活動影響較大，其變化趨勢不明顯。

4 結論

全面分析貴州省大氣顆粒物中陰陽離子的特征及其變化趨勢，揭示區(qū)域大氣污染的復雜性和動態(tài)性，能夠為政府決策提供科學依據，提高環(huán)境管理政策的有效性，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。綜合研究大氣顆粒物中SO42-、NO3-和NH4+等陰陽離子的濃度特征，有助于了解這些離子對生態(tài)環(huán)境和人體健康的潛在影響。此外，隨著城市化進程加快，NO3-/SO42-發(fā)生變化，突顯移動源對大氣顆粒物的影響日益重要。近年來，貴州省從交通、工業(yè)和能源等角度入手，持續(xù)發(fā)力，有序推進大氣污染防治，大氣顆粒物中，SO42-、NO3-和NH4+等主要陰陽離子濃度明顯下降。然而，大氣污染防治策略的差異化和精準化調整仍是未來工作的重點，以進一步降低大氣顆粒物的健康風險，改善環(huán)境質量。

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