空气细颗粒物(PM2.5)的污染特征及其来源解析研究进展

洪　纲，周静博，姜建彪，杨丽丽，冯　媛

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄　050022)



空气细颗粒物(PM2.5)的污染特征及其来源解析研究进展

洪纲，周静博，姜建彪，杨丽丽，冯媛

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄050022)

摘要：PM2.5由于其较小的粒径、巨大的比表面积及较大的危害性等特点成为全球大气环境的研究热点。针对近年来中国各地持续出现雾霾天气，空气质量急剧下降的现状，总结了中国有关PM2.5的研究现状，主要围绕PM2.5的污染特征、化学组成以及来源解析等方面的研究进行了综述，并探讨了PM2.5的质量浓度水平、与PM10的相关性及其对能见度的影响。针对目前中国PM2.5的污染与监管现状提出了改善大气环境的一些建议。

关键词：固体污染防治工程；PM2.5；污染特征；化学组成；来源解析

E-mail：smjhh@126.com

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自2013-01-11起，中国多地出现严重雾霾天气，来自环保部门的监测数据显示，雾霾笼罩的范围从华北到华中，扩展到黄淮、江南，这些地区都出现了不同程度的污染。2014-01-04中国首次将雾霾天气纳入2013年自然灾情进行通报。在雾霾天气中，PM2.5是“罪魁祸首”。PM2.5即细颗粒物，是指空气动力学直径≤2.5 μm 的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，其表面吸附大量的有毒有害物质，并可通过呼吸沉积在肺泡，甚至可经过肺换气到达其他器官[1]。如果长期吸入细颗粒物污染的空气，可造成呼吸系统和其他系统结构和功能的损害。因而对PM2.5的研究一直都是热点问题。本文就中国PM2.5污染的区域、时间、空间分布、化学成分及来源解析的研究现状进行综述，以便更全面地了解PM2.5的污染特征，从而为中国制定控制PM2.5的政策和措施提供科学、经济和有效的证据。

1PM2.5的污染特征

1.1　区域浓度特征

美国EPA已经于1997年颁布了PM2.5的空气质量标准[2]，规定年均限值为15 μg/m3，日均限值为65 μg/m3，其限制非常严格。2012年中国新修订的环境空气质量标准[3]规定PM2.5的年均限值为35 μg/m3，日均限值为75 μg/m3。

目前中国部分城市已经开展了PM2.5的系统研究[4-11]，部分城市的监测结果见图1。

由图1比较可知，中国城市的PM2.5浓度普遍较高，石家庄、济南的PM2.5质量浓度达到100 μg/m3以上，北京、天津、南京、西安的PM2.5质量浓度达到90 μg/m3以上，而广州、南宁和上海的PM2.5质量浓度稍低一些, 约为50 μg/m3。图1中所列城市的PM2.5浓度值均超过了新环境空气质量标准中的二级年均限值。浓度较高的城市甚至超出了3倍多。与美国纽约[12]相比，中国城市的PM2.5浓度普遍处在较高水平。虽然南宁市的PM2.5浓度值在中国国内城市中较低，但仍是纽约PM2.5浓度水平的2.75倍。

图1国内外部分城市PM2.5年均浓度值
Fig.1PM2.5annual concentration values of some domestic and foreign cities

目前中国大部分城市已经开展了PM2.5的监测研究工作，除图1中所列外，长沙[13]、厦门[14]、重庆[15]、宁波[16]等城市也陆续开展了相关的研究，只是各城市对PM2.5的监测时间不平行，采用的监测方法不同，这样大大降低了各城市之间PM2.5质量浓度的可比性，因此开展大规模且系统的PM2.5监测研究工作非常必要。

1.2　时间变化特征

杨复沫[17]等研究发现，PM2.5的浓度在冬季最高，在夏季最低，这与朱倩茹[5]等、包贞[18]等、李芳[8]的研究结果一致，反映冬季采暖燃烧源对细颗粒物的贡献较大，而春季频繁发生的沙尘天气则对粗颗粒物的贡献较大。

于建华[19]等通过分析得出PM2.5的日变化幅度较大，且呈双峰现象，一个峰出现在夜间，另一个峰出现在上午，而在下午出现低值。这样的日变化规律与魏玉香[6]、谈荣华[20]、韩素芹[21]等的研究结果一致。这主要与人为活动、污染物排放以及气象条件有关。上午和夜间大气层比较稳定，使PM2.5在近地面堆积而出现浓度峰值。随着气温升高,太阳辐射增强，大气稳定度减弱，有利于污染物扩散迁移，使得PM2.5浓度开始下降, 导致14：00左右出现一次低谷。

1.3　空间垂直变化特征

丁国安[22]等研究了北京城区PM2.5的垂直分布，发现PM2.5浓度随高度增加而降低，这与杨龙[23]等、邓雪娇[24]等、袁媛[25]的研究结果一致。

杨龙[23]等得出在距地面8~320 m的范围内，PM2.5的最大衰减幅度在秋、冬两季分别达到52%和58%；邓雪娇[24]等通过分析“广州塔”121 m与454 m高度得出污染越严重情况下垂直递减率越大，每100 m最大可达12.2 μg·m-3；袁媛[25]研究开封市秋、冬两季近地层大气颗粒物垂直分布特征发现，PM2.5距地面2 m处质量浓度最高，为255.6 μg/m3，20，50，70 m处的衰减幅度依次减小，说明地面扬尘是秋季细颗粒物来源的一个重要组成部分。

2PM2.5的化学组成特征

2.1　水溶性离子

2.2　多环芳烃

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,简称PAHs)是大气颗粒物的重要组成部分，直接或间接地影响着大气环境质量、气候变化和人体健康。表1列出了中国部分城市开展PM2.5中PAHs污染特征、来源等方面的研究结果。

表1　中国部分城市PM2.5中PAHs污染特征及来源

由表1可以看出，不同城市PM2.5中PAHs的浓度、污染特征以及来源均有所不同。南昌、厦门两城市的PAHs的质量浓度较低，低于20 ng/m3；杭州与贵阳的PAHs的质量浓度在40~50 ng/m3间，而北京、乌鲁木齐的PAHs的年均质量浓度较高，在100 ng/m3以上。可见北方城市PM2.5中的PAHs含量高于南方城市。

时间变化特征上，通过彭希珑[32]、段凤魁[33]、李杏茹[34]、张学敏[14]、杨成阁[35]、焦荔[36]、苏都尔[37]等的研究可以推出，PM2.5中多环芳烃浓度的季节特征为冬季>春季>秋季>夏季。

段凤魁[33]等通过分析北京市PM2.5中PAHs的含量得出，全年平均不同环数PAHs所占总浓度的比例由大到小：四环>五环>六环>三环>二环；冬季四环PAHs所占比例最大(48.7%)，其次为五环(32.5%)和六环PAHs(14.9% )；夏季五环、六环PAHs所占比例最高(36. 5%)，其次为四环PAHs(24.1%)；而周颖[38]等则研究出武汉市不同环数PAHs浓度呈现出规律变化为五环>四环>二、三环>六、七环。

由表1可知各城市PM2.5中PAHs的来源主要是燃煤、机动车尾气以及焚烧。

2.3　金属元素

作为细颗粒物中主要的无机成分，重金属蓄积性强、毒性大，易通过呼吸作用随PM2.5进入人体。在体液的作用下，重金属在体内被溶解、吸收，进而对心肺等有机体造成损害，是近年来研究的热点。

沈轶[39]等利用等离子的发射光谱法对上海市大气PM2.5中的Cu，Zn，Pb，As等元素的浓度进行分析，得出元素浓度依次为Fe>Zn>Al>Pb>As>Cu>Ti。

冯茜丹[40]等通过研究发现广州市重金属污染非常严重。其中PM2.5中Cd，Pb，Zn，Cu和Mo的富集因子K>10，是典型的污染元素；而Ni，Mn，Co和Fe的K值为1~10，除部分来自人为活动外，主要还是自然作用来源，同时还分析了重金属的化学形态。结果显示，超过80%的Al和Fe分布在有机质、氧化物与硫化物结合态和残渣态，而大部分Zn，Pb，Cd和Cu分布在可溶态、可交换态、碳酸盐态、可氧化态和可还原态。

张慧峰[41]等分析了近地层中金属元素垂直分布特征。结果表明：金属元素Cu，Pb，Ni，Cr，Zn，Fe，Mg，Mn的季节分布呈现冬季多，秋季少的特征，典型地壳元素Ca，Fe，Mg，Mn随高度升高明显递减或者是波动减少。人为源元素Ni，Cr，Cu，Pb，Zn在PM10和PM2.5中随高度的升高垂直方向上变化差异明显。人为源元素Pb，Ni，Cr，Zn，Cu秋季主要富集于PM10中，冬季主要富集于PM2.5中。

3PM2.5与PM10的相关性分析

PM10由粒径为2.5~10 μm(PM2.5~10)的粗颗粒和粒径≤2.5 μm(PM2.5)的细颗粒2部分组成，PM2.5/PM10可以反映PM10中细粒子的含量。国外大量研究表明[42]，PM2.5在PM10中占有很大比例，污染越重的地区PM2.5与PM10的比值也越大，据美国和加拿大几个城市报道[43]：污染较轻的城市PM2.5与PM10比值在0.3~0.4之间，污染较重的城市该比值在0.5~0.7之间。表2列出了中国部分城市PM2.5和PM10质量浓度的相关系数，以及两者的比值。

表2　中国部分城市大气中PM2.5与PM10的相关系数与比值

表2中所列城市的PM2.5与PM10的相关系数在0.78~0.98之间，呈显著性相关；PM2.5/PM10值在0.50~0.94之间，均属于污染较重的城市。其中北京、天津、南京比较接近，广州、沈阳等地的比值较高。

徐敬[46]等还对北京不同季节的PM2.5/PM10值进行了研究，发现采暖期该比值为0.62，非采暖期该比值为0.52。夏季该比值主要分布在0.3~0.6之间，春、秋两季该比值分布在0.3~0.8之间，冬季采暖期该比值分布在0.4~0.9之间。即春季最小，冬季最大。黄辉军[30]等得出南京市PM2.5/PM10冬季平均值比夏季平均值高9.3%，主要是因为春季扬沙天气和交通运输高峰期扬起地面粗颗粒物会导致PM2.5在PM10中的比例下降，而冬季取暖以及夏季较强的光化学反应则会引起PM2.5的比例升高。

4PM2.5浓度与气象条件的相关性分析

4.1　能见度

马雁军[45]、魏玉香[6]等发现大气能见度与PM2.5的浓度呈现很好的负相关性，线性相关系数高达0.98；灰霾天气下平均能见度水平仅为5.2 km，最高能见度为13 km，最低为1.7 km，而正常天气下能见度最高可达22 km。这与马雁军[45]、朱倩茹[5]等的研究结果一致。可见PM2.5是影响能见度的重要因素。

4.2　风速

朱倩茹[5]、魏玉香[6]、马雁军[45]等通过分析发现，PM2.5的浓度与风速呈负相关，相关系数夏季为-0.230，非夏季为-0.440。徐敬[46]等通过研究北京地区PM2.5与风速的相关性得出了同样的结果，且冬季负相关系数最大，为-0.42，夏季最小，为-0.08。主要因为风对PM2.5起稀释扩散作用，冬季冷空气势力强大，风速远远大于夏季，这对PM2.5的扩散和运移极为有利。因此，冷空气过境后PM2.5浓度下降在四季中冬季最明显。

4.3　降雨

朱倩茹[5]等通过分析发现，PM2.5的浓度与降雨相关性最差(夏季为-0.063，非夏季为-0.002)，但降雨对PM2.5起清洁冲刷的作用，降雨量大小、分布都影响PM2.5；降水有利于细粒子的清除。

4.4　温度

温度对空气质量有影响，但不反映空气质量的好坏。朱倩茹[5]等通过分析发现，PM2.5浓度与温度呈正相关，相关系数夏季为0.450，非夏季为0.324。

4.5　气压

朱倩茹[5]等通过分析广州市PM2.5浓度与气压的关系得出两者呈负相关，相关系数夏季为-0.005，非夏季为-0.144；而徐敬[46]等通过研究北京地区PM2.5与气压的关系，发现非夏季两者负相关，相关系数在-0.35~-0.41之间，而夏季两者呈正相关，相关系数为0.10。主要是因为夏季副热带高压活动对北京地区影响旺盛,受其影响北京在夏天多出现“桑拿天”，这时地面气压升高,高温、闷热、风速小、相对湿度大，这种气象条件常常导致PM2.5浓度持续累积，而其他三季地面气压上升通常伴随冷空气活动，风力加大，扩散作用明显。

4.6　相对湿度

徐敬[46]等通过研究得出PM2.5浓度与相对湿度呈正相关，其中冬季相关系数最大为0.6，夏季最低为0.19。这种情况源于夏季大型降水后，相对湿度明显上升，而PM2.5浓度在湿度清除作用下明显下降；冬季空气平均相对湿度明显较夏季偏小。这与马雁军[45]的研究结果一致。

5PM2.5的来源解析研究

对PM2.5的来源解析目前较多地使用受体模型进行研究[30]。包括化学质量平衡法(CMB)、因子分析法(FA)、主因子分析法(PCA)、正交矩阵因子分解法(PMF)、UNMIX等受体模型。目前已有部分城市陆续开展了PM2.5的来源解析研究，结果见表3。

表3　中国部分城市大气中PM2.5来源解析结果

由表3统计结果可以看出，各地开展PM2.5来源解析的研究时间、采用的受体模型以及污染源配分模块不尽相同，但PM2.5的污染来源主要集中在机动车尾气排放、燃煤和扬尘三大污染源上，此外二次盐所占比例也较大。故PM2.5污染在控制常规污染源扬尘、煤烟尘等的同时，要加强机动车尾气尘、硫酸盐、硝酸盐的控制，更需体现多源类综合治理的原则。

6结语

持续大范围的雾霾天气及其对人体健康的影响，使得PM2.5已经逐渐成为国内外大气环境研究的热点[52]。PM2.5的形成复杂，对于环境和人体健康带来的危害不容忽视。近年来中国国内学者对于PM2.5的监测与分析已经有了一定进展，环保部门也加大了监管力度，但仍存在一些问题，为此提出以下几点建议。

1)针对目前PM2.5的监测分析现状，中国气象和环保等相关部门应开展全国范围内系统的、大规模的PM2.5排放研究，研究其污染特征及对环境和人体的危害，并提出合理的解决措施，为政府决策提供科学依据。

2)制定合理的PM2.5监测技术规范，完善监测手段与技术，开发高精尖的检测设备，提高大气监测的准确度。

3)开展PM2.5污染总量控制，根据各源类的环境贡献及可削减空间，确定各源类的目标允许排放量和贡献值，实现总量控制与PM2.5环境质量达标的结合，为PM2.5污染的有效防治提供科学支撑。

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Research progress of characteristics and source apportionment

of air fine particle pollution (PM2.5)

HONG Gang， ZHOU Jingbo， JIANG Jianbiao， YANG Lili， FENG Yuan

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang, Hebei 050022, China)

Abstract:PM2.5has become a research hotspot of global atmospheric environment because of its small particle size, large specific surface area and great dangers. In this paper, according to the nationwide haze weather phenomenon and sharp declined air quality status in recent years, the domestic research status about PM2.5is summarized. Pollution characteristics, chemical composition and source apportionment of PM2.5are overviewed. At the same time, the concentration levels of PM2.5, its correlation with PM10and the influence to visibility are discussed. In the light of pollution and regulatory status of PM2.5, some suggestions are put forward to improve the atmospheric environment in China.

Keywords:solid pollution control engineering; PM2.5; pollution characteristics; chemical components; source apportionment

作者简介：洪纲(1974—)，男，河北石家庄人，工程师，主要从事环境监测方面的研究。

基金项目：河北省科技支撑计划项目(03273702D)

收稿日期：2014-05-05;修回日期：2014-07-26；责任编辑：陈书欣

中图分类号：X513

文献标志码：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01012

文章编号：1008-1534(2015)01-0064-08