盐城市秋冬季节PM2.5污染特征及来源分析

咸月，王磊黎，单龙，郭振东，吉祝美，张俊，马晶晶

(江苏省盐城环境监测中心，江苏 盐城 224002)

近年来，我国雾霾治理取得了一定成效，大部分城市大气环境污染状况得到明显改善[1]，但在秋、冬季节的不利天气条件下，颗粒物污染仍时有发生，首要污染物以细颗粒物(PM2.5)为主[2-3]。PM2.5主要由有机碳(OC)、元素碳(EC)、水溶性离子及无机元素等组成[4]。研究PM2.5的浓度及其化学组分的时空特征，对把握城市和区域整体污染水平，进而科学制定污染防治措施，指导人们生产生活都有重要意义[5-7]。

为了进一步摸清盐城市大气颗粒物组分的时空变化规律，在盐城市开展大气PM2.5离线监测，并进行组分分析和重建，科学研判大气污染成因，评估重污染天气应对措施成效，以期为开展大气污染治理，改善空气质量提供决策依据。

1 研究方法

1.1 样品采集

1.1.1 采样点位及时间

采样点位：综合考虑城市功能分布、人口密度、环境敏感程度等因素，选取盐城市监测站国控考核点位(东经：120.160317°，北纬：33.392806°)进行采样，采样高度15 m。

采样时间：2019年10月—2020年2月，为期152 d。

1.1.2 仪器及方法

使用4台崂应2050单通道小流量大气颗粒物采样器(流量16.7 L/min，青岛崂应环境科技有限公司)，同步采集4个PM2.5平行样品，其中2个为石英滤膜样品，2个为特氟龙有机滤膜样品。采样时长为23 h(当日09：00—次日08：00)，每月第1个采样日加采2个全程序空白样品(1个石英滤膜样品和1个特氟龙滤膜样品)。

1.1.3 监测频次

手工监测频次为每3 d 1次；若采样期间出现以PM2.5为首要污染物的空气重污染过程时，监测频次为1次/d。

1.2 样品分析

1.2.1 分析项目及依据

分析项目为：PM2.5质量浓度，PM2.5中水溶性离子、无机元素和碳组分的质量浓度。

1.2.2 分析方法

采样滤膜使用前，将石英滤膜放入550 ℃ 的马弗炉中烘2 h，以除去杂质；采样前后滤膜平衡时间不少于24 h，平衡温度应控制在(25±1) ℃，平衡相对湿度应控制在(50±5)% 。

水溶性离子分析测试时，使用标准分膜器或陶瓷刀进行滤膜切割，试样管、过滤头等器具均为1次性使用，避免交叉污染；样品超声提取时，在超声外部水溶液环境中须通过加冰块等方法保证水浴温度<20 ℃，以减少目标物的损失量。碳组分分析测试时，统一使用DRI2015有机碳/无机碳分析仪(DRI-M0061，美国Atmosiytic公司)，须记录每日所有样品分析中的甲烷(CH4)内标FID响应值，统计所有样品的甲烷峰面积的平均相对标准偏差，对于明确离群的样品则须重新测定。

1.3 气象条件

2019年10月—2020年2月，盐城市月平均气温为1.8～17 ℃，其中2020年1月和2月气温相较近3年同期平均偏高1.5 ℃。2019年10月—2020年2月降水量为1.4～55.5 mm，其中10月降水量最少，1月降水量最多。盐城市秋季的主导风向以东南风为主，冬季以西北风为主。

2 结果与讨论

2.1 空气质量变化

2019年10月—2020年2月盐城市空气质量及优良率统计见表1。由表1可见，盐城市空气质量优良率均≥71.0%。2019年10月，空气质量全省排名第1位；2020年2月，空气质量优良率达到96.6%，这是由于疫情管控使人为活动和污染源排放大大减少。监测期间以优、良天为主，其中12月和1月污染天较多，12月出现轻度污染9 d，1月出现轻度污染5 d、中度污染2 d、重度污染2 d。

表1 2019年10月—2020年2月盐城市空气质量及优良率统计

2.2 PM2.5质量浓度变化

2019年10月—2020年2月盐城市PM2.5月均质量浓度变化见图1。由图1可见，盐城市2019年10—12月ρ(PM2.5)月均值为50.19 ～59.56 μg/m3，2020年1月该值升至62.59 μg/m3，这可能与1月春运期间移动源排放增加有关。2020年2月，受疫情管控的影响，ρ(PM2.5)降至43.32 μg/m3，同1月份相比，降低了30.8%。

图1 2019年10月—2020年2月盐城市PM2.5月均质量浓度

图2 2019年10月—2020年2月盐城市PM2.5化学组成变化

2.3 PM2.5质量平衡分析

图3 2019年10月—2020年2月盐城市实测PM2.5和重建PM2.5相关性分析

2.4 PM2.5组分分析

2.4.1 PM2.5化学组成变化

监测期间盐城市PM2.5的化学组成包括：OC、EC、SNA、crustal、K+、Cl-和other。2019年10月—2020年2月盐城市PM2.5化学组成变化见图4(a)(b)(c)(d)(e)。由图4可见，盐城市PM2.5的主要成分是水溶性离子中的SNA，其每月占比为49%，39%，51%，62%，56%。OC在PM2.5组分中占比为13%～19%，其中，2020年1月占比最低，2019年12月占比最高。crustal主要表征局地扬尘以及沙尘过境影响，在城市中主要表征土壤、沙尘对颗粒物的影响，2019年10月和11月受北方沙尘传输影响，盐城市PM2.5组分中crustal是除SNA之外占比最大的组分，分别是20%和28%。

图4 2019年10月—2020年2月盐城市PM2.5化学组成变化

2.4.2 水溶性离子组成变化

图5 2019年10月—2020年2月盐城市水溶性离子组成

2.4.3 后向轨迹分析

2019年10月30日盐城市后向轨迹见图6。由图6可见，盐城市在2019年10月底和11月初受到一次明显的北方沙尘天气影响，在11月1日08：00达到最大污染浓度(AQI指数为211，PM10小时质量浓度为308 μg/m3)。通过气象观测资料可知，10月和11月的降雨量明显少于12月—次年2月，湿沉降减少。外源沙尘影响和内部不利的气象条件会共同导致颗粒物中crustal浓度的显著增加。

图6 2019年10月30日盐城市后向轨迹

2.5 PM2.5来源解析

2.5.2 OC/EC的质量比变化

OC和EC的质量比[m(OC)/m(EC)]在研究碳质气溶胶的主要来源上具有重要作用。柴油和汽油车尾气排放的m(OC)/m(EC)为1.0～4.2，燃煤排放为2.5～10.5，生物质的燃烧排放为16.8～40.0[13]。

2019年10月—2020年2月盐城市m(OC)/m(EC)变化见图8。由图8可见，m(OC)/m(EC)比值波动范围较大，为1.56～14.37，均值为4.70。从时间上来看，大部分时间m(OC)/m(EC)落在2～6区间内，说明碳质气溶胶可能主要来自机动车尾气和工业燃煤的共同排放。

图7 2019年10月—2020年2月盐城市变化

图8 2019年10月—2020年2月盐城市m(OC)/m(EC)变化

2.6 主成分因子分析

主成分因子分析法(PCA)[14-15]是指通过正交变换将一组可能存在相关性的变量转换为一组线性不相关的变量。各化学组分载荷值越大，不同因子与相应化学组分的相关性也越大，一般认为载荷值>0.5 的化学组分为因子(源类型)的指示物。为得到更加清晰的指示物，使各因子(源类型)中指示物的载荷值更加接近1.0，而非接近0，在主成分因子分析时进行了最大方差旋转。在主成分分析提取因子时，保留了特征值>1.0 的因子(特征值等于数据在旋转之后的坐标上对应维度上的方差)。

表2 2019年10月—2020年2月盐城市PM2.5化学组分主成分因子分析结果

3 结论

(1) 2019年10月—2020年2月盐城市ρ(PM2.5)平均值为54.25 μg/m3，月均值为43.32～62.59 μg/m3；受疫情管控影响，2020年2月，ρ(PM2.5)最低为43.32 μg/m3，空气质量优良率达到96.6%。

(4)通过分析2019年11月初重污染过程中crustal浓度变化，可知秋、冬季盐城市PM2.5受北方沙尘天气等外源影响严重。

(5)利用PCA法对监测期间盐城市PM2.5组分来源进行解析，分析结果为土壤和扬尘源、燃烧源以及二次无机源对PM2.5的贡献分别为40.32%，28.46%和14.18%。