云南省三城市气溶胶中210Pb、7Be 的长期变化趋势及与PM2.5、PM10和O3关系研究

武荣国

（云南省辐射环境监督站，云南 昆明 650032）

气溶胶是大气中空气动力学当量直径为0.1～100 μm 的固体或液体微粒。近年来，气溶胶中放射性核素210Pb、7Be受到人们关注［1］，IAEA 在全球范围组织了模拟气溶胶样分析能力验证活动［2］，同时，210Pb、7Be 也是国家和省两级辐射环境监测网络中的必测项目。云南省气溶胶放射性核素监测开始于2013年，常规监测包括210Pb、210Po、7Be、131I、234Th、228Ac、226Ra、134Cs、137Cs、40K、228Ra 和90Sr共12 个核素，其中210Pb、210Po、7Be 和90Sr 均可定量检出，其余核素基本为未检出。对于监测结果多大范围属正常波动过去没有定量数据作为判定依据，通常采取历史值对比和专家经验判断，缺乏有说服力的定量界限。国内已报道过气溶胶中210Pb、7Be，但与大气环境中PM2.5、PM10和O3的关系如何研究甚少。云南属高原气候，立体气候明显，气象条件复杂，城市气溶胶中210Pb、7Be的长期变化情况及与PM2.5、PM10和O3关系、与周边省份的监测结果对比尚未见公开报道。本文根据昆明市西山区环城西路站（昆明站）、保山市隆阳区九龙路站（保山站）、临沧市临翔区玉带路站（临沧站）2016—2020 年每月监测结果，经过统计分析得出，供参考的气溶胶中210Pb、7Be 正常值范围，探讨了210Pb、7Be 长期变化趋势及其与大气环境PM2.5、PM10和O3的关系，为今后的污染防治提供了基础数据。

1 研究方法

1.1 城市辐射自动监测站概况

城市辐射自动监测站点属于国控网监测点，3个监测点均位于主城区，周围无高大建筑物遮挡，每月进行采样分析。三城市辐射自动监测站概况见表1。保山市和临沧市PM2.5、PM10和O3大气环境自动监测站点与辐射自动监测站位于同一幢楼顶，昆明市金马碧鸡大气环境自动监测站点距离昆明辐射自动监测站约2 km，位于主城区。

表1 云南省三城市辐射自动监测站监测点位信息Table 1 The information of auto-monitoring station of three cities in Yunnan province

1.2 监测情况

各站点用大流量（临沧站和保山站，流量为2.0 m3·min-1）或超大流量（昆明站，流量为10.0 m3·min-1）大气采样器采样［3］，采集后及时送实验室，按规范压片后进行γ谱仪分析［4］。

1.3 数据资料来源及分析方法

各站点气溶胶210Pb、7Be 数据来源于云南省辐射环境监督站监测季报及年报，PM2.5、PM10和O3数据由云南省生态环境监测中心提供。

根据历年各站点结果分析，得出各城市气溶胶中210Pb、7Be 总平均值和标准差，剔除异常值后，按均值加减3 倍标准差（即，99.7 %概率）计算各核素正常值范围。对各站点210Pb、7Be数据进行线性相关回归分析，并讨论两个核素与PM2.5、PM10和O3之间的相关性。

2 结果与讨论

2.1 三城市210Pb、7Be 逐月活度浓度结果正常值波动范围及变化趋势性分析

2.1.1210Pb、7Be 逐月活度浓度结果正常值波动范围

三城市气溶胶“十三五”期间监测数据，剔除异常值后计算均值和标准差，计算出每个城市历年均值加减3 倍标准差值范围为正常值波动范围。由于监测结果不可能为负值，低于或等于检出限均按检出限报告，“十三五”期间监测结果统计及正常值范围统计见表2。

由表2数据可见，三城市气溶胶中7Be多年平均值差别不大，昆明站、保山站气溶胶中210Pb 多年平均值也接近，而临沧站210Pb 则明显高于保山站和昆明站，大约高出21%和39%。三城市正常值范围和临近省和直辖市（四川省、贵州省、重庆市）的监测值范围相近［5］。

表2 昆明站、保山站和临沧站监测数据概况及统计Table 2 The monitoring data in Kunming,Baoshan and Lincang station and the related statistics

2.1.2三城市气溶胶中210Pb、7Be 监测结果及其变化趋势分析

三城市气溶胶中210Pb、7Be 结果统计见表3，其变化趋势见图1～6。

图1 昆明站2016—2020 年210Pb 变化趋势图/（mBq·m-3）Fig.1 The variation tendency of 210Pb in Kunming from 2016 to 2020

表3 三城市主城区自动站210Pb、7Be 监测结果统计分析Table 3 The statistical results of 210Pb and 7Be monitoring data in the main districts of the three cities

图2 昆明站2016—2020 年7Be 变化趋势图（mBq·m-3）Fig.2 The variation tendency of 7Be in Kunming from 2016 to 2020

图3 保山站2017—2020 年210Pb 变化趋势图/（mBq·m-3）Fig.3 The variation tendency of 210Pb in Baoshan from 2017 to 2020

图4 保山站2017—2020 年7Be 变化趋势图（mBq·m-3）Fig.4 The variation tendency of 7Be in Baoshan from 2017 to 2020

图5 临沧站2017—2020 年210Pb 变化趋势图（mBq·m-3）Fig.5 The variation tendency of 210Pb in Lincang from 2017 to 2020

图6 临沧站2017—2020 年7Be 变化趋势图（mBq·m-3）Fig.6 The variation tendency of 7Be in Lincang from 2017 to 2020

由图1～6 可见，昆明站、保山站气溶胶210Pb 趋势线升降不明显，而临沧站则有明显降低趋势；3 个站的7Be 基本保持平稳，升降趋势均不明显，经相关系数显著性t检验，昆明站、保山站气溶胶210Pb，昆明市、保山站和临沧站气溶胶的7Be 与测量时间顺序的相关系数均无统计学意义，说明无明显升降趋势，临沧站气溶胶的210Pb 与测量时间顺序的相关系数则有高度显著性差异（P＜0.01），且趋势线斜率为负值，说明呈明显下降趋势。

临沧市主城区临翔区过去属云南省放射性高本底城市［6-7］。2012 年后临沧市政府先后禁止使用当地煤，燃料煤全部由附近其他州市供给，取消城区燃煤锅炉，对建筑材料企业进行整顿。同时，对老旧小区原来直接裸露在外的砖房进行了水泥砂浆粉刷，减少了墙体中氡的释放，以上这些措施可能是造成大气气溶胶中210Pb 下降的重要原因。

2.1.3三城市站点210Pb、7Be 年内变化情况

为观察210Pb、7Be 年内变化情况，将2020 年1～12 月三城市站点210Pb、7Be 活度浓度变化趋势制图，见图7～9。

图7 昆明站2020 年210Pb 和7Be 逐月变化情况（mBq·m-3）Fig.7 The monthly variation of 210Pb and 7Be in Kunming in 2020

图8 保山站2020 年210Pb 和7Be 逐月变化情况（mBq·m-3）Fig.8 The monthly variation of 210Pb and 7Be in Baoshan in 2020

图9 临沧站2020 年210Pb 和7Be 逐月变化情况（mBq·m-3）Fig.9 The monthly variation of 210Pb and 7Be in Lincang in 2020

昆明市雨季通常是6～9 月，保山市主城区雨季为5～8月，临沧市为云南省降雨量较高的城市，雨季较长，为6～10 月。由图7～9 可见，三城市的210Pb、7Be 变化趋势具有相似性，三城市年内气溶胶中210Pb、7Be 均为干季高于雨季，7Be 尤为明显。这一点与参考文献［8］报告相同。

2.2 气溶胶中210Pb、7Be 相关性分析

为了研究三城市210Pb、7Be 2 个核素测值相关性，将三城市210Pb、7Be 几年来的数据制成散点图（图10），相关系数t检验结果见表4。

图10 昆明市、保山市和临沧市210Pb 和7Be 相关关系散点图及回归方程（mBq·m-3）Fig.10 The scatter diagram and regression equation of between 210Pb and 7Be in Kunming，Baoshan and Lincang

表4 昆明市、保山市和临沧市三城市210Pb 和7Be 相关关系分析Table 4 The correlation analysis of 210Pb and 7Be obtained by Kunming,Baoshan and Lincang stations

由图10 和表4 分析可见，直观上三城市210Pb与7Be 活度浓度之间有相关性，经过相关系数t检验，3 个站气溶胶中210Pb 与7Be 均为高度相关（P＜0.01），说明3个城市大气气溶胶中210Pb和7Be均有很强的关联性。

从来源分析，210Pb 来源于地表。云南旱季天气干燥，容易产生扬尘，地表气流平移较雨季强烈，地表的210Pb 随着扬尘进入大气中，随风向其他地区输移，导致旱季大气中210Pb 较高；而7Be 是宇生核素，来源于大气平流层，雨季大气垂直对流比旱季强烈，产生于平流层底部的7Be 随大气对流及降水到达地表，来源大大高于旱季，但雨季降水对气溶胶的清除作用也强烈，从气溶胶中210Pb 与7Be 均有旱季高于雨季的特点，说明降水对7Be 清除作用占主导地位，210Pb 则产生于地表，受当地地形条件和气象条件影响更为明显。

210Pb 与7Be 同时存在于气溶胶中，吸附在呈气溶胶存在的颗粒物上，除自身衰变外，还随着气溶胶中的颗粒悬浮和沉降，本次分析结果说明，210Pb 与7Be 有统计学相关性，从图7～9 也可以直观看出，在一年中，昆明市、保山市和临沧市三城市气溶胶中210Pb 与7Be 变化趋势具相似性。

2.3 气溶胶中210Pb、7Be与PM2.5、PM10和O3关系分析

大气中210Pb 是土壤或岩石中的238U 经过11次衰变产生的放射性核素，半衰期达22.3 a，由222Rn在大气中直接衰变而来［9］。7Be主要产生、赋存于平流层，是由宇宙射线轰击14N和16O靶核而产生，半衰期达53.3 d，7Be 形成以后，被快速吸附在亚微米级气溶胶微粒上。

大气层中约67%的7Be 分布于平流层底部和对流层上部。在平流层产生和富集的7Be，通过全球尺度的Brewer-Dobson 环流，被输送到对流层或者通过平流层与对流层交换进入对流层［1，10］。O3是近年来最主要的大气污染物之一，主要来源是高对流层向下动力输送和近地面光化学转化产生。地球大气层中O3主要分布在10～50 km高度的平流层，极大值介于20～30 km之间。由于7Be和O3均由平流层产生，其底部的7Be和O3会随着对流层大气垂直对流而到达地表，但O3不稳定，易分解成为O2，其平均分解半衰期因气温和介质不同，差异很大，在室温下约4～20 h，远小于7Be 的半衰期。而210Pb 源于地表，随着气流平移而向其他地区输移［10-11］。因此近十几年来，有学者将210Pb/7Be 浓度监测作为研究O3来源及大气垂直对流过程的示踪物质［1，8，10］。据报告，云南省主要城市全年对流层顶高度介于16.0～18 km之间。其气候特征是雨季对流层较低，垂直对流强烈，有利于平流层7Be、O3等向地表输送，而旱季对流层较高，垂直对流较弱，地表气流平移较强，有利于地表污染物扩散［12］。依据5 年研究资料，分析三城市210Pb、7Be与PM2.5、PM10和O3关系，通过线性相关系数t检验，分析其两个指标的关联性大小，结果见表5。

由表5 统计分析结果可见，三城市监测点7Be与O3均具有显著线性正相关或高度正相关，说明7Be 与O3有明显的相关性，这是否可以认为高空平流层的O3是云南省这三城市大气中O3的重要来源？对此有待进一步的跟踪研究。本次研究发现三城市210Pb 与PM2.5仅保山站的监测结果有相关性，昆明站和临沧站的监测结果无相关性；三城市中临沧站的210Pb 与PM10有相关性，而昆明站和保山站均无线性相关关系，说明210Pb与PM10、PM2.5关系受地形和气象条件影响不容忽视。

表5 昆明市、保山市和临沧市主城区气溶胶中210Pb、7Be 与PM10、PM2.5和O3相关分析Table 5 The correlation analysis of 210Pb and 7Be in aerosol and PM10、PM2.5 and O3 in the main district of Kunming,Baoshan and Lincang

三城市210Pb、7Be 与PM2.5、PM10和O3相关分析以上结果看出，云南省地形复杂，气候、自然环境差别较大，显示出对大气气溶胶中核素影响不同，相关问题待进一步研究。

3 结论

1）云南省昆明市、保山市和临沧市三城市气溶胶中7Be 多年平均值差别不大，昆明市和保山市气溶胶中210Pb 平均值接近，而临沧市210Pb 则高于保山市和昆明市。正常值范围与临近省份及直辖市如四川省、重庆市和贵州市的监测值范围相近。

2）昆明市、保山市和临沧市气溶胶的7Be 基本保持平稳，升降趋势均不明显。昆明市、保山市210Pb 几年间升降不明显，临沧市210Pb 呈降低趋势，很可能与临沧市近8年来所采取的措施有关。

3）昆明市、保山市和临沧市主城区气溶胶年内210Pb、7Be 均为旱季高于雨季，7Be 尤为明显，年内210Pb、7Be 变化趋势具有相似性，与云南省城市雨季分布特征有关。

4）三城市气溶胶中210Pb与7Be活度浓度之间均为高度相关（P＜0.01）。

5）三城市7Be 与O3均为线性正相关，结合210Pb、7Be 均为旱季高于雨季、7Be 与O3均受雨季分布特征影响明显的特点，推测高空平流层的O3是云南省三城市大气压中O3的主要来源；临沧站的210Pb 与PM10有相关性，而昆明站和保山站均无线性相关关系；保山站210Pb 与PM2.5有线性正相关，昆明站和临沧站无相关关系。而210Pb 产生于地表，受当地地形条件和气象条件影响明显。

致谢：云南省环境监测中心赵琦琳、铁程同志提供三城市2016—2020 年PM2.5、PM10和O3数据，在此表示衷心感谢！