基于主成分分析的嘉峪关市PM10中水溶性离子特征研究

张世兵

摘要：可吸入颗粒物（PM10）中的水溶性离子（WSIs）具有污染特征，来源复杂。本研究在嘉峪关市選取3个站点，使用中流量采样器采集648个PM10样品，分析样品中WSIs的污染特征，使用主成分分析法来确定WSIs的来源。结果显示，嘉峪关市PM10中WSIs平均质量浓度的排序为冬季（22.901 μg/m3）＞春季（17.312 μg/m3）＞夏季（15.668 μg/m3）＞秋季（13.342 μg/m3）。K+与Cl-主要来源于生物质燃烧，NH4+在大气中主要以NH4NO3的形式存在，Ca2+与Mg2+主要来自土壤沙尘或建筑扬尘。嘉峪关市春季、夏季二次无机气溶胶（SNA）的主要来源均为移动源，冬季SNA的主要来源为固定源，大气成分存在明显的二次气溶胶转化过程，PM10中WSIs的主要来源为扬尘源与化石燃料燃烧混合源、二次源、生物质燃烧源。

关键词：PM10；水溶性离子；污染特征；来源解析；主成分分析；嘉峪关市

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2023）11-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.11.013

Study on the Characteristics of Water-Soluble Ions in PM10 of Jiayuguan City Based on Principal Component Analysis

ZHANG Shibing

（Jiayuguan Ecological Environment Bureau， Jiayuguan 735100， China）

Abstract： The water-soluble ions （WSIs） in inhalable particulate matter （PM10） have pollution characteristics and complex sources. This study selects 3 sites in Jiayuguan City and collects 648 PM10 samples by using a medium flow sampler to analyze the pollution characteristics of WSIs in the samples， and uses principal component analysis to determine the source of WSIs. The results show that the average mass concentration of WSIs in PM10 of Jiayuguan City is ranked in winter

（22.901 μg/m3） ＞ spring （17.312 μg/m3） ＞ summer （15.668 μg/m3） ＞ autumn （13.342 μg/m3）. K+ and Cl- mainly come from biomass combustion， NH4+ mainly exists in the form of NH4NO3 in the atmosphere， and Ca2+ and Mg2+ mainly come from soil dust or building dust. The main sources of sulfate-natrate-ammonium （SNA） in spring and summer in Jiayuguan City are mobile sources， while in winter， the main source of SNA is fixed sources， and there is a clear process of secondary aerosol transformation in atmospheric composition， and the main sources of WSIs in PM10 are dust sources and mixed sources of fossil fuel combustion， secondary sources， and biomass combustion sources.

Keywords： PM10; water-soluble ions; pollution characteristics; source analysis; principal component analysis; Jiayuguan City

近年来，中国工业化和城镇化持续推进，能源消耗快速增长，大气中颗粒物浓度增加对人体健康、能见度和气候变化有严重影响。PM10严重影响居民健康，会对呼吸系统、循环系统、心肺系统等系统造成损伤[1]。大气颗粒物主要由碳质化合物、可溶性无机离子和几乎不溶的无机物组成，水溶性离子（WSIs）是大气颗粒物的重要组分之一，二次无机气溶胶（SNA，包括SO42-、NO3-和NH4+）是影响大气能见度的主要因素之一[2]。杨燕燕[3]对甘肃省嘉峪关市、金昌市、兰州市的常规污染物和大气颗粒物的潜在源区进行研究，认为这些地区受沙尘事件影响，PM10污染严重，嘉峪关市空气污染类型是以工业排放、沙尘为主的复合型污染。随着大气污染防治措施的实施，嘉峪关市环境空气质量得到初步改善，但是PM10的WSIs化学组分和来源解析研究依然是空白，因此开展PM10的WSIs研究显得十分重要。

嘉峪关市位于甘肃省西北部，西北地区常年受沙尘天气影响，它是影响全市环境空气中颗粒物浓度及优良天数的主要原因。本文以嘉峪关市PM10为研究对象，对PM10的WSIs化学组分进行分析，对比环境空气质量优良天和发生沙尘天的离子特征差异，同时结合主成分分析阐述PM10的主要来源，为区域大气污染防治提供科学指引。

1 样品采集与测定

1.1 样品采集

设置3个PM10手工采样点位。一是嘉峪关广播电视台主楼顶，点位周边主要被建筑和道路覆盖；二是酒钢医院门诊楼顶，点位周围是居民和商业混合区；三是紫轩葡萄酒庄，点位距离酒钢集团厂区较近，能够反映工厂排放情况。在春季、夏季、秋季和冬季各开展1个月的颗粒物滤膜样品采集，每次采样23 h（09：00至次日08：00）。采样期间共收集有效样品108组，共使用648张滤膜。采样前，用超纯水冲洗石英膜，去除滤膜上有机成分对测量的影响，同一滤膜前后两次称量之差控制在±0.020 mg。

1.2 样品分析

取1/4滤膜放置到离心管，加15 mL超纯水，超声波振荡45 min后提取大气PM10中WSIs的成分，通过离子色谱仪分别对提取液中9种WSIs（Ca2+、F-、K+、Cl-、Mg2+、NH4+、NO3-、Na+和SO42-）的质量浓度进行测定。

2 结果与讨论

2.1 嘉峪关市大气PM10中WSIs污染特征

研究期间，WSIs平均质量浓度的排序为冬季（22.901 μg/m3）＞春季（17.312 μg/m3）＞夏季（15.668 μg/m3）＞秋季（13.342 μg/m3）。WSIs/PM10（质量比）的排序为冬季（36.94%）＞夏季（28.27%）＞秋季（20.10%）＞春季（10.38%）。冬季，嘉峪关市集体供暖燃烧大量的化石燃料，造成PM10浓度总体较高、排放的WSIs贡献较高，这一现象与北京市情况相似[4]。春季，受大风影响，PM10主要为周围裸露地表中的砂砾和浮尘，所以WSIs占PM10的比重较低。嘉峪关市PM10中WSIs各组分的浓度排序为Na+＞SO42-＞Ca2+＞NO3-＞Cl-＞PO43-＞NH4+＞Mg2+＞K+＞F-，其中，Na+、NO3-、SO42-和Ca2+为PM10中的主要WSIs。离子组分的形成机制和不同季节的气象条件影响不同季节的主要离子成分。同时，北方城市冬季集体供暖导致化石燃料燃烧增多，NOx排放增多有利于硝酸盐的生成，使得NO3-浓度较高。

WSIs间相关性分析可以表征其在大气中的来源及存在形式。离子间相关性分析显示，Cl-与K+显著相关，主要源于生物质燃烧；NH4+在大气中的主要存在形式为硫酸盐、硝酸盐，NH4+与NO3-相关性显著，NH4+与NO3-相关系数较大，说明嘉峪关市NH4+在大气中主要以NH4NO3的形式存在，其次是以（NH4）2SO4和NH4HSO4两种形式存在；NO3-与SO42-具有十分显著的相关性，表明NO3-和SO42-的主要来源可能为工业排放造成的化学转化；Ca2+与Mg2+具有极显著的相关性，Mg2+和Ca2+均为地壳元素中主要的成分，这也说明嘉峪关市的Mg2+与Ca2+主要来源于土壤风沙扬尘、建筑施工扬尘。

2.2 嘉峪关市大气PM10中二次离子特征

二次无机气溶胶（SNA，包括SO42-、NO3-、NH4+）是由前体物NH3和SO2、氮氧化物（NOx）经非均相或均相反应形成的二次污染物[5]。SNA在颗粒物中占比较高，NH3是大气中的一种碱性气体，在NOx与SO2等气态前体物转化为硝酸盐与硫酸盐的过程中起到非常重要的作用。SNA中NO3-与SO42-主要来源于化石燃料的燃烧，如石油、煤等。NO3-及SO42-的浓度比能很好地反映移动源和化石燃料燃烧源对大气中氮和硫的贡献，两者比值小于1时，大气PM10中二次离子固定源是主要来源，由此可以类推，两者比值大于1时，大气PM10中二次离子主要来源是移动源。春季与夏季，嘉峪关市SNA中NO3-与SO42-的浓度比大都小于1，SNA主要来源是移动源。冬季，嘉峪关市SNA中NO3-与SO42-的浓度比大都大于1，SNA主要来源是固定源，如工业园区、火电设备和供暖设备等。

2.3 主成分分析

为了明确嘉峪关市PM10中WSIs的主要来源，对WSIs数据进行主成分分析。经计算，WSIs数据的KMO检验值为0.661，大于0.5，数据比较可靠，主成分分析是可以进行的。按照初始特征值大于1的条件，提取3个主因子，如表1所示。因子1方差贡献率达到56.924%，其中载荷较大的离子依次为Na+、Ca2+、Mg2+、F-和Cl-，Na+主要来自建筑施工或道路扬尘，而Ca2+是土壤源的典型离子，主要来自土壤岩石的风化，F-大多來源于煤炭，燃烧过程会产生大量Cl-，所以将因子1识别为扬尘源与化石燃料燃烧混合源。因子2方差贡献率达到11.782%，其中NH4+的载荷最高（0.631），其次为SO42-，载荷为0.466，NH4+是由气态前体物NH3转化，SO42-主要来源于化石燃料燃烧产生的硫氧化物二次转化。所以，因子2为二次源。因子3方差贡献率为10.835%，其中载荷较大的离子为K+和Cl-，K+是生物质燃烧的标志性元素，Cl-来自生物质燃烧，所以因子3为生物质燃烧源。

3 结论

经WSIs的相关性分析，嘉峪关市大气中Cl-和K+主要来源于生物质燃烧，大气中NH4+主要以NH4NO3的形式存在，其次是NH4HSO4和（NH4）2SO4，Ca2+与Mg2+主要来自土壤沙尘或建筑扬尘。WSIs平均质量浓度的排序为冬季（22.901 μg/m3）＞春季（17.312 μg/m3）＞夏季（15.668 μg/m3）＞秋季（13.342 μg/m3）。WSIs/PM10（质量比）的排序为冬季（36.94%）＞夏季（28.27%）＞秋季（20.10%）＞春季（10.38%）。春季与夏季，嘉峪关市SNA的主要来源为移动源，冬季，SNA的主要来源为固定源。不同季节的温度与湿度会影响硫氧转化率和氮氧转化率。总体来看，嘉峪关市PM10的WSIs主要来源为扬尘源与化石燃料燃烧混合源、二次源、生物质燃烧源。

参考文献

1 陈仁杰，陈秉衡，阚海东.我国113个城市大气颗粒物污染的健康经济学评价[J].中国环境科学，2010（3）：410-415.

2 蒋 荣，钱 震.南通市PM2.5中水溶性离子季节分布特征[J].环境监控与预警，2021（1）：52-55.

3 杨燕燕.甘肃西北关键城市空气污染特征及颗粒物潜在源区研究[D].兰州：兰州大学，2020：15-16.

4 宋 燕，徐殿斗，柴之芳.北京大气颗粒物PM10和PM2.5中水溶性阴离子的组成及特征[J].分析试验室，2006（2）：80-85.

5 孙启斌，肖红伟，肖化云，等.南昌市大气降水化学特征及来源分析[J].环境科学研究，2017（12）：1841-1848.