贵州省大气颗粒物中的阴阳离子特征及变化趋势分析

摘要：大气颗粒物中的阴阳离子不仅影响空气质量，还影响人体健康和生态系统。以贵州省为研究区，采集并测定大气颗粒物样品，深入分析大气颗粒物中的阴阳离子特征及变化趋势。研究结果表明，贵州省大气颗粒物的阴阳离子组成受到多种因素的影响，其中人类活动的增加显著改变阴阳离子的来源和比例。硝酸盐（NO3-）与硫酸盐（SO42-）的质量比可以表征移动源对大气颗粒物的贡献程度，NO3-/SO42-越大，移动源对大气颗粒物的贡献率越高。大气颗粒物中，铵盐（NH4+）浓度的降低反映氨源排放的有效控制，与燃煤小锅炉整治和工业源污染控制紧密相关。深入探讨贵州省大气颗粒物中的阴阳离子浓度特征和结构特征，分析大气颗粒物中的阴阳离子变化趋势，有助于明确区域大气环境质量现状和主要影响因素，进一步揭示大气颗粒物污染的复杂性和动态性，为制定有效的大气污染防治措施提供重要依据。

关键词：大气颗粒物；阴阳离子；污染特征；结构特征；变化趋势；贵州省

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：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

随着经济快速发展和城市化进程加快，大气污染已成为贵州省面临的重要环境问题之一。硫酸盐（SO42-）、硝酸盐（NO3-）和铵盐（NH4+）等是大气颗粒物中的主要阴阳离子，不仅影响空气质量，还影响人体健康和生态系统[1-3]。了解阴阳离子的浓度特征、结构特征及其变化趋势对于制定有效的大气污染控制策略至关重要[4-5]。

1 研究区概况

贵州省位于云贵高原东部，地势西高东低，平均海拔为1 100 m，植被平均覆盖度超过60%，展现出喀斯特地貌的典型特征。贵州省生境多样，差异性显著，属亚热带季风气候区，大部分地区年平均气温约为15 ℃，年降水量约为1 300 mm，温和湿润，为大气颗粒物研究提供独特的自然背景。

2 样品采集及测定

基于贵州省生态环境质量现状，分别在贵阳市（G1）、安顺市（G2）、毕节市（G3）、遵义市（G4）、黔南布依族苗族自治州（以下简称黔南州，G5）和六盘水市（G6）选取采样点，如图1所示。各采样点均选取典型的市区环境空气质量自动监测站和背景监测站，以全面反映贵州省不同区域的大气环境质量。

2.1 样品采集

采样时间跨度为2020年1月至2023年12月，旨在捕捉贵州省大气颗粒物中阴阳离子的季节变化特征。因此，分别在春季、夏季、秋季与冬季采样，每个季节采样7 d，每天连续采样24 h，以确保数据的准确性和代表性。采用智能中流量大气颗粒物采样器采集样品。采样过程中，采样器流量设定为100 L/min，

选择直径为90 mm的石英滤膜。采样完成后，有尘面朝内，将滤膜对折，并用硫酸纸包裹，确保样品不受外界污染。最后，将包裹好的样品置于4 ℃环境下储存，待后续实验室分析。

2.2 样品测定

采集的大气颗粒物样品可以分为总悬浮颗粒物（total suspended particulates，TSP）、可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）。将已捕集3种大气颗粒物样品的滤膜分别裁剪成相同尺寸，然后置于离心管，加入20 mL超纯水，超声提取1 h，加入空白滤膜进行同时操作，浸提液由孔径为0.22 μm的滤膜过滤后，采用离子色谱仪分析阴离子F-、Cl-、NO3-和SO42-，离子色谱法能够准确区分和定量样品中的各种阴离子，为污染特征分析提供可靠数据[6-8]。阳离子K+、Ca2+、Na+和Mg2+的测定采用原子吸收光谱仪，NH4+的测定则采用分光光度计[9-11]。

3 大气颗粒物中的阴阳离子特征及变化趋势

3.1 大气颗粒物中的阴阳离子浓度特征

2020—2023年，贵州省主要城市的部分采样点大气颗粒物中，阴离子浓度的监测结果如表1至表6所示。分析SO42-、NO3-、Cl-和F-等阴离子，可以揭示不同城市不同粒径大气颗粒物的阴离子分布特征。结果显示，SO42-和NO3-是贵州省大气颗粒物中的主要阴离子。2020年，毕节市TSP、PM10与PM2.5的SO42-浓度分别达到52.50 μg/m3、41.57 μg/m3和34.44 μg/m3，显示出其显著的污染贡献。2020—2023年，TSP的NO3-最高浓度出现在安顺市，为11.12 μg/m3；PM10的NO3-最高浓度出现在安顺市，为8.04 μg/m3；PM2.5的NO3-最高浓度出现在毕节市，为8.51 μg/m3。

2020—2023年，贵州省主要城市的部分采样点大气颗粒物中，阳离子浓度的监测结果如表7至表14所示。分析NH4+、Mg2+、Na+、Ca2+和K+等阳离子，可以揭示不同城市不同粒径大气颗粒物的阳离子分布特征。结果显示，Mg2+和NH4+是贵州省大气颗粒物中的主要阳离子，Mg2+浓度均高于其他阳离子，这与贵州省喀斯特地貌岩性特征有关。NH4+在不同城市不同粒径颗粒物中也呈现不同的浓度特征，表明氨的区域性分布和其在大气颗粒物中的转化作用[12-13]。

3.2 大气颗粒物中的阴阳离子结构特征

3.2.1 二次无机颗粒物

分析贵州省大气颗粒物中的阴阳离子结构特征时，特别关注二次无机颗粒物（Sulfate，nitrate and ammonium，SNA）的贡献率，即硫酸盐（SO42-）、硝酸盐（NO3-）和铵盐（NH4+）。作为大气颗粒物的主要成分，SNA对颗粒物的物理和化学特性有重要影响[14-16]。2021—2023年，SNA对TSP、PM10和PM2.5的贡献率在不同年份表现出一定差异，如表15所示。数据反映出SNA在大气颗粒物中所占比例的时间变化。

2021年，SNA对TSP、PM10与PM2.5的贡献率均值分别为28.05%、33.78%和40.71%，表明SNA在更细的颗粒物中占比更高。2022年，监测数据表现出类似的趋势，但各粒径颗粒物中SNA的最高贡献率出现不同程度的变化。2023年，SNA对各类颗粒物的贡献率略有下降，最高贡献率显著降低，这也充分说明大气污染控制效果显著。

3.2.2 NO3-/SO42-

NO3-和SO42-的质量比（NO3-/SO42-）是一个关键指标，能够反映人类活动特别是移动源和固定源对大气环境的影响[17-18]。NO3-主要源自化石燃料燃烧，尤其是汽油和天然气，其主要来自机动车排放，而SO42-主要源自煤燃烧排放。分析2020—2023年贵州省主要城市大气颗粒物样品的NO3-/SO42-，可以明确不同污染源对大气颗粒物的贡献。2020—2023年，贵州省主要城市大气颗粒物的NO3-/SO42-变化如表16所示，展现区域大气污染物来源的转变。随着贵州省经济的快速发展和城市化进程的加快，机动车数量显著增加，而燃煤使用量逐渐减少，天然气和燃油等能源的使用量大幅度增加。这些变化直接影响NO3-和SO42-在大气颗粒物中的比例。

从季节变化来看，NO3-/SO42-在冬季最高，其次是春秋季，夏季最低，这与NO3-的生成过程有关。在春季、秋季和冬季，较低的温度和较高的湿度有利于生成NH4NO3，而夏季高温低湿条件下NO3-的生成受到抑制，相对促进SO42-的形成。空间分布方面，有些环境空气质量背景监测站的NO3-/SO42-低于市区环境空气质量自动监测站，反映出这些区域车流量较少，植被覆盖度较高。但是，随着经济的发展，部分环境空气质量背景监测站的车流量增加，导致其NO3-/SO42-与市区环境空气质量自动监测站相差不大。

3.3 大气颗粒物中的阴阳离子变化趋势

2021年以来，贵州省全面落实大气污染防治行动，大气颗粒物中主要阴离子SO42-、NO3-和阳离子NH4+的浓度展现明显的下降趋势。贵州省因地制宜，综合施策，有序推进大气污染防治工作，包括整治燃煤小锅炉、综合治理城市及矿山扬尘、控制餐饮油烟、加强城市交通管理、提升燃油品质、加强机动车环保管理、推广新能源汽车、开发利用清洁能源以及清洁高效利用煤炭等。SO42-和NH4+的浓度降低反映硫源和氨源排放的有效控制，与燃煤小锅炉整治和工业源污染控制紧密相关[19-20]。此外，NO3-的浓度下降则与机动车排放控制措施的实施密切相关。尽管NO3-的浓度总体势于下降，但安顺市NO3-浓度出现略微上升，主要原因是该地区车流量增加，交通排放对大气NO3-浓度有直接影响。相比之下，Ca2+浓度没有表现出明显的下降趋势，这可能与其来源有关。作为地壳的重要组分，Ca2+在大气颗粒物中的浓度受人类活动影响较大，其变化趋势不明显。

4 结论

全面分析贵州省大气颗粒物中阴阳离子的特征及其变化趋势，揭示区域大气污染的复杂性和动态性，能够为政府决策提供科学依据，提高环境管理政策的有效性，以实现可持续发展。综合研究大气颗粒物中SO42-、NO3-和NH4+等阴阳离子的浓度特征，有助于了解这些离子对生态环境和人体健康的潜在影响。此外，随着城市化进程加快，NO3-/SO42-发生变化，突显移动源对大气颗粒物的影响日益重要。近年来，贵州省从交通、工业和能源等角度入手，持续发力，有序推进大气污染防治，大气颗粒物中，SO42-、NO3-和NH4+等主要阴阳离子浓度明显下降。然而，大气污染防治策略的差异化和精准化调整仍是未来工作的重点，以进一步降低大气颗粒物的健康风险，改善环境质量。

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