基于主成分分析的嘉峪關(guān)市PM10中水溶性離子特征研究

張世兵

摘要：可吸入顆粒物（PM10）中的水溶性離子（WSIs）具有污染特征，來(lái)源復(fù)雜。本研究在嘉峪關(guān)市選取3個(gè)站點(diǎn)，使用中流量采樣器采集648個(gè)PM10樣品，分析樣品中WSIs的污染特征，使用主成分分析法來(lái)確定WSIs的來(lái)源。結(jié)果顯示，嘉峪關(guān)市PM10中WSIs平均質(zhì)量濃度的排序?yàn)槎荆?2.901 μg/m3）＞春季（17.312 μg/m3）＞夏季（15.668 μg/m3）＞秋季（13.342 μg/m3）。K+與Cl-主要來(lái)源于生物質(zhì)燃燒，NH4+在大氣中主要以NH4NO3的形式存在，Ca2+與Mg2+主要來(lái)自土壤沙塵或建筑揚(yáng)塵。嘉峪關(guān)市春季、夏季二次無(wú)機(jī)氣溶膠（SNA）的主要來(lái)源均為移動(dòng)源，冬季SNA的主要來(lái)源為固定源，大氣成分存在明顯的二次氣溶膠轉(zhuǎn)化過(guò)程，PM10中WSIs的主要來(lái)源為揚(yáng)塵源與化石燃料燃燒混合源、二次源、生物質(zhì)燃燒源。

關(guān)鍵詞：PM10；水溶性離子；污染特征；來(lái)源解析；主成分分析；嘉峪關(guān)市

中圖分類號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

近年來(lái)，中國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化持續(xù)推進(jìn)，能源消耗快速增長(zhǎng)，大氣中顆粒物濃度增加對(duì)人體健康、能見度和氣候變化有嚴(yán)重影響。PM10嚴(yán)重影響居民健康，會(huì)對(duì)呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、心肺系統(tǒng)等系統(tǒng)造成損傷[1]。大氣顆粒物主要由碳質(zhì)化合物、可溶性無(wú)機(jī)離子和幾乎不溶的無(wú)機(jī)物組成，水溶性離子（WSIs）是大氣顆粒物的重要組分之一，二次無(wú)機(jī)氣溶膠（SNA，包括SO42-、NO3-和NH4+）是影響大氣能見度的主要因素之一[2]。楊燕燕[3]對(duì)甘肅省嘉峪關(guān)市、金昌市、蘭州市的常規(guī)污染物和大氣顆粒物的潛在源區(qū)進(jìn)行研究，認(rèn)為這些地區(qū)受沙塵事件影響，PM10污染嚴(yán)重，嘉峪關(guān)市空氣污染類型是以工業(yè)排放、沙塵為主的復(fù)合型污染。隨著大氣污染防治措施的實(shí)施，嘉峪關(guān)市環(huán)境空氣質(zhì)量得到初步改善，但是PM10的WSIs化學(xué)組分和來(lái)源解析研究依然是空白，因此開展PM10的WSIs研究顯得十分重要。

嘉峪關(guān)市位于甘肅省西北部，西北地區(qū)常年受沙塵天氣影響，它是影響全市環(huán)境空氣中顆粒物濃度及優(yōu)良天數(shù)的主要原因。本文以嘉峪關(guān)市PM10為研究對(duì)象，對(duì)PM10的WSIs化學(xué)組分進(jìn)行分析，對(duì)比環(huán)境空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天和發(fā)生沙塵天的離子特征差異，同時(shí)結(jié)合主成分分析闡述PM10的主要來(lái)源，為區(qū)域大氣污染防治提供科學(xué)指引。

1 樣品采集與測(cè)定

1.1 樣品采集

設(shè)置3個(gè)PM10手工采樣點(diǎn)位。一是嘉峪關(guān)廣播電視臺(tái)主樓頂，點(diǎn)位周邊主要被建筑和道路覆蓋；二是酒鋼醫(yī)院門診樓頂，點(diǎn)位周圍是居民和商業(yè)混合區(qū)；三是紫軒葡萄酒莊，點(diǎn)位距離酒鋼集團(tuán)廠區(qū)較近，能夠反映工廠排放情況。在春季、夏季、秋季和冬季各開展1個(gè)月的顆粒物濾膜樣品采集，每次采樣23 h（09：00至次日08：00）。采樣期間共收集有效樣品108組，共使用648張濾膜。采樣前，用超純水沖洗石英膜，去除濾膜上有機(jī)成分對(duì)測(cè)量的影響，同一濾膜前后兩次稱量之差控制在±0.020 mg。

1.2 樣品分析

取1/4濾膜放置到離心管，加15 mL超純水，超聲波振蕩45 min后提取大氣PM10中WSIs的成分，通過(guò)離子色譜儀分別對(duì)提取液中9種WSIs（Ca2+、F-、K+、Cl-、Mg2+、NH4+、NO3-、Na+和SO42-）的質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 嘉峪關(guān)市大氣PM10中WSIs污染特征

研究期間，WSIs平均質(zhì)量濃度的排序?yàn)槎荆?2.901 μg/m3）＞春季（17.312 μg/m3）＞夏季（15.668 μg/m3）＞秋季（13.342 μg/m3）。WSIs/PM10（質(zhì)量比）的排序?yàn)槎荆?6.94%）＞夏季（28.27%）＞秋季（20.10%）＞春季（10.38%）。冬季，嘉峪關(guān)市集體供暖燃燒大量的化石燃料，造成PM10濃度總體較高、排放的WSIs貢獻(xiàn)較高，這一現(xiàn)象與北京市情況相似[4]。春季，受大風(fēng)影響，PM10主要為周圍裸露地表中的砂礫和浮塵，所以WSIs占PM10的比重較低。嘉峪關(guān)市PM10中WSIs各組分的濃度排序?yàn)镹a+＞SO42-＞Ca2+＞NO3-＞Cl-＞PO43-＞NH4+＞Mg2+＞K+＞F-，其中，Na+、NO3-、SO42-和Ca2+為PM10中的主要WSIs。離子組分的形成機(jī)制和不同季節(jié)的氣象條件影響不同季節(jié)的主要離子成分。同時(shí)，北方城市冬季集體供暖導(dǎo)致化石燃料燃燒增多，NOx排放增多有利于硝酸鹽的生成，使得NO3-濃度較高。

WSIs間相關(guān)性分析可以表征其在大氣中的來(lái)源及存在形式。離子間相關(guān)性分析顯示，Cl-與K+顯著相關(guān)，主要源于生物質(zhì)燃燒；NH4+在大氣中的主要存在形式為硫酸鹽、硝酸鹽，NH4+與NO3-相關(guān)性顯著，NH4+與NO3-相關(guān)系數(shù)較大，說(shuō)明嘉峪關(guān)市NH4+在大氣中主要以NH4NO3的形式存在，其次是以（NH4）2SO4和NH4HSO4兩種形式存在；NO3-與SO42-具有十分顯著的相關(guān)性，表明NO3-和SO42-的主要來(lái)源可能為工業(yè)排放造成的化學(xué)轉(zhuǎn)化；Ca2+與Mg2+具有極顯著的相關(guān)性，Mg2+和Ca2+均為地殼元素中主要的成分，這也說(shuō)明嘉峪關(guān)市的Mg2+與Ca2+主要來(lái)源于土壤風(fēng)沙揚(yáng)塵、建筑施工揚(yáng)塵。

2.2 嘉峪關(guān)市大氣PM10中二次離子特征

二次無(wú)機(jī)氣溶膠（SNA，包括SO42-、NO3-、NH4+）是由前體物NH3和SO2、氮氧化物（NOx）經(jīng)非均相或均相反應(yīng)形成的二次污染物[5]。SNA在顆粒物中占比較高，NH3是大氣中的一種堿性氣體，在NOx與SO2等氣態(tài)前體物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽與硫酸鹽的過(guò)程中起到非常重要的作用。SNA中NO3-與SO42-主要來(lái)源于化石燃料的燃燒，如石油、煤等。NO3-及SO42-的濃度比能很好地反映移動(dòng)源和化石燃料燃燒源對(duì)大氣中氮和硫的貢獻(xiàn)，兩者比值小于1時(shí)，大氣PM10中二次離子固定源是主要來(lái)源，由此可以類推，兩者比值大于1時(shí)，大氣PM10中二次離子主要來(lái)源是移動(dòng)源。春季與夏季，嘉峪關(guān)市SNA中NO3-與SO42-的濃度比大都小于1，SNA主要來(lái)源是移動(dòng)源。冬季，嘉峪關(guān)市SNA中NO3-與SO42-的濃度比大都大于1，SNA主要來(lái)源是固定源，如工業(yè)園區(qū)、火電設(shè)備和供暖設(shè)備等。

2.3 主成分分析

為了明確嘉峪關(guān)市PM10中WSIs的主要來(lái)源，對(duì)WSIs數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。經(jīng)計(jì)算，WSIs數(shù)據(jù)的KMO檢驗(yàn)值為0.661，大于0.5，數(shù)據(jù)比較可靠，主成分分析是可以進(jìn)行的。按照初始特征值大于1的條件，提取3個(gè)主因子，如表1所示。因子1方差貢獻(xiàn)率達(dá)到56.924%，其中載荷較大的離子依次為Na+、Ca2+、Mg2+、F-和Cl-，Na+主要來(lái)自建筑施工或道路揚(yáng)塵，而Ca2+是土壤源的典型離子，主要來(lái)自土壤巖石的風(fēng)化，F(xiàn)-大多來(lái)源于煤炭，燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量Cl-，所以將因子1識(shí)別為揚(yáng)塵源與化石燃料燃燒混合源。因子2方差貢獻(xiàn)率達(dá)到11.782%，其中NH4+的載荷最高（0.631），其次為SO42-，載荷為0.466，NH4+是由氣態(tài)前體物NH3轉(zhuǎn)化，SO42-主要來(lái)源于化石燃料燃燒產(chǎn)生的硫氧化物二次轉(zhuǎn)化。所以，因子2為二次源。因子3方差貢獻(xiàn)率為10.835%，其中載荷較大的離子為K+和Cl-，K+是生物質(zhì)燃燒的標(biāo)志性元素，Cl-來(lái)自生物質(zhì)燃燒，所以因子3為生物質(zhì)燃燒源。

3 結(jié)論

經(jīng)WSIs的相關(guān)性分析，嘉峪關(guān)市大氣中Cl-和K+主要來(lái)源于生物質(zhì)燃燒，大氣中NH4+主要以NH4NO3的形式存在，其次是NH4HSO4和（NH4）2SO4，Ca2+與Mg2+主要來(lái)自土壤沙塵或建筑揚(yáng)塵。WSIs平均質(zhì)量濃度的排序?yàn)槎荆?2.901 μg/m3）＞春季（17.312 μg/m3）＞夏季（15.668 μg/m3）＞秋季（13.342 μg/m3）。WSIs/PM10（質(zhì)量比）的排序?yàn)槎荆?6.94%）＞夏季（28.27%）＞秋季（20.10%）＞春季（10.38%）。春季與夏季，嘉峪關(guān)市SNA的主要來(lái)源為移動(dòng)源，冬季，SNA的主要來(lái)源為固定源。不同季節(jié)的溫度與濕度會(huì)影響硫氧轉(zhuǎn)化率和氮氧轉(zhuǎn)化率?？傮w來(lái)看，嘉峪關(guān)市PM10的WSIs主要來(lái)源為揚(yáng)塵源與化石燃料燃燒混合源、二次源、生物質(zhì)燃燒源。

參考文獻(xiàn)

1 陳仁杰，陳秉衡，闞海東.我國(guó)113個(gè)城市大氣顆粒物污染的健康經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2010（3）：410-415.

2 蔣 榮，錢 震.南通市PM2.5中水溶性離子季節(jié)分布特征[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2021（1）：52-55.

3 楊燕燕.甘肅西北關(guān)鍵城市空氣污染特征及顆粒物潛在源區(qū)研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2020：15-16.

4 宋 燕，徐殿斗，柴之芳.北京大氣顆粒物PM10和PM2.5中水溶性陰離子的組成及特征[J].分析試驗(yàn)室，2006（2）：80-85.

5 孫啟斌，肖紅偉，肖化云，等.南昌市大氣降水化學(xué)特征及來(lái)源分析[J].環(huán)境科學(xué)研究，2017（12）：1841-1848.