基于組分分析的城市PM2.5來源及季節變化特征

摘要：為了解不同源的PM2.5成分構成及它們對總體污染水平的貢獻，以上饒市為例，分析PM2.5化學組分的季節變化特征及其來源。化學組成分析結果表明，PM2.5化學組分隨季節變化，有機物（Organic Matter，OM）和硝酸鹽在冬季占據較大比例，而硫酸鹽和地殼元素在春季的濃度高于其他季節。碳組成分析表明，機動車尾氣是上饒市的主要一次碳質排放源。污染來源分析結果表明，對于一次排放源，移動源在夏季和秋季的影響較為突出；春季時揚塵源對空氣質量的負面影響更顯著，而燃燒源，尤其是燃煤和生物質燃燒，在冬季對空氣質量的影響更顯著。

關鍵詞：組分分析；PM2.5；季節變化

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-0-03

Source and Seasonal Variation Characteristics of Urban PM2.5 Based on Component Analysis

— Taking Shangrao City as an Example

Abstract： To understand the composition of PM2.5 components from different sources and their contributions to the overall pollution level， taking Shangrao city as an example， analyze the seasonal variation characteristics and sources of PM2.5 chemical components. The chemical composition analysis results indicate that the chemical composition of PM2.5 varies with seasons， with Organic Matter （OM） and nitrate accounting for a larger proportion in winter， while sulfate and crustal elements have higher concentrations in spring than in other seasons. Carbon composition analysis shows that motor vehicle exhaust is the main source of carbon emissions in Shangrao city. The analysis of pollution sources shows that for a single emission source， the impact of mobile sources is more prominent in summer and autumn; the negative impact of dust sources on air quality is more significant in spring， while combustion sources， especially coal and biomass combustion， have a more significant impact on air quality in winter.

Keywords： component analysis; PM2.5; seasonal variation

隨著城市化進程的加快，空氣污染成為全球性的環境問題。PM2.5能夠穿過呼吸道的防御毛發狀結構，直接進入血液，影響人們的健康。城市環境的復雜性導致了PM2.5來源的多樣性，包括交通排放、工業污染、燃煤及生物質燃燒等。了解不同源的PM2.5成分構成和它們對總體污染水平的貢獻，對于制定有效的污染控制策略至關重要。

1 樣本采集及分析

1.1 采樣點位和時間

用2023年1月、4月、7月和10月代表四季關鍵月份，并在上饒市雙創科技城的樓頂采集大氣樣本。樣本采集裝置安置在距離地面大約35 m的高度，采用四通道大氣顆粒物采樣器，并設定了采樣流速為8.35 L/min。在遇到惡劣天氣或采樣設備故障時，根據實際情況適當調整采樣計劃，以保證每月至少收集25個有效樣本。所使用的采樣濾膜為直徑為47 mm的高純度石英纖維材料。采樣完成后，樣品立即存放到膜盒中，并密封于聚四氟乙烯袋，然后存放在4 ℃的冷藏環境中。

1.2 樣品分析方法

在進行樣品分析前，樣品需要在溫度為（20±1）℃、濕度為（50±5）%RH的環境中放置48 h，以確保質量測量的準確性。然后，利用精度為0.001 mg的高精度天平進行2次稱重，保證2次測量結果的差異不超過0.005 mg[1]。使用碳分析儀和熱光技術對膜樣品中的碳組分和濃度進行測定，有機碳（Organic Carbon，OC）和元素碳（Elemental Carbon，EC）的最低檢測限分別為0.43 μg/cm3和0.12 μg/cm3，碳分析的精度控制在2%～4%。采用CRAESCMB 1.0軟件分析所有化學成分的百分濃度平均值及其標準偏差等數據，以確定不同功能區在各個季節中PM2.5污染的來源貢獻。

2 結果與討論

2.1 化學組分季節變化

2.1.1 化學組成分析

在春季，硫酸鹽和地殼元素的濃度高于其他季節，可能與春季干旱多風的天氣有關。在夏季，各元素的濃度普遍較低，但有機物（Organic Matter，OM）和硫酸鹽的影響較大。在秋季，OM占主導，硝酸鹽的濃度也有所上升。在冬季，OM和硝酸鹽的濃度顯著上升，可能與溫度降低、濕度增大和擴散條件變差有關，北方供暖、節日煙火和機動車燃燒效率降低也是污染的重要因素[2-3]。PM2.5組分占比如圖1所示。從圖1可以看出，OM占35.2%；地殼物質和EC占據較小的比例，分別為8.5%和5.2%。

2.1.2 水溶性離子

從表1可以看出，水溶性離子的濃度變化通常為冬季＞春季＞秋季＞夏季。NH4+在春季、秋季和冬季的濃度普遍高于夏季，表現出周期性特征。Na+、Mg2+、F-的濃度相對較低，其季節性變化并不顯著。Ca2+在冬季和秋季的濃度相對較高，可能與春季干旱和多風的天氣狀況有關，該時期更易引發揚塵污染[4]。K+和Cl-在冬季的濃度明顯高于春季和夏季，主要來源于燃煤和生物質燃燒。

2.1.3 碳組分

EC與OC相關性分析如圖2所示。從圖2可以看出，上饒市在春季、夏季、秋季和冬季的EC與OC的相關系數分別為0.755 7、0.524 3、0.719 0和0.863 9。

在春季、秋季、冬季，燃燒源對OC的貢獻顯著，尤其在春季和秋季，二次過程對OC的影響不容忽視[5]；夏季的OC則同時受到二次生成和燃燒源的共同作用。具體來看，各個季節的OC/EC值分別為4.81、6.14、4.41和4.20，如表2所示。

從一次來源來說，上饒市的OC/EC值主要在機動車尾氣的特征范圍內，少部分接近燃煤和生物質燃燒的排放區間，表明機動車尾氣是上饒市的主要一次碳質排放源。

2.2 污染來源分析

PM2.5污染源貢獻率如圖3所示。其中，二次硫酸鹽和二次硝酸鹽分別占據32.9%和31.5%，移動源、燃燒源、工業生產和揚塵源分別占15.4%、10.4%、6.2%和3.6%。從季節性的比例分布來看，二次硫酸鹽在夏季和秋季對空氣質量的影響更顯著，而二次硝酸鹽在冬季占據更高的污染比例。對于一次排放源，移動源在夏季和秋季的影響較為突出。春季時揚塵源對空氣質量的負面影響更顯著。燃燒源，尤其是燃煤和生物質燃燒，在冬季對空氣質量的影響更顯著[6]。此外，工業生產源在夏季和冬季的污染貢獻也較為顯著。

3 結論

研究表明，上饒市PM2.5的化學組分及季節變化特征具有明顯的季節性規律。水溶性離子呈現冬春季高、夏秋季低的趨勢。在春季，硫酸鹽和地殼元素的濃度高于其他季節；在夏季，各元素的濃度普遍較低；在秋季，OM占主導，硝酸鹽的濃度也有所上升；在冬季，OM和硝酸鹽的濃度顯著上升。值得注意的是，機動車尾氣是上饒市的主要一次碳質排放源。

參考文獻

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2 劉 倩，趙永鋼，張 鋒.2020—2021年西安市大氣PM2.5中水溶性離子變化特征[J].環保科技，2024（1）：29-34.

3 李紅亮，陶 杰，李嵐清，等.新鄉市大氣PM2.5中水溶性離子污染特征及其來源解析[J].環境工程，2023（8）：117-126.

4 付衛康，趙天良，燕瑩瑩，等.近年山東德州PM2.5和O3相互作用的季節變化及其機理分析[J].環境科學學報，2023（8）：248-256.

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