北京奥运期间气溶胶中水溶性无机离子浓度特征及来源解析

郭照冰，包春晓，陈天蕾，陈天，周飞，董琼元，林明月

(南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏南京210044)

北京奥运期间气溶胶中水溶性无机离子浓度特征及来源解析

郭照冰，包春晓，陈天蕾，陈天，周飞，董琼元，林明月

(南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏南京210044)

2008年7—10月在中国科学院大气物理研究所采集气溶胶样品，用离子色谱进行水溶性无机离子分析，并对其组成、质量浓度变化特征、相关性及存在形式、来源解析等方面进行研究。结果显示，整个采样期间、和NH4+是最主要的水溶性离子，主要以(NH4)2SO4和NH4NO3形式存在;、和、Ca2+和Mg2+的相关系数都较高，具有很好的同源性。/质量浓度比值表明，奥运前，固定源(燃煤)对水溶性离子的贡献大于流动源(机动车)，而奥运期间和奥运后则相反。因子分析表明，交通、燃煤、土壤、建筑尘和生物质燃烧源是采样期间北京大气污染的主要来源。

气溶胶;水溶性无机离子;源解析

0 引言

颗粒物是大气中数量巨大、成分复杂、危害最大的污染物之一。水溶性无机离子作为大气颗粒物的重要组分，不仅能通过对太阳光的散射和吸收作用，直接或间接地改变全球辐射平衡和分布，还可以作为云的凝结核影响云、雾形成，导致大气能见度降低(王纬等，2000;刘大锰等，2003，2006)，间接影响全球气候(Verma et al.，2006)。此外，大气颗粒物还能引起呼吸道疾病和心血管疾病(Auger et al.，2006)，危及人类健康。因此，近年来对大气颗粒物中水溶性离子的研究越来越受到关注。

2008年北京市成功举办了第29届奥运会，为保证奥运会的顺利进行，实现绿色奥运的口号，奥组委对北京市的大气质量提出了更加严格的要求，北京市政府在奥运会期间采取了以下措施:汽车实行单双号运行，以减少汽车尾气的排放;施工单位停止施工，减少建筑工地粉尘的排放;重点污染企业停产和限产关停，减少工业粉尘的污染。这些措施的实施使北京市空气质量在奥运会期间得到了明显的好转(胡婧等，2009)。

本研究于2008年7—10月期间，在中科院大气物理所进行气溶胶样品采集，并将观测期分为3个阶段，即奥运前(2008年7月7日—8月7日)、奥运期间(8月8日—8月24日)、奥运后(8月25日—10月25日)，对北京大气颗粒物中水溶性离子的组成、浓度变化特征、相关性及存在形式、来源解析等方面进行研究，以期为奥运会后北京及周边地区的大气污染防控措施的制定提供依据。

1 样品采集与分析

1.1 样品采集

选取中科院大气物理所楼顶为采样点，采样点对面是条主干道，车流量较大，周围分布了公园、研究所和商业区。在2008年7—10月期间，采用大流量滤膜采样器(流量为1 m3·min－1)，每天从08:00至20:00(北京时间，下同)连续采样，样品收集于聚碳酸酯膜上，共采集92个样品。

1.2 样品预处理与分析

采样后的滤膜放在密封袋中，置于冰箱(－18℃)避光保存至分析。取1/16滤膜，加入50 mL去离子水，恒温超声提取0.5 h，静置后经0.45 μm滤膜过滤待测。用离子色谱(ICS-2000，美国戴安)分别测定阴离子(、、Cl－、F－)和阳离子(Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+)的含量，各离子的最低检测限度分别为0.01、0.05、0.02、0.02、0.02、0.05、0.04、0.01、0.006、0.04 μg·m－3。

2 结果与讨论

2.1 水溶性无机离子的浓度特征

表1为采样期间气溶胶中水溶性无机离子的平均浓度。可以看出和在整个采样期间是最主要的水溶性无机离子，分别占总水溶性离子的35.36%、31.71%和17.25%。

采样期间气溶胶中水溶性无机离子浓度的时间变化特征如图1所示，可以看出，奥运期间各种离子浓度均明显低于奥运前和奥运后。奥运前正值7月，此时气象因素有利于SO2、NOx和NH3发生气—粒转化生成和等离子，导致奥运前这3种离子浓度一直较高。奥运期间，各种离子浓度明显下降，其中，、和的浓度较奥运前分别下降了47.2%、35.8%和32.7%。这与北京及周边政府对污染源排放的联防联控休戚相关，同时奥运期间的平均降水量达到66.7 mm，明显高于奥运前(18.1 mm)与奥运后(29.0 mm)，因此奥运期间雨水对污染物也起到明显的清除作用。奥运会后，机动车限行取消，建筑工地、工厂恢复运行，污染源排放有所增强，使各离子浓度有所回升。但此时和的平均浓度均低于奥运前。

表1 采样期间气溶胶中水溶性无机离子的平均质量浓度Table 1 Average mass concentration of water-soluble inorganic ions in aerosol during the sampling periodμg·m－3

图1 水溶性无机离子质量浓度随时间的变化a.F－;b.Mg2+;c.;d.K+;e.;f.N;g.Cl－;h.Na+;i;j.Ca2+Fig.1 Time variation of mass concentration of water-soluble inorganic ionsa.F－;b.Mg2+;c.;d.K+;e.;f;g.Cl－;h.Na+;i;j.Ca2+

2.2 相关性分析

通过对奥运前、奥运期间和奥运后的水溶性离子进行相关性分析，发现和在各阶段的相关系数R都很高(分别为0.917、0.742、0.856)，两者具有很好的同源性，均来自燃煤、机动车排放的SOx和NOx的二次转化。采样期间，和、都有较好的相关性，但是和的相关系数(R=0.738)大于和的相关系数(R=0.657)，表明优先和结合。如果和全部结合成(NH4)2SO4，则和的当量浓度比为1∶1;如果全部生成NH4HSO4，则其当量浓度比应为0.5∶1。本研究中，和在各阶段的当量浓度比均值都大于1(分别为1.14、1.77、2.07)，说明和结合生成(NH4)2SO4后，剩余的NH4+和结合生成NH4NO3。

在奥运前后，Cl－和Na+的相关系数(0.681和0.623)明显高于奥运期间(R=0.419)，表明奥运前后Cl－和Na+具有较好的同源性，可能均来自于燃煤;奥运期间，燃煤受到控制，致使Cl－和Na+的相关性降低。采样期间，Cl－和、的相关系数分别为0.616和0.776，表明Cl－可能主要源于燃煤和机动车尾气排放。Ca2+与Mg2+有较好的相关性，其相关系数为:奥运期间(0.914)＞奥运前(0.884)＞奥运后(0.698)，结合上面分析可知，这主要是由于各阶段的污染源控制强度不同引起的，土壤和道路扬尘是奥运期间Ca2+和Mg2+的共同来源，而奥运前后Ca2+还来源于建筑尘。Na+与Mg2+、Ca2+相关性较好，表明Na+除源于燃煤，还来源于土壤扬尘。

2.4 因子分析

因子分析法是多元分析法的重要分支，用于解决多变量问题。其基本原理是，将污染源作为若干个待求的因子，建立起污染源因子与污染物元素数据间的数学模型，再由该数学模型推导出两者间应满足的关系式，解析关系式后对关系式系数矩阵(称为因子负载矩阵)进行判断，判断结果即可得到某区域的污染源类型及其成因率或贡献率(王静，2010)。利用统计分析软件SPSS对污染源进行分析，确定污染物排放的主要因子。分析的主要步骤为:1)数据的输入;2)分析方法和各项指标的选择，采用主因子分析法，并求得主因子个数;3)求主因子的因子载荷矩阵;4)对规格化后的因子载荷矩阵施行方程最大的正交旋转;5)计算因子得分。

对采样期间各阶段气溶胶中水溶性无机离子浓度进行最大方差旋转因子分析，结果如表2所示。可以看出，奥运前，因子分析模型将所有变量划分为3个因子，这3个因子的累计成因率达到84.54%，能在一定程度上代表当地的污染源类型。因子1与、、、Cl－和Na+有很强的相关性，除Cl－和Na+外，其他离子主要是二次污染物，因此，因子1主要是二次污染源。考虑到Cl－和Na+也可能来源于燃煤，因此因子1代表了燃煤和交通运输源，其对水溶性离子的实际成因率高达42.56%。因子2主要与Mg2+和Ca2+有很强的相关性，其代表土壤、道路扬尘和建筑尘。因子3与K+高度相关，其代表了生物质燃烧源。

奥运期间和奥运后，因子分析模型都将所有变量划分为2个因子。奥运期间，因子1与Mg2+、和K+等物种有很强的相关性，表明因子1代表了土壤、道路扬尘与生物质燃烧;因子2主要与、和Cl－有很强的相关性，代表了交通和燃煤源。奥运后则与奥运期间相反，因子1与和Cl－显著相关，代表了交通和燃煤源;因子2与Mg2+和Ca2+的相关性较强，代表了土壤和建筑尘。

表2 采样期间各阶段水溶性无机离子正交旋转后的因子负载矩阵Table 2 Orthogonal rotational factor loading matrix of water-soluble inorganic ions during the various stages of sampling period

因此，燃煤、交通、土壤、道路扬尘、建筑尘和生物质燃烧源是奥运前北京大气污染物的主要来源;土壤、道路扬尘、交通和燃煤是奥运期间大气污染物的主要来源;交通、燃煤、土壤和建筑尘则是奥运后大气污染物的主要来源。

3 结论

3)奥运前，固定源(燃煤)对水溶性离子的贡献大于流动源(机动车);而奥运期间和奥运后，流动源对水溶性离子的贡献大于固定源。

4)交通、燃煤、土壤、建筑尘和生物质燃烧是采样期间北京大气污染物的主要来源。

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Mass concentration characteristics and source apportionment of water-soluble inorganic ions in aerosol in Beijing during 2008 Beijing Olympic Games

GUO Zhao-bing，BAO Chun-xiao，CHEN Tian-lei，CHEN Tian，ZHOU Fei，DONG Qiong-yuan，LIN Ming-yue

(School of Environmental Science and Engineering，NUIST，Nanjing 210044，China)

Aerosols are sampled at Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences from July to October 2008.The mass concentrations of water-soluble inorganic ions are determined with ion chromatogram(IC).This aims to investigate the composition，characteristics of mass concentration variation，relevance and form of the main water-soluble inorganic ions and their sources.The results show that，andare the main water-soluble inorganic ions in the aerosol samples，and they are mainly in the form of(NH4)2SO4and NH4NO3in aerosol particles.The correlation coefficients between，and，Ca2+and Mg2+are high，showing a good homology among these ions.Mass concentration ratio of/indicates that，before 2008 Beijing Olympics，the stationary source(coal burning)is the main pollution source for water-soluble species compared to the mobile source(vehicle)，which is opposite to those during the Olympics and after it.Factor analysis shows that vehicle，coal combustion，soil，building dust and biomass burning are the main sources for Beijing air pollution during the sampling period.

aerosol;water-soluble inorganic ions;source apportionment

P402

A

1674-7097(2011)06-0683-05

2011-02-23;改回日期:2011-06-11

江苏省自然科学基金资助项目(BK2009414);江苏省环保科研课题(201017);江苏省“六大人才高峰”资助项目;江苏省“青蓝工程”人才项目;南京信息工程大学科研项目(20080316);江苏省大学生科技创新项目(2010390/10CX006)

郭照冰(1972—)，男，江苏徐州人，博士，教授，研究方向为大气化学，guocumt@nuist.edu.cn.

郭照冰，包春晓，陈天蕾，等.2011.北京奥运期间气溶胶中水溶性无机离子浓度特征及来源解析［J］.大气科学学报，34(6):683-687.

Guo Zhao-bing，Bao Chun-xiao，Chen Tian-lei，et al.2011.Mass concentration characteristics and source apportionment of water-soluble inorganic ions in aerosol in Beijing during 2008 Beijing Olympic Games［J］.Trans Atmos Sci，34(6):683-687.

(责任编辑:张福颖)