大气气溶胶细粒子研究进展

彭艳梅，钟玉婷，何 清，刘新春

（1.新疆大学资源与环境科学学院, 新疆 乌鲁木齐830046；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆 乌鲁木齐830002；3.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆 塔中841000）

在总悬浮颗粒物中空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒物即为PM2.5，通常被称为细粒子。当前，大气细粒子PM2.5已成为国际上大气污染研究领域的热点和前沿。从20世纪80年代起，美国和部分欧洲国家对PM2.5展开了广泛的研究；美国于1997年制定了有关PM2.5的环境空气质量标准。我国对大气颗粒物的相关研究还局限于部分城市的特定区域的短时段研究[1-7]，大规模的系统研究相对较少。同时，我国城市地区的PM2.5的污染问题正引起越来越多的关注，有关部门正在开展或计划开展这方面的研究工作，初步建立了有关PM2.5的空气质量标准。本文主要综述国内外PM2.5的危害、研究方法和沙尘细颗粒物的研究进展和现状，希望藉此引起更多的关注，并为国内开展该方面的研究提供有益的帮助。

1 PM2.5的危害

PM2.5对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长，输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

1.1 对人体健康的危害

PM2.5又被称为可入肺颗粒物，该标准是由美国1997年提出的。颗粒物的直径越小，进入人体呼吸道的部位就越深，对人体的伤害就越大。由于PM2.5的粒径小，比表面积大，容易富集大气中的有毒有害物质[8-9]，增加人们因此而引起的患病的机率。因此，国内外就细粒子对人体健康的影响做了大量的研究工作。

在20世纪，国外大量流行病专家的研究表明，可吸入颗粒物的浓度上升与呼吸道疾病、心肺疾病的发病率和死亡率的相关性较高[10-13]，同时有不少研究显示，可吸入颗粒物中的可入肺颗粒物的比重相当大，且有毒成分主要富集于可入肺颗粒物中[14]。

我国学者也对此做了大量的研究。华宗祥[15]对燃煤集中区的细粒子研究表明细粒子的NO自由基严重损伤细胞膜结构，因而导致疾病的产生。胡伟、吴国平等[16]的研究表明对人体有害的多环芳烃和重金属主要富集于细粒子当中。王荟等[17]认为水溶性硫酸及硫酸盐、硝酸盐、铵盐等成分主要以细粒子的形态存在。由此可见，细粒子对人体健康的危害是相当大的。

1.2 对大气能见度影响的研究进展

光在大气中传播时，因受到气溶胶和气体分子的散射和吸收而削弱，从而导致大气能见度的下降[18]。虽然颗粒物在大气中所占比重很小，可是它对光学性质的影响可达99%[19]，尤其是在城市地区。

研究表明细粒子的散射作用明显大于粗粒子[20]，所以PM2.5对能见度的影响远大于大粒径气溶胶。Appel等[21]研究认为硝酸盐细颗粒物的消光作用强于大颗粒物，而且消光系数与细粒子的质量浓度呈高度相关。Sloane等[22]认为大气细颗粒物和气体污染物对光的吸收和散射是大气能见度降低的主要原 因。2000—2006 年 Cheng Man T、Hand J L、Andreas Petzold等[23-26]对能见度与气溶胶质量浓度和粒径分布的关系进行了研究，研究表明气溶胶浓度与能见度成反比，小粒径气溶胶对大气的消光作用比大粒径贡献大。

周军等[27]的研究表明由于细粒子的污染，美国能见度仅为自然能见度的30%。洪盛茂等[28]分析了杭州市大气能见度变化及其主要因子，研究表明气溶胶细粒子（PM2.5）是影响能见度的主要因子之一。

2 研究方法

2.1 PM2.5采样方法和监测技术的发展

目前，各国环保部门广泛采用的PM2.5测定方法有三种：重量法、β射线吸收法和微量振荡天平法。

重量法是通过具有一定切割特性的采样器，以恒速抽取定量体积的空气，空气中粒径小于2.5 μm的气溶胶颗粒物被截留到滤膜上，根据滤膜采样前后重量之差以及抽取的空气的体积来计算PM2.5的浓度，滤膜经处理后进行组分分析。重量法是最直接、最可靠的方法，是验证其它方法是否准确的标杆。然而重量法需人工称重，程序繁琐费时。如果要实现自动监测，就需要用到另外两种方法。

β射线吸收法：利用抽气泵对大气进行恒流采样，经PM2.5切割器切割后，大气中的PM2.5颗粒物吸附在β源和盖革计数管之间的滤纸表面，采样前后盖革计数管计数值的变化反映了滤纸上吸附灰尘的质量变化，由此可以得到采样空气中PM2.5的浓度。

微量振荡天平法：一头粗一头细的空心玻璃管，粗头固定，细头装有滤芯。空气从粗头进，细头出，PM2.5就被截留在滤芯上。在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比。于是，根据振荡频率的变化，就可以算出收集到的PM2.5的重量[29]。

除了上述三种常用方法之外，当前较新的监测技术是利用遥感技术来评估PM2.5的质量浓度与分布情况[30-31]，此方法主要用于评估大范围乃至全球尺度的PM2.5的分布情况。

2.2 PM2.5化学组分分析方法的发展

2.2.1 元素的分析方法

主要有中子活化法（INAA）、质子荧光法（PLXE）、X 射线荧光元素分析法（XRF）、原子吸收法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-AES、ICP-MS）等方法。AAS是一种比较成熟的分析技术，灵敏度高、分析速度快、成本低、操作容易，在我国环境领域应用较为普遍，Guor-Cheng Fang等[32]运用AAS法对台湾的不同粒径的气溶胶分析得出细粒子富集的Pb，Mn，Cu，Zn和Cr等元素比粗粒子多，但是在多元素同时测定方面有其局限性[32-33]。XRF可测定的元素范围广，从Na到U均可定量测量；不需要对样品进行预处理，分析过程中对样品无损坏，分析速度快；对于微量元素的分析可达ppm水平。美国国家环境保护局（USEPA）在环境空气监测站（NAMS）对PM2.5化学物种项目中选定XRF为分析元素成分的方法，D.G.Shendell等[34]对用XRF方法对Guamatula的细粒子进行了元素组分分析，检测出 Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Se、Br、Rb、Sr、Zr、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、La、Au、Hg、Pb、U 等。ICP-MS 兴起于 20世纪80年代，拥有快速分析、同时测定多种元素、低检出限等优点，目前已获得了广泛的应用。ICP-MS用作半定量分析时可测定约80种元素，绝大多数元素的测量误差小于20%[35]。A H Bu-Olayan等[36]对科威特PM2.5的金属元素分析中使用该方法，得出Cu>Fe>Zn>Ni>Pb>V。Yang Weifen等使用ICP-MS对我国南京的PM2.5进行了分析得出在阴霾天气下PM2.5的 Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Zn、Pb、K 的含量较高[37]。

2.2.2 有机物分析

对细粒子中的有机物进行分析，首先要对其进行提取，然后采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、高效液相色谱（HPLC）等手段进行分析。沈轶等[38]运用气相色谱法对我国上海市不同功能区的细粒子中的可提取有机物进行了分析，共检验出267种有机物，其中致癌的多环芳烃有82种。Pitts J N[39]研究认为富集于细粒子上的含氧多环芳烃和含氮多环芳烃是致癌、致突变的诱发物。

2.2.3 水溶性成分分析

USEPA在NAMS的PM2.5化学成分中选用IC作为目标阳离子（NH+、K+、Na+）和阴离子（与）的分析方法，Zeping Gu 等[41]等对台北 PM2.5运用IC法进行了水溶性离子成分分析。Karthikeyan S[42]等人利用IC法结合超声波提取，分析测定大气细颗粒物中（PM2.5）水溶性离子，Kakoli Karar[43]等人在印度Kolkata城市居民区和工业区进行布点采样，并用IC法分析了大气中五种水溶性阴离子F-、，两者研究测定结果都表明上述阴离子中浓度最大。Guor-Cheng Fang[44]等人对台北海峡附近采集到的细颗粒物样品用DIONEX-100型离子色谱进行分析，共测定了七种离子Cl-、，结果表明，大气颗粒物中占主要地位的离子是此外，在冬季浓度较高，在夏季比较低。IC法作为我国的推荐使用方法，在研究大气颗粒物可溶性离子方面的应用越来越多。余学春等[45-48]对我国上海、北京等城市的细粒子采用离子色谱法进行了相关分析。由此可见，离子色谱法目前是国内外研究细颗粒物水溶性成分的主要方法。

2.3 PM2.5来源解析技术的发展

大气颗粒物的来源和浓度因不同地区的自然环境、经济发展、能源结构、工艺方法以及管理水平的不同而有很大的区别。目前来源解析的主要方法有3类：污染源排放清单法、扩散法和受体模型法，其中受体模型法被认为是现阶段最有价值的分析工具。受体模型就是通过测量源和大气环境（受体）样品的物理、化学性质，定性识别对受体有贡献的污染源并定量计算各污染源的分担率。它包括化学质量平衡法（CMB）、因子分析法（FA）、目标变换因子分析法（TTFA）、显微镜法和化学—统计学方法等[49]，大致上可以分为3类：显微镜法、化学法、物理法。物理法主要是X射线衍射线（XRD）和轨迹分析法（trajectory analysis）[50]。化学法的发展最为成熟，提出了化学质量平衡法（CMB）、因子分析法（FA）、多元线性回归（MLR）、混合受体模式等。基于化学质量平衡法，美国学者Gertler A W，Gilies J A等[51-54]对美国西部、洛杉矶等地区的PM2.5的来源做了分析，认为交通是该地区大气中PM2.5的主要贡献者；我国学者 Zhang Yuanxun、杨圣杰等[1，3，55-56]对上海、南京、北京等地区的PM2.5来源做了分析研究，得出我国的主要污染源是煤、石油燃烧，工业、汽车排放，这与我国的经济发展水平和能源结构也有很大的关系。其他国家如澳大利亚、希腊等也做了很多相关的研究[57-60]。

3 沙尘细粒子的研究进展

美国于1997年提出PM2.5的标准主要是为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。所以早期对于PM2.5的研究都主要集中于城市地区。目前，除了在城市地区的继续研究之外，研究者们也在研究沙尘气溶胶。

1996年Li X等[61]研究认为尽管来自非洲撒哈拉和撒赫尔地区的沙尘气溶胶质量散射效率仅是硫酸盐气溶胶的1/4，但总质量却是硫酸盐气溶胶的16倍，因此在沙尘源区及其下风方向沙尘气溶胶的辐射强迫将远远超过其他气溶胶成分，因而指出在区域尺度上研究沙尘气溶胶辐射强迫的重要性；Tegen等[62]的模式结果表明就全球平均而言，硫酸盐、烟尘、沙尘气溶胶对全球平均气溶胶光学厚度的贡献大体相当，这说明即使在全球尺度上，沙尘气溶胶的辐射强迫问题也不能忽视；Tegen等[63]通过对比沙尘输送模式模拟的沙尘分布与卫星观测结果认为，人为因素导致的沙尘气溶胶占大气沙尘总量的50%±20%，这说明沙尘气溶胶辐射强迫不仅来源于自然过程，人为因素在其中也起到了同等重要的作用。这些研究成果从根本上改变了以往关于沙尘气溶胶的认识，从而指出了研究沙尘气溶胶辐射强迫的重要性。

我国沙尘气溶胶主要来源于巴丹吉林沙漠、内蒙古自治区中部的沙漠地区、河西走廊地区和塔克拉玛干沙漠[64-65]。在春季，中国北方裸露的草原和耕地也是沙尘源区。针对中国沙尘气溶胶的光学特性，近年来国内也开展了许多研究工作。牛生杰等[66]研究表明贺兰山地区的沙尘量和大粒径气溶胶的比例与该区域的浊度系数和波长指数有很大的相关性。延昊等[67]对塔中站的观测资料进行分析得出，PM10与TSP呈现线性相关关系，与能见度呈现负幂函数关系。沈志宝等[68]分析黑河实验区沙尘气溶胶消光系数得出3—5月的消光系数约为1月的1.7倍。张文煜等[69]对腾格里沙漠气溶胶的研究发现腾格里沙漠气溶胶光学厚度随季节变化。

综上，近年来，城市和区域环境的气溶胶研究得到进一步重视和加强。对气溶胶颗粒的成分除一般无机元素外，还开始重视元素碳、有机碳、有机化合物，大大丰富了气溶胶研究的内容。研究重点也逐步趋向于“细化”，从TSP（总悬浮颗粒物）到PM10（可吸入颗粒物）、PM2.5（可入肺颗粒物），乃至PM1（超细颗粒物）和纳米级的气溶胶。沙尘气溶胶的研究围绕气溶胶的光学效应和气候效应展开，相关研究也是比较丰富的，但是对于分级气溶胶的研究还较少，是以后沙尘气溶胶的研究方向。

4 结语

由于PM2.5对人体健康、能见度影响比较大，其研究逐渐成为大气环境研究的热点。PM2.5的研究在未来应该主要在以下几个方面进行扩展和加深：

（1）不同化学成分的粒子对人体健康的影响不同，尤其是有机物成分复杂的细粒子。所以在研究细粒子的可溶性化学成分时，同时也要着重有机物成分的分析和研究。

（2）PM2.5来源解析方面，应针对一个地区大气细粒子排放特点研究主要污染源的排放特征，选择典型研究区，结合季节的污染动态变化，开发出适合当地自然环境条件和社会经济的来源解析模型。

（3）加强沙源区气溶胶的研究，对易于远距离输送的细颗粒沙尘气溶胶进行重点分析研究。

（4）研究细粒子污染控制技术也是当前我国的主要任务，加快展开对PM2.5的相关研究，为我国尽快制定适合我国国情的PM2.5环境质量标准提供科学的依据。

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