2020—2021年苏州市PM2.5中可溶性组分特征及时空变化研究

夏维达 李银

摘 要：2020—2021年在苏州城区选取2个点位（交通干线、居民区）采集PM2.5样品，测定9种可溶性离子组分浓度。结果表明：观测期内PM2.5日均浓度均值为35μg/m3。9种可溶性离子组分总浓度均值为21.5μg/m3;9种可溶性离子组分中浓度最高的3种离子为硝酸根、硫酸根、铵盐总浓度为18.6μg/m3，对颗粒物浓度的贡献率较高。可溶性离子组分呈现出冬春季浓度高、夏季浓度最低的季节分布特征。采样期内交通干线及居民区2个点位浓度差异不大。交通干线点位受流动源影响较大。与2015年观测结果相比，硫酸根、硝酸根和铵离子的浓度均下降50%左右，表明苏州市近年来污染物排放管控措施卓有成效。

关键词：水溶性离子;PM2.5苏州;组分特征;时空变化

中图分类号 X513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）02-0152-04

Abstract： From 2020 to 2021， PM2.5 samples were collected from two sites （traffic trunk lines，residential areas） in Suzhou urban area to determine the concentrations of nine soluble ion components. The average daily concentration of PM2.5 in the observation period was 35μg/m3. The average total concentration of nine soluble ion components was 21.5μg/m3; the three ions with the highest concentration were nitrate，sulfate and ammonium， with a total concentration of 18.6μg/m3， which had a high contribution to the concentration of particulate matter. The concentrations of soluble ions in winter and spring were higher than those in summer. During the sampling period，there was no significant difference in the concentrations between the two sites. The location of traffic trunk line is greatly affected by the flow source. Compared with the observation results of Suzhou in 2015， the concentrations of sulfate， nitrate and ammonium ions in this study have decreased by about 50%， indicating that the pollutant emission control measures in Suzhou have been effective these year.

Key words： Water soluble ions; PM2.5; Suzhou; Component characteristics; Spatiotemporal change

随着工业化的迅速发展和自然能源的大量使用，有毒有害气体和飘尘的排放量逐步增大，形成大气污染，危害人類的生存与发展[1]。颗粒物是大气污染物中的主要污染物之一。其中，细颗粒物（动力学当量直径≤2.5μm的颗粒物）是影响空气能见度和空气质量的主要因素。同时，PM2.5含有重金属、有机物等有害污染物，通过呼吸道进入人体后危害人体健康[2]。PM2.5的化学组成十分复杂，化学成分主要分为三大类：可溶性组分、碳质组分和无机元素组分。PM2.5中，可溶性组分是指可溶性离子，主要包括Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、[NO-3]、[SO2-4]等，易溶于水，会随降水进入土壤和水体，在环境中迁移。许多研究表明，PM2.5中可溶性组分占总质量浓度的比例较高，一般占PM2.5质量的20%～50%。水溶性离子组分直接影响降水酸度[3]，云凝结核的形成[4]，引起间接的辐射强迫效应。研究表明，水溶性离子对大气的消光系数具有较高的分担率，导致能见度降低[5]。因此，开展可溶性离子组分研究很有必要。

本研究选取苏州有代表性的2个点位（交通干线、居民区），在2020—2021年按季节变化进行为期1年的PM2.5采样监测。主要监测指标为可溶性无机离子指标，对采样期间2个点位各无机离子测定结果进行统计，并进行季节变化分析和空间分布分析，探究2020—2021年苏州市PM2.5中可溶性离子组分特征及变化规律，为了解大气细颗粒物化学组成提供基础数据。

1 监测方法

1.1 样品采集与保存 本研究选取2个代表性点位进行PM2.5采样和分析。其中，采样点位1位于江苏省苏州环境监测中心办公楼楼顶（经度：120°35.929′，纬度：31°18.114′）。江苏省苏州环境监测中心周边主要是居民小区，不存在明显的工业污染源，该点位代表居民区，以下简称“监测站”。采样点2位于苏州市环科所办公楼楼顶（经度：120°37′52″，纬度：31°17′10″）。苏州环科所南方约500m处为南环高架，东南方约1500m为东南环立交。该点位代表交通干线，以下简称“南门”。

南门点位放置1台康姆德润达（PNS16T-3.1型）PM2.5采样仪;监测中心点位放置1台LVS型PM2.5采样仪。每个点位采样仪采集特氟龙滤膜（直径47mm，英国）。手工采样器使用前，清洗切割器及采样管路，对气密性、环境温度、环境大气压和流量等进行检查（校准）。滤膜使用前检查，无针孔或任何缺损。采样在风速小于8m/s、无雨雪等天气条件下进行。每次采样结束后，戴橡胶手套、持木质镊子夹着滤膜边缘，将膜装入专用聚乙烯膜盒，裹着放入冰箱冷冻室。

采样时间为2020年5月1日至2021年5月3日，每7d 1次，节假日或出差有所间断。采样流量为16.7L/min，时长为24h。全年2个点位共采集水溶性离子有效滤膜样品84个。样品采集后避光冷冻保存。

1.2 样品分析 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、F-、Cl-、[NO-3]、[SO2-4]等可溶性离子组分分析方法见表1。

可溶性离子组分前处理参照HJ799进行样品提取：小心剪取半张颗粒物滤膜样品，放入50mL聚乙烯比色管，加入25mL实验用水浸没滤膜，加盖浸泡30min后，置于超声波清洗器中超声提取20min。提取液分成3部分，一部分过0.2um滤膜后，倒入样品瓶中，通过离子色谱仪（Dionex ICS-5000）的自动进样器直接进样测定阴离子组分。一部分提取液采用等离子发射光谱测定钾钠钙镁等金属离子。第3部分提取液采用连续流动法测定铵离子。

1.3 质量控制 可溶性离子组分的校准曲线相关系数均大于0.999。样品与同批次全程序空白样品、空白加标样品按相同方法同时进行样品处理和上机分析。相关质量控制结果见表2。测定结果扣除空白值进行统计。

2 结果与分析

2.1 PM2.5质量浓度 为了解污染物测定结果与PM2.5颗粒浓度的相关性，分析污染物浓度的时空分布特点，对采样日在线测得的PM2.5浓度日均值按季节进行了汇总、统计。根据气候条件将全年分成3—5月、6—8月、9—11月、12月至次年2月等4个时间段分别代表春、夏、秋、冬四季。统计结果见表3。由表3可知，2020—2021年PM2.5日均浓度冬、春季较高，秋季次之，夏季最低。

2.2 可溶性离子组分总体情况 2020—2021年2个监测点位水溶性离子浓度统计结果见表4。由表4可知，监测时间范围内PM2.5中F-浓度为（0.066±0.12）μg/m3，Cl-浓度为（0.73±0.86）μg/m3，[NO-3]浓度为（8.43±9.38）μg/m3，[SO2-4]浓度为（6.11±3.80）μg/m3，[NH+4]浓度为（4.03±3.83）μg/m3，Na+浓度为（0.38±0.19）μg/m3，K+浓度为（0.46±0.32）μg/m3，Mg2+浓度为（0.10±0.09）μg/m3，Ca2+浓度为（1.14±5.50）μg/m3，9种离子浓度之和为（21.5±19.5）μg/m3，占观测期间PM2.5质量浓度均值（35μg/m3）的61.4%。单一离子质量浓度由高到低依次为[SO2-4]、[NH+4]、Ca2+、Cl-、K+、Na+、Mg2+、F-。其中，浓度最高的3种离子（[NO-3]、[NO-3]、[NH+4]）质量浓度年均值之和为18.6μg/m3，占9种离子总量的86.4%。组成特征与王念飞[9]等对苏州的研究报道一致，但浓度下降，[NO-3]、[SO2-4]、[NH+4]等3种离子作为二次气溶胶的主要成分，是由大气中NOx、SO2和NH3经均相或非均相转化而来，在一定程度上反映了苏州市的大气细颗粒物的二次污染水平。本研究中观测期间3种离子平均浓度之和占PM2.5平均质量浓度的53.1%，是影响PM2.5浓度的主要因素之一。

研究表明[10]，NO3-和SO42的比值可以较好地反映流动源（机动车排放）与固定源（化石燃烧）对颗粒物的贡献，该比值越大，表明流动源的贡献较固定源大。在发达国家，大气污染物主要来自于汽车尾气排放，[[NO-3]]/[[SO2-4]]一般大于1，而我国大部分地区均小于1。本研究中，观测期内[[NO-3]]/[[SO2-4]]平均值为1.27（表4），由于苏州产业转型经济结构偏于第三产业、服务业，因此苏州市流动源对颗粒物的贡献大于燃烧源。

利用SPSS软件对观测期内（[NO-3]、[SO2-4]、[NH+4]）等3种可溶性离子及PM2.5浓度进行Pearson相关性分析，结果见表5。由表5可知，3种可溶性离子之间两两呈现显著正相关，相关系数在0.692～0.909，相关性程度强。3种可溶性离子均与PM2.5不相关。

由于近年苏州经济结构转型，并采取较严格的污染物排放管控措施，与王念飞等对苏州的研究结果相比[9]（表6），本研究观测期间[NO-3]、[SO2-4]和NH4+的浓度均下降50%左右。

2.3 时空变化

2.3.1 季节变化特征 对测定结果按照4个时间段分别进行统计，其结果见表7。由表7可知：可溶性離子总量浓度均值季节变化特征为：2020年冬季（38.6±28.8μg/m3）>2021年春季（25.0±16.3μg/m3）>2020年秋季（14.1±6.99μg/m3）>2020年春季（12.7±1.49μg/m3）>2020年夏季（11.1±7.73μg/m3）;即冬季最高，夏季最低，秋季略高于春季。可溶性离子质量浓度季节特征与PM2.5特征相似。3种主要可溶性离子中，NO3-和NH4+冬季浓度明显高于其他季节，分别是夏季浓度的6.4倍、3倍。这可能是由于颗粒态的NO3-和NH4+以挥发性组分为主，易受温度的影响。夏季温度较高，颗粒态的硝酸盐、铵盐容易向气态转化，在冬季低温有利于硝酸盐、铵盐以颗粒态的形式存在。此外，由于冬季大气层结构稳定，累积效应明显，污染物在大气中易聚集，污染物滞留时间较长，利于污染物发生二次转化[9]。

[SO2-4]浓度季节变化没有[NO-3]、[NH+4]大，2020年冬季、2021年春季浓度接近，高于其他季节，2020年春夏季浓度次之且接近，2020年秋季浓度最低，见图1。夏季温度高，有利于SO2向硫酸盐转化，但较清洁的东南风和充沛雨水，减轻了SO42-污染程度。冬季北方燃煤取暖产生较多污染物前体，远距离输送，污染源有充足时间聚集和二次转化。此外，由于冬季大气层结构稳定，累积效应明显，污染物在大气中易聚集，污染物滞留时间较长，利于污染物发生二次转化[9]。因此冬季污染物浓度较高。Cl-季节变化差异较明显，冬季浓度明显高于夏季，一方面可能因为颗粒物中的NaCl和KCl与大气中的酸性气体（如HNO3）等反应生成气态的HC1，导致颗粒物中氯盐的损失;另一方面颗粒物中的NH4C1在高温的大气中易挥发，导致氯盐的减少。此外，煤燃烧也是Cl-的来源之一，冬季Cl-含量较高，冬季[[NO-3]]/[[SO2-4]]比值也最高，这也表明了冬季煤燃烧对苏州市污染的影響[9]。

2.3.2 空间分布特征 分别对南门、监测站2个采样点位采样期内可溶性离子组分浓度进行统计，见表8和图2。2020—2021年采样期内南门点位3种主要离子组分（[NO-3]、[SO2-4]、[NH+4]）浓度均值均高于监测站点位;Ca2+监测站点位高于南门;其他组分2个点位浓度接近。南门[[NO-3]]/[[SO2-4]]均值为1.30，监测站为1.24，由于南门点位靠近高架和立交，受流动源的影响较大。

3 结论

本研究结果表明，2020—2021年观测期内苏州市PM2.5日均浓度均值为35μg/m3。9种可溶性离子组分总浓度均值为21.5μg/m3;9种可溶性离子组分中浓度最高的3种离子是[NO-3]、[SO2-4]、[NH+4]总浓度为18.6μg/m3，对颗粒物浓度的贡献率较高。可溶性离子组分呈现出冬春季浓度高、夏季浓度最低的季节分布特征。采样期内交通干线及居民区2个点位浓度差异不大。交通干线点位的3种主要离子组分（[NO-3]、[SO2-4]、[NH+4]）浓度均值均高于居民区点位，表明交通干线点位受流动源的影响较大。由此可见，近年来大气环境污染防治工作取得了较大的成效，苏州市PM2.5中可溶性离子组分浓度明显下降。

参考文献

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（责编：张宏民）