利用SPAMS研究景谷县春季细颗粒物污染特征

刘浪 梅红兵 彭剑平 马思媛 王剑敏 刘军

摘 要：2022年4月11日—4月25日期间，利用单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）对景谷县城区春季大气细颗粒物化学成分和来源进行分析，并结合县城空气自动站监测PM2.5质量浓度研究了该地区大气细颗粒物污染特征。结果显示，景谷县春季细颗粒物成分主要为钾离子、硫酸盐、元素碳、硝酸盐、有机碳、氯离子；主要污染源为燃煤源、机动车尾气源、工业工艺源。监测期间捕捉到5个短时污染天气时段，此时燃煤源常为主要污染源；燃煤源占比峰值多出现在14：00—16：00，机动车尾气源白天占比高于夜间，工业工艺源占比峰值多出现在21：00—次日9：00。景谷县城区工业工艺源、生物质燃烧源、二次无机源占比随PM2.5质量浓度升高而增大，餐饮源占比随PM2.5质量浓度降低而增大。

关键词：SPAMS；春季；细颗粒物；污染特征；景谷

中图分类号：X51文献标志码：A文章编号：1673-9655（2023）02-0-05

0 引言

PM2.5是指空氣动力学当量直径不大于2.5 μm的颗粒物，通常也称细颗粒物[1]。细颗粒物是大气的重要组分，其化学组成复杂、粒径小、在环境中停留时间长[2]；同时，细颗粒物中含有重金属、多环芳烃和酸性物质等众多有毒有害物质，对人体健康尤其是呼吸系统和血液循环系统具有明显损害作用[3-6]。

近年来，景谷县城区春季大气污染频发，污染因子主要为PM2.5，给居民生产和生活造成影响。本文利用单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）实时获取细颗粒物来源和化学成分，通过综合分析细颗粒物特征，开展快速源解析研究，系统的了解景谷县春季细颗粒物污染特征，为决策部门制定有效的大气污染防治措施提供科学支撑。

1 实验和方法

1.1 样品采集

采样点设置在景谷县水文站（经度100.720531，纬度23.502482）。2022年4月11日—25日期间，将载有SPAMS的应急监测车放置在文化站广场空旷处进行采样，共获得具有粒径信息的颗粒物（SIZE）3120800个，其中有正负质谱图的颗粒（MASS）779572个。

1.2 SPAMS工作原理

已有研究对SPAMS的工作原理、基本性能和质量控制进行了详细的阐述[7-8]。气溶胶颗粒通过0.1 mm的进样微孔引入到空气动力学透镜，在这里颗粒被聚焦成为笔直运动的粒子束进入真空系统。粒子束触发双侧测径激光完成粒径测定和颗粒数统计，同时触发电离激光，颗粒被打击成为电离碎片，再由双极飞行时间质量分析器对颗粒化学组分进行检测。

1.3 数据分析

通过SPAMS-ANALYZE-0515 V3.4.5.306软件对颗粒质谱信息进行处理，使用自适应共振神经网络分类方法（Art-2a）对颗粒物进行分类，根据化学成分特征将颗粒物分为主要几类：元素碳颗粒、有机碳颗粒、左旋葡聚糖颗粒、富钾颗粒、重金属颗粒以及矿物质颗粒，它们占总颗粒数的90％以上。然后，根据本地污染源排放特征，采用示踪离子法将采集到的颗粒物分为燃煤源、机动车尾气源、工业工艺源、扬尘源、生物质燃烧源、二次无机源、餐饮源、其它共8种来源。

2 结果与讨论

2.1 SPAMS数浓度与PM2.5质量浓度相关性分析

将监测期间SPAMS颗粒物数浓度（SIZE）与景谷县江东城建局空气自动站监测PM2.5质量浓度进行相关性分析。从图1可以看出两者变化趋势较为一致（相关性R2 = 0.8），说明SPAMS监测颗粒物数浓度在一定程度上可以反映大气细颗粒物的污染状况。

2.2 颗粒物成分分析

2.2.1 颗粒物平均质谱图

监测期间整体颗粒物平均质谱图中如图2所示，SPAMS采集到的颗粒物中均有较为明显C+、C3+、C4+、C5+、C2-、C3-、C4-等元素碳信息（m/z=12、36、48、60、-24、-36、-48），同时有机碳（m/z=27/37/43/51/63），NH4+（m/z=18），Na+（m/z=23），Al+（m/z=27），NaH2O+（m/z=41），O-（m/z=-16），OH-（m/z=-17），OH-（m/z=-25），CN-（m/z=-26），Cl-（m/z=-35），C2HO-/ C2H2O-（m/z =-41），C4-（m/z=-48），C4H-（m/z=-49），SiO2-（m/z=-60）C2O3OH-（m/z=-89），SO4-/ C8-（m/z=-96），NO2-（m/z =-46），NO3-（m/z=-62），SO3-（m/z=-80），HSO4-（m/z=-97），左旋葡聚糖（m/z=-45/-59/-73）等离子的信号明显。

2.2.2 整体颗粒物化学组成

监测期间整体颗粒物化学组成如图3所示。可以看出，监测期间景谷县细颗粒物中主要成分为钾离子（24.2%）、硫酸盐（20.3%）、元素碳（15.3%）、硝酸盐（13%）、有机碳（5.97%）、氯离子（5.88%）等。

2.2.3 颗粒物各离子成分动态变化

监测期间颗粒物各离子成分及PM2.5质量浓度日变化趋势如图4所示。可以看出，4月15日PM2.5日均质量浓度升高时，硫酸盐、硝酸盐、钾离子、元素碳等离子数浓度明显上升，说明该时间二次生成、机动车排放等反应加强。

2.3 颗粒物源解析结果

2.3.1 总体源解析结果

总体颗粒物来源解析结果如图5所示。可以看出，监测期间颗粒物污染来源构成为：燃煤源（占比20.1%）、机动车尾气源（占比18.9%）、工业工艺源（占比13.4%）、扬尘源（占比13.3%）、生物质燃烧源（占比11.1%）、二次无机源（占比7.68%）、餐饮源（占比7.53%）、其它（占比7.98%）。其中，首要污染源为燃煤源，次要污染源为机动车尾气源，第三污染源为工业工艺源。

2.3.2 晝夜源解析结果

昼、夜颗粒物来源解析结果如图6所示。可以看出，白天和夜间的首要污染源、次要污染源、第三污染源均相同，分别是燃煤源、机动车尾气源、工业工艺源；其中，白天燃煤源和机动车尾气源占比高于夜间，这是由于居民出行及生产生活集中在白天时段，与居民生活与出行习惯规律吻合；夜间工业工艺源占比明显高于白天，说明夜间工业污染物排放有加强趋势。

2.3.3 颗粒物来源占比动态变化

监测期间颗粒物污染来源占比及PM2.5质量浓度小时变化趋势分布如图7所示。在线源解析的优势在于可得到每类污染源实时贡献比例的变化趋势。可以看出，监测期间PM2.5质量浓度均值为43 μg/m3，最大值为97 μg/m3；监测期间捕捉到5个短时污染天气时段，短时污染天气出现时，燃煤源常为主要污染源；占比前三的污染源中，燃煤源占比峰值多出现在14：00—16：00，机动车尾气源白天占比较高，7：00—18：00占比明显上升，工业工艺源占比峰值多出现在21：00—次日9：00。

监测期间PM2.5小时质量浓度极值出现时段如表1所示。可以看出，PM2.5小时质量浓度高值经常出现在夜间至凌晨时段，浓度低值经常出现在中午15：00—18：00。

PM2.5小时质量浓度极值出现时段各污染源的占比如图8所示。可以看出， PM2.5小时质量浓度出现高值和低值的过程中伴随者各污染源占比的增大与减小。PM2.5小时质量浓度出现高值时，工业工艺源、生物质燃烧源、二次无机源占比明显增大；PM2.5小时质量浓度出现低值时，餐饮源占比明显增大；此外，燃煤源、机动车尾气源占比一直保持在较高的水平。

3 结论

（1）景谷县春季细颗粒物中主要成分为钾离子、硫酸盐、元素碳、硝酸盐、有机碳、氯离子，其余离子占比较小。

（2）景谷县城区主要污染源为燃煤源、机动车尾气源、工业工艺源；夜间工业工艺源占比明显高于白天，说明夜间工业污染物排放有加强趋势。

（3）监测期间捕捉到5个短时污染天气时段，此时燃煤源常为主要污染源；燃煤源占比峰值多出现在14：00—16：00，机动车尾气源白天占比高于夜间，工业工艺源占比峰值多出现在21：00—次日9：00。

（4）景谷县城区工业工艺源、生物质燃烧源、二次无机源占比随PM2.5质量浓度升高而增大，餐饮源占比随PM2.5质量浓度降低而增大。

参考文献：

[1] 张文丽， 徐东群， 崔九思.空气细颗粒物（PM2.5）污染特征及其毒理机制的研究进展[J].中国环境监测， 2002， 18（1）：59-63.

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[3] 孙兆彬， 陶燕， 崔甍甍， 等.北京地区奥运会期间PM2.5对心脑血管疾病的影响[J].中国环境科学， 2015， 35（11）：3481-3488.

[4] 李友平， 刘慧芳， 周洪， 等.成都市PM2.5中有毒重金属污染特征及健康风险评价[J].中国环境科学， 2015， 35（7）：2225-2232.

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[6] 陈仁杰， 陈秉衡， 阚海东.大气细颗粒物控制对我国城市居民期望寿命的的影响[J].中国环境科学， 2014， 34（10）：2701-2705.

[7] Li L， Huang Z， Dong J， et al. Real time bipolar time-offlight mass spectrometer for analyzing single aerosol particles[J].International Journal of Mass Spectrometry， 2011， 303（2）：118-124.

[8] 李梅， 李磊， 黄正旭， 等.运用单颗粒气溶胶质谱技术初步研究广州大气矿尘污染[J].环境科学研究， 2011， 24（6）：632-636.

Abstract： During the period from April 11 to April 25， 2022， the chemical composition and source of fine particles in Jinggu County urban area in spring were analysed by using the single particle aerosol mass spectrometer （SPAMS）， and the pollution characteristics of fine particles in this area were studied in combination with the PM2.5 mass concentration monitored by the County Air Automatic Station. The results showed that the main components of fine particles in Jinggu County in spring were potassium ion， sulfate， elemental carbon， nitrate， organic carbon and chloride ion. The main pollution sources were coal-fired sources， vehicle tail gas sources and industrial process sources. Five short-term pollution weather periods were captured during the monitoring period， at which time the coal-fired source was often the main pollution source; The peak value of the proportion of coal-fired sources mostly occurred from 14：00 to 16：00， the proportion of Vehicle Exhaust Sources in the daytime was higher than that at night， and the peak value of industrial process sources mostly occurred from 21：00 to 9：00 the next day. The proportion of industrial process sources， biomass combustion sources and secondary inorganic sources in the urban area of Jinggu County increased with the increase of PM2.5 mass concentration; the proportion of catering sources increased with the decrease of PM2.5 mass concentration.

Key words： SPAMS; spring; fine particles; pollution characteristics; Jinggu County