周玉香，錢(qián) 震，蔣 榮

(1.南京理工大學(xué)，南京 210094；2.江蘇省南通環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南通 226000)

前 言

近年來(lái)秋冬季節(jié)，全國(guó)大范圍的持續(xù)性霧霾天氣時(shí)常發(fā)生，對(duì)人體健康和交通出行等都產(chǎn)生一些不利影響。江蘇省秋冬季輕度及以上污染日首要污染物主要為PM2.5，占比高達(dá)91.5%[1]。PM2.5是形成霧霾的直接內(nèi)因[2]，其中水溶性無(wú)機(jī)離子是重要成分，吸濕能力很強(qiáng)，直接影響云的形成、大氣能見(jiàn)度及酸沉降等[3]，對(duì)氣候、環(huán)境和人體健康均有重要影響。深入研究水溶性離子組分特征，有助于分析空氣污染特性，進(jìn)一步來(lái)源解析可以在某種程度代表PM2.5的來(lái)源[4]。許多學(xué)者就我國(guó)多地大氣顆粒物中水溶性離子的污染特征開(kāi)展了研究，TAO等[5]研究廣州PM2.5化學(xué)成分對(duì)氣溶膠光散射的影響，林昕等[6]研究長(zhǎng)春、北京、上海、杭州和南京城市冬季大氣細(xì)顆粒物水溶性離子特征及來(lái)源分析，Cao等[7]研究西安市PM2.5化學(xué)組分與人體心肺死亡率短期相關(guān)性。

南通位于江蘇省東南部，長(zhǎng)江三角洲北翼，被譽(yù)為“北上?！?，學(xué)者對(duì)南通地區(qū)PM2.5的研究相對(duì)較少，崔靜等[8]研究2016年多環(huán)芳烴在南通地區(qū)大氣細(xì)顆粒物中的分布種類(lèi)、濃度水平和污染變化特征，蔣榮等[9-10]分析2016年和2017年南通市重污染過(guò)程PM2.5中OC/EC濃度和冬季PM2.5中水溶性離子污染特征?；诼鋵?shí)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)進(jìn)程中，近兩年南通市PM2.5及水溶性離子變化及進(jìn)一步解析來(lái)源的研究很少見(jiàn)。南通市污染防治從攻堅(jiān)進(jìn)入常態(tài)化，急需針對(duì)秋冬季以PM2.5為首要污染物的污染天氣，精準(zhǔn)科學(xué)實(shí)施進(jìn)一步管控措施。通過(guò)研究當(dāng)前南通市秋冬季大氣中PM2.5及水溶性無(wú)機(jī)離子質(zhì)量濃度水平，探討不同時(shí)間尺度的濃度變化和解析來(lái)源，以期為南通市開(kāi)展城市大氣污染的防治工作提供數(shù)據(jù)支持和治理方向。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

南通市位于長(zhǎng)江北岸、江海平原，屬北亞熱帶濕潤(rùn)性氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，年平均氣溫在15℃左右，年平均降水量1 000～1 100毫米，全年無(wú)采暖季，大氣污染物的形成和分布與人類(lèi)活動(dòng)及氣候狀況密切相關(guān)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.3 源解析方法

大氣顆粒物源解析的研究方法有多種，主成分-多元線性回歸(PCA-MLR)模型具有簡(jiǎn)單易行、可操作性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[11]。采用軟件SPSS 20對(duì)南通市秋冬季PM2.5水溶性離子組分主成分分析，篩選出能代表樣本大部分變化的主因子，通過(guò)旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣中主要離子載荷識(shí)別源的類(lèi)型，再通過(guò)多元線性回歸分析得到主要污染源及其貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 南通市秋冬季PM2.5及水溶性離子時(shí)間變化序列

南通市秋季ρ(PM2.5)平均值為(29.7±18.4) μg/m3，低于年均考核標(biāo)準(zhǔn)值[12](35μg/m3)，表明南通市秋季PM2.5污染程度相對(duì)較輕。冬季ρ(PM2.5)平均值為(52.0±33.6) μg/m3，超過(guò)年均考核標(biāo)準(zhǔn)值，可見(jiàn)冬季高ρ(PM2.5) 嚴(yán)重影響年度考核達(dá)標(biāo)情況。冬季部分時(shí)段南通市ρ(PM2.5)存在嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象，最高日均值可達(dá)170μg/m3以上。

圖1 PM2.5及水溶性無(wú)機(jī)離子質(zhì)量濃度時(shí)間變化特征Fig.1 Time variation characteristics of PM2.5 and water soluble inorganic ions mass concentration

2.2 南通市水溶性離子組成

圖2 2019年秋季和冬季水溶性無(wú)機(jī)離子中的占比Fig.2 Proportion of water soluble inorganic ions in autumn and winter of 2019

近幾年長(zhǎng)三角主要城市不同點(diǎn)位水溶性離子占PM2.5質(zhì)量百分比見(jiàn)表1，南通市秋冬季ρ(TWSI)占ρ(PM2.5)百分比相對(duì)周邊城市比較高，ρ(SNA)占ρ(PM2.5)百分比與舟山、上海城區(qū)相當(dāng)，高于上海崇明島、南京北郊和杭州城區(qū)。

表1 近幾年長(zhǎng)三角主要城市不同點(diǎn)位水溶性離子占PM2.5質(zhì)量百分比

2.3 ρ(PM2.5)和ρ(TWSI)日變化特征

PM2.5及水溶性無(wú)機(jī)離子占PM2.5比日變化如圖3，PM2.5日變化在秋冬季節(jié)呈雙峰分布，秋冬季谷值均出現(xiàn)在下午13∶ 00～17∶ 00。秋季PM2.5的兩個(gè)高峰分別出現(xiàn)在8∶ 00和22∶ 00，冬季PM2.5早高峰比秋季滯后1 h，晚高峰則提前1 h，早高峰相對(duì)平緩，晚高峰值高于早高峰，表明冬季夜晚南通市細(xì)顆粒物更容易積累。ρ(PM2.5)日變化趨勢(shì)與大氣和人為活動(dòng)密切相關(guān)，大氣邊界層發(fā)展有日循環(huán)特點(diǎn)，混合層主要依賴(lài)于地面太陽(yáng)加熱，日出后半小時(shí)開(kāi)始形成，持續(xù)到下午，伴隨太陽(yáng)輻射和風(fēng)速的增大而增加，邊界層高度的增加為稀釋污染物提供了更大的體積，所以下午ρ(PM2.5)變化不大且保持在較低水平，但日落之后，邊界層高度降低，太陽(yáng)輻射減弱，人們夜生活能源消耗較大，夜晚ρ(PM2.5)達(dá)日最高值。

圖3 PM2.5及水溶性無(wú)機(jī)離子占PM2.5比日變化Fig.3 Diurnal variation of PM2.5 and The ratio of water soluble inorganic ions to PM2.5

表2 PM2.5和水溶性無(wú)機(jī)離子組分晝夜變化特征

續(xù)表2

2.4 PM2.5水溶性離子來(lái)源分析

為進(jìn)一步了解南通市秋冬季大氣PM2.5中各無(wú)機(jī)離子的主要來(lái)源，使用PCA-MLR模型進(jìn)行來(lái)源解析，旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣如表3。

表3 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Tab.3 Rotation factor load matrix

為進(jìn)一步定量分析主要污染源對(duì)PM2.5的相對(duì)貢獻(xiàn)量，以主成分分析得到的3個(gè)主因子為自變量(F1、F2、F3)，標(biāo)準(zhǔn)化的ρ(PM2.5)為因變量(Y)，進(jìn)行多元逐步線性回歸分析[21]，得到方程式：

Y秋= 0.838F1+ 0.404F2(R2= 0.865，

F=282.953，P= 0.000)

Y冬= 0.838F1+ 0.402F3(R2= 0.815，

F=174.077，P= 0.000)

結(jié)果表明，南通市秋季和冬季PM2.5污染來(lái)源相對(duì)是穩(wěn)定的，二次源和燃燒混合源對(duì)PM2.5濃度的貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率約67.5%，揚(yáng)塵源貢獻(xiàn)率約32.5%。南通市需加緊打好秋冬季污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，扎實(shí)推進(jìn)污染物減排工作，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐，加強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)的控制，采取措施降低機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染，對(duì)軌道交通施工、園林綠化施工、建筑工地、建筑垃圾等加大巡查和治理。

3 結(jié) 論

3.1 南通市秋季和冬季ρ(PM2.5)平均值分別為(29.7±18.4) μg/m3和(52.0±33.6) μg/m3，總水溶性無(wú)機(jī)離子平均值分別為(16.8±8.7)μg/m3和(30.0±18.6)μg/m3，占ρ(PM2.5)百分比分別為56.4%和57.7%，ρ(SNA)占水溶性無(wú)機(jī)離子比值為85.9%和89.9%。

3.4 PCA-MLR模型解析所提取的3個(gè)公因子分別來(lái)源于二次源/燃燒混合源、揚(yáng)塵源、海鹽/工業(yè)源。秋季和冬季PM2.5污染來(lái)源相對(duì)是穩(wěn)定的，二次源和燃燒混合源對(duì)PM2.5濃度的貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率約67.5%，揚(yáng)塵源貢獻(xiàn)率約32.5%。

3.5 南通市需加緊打好秋冬季污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，加強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)的控制，做好污染減排和防塵降塵工作。