武汉市城区大气PM_2_5_的碳组分与源解析

基金项目：国家自然科学基金项目（41103061） ；博士点基金项目（20110141120015） ；中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点 作者简介：成海容（1981 年生） ，女，讲师，博士，主要从事大气空气质量的研究。E-mail: hairong.cheng@ *通信作者：王祖武，教授，博士。E-mail: hjgc1891@ 收稿日期：2012-08-06
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1. 武汉大学资源与环境科学学院环境工程系，湖北 武汉 430079；2. 上海大学环境污染与健康研究所，上海 200444
摘要：大气细颗粒物(PM2.5)和碳组分(OC，EC)是影响大气能见度、气候变化以及人体健康的重要污染物，研究大气颗粒物 及其中碳组分的污染特征及各类典型污染源对大气细颗粒物及碳组分的贡献， 对于认识区域和城市大气污染状况， 控制细颗 粒物的污染，具有重要意义。2011 年 7 月至 2012 年 2 月，利用大流量 PM2.5 采样器采集武汉市大气细颗粒物样品并对其碳 组分进行测定。武汉市城区大气中 PM2.5、OC 和 EC 的质量浓度平均值分别为(127±48.7)、(19.4±10.5)和(2.9±1.48) µg·m-3。 其 PM2.5 的浓度处于我国主要城市的中等偏高水平，而 OC、EC 的浓度则属中等偏下水平，但均高于国外城市。武汉市大气 PM2.5 质量浓度的季节性变化呈现出秋季＞冬季＞夏季的趋势，是气象因素和污染源排放综合影响的结果。OC 浓度和 EC 浓 度具有较好的相关性（r2=0.69） ，表明二者存在来源联系。OC/EC 的比值为 6.7，指示武汉市大气中 OC 和 EC 的来源受汽车 尾气排放和生物质燃烧的共同影响。SOA 的平均质量浓度值为 12.5 µg·m-3 约占 PM2.5 平均质量浓度的 9.8%，表明 SOA 对武 汉市城区大气 PM2.5 具有重要贡献。结合 PM2.5 所含的水溶性离子、微量元素组成，利用正矩阵因子分析（PMF）模型对武 汉市城区大气 PM2.5 来源进行解析， 结果表明， 其主要来源及贡献率分别为机动车源 （27.1%） 、 二次硫酸盐和硝酸盐 （26.8%） 、 工厂排放（26.4%）和生物质燃烧（19.6%） 。 关键词：武汉市；PM2.5；OC；EC；源解析 中图分类号：X131.1 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2012）09-1574-06
实验室开放基金项目（OGL-201110）
状况，控制细颗粒物的污染，都有重要意义[8]。 大气细颗粒物的来源复杂，用于解析其来源 的方法主要包括源清单、扩散模型和受体模型 [6]39-44 。正矩阵因子分析（PMF）模型是受体模型 的一种，其优点是能够同时确定污染源剖面和贡 献，而无须依赖源成分谱，是美国国家环保局 （EPA）推荐的源解析工具。 目前，对京津翼、珠江三角洲、长江三角洲 大气中 PM2.5 及其 OC/EC 的源解析研究已有一些 但在以武汉市为代表的华中城市圈， 还 报道[9-13]， 鲜有针对大气 PM2.5 化学组分和源解析等的相关 研究。随着我国中部崛起战略的逐步实施和东部 经济相对发达地区的产业转型，为数众多的企业 开始向我国中部城市如武汉转移，这可能加重我 国中部地区的环境污染程度。有限的研究表明， 武汉市空气质量的整体水平欠佳。本文报道了武 汉市城区大气 PM2.5、OC 和 EC 的组成特征与浓 度水平， 并运用 PMF 模型， 对 PM2.5 进行源解析，
大气细颗粒物(PM2.5)和碳组分是影响大气能 见度、气候变化以及人体健康的重要污染物[1-4]。 通过对光的吸收和散射影响大气能见度[1]；通过 对太阳辐射的散射和吸收和作为云凝结核在大气 中改变云滴的浓度和云滴在大气中的寿命，影响 全球气候[3]；细颗粒物粒径小且可吸附对人体健 康有害的微量元素、硫酸盐、硝酸盐和碳组分， 毒性大[4]。研究表明，碳组分是大气细颗粒物的 主要组分，包括有机碳（OC）和元素碳（EC） ， 约占颗粒物总质量的 10%~50%。其中 OC 由燃烧 等过程直接排放的一次有机碳，和挥发性有机物 通过光化学反应生成的二次有机碳构成； EC 则主 [6]311-327 。大气颗粒 要由各种燃料不完全燃烧产生 物和碳组分的基本特征及其对气候、空气质量和 人类健康的危害，已经成为当前国际环境科学研 究的热点之一[7]。研究大气颗粒物及其中碳组分 的污染特征，及各类典型污染源对大气细颗粒物 及碳组分的贡献，对于认识区域和城市大气污染
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生态环境学报
第 21 卷第 9 期 （2012 年 9 月）
生时，逆温天气较多，二次有机碳的前驱物浓度 增加，滞留时间长，导致光化学反应加剧，有利 于有机碳的富集和二次有机碳的生成；在冬季， OC、EC 浓度高的原因是冬季燃煤供暖，且冬季 气温较低，有利于更多的有机碳物质凝结在颗粒 物上。 2.2 PM2.5 中 OC、EC 的相关性及 OC/EC 比值 的分析 一般认为，化石燃料燃烧直接排放的一次有 机气溶胶，和经过大气化学反应生成的二次有机 气溶胶， 是 OC 两大主要来源； 而 EC 则主要来源 于化石燃料的不完全燃烧。因此，可通过 OC 和 EC 间的关系，初步判断气溶胶粒子的来源特性。 若 OC 与 EC 的相关性很好， 则 Turpin 等[22]认为， 说明 OC 主要为一次有机碳，二次有机碳对 OC 贡献相对较小。 武汉市城区大气中 OC 和 EC 的相 2 ， 说明两者有相似的一次来源。 关性较好 （r =0.76） OC/EC 比值可用于判断其来源。如有文献报 道，汽车尾气排放气溶胶的 OC/EC 比值范围为 1.0~4.2[23-24] ；木材燃烧 OC/EC 的比值范围为 生物质燃烧 OC/EC 的比值为 7.7[26]。 16.8~40.0[25]； 武汉市城区大气 OC/EC 的均值为 6.7±1.8，可能 指示武汉市大气中 OC 和 EC 的来源受汽车尾气排 放和生物质燃烧的共同影响。 为了对 SOC 的贡献率进行定量描述，Turpin [22] 等 还提出了以下经验公式： （3） SOC=OC tot – EC×（OC/EC）min 式中， SOC 为二次有机碳； OCtot 为总有机碳； (OC/EC)min 为 所 观 测 到 的 OC/EC 最 小 值 。 当 OC/EC 的比值超过 2.0 时，即表明二次有机碳的 存在[22]。武汉市大气 OC/EC 最小值为 4.0，说明 武汉市城区存在二次有机碳（SOC）污染。
生态环境学报 2012, 21(9): 1574-1579 Ecology and Environmental Sciences
E-mail: editor@
武汉市城区大气 PM2.5 的碳组分与源解析
成海容 ，王祖武 *，冯家良 ，陈宏玲 ，张帆 ，刘佳
Table 1 地名 武汉(Wuhan) 太原(Taiyuan) 西安(Xi’an) 厦门(Xiamen) 北京(Beijing) 上海(Shanghai) Vancouver，Canada Helsinki，Finland Missoula，USA 13.7
表 1 武汉市大气 PM2.5 及其 OC 和 EC 平均质量浓度(µg∙m )与其他城市相比较 Comparison of the average PM2.5, OC and EC concentrations (µg·m ) in Wuhan with those in other cities PM2.5 127±48.7 193.4±102.3 258.7 72.1±34.2 171.7±141.7 90.3 ±54.9 6-12 OC 19.4±10.5 28.9±14.8 61.9±33.2 24.2 36.0±21.5 14.7±10.1 3.59 3 4.49 EC 2.9±1.48 4.8±2.2 12.3±5.3 3.7 9.8±6.7 2.8±1.3 0.32 1.2 1.76 OC/EC 6.7±1.8 7.0±3.9 5.1 6.6 4.8 5.0±1.9 11.2 2.5 2.6 文献 本研究 Meng et al.，2007[15] Cao et al.，2005[16] Zhang et al.，2011[17] Dan et al.，2004[18] Feng et al.，2009[11] Fan et al.，2004[19] Viidanoja et al.，2002[20] Ward et al.，2004[21]
பைடு நூலகம்
引用格式： 成海容, 王祖武, 冯家良, 陈宏玲, 张帆, 刘佳. 武汉市城区大气 PM2.5 的碳组分与源解析[J]. 生态环境学报, 2012, 21(9): 1574-1579. CHENG Hairong, WANG Zuwu, FENG Jialiang, CHEN Hongling, ZHANG Fan, LIU Jia. Carbonaceous species composition and source apportionment of PM2.5 in urban atmosphere of Wuhan [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2012, 21(9): 1574-1579.
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ei j =X ij - gik f k j (i =1,...,n; j=1,...,m; k=1,...p )
k =1
p
（ 1）
Q( E ) = (
i =1 j =1
n
m
eij sij
2
)
（2）
式中：Xij 为第 i 天第 j 种物质在受体的浓度； gik 为第 i 天第 k 个因素对于受体的影响；fkj 为第 j 种物质在第 k 个因素的分数； eij 为第 i 天第 j 种物
质的残余；sij 为 X 的标准偏差。 约束条件为 G 和 F 中的元素都为非负值，最 优化目标是使 Q 趋于自由度值，这样可以确定出 G 和 F 来。通常，认为 G 为源的载荷，F 为主要 污染源的源廓线。在 PMF 中可以提供“重要性”来 表示不同化学成分在源廓线中的重要性。