宝鸡市春季PM_2.5中元素的污染特征及来源解析

Pollution Characteristics and Source Analysis of PM_2.5 Elements during Spring in Baoji City

摘要: 为了解宝鸡市春季PM_2.5中元素的污染特征及来源，于宝鸡文理学院明理楼楼顶进行为期一个月的采样，对相关数据进行污染特征分析，并运用主成分分析法对春季元素污染进行来源解析。污染特征分析结果表明，宝鸡市春季元素平均浓度为42.5 μg/m³，其中Al、Ca、Mg和Na四种元素约占总元素的87.5%，结合风速条件发现春季元素污染受扬尘影响较大；K、Ti、Mn、Fe、Cu和Zn随着污染加重，在总元素中的占比随之加大；PM_2.5中大部分元素浓度的昼夜变化均表现为昼 > 夜，仅Zn和Pb两种元素表现为夜 >昼，所有元素中Zn的变化幅度最大，约为58%，As的变化幅度最小，约为5%。主成分分析结果表明，宝鸡市春季PM_2.5中元素主要来源于工业和交通的混合源、扬尘和燃烧源。

Abstract: In order to understand the pollution characteristics and sources of PM_2.5 elements in Baoji city in spring, samples were taken from the roof of Mingli Building of Baoji University of Arts and Sciences for a period of one month, the pollution characteristics of relevant data were analyzed, and the source of element pollution in spring was analyzed by principal component analysis. The results of pollution characteristics analysis showed that the average concentration of elements in Baoji city in spring was 42.5 μg/m³, in which Al, Ca, Mg and Na accounted for the largest proportion, about 87.5% of the total elements. The diurnal variation of most elements in PM_2.5 is day > night, but only Zn and Pb are night > day. Among all elements, the variation range of Zn is the largest, about 58%, and that of As is the smallest, about 5%. The results of principal component analysis showed that PM_2.5 elements in Baoji city in spring mainly came from the mixed sources of industry and traffic, dust and combustion.

1. 引言

PM_2.5是指空气动力学当量直径小于2.5微米的颗粒物，PM_2.5具有粒径小，面积大，活性强等特点，易吸附空气中的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因此PM_2.5对人体健康和大气环境质量的影响较大 [1] [2]。PM_2.5的化学组分中元素占比较小，但其危害较大，因此引起国内外学者的广泛关注 [3] [4] [5]。

针对PM_2.5中元素的研究主要集中在省会城市，对小城市的关注和研究有所欠缺。宝鸡是典型的重工业城市，截止2020年 [6] 已经形成了汽车及零部件、钛及钛合金材料两个500亿级；石油钻采、能源化工、优势装备制造等多个百亿级产业集群，工业企业等本地排放均会对大气质量产生一定影响。此外，宝鸡市位于汾渭平原最西部，南依秦岭，北靠黄土高原，西侧被陇山余脉所包围，形成围椅式地形，不利于污染物扩散；加之宝鸡盛行东北风，易将上风向山西及陕西东部污染传输至本地区，导致宝鸡市空气质量较差。因此本研究对宝鸡市春季PM_2.5中元素的污染特征和来源进行分析，以期为空气污染防治提出科学且合理的理论支撑。

2. 材料与方法

2.1. 样品采集

采样点位于文理学院高新校区明理楼楼顶，距地面约20 m。采样仪器为TH-150C型中流量空气总悬浮微粒采样器(武汉，天虹)，切割头为PM_2.5，流量为100 L/min。采样时间为2021年春季(4.1~4.30)，以昼夜为周期。滤膜采用90 mm石英滤膜，滤膜采样前处理包括剪裁、烘烤(6 h，450℃)、恒温(温度为20℃，湿度为40%，24 h)和称重(BT125D型，Sartorius集团，德国)；采集后的样品先恒温再称重，而后置于冰箱(3℃)待分析。

2.2. 分析方法

2.2.1. 仪器分析

使用Epsilon4系列(荷兰，帕纳科)能量色散X射线荧光分析仪(ED-XRF)对Na、K、Mg、Al、Ca、Fe、Zn、Pb、Ba、Se、Sc、As、Cu、Ni、Co、Mn、Ti、V、Sc等19种元素含量进行测定。样品测定之前从数据库中选取目标元素测量谱线并校正，根据仪器输出的线回归校正模型对样品含量和强度进行回归分析，建立校准曲线，求出回归方程斜率。根据目标元素特征峰强度测量值、校准曲线斜率计算元素含量。分析时每8个样品中重复检测1个样品，以确保实验准确度。

2.2.2. 数据分析

主成分分析是1933年霍特林 [7] 首次提出的统计方法，其原理是设法将原来变量重新组合成一组新的相互无关的几个综合变量，同时根据实际需要从中可以取出几个较少的总和变量尽可能多地反映原来变量的信息。通过SPSS 19.0软件实现各元素对PM_2.5的贡献率：将数据进行降维处理，相关性矩阵中选择显著性水平，分析选择主成分，方法选择最大方差法，输出旋转后的解，得分保存为变量，系数显示按照大小排序。

3. 结果与讨论

3.1. 元素日变化特征

宝鸡市春季元素平均浓度为42.5 μg/m³，明显小于本市冬季 [8] 元素污染(95.5 μg/m³)，但相对于华北地区的临沂市 [9] 春季(11.7 μg/m³)、华中地区的新乡市 [10] 春季(15.7 μg/m³)和华南地区的温州市春季(10.7 μg/m³)，宝鸡市春季元素污染水平较高。图1为宝鸡市春季各元素的日变化趋势，可以看出元素在4月26日浓度最高，其值为63.1 μg/m³；4月8日浓度最低，其值为26.1 μg/m³。元素中Al占比最大，为总元素的45%，其次为Ca、Mg和Na，其占比分别为18.2%、12.2%和12.1%；Al、Ca、Mg和Na四种元素占总元素的87.5%。又结合采样期间的气象条件(图2)发现，风速的两个峰值出现在4月4日和4月24日，对应的总元素浓度偏低；风速较低(<1.5 m/s)的时段(4月11日~4月17日、4月26日~4月30日)，总元素浓度偏高，推测宝鸡市春季大气污染受扬尘的影响较大。

为探讨微量元素的占比变化，以40 μg/m³为界限，将总元素分为较高浓度(>40 μg/m³)和较低浓度(40 μg/m³)。K、Ti、Mn、Fe、Cu和Zn在低浓度中的占比分别为2.35%、0.49%、0.14%、2.71%、0.30%和0.73%，在高浓度的占比分别为5.06%、0.76%、0.21%、7.53%、0.43%和0.94%，表明这些微量元素的浓度同污染程度存在相关性，污染加重，以上微量元素占比越高，这与姚森等 [11] 得出的结论一致。

3.2. 元素昼夜变化

元素的昼间浓度在26.6~72.7 μg/m³之间，夜间浓度在24.9~50.5 μg/m³之间，就大致范围来看，宝鸡市昼间浓度明显高于夜间，表明昼间污染较夜间严重。图3为宝鸡市元素昼夜变化趋势图，可以看出不同元素的昼夜分布有所不同。大部分元素浓度均表现为昼 > 夜，仅Zn和Pb表现为夜 > 昼。Zn既可作为锌业加工的指示物 [12]，也可表征机动车轮胎磨损 [13] [14]，但多数企业夜间不工作，可排除锌业来源；Pb受汽车尾气影响 [15]，因此推测夜间受交通排放影响较大，可能与夜间大型拉土车运行有关。所有元素中Zn的变化幅度最大，昼夜间变幅约为58%，其次为Fe和K，变幅分别为45%和41%；As的变化幅度最小，变幅为5%，其次Se的变幅为8%。

Figure 1. Diurnal variation trend of elements in Baoji city in spring

图1. 宝鸡市春季元素的日变化趋势

Figure 2. Variation of wind speed in Baoji city in spring

图2. 宝鸡市春季风速变化

Figure 3. Diurnal variation trend of elements in Baoji city in spring

图3. 宝鸡市春季元素的昼夜变化趋势

3.3. 来源解析

为了解宝鸡市春季PM_2.5中元素的来源，运用SPSS软件对19种元素进行主成分分析，得出结果如表1所示。最大方差旋转后主要得到三个因子，因子1贡献率为49.2%，其中Fe、K、Mn、Ca、Sc、Sr、Ti、Co、Ni和Cu的载荷最高，均大于0.8，其中Fe标志着黑色金属冶炼，Mn既表征工艺粉尘的元素，也是无铅汽油中的防爆剂的主要原料 [10] [16]；Ni主要来源于燃油，也受机动车排放影响 [17]；Ca通常用于机动车的润滑剂；Cu既是表征冶金的元素，也是交通排放的特征元素 [18]，因此推断因子1为工业和交通的混合源。因子2中Na、Mg和Al的载荷最高，其中Mg主要来源于建筑粉尘 [19]，Al是地壳元素的重要组成部分 [15]，因此推断因子2为扬尘源。因子3中Pb、As、Se和V的载荷较高，其中Pb、As和Se主要源于煤炭燃烧 [20] [21]，燃油燃烧过程主要产生V [22]，因此推断该因子为燃烧源。综上所述，宝鸡市春季PM_2.5中元素主要来源于工业和交通的混合源、扬尘和燃烧源。

Table 1. Principal component matrix after rotation of maximum variance

表1. 最大方差旋转后的主成分矩阵

4. 结论

1) 宝鸡市春季元素平均浓度为42.5 μg/m³，其中Al、Ca、Mg和Na四种元素占总元素的87.5%，结合风速条件发现春季元素污染受扬尘影响较大；K、Ti、Mn、Fe、Cu和Zn随着污染加重，在总元素中的占比随之加大。

2) 元素的昼间浓度在26.6~72.7 μg/m³之间，夜间浓度在24.9~50.5 μg/m³之间，就大致范围来看，宝鸡市昼间浓度明显高于夜间，表明昼间污染较夜间严重。PM_2.5中大部分元素浓度均表现为昼 > 夜，仅Zn和Pb表现为夜 > 昼。所有元素中Zn的变化幅度最大，昼夜间变幅约为58%，As的变化幅度最小，变幅为5%。

3) 宝鸡市春季PM_2.5中元素主要来源于工业和交通的混合源、扬尘和燃烧源。

基金项目

宝鸡文理学院大学生创新创业训练计划项目(2015dc47)。

参考文献

NOTES

^*通讯作者。