阜新市大气PM2.5、PM10元素特征及来源解析

第46卷第2期

2021年2月

环境科学与管理

ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT

VoLNo

46 . 2

Feb

. 2021

文章编号

:1674 - 6139(2021)02 - 0057 - 05

阜新市大气2 5、1()元素特征及来源解析

PMPM

赵晓亮岳阳霞、韩方伟，李莉，刘云滨

231

(1.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新123000;

2.辽宁工程技术大学安全工程及技术学院，辽宁阜新123000;3+阜新市环境监测中心站，辽宁阜新123000)

摘要:为探究阜新市大气颗粒物污染来源，2017年，于阜新市4个不同功能区内进行大气2.5及:。采样，

PMPM

应用富集因子法、地质累积指数法、相关系数及分歧系数法来解析阜新市大气2.5及^。元素特征

SpearmanPMPIV

及来源。结果表明：阜新市大气2.5及。中元素呈春冬偏高、夏秋偏低的趋势，2.5中主要元素为、、

PMPMiPMAISi

〖、〇3、心、化、]^，？]11。中主要元素为€&、^、八1、]^，且？]12.5与？]11。中成分谱源解析可能相似，阜新市？]12.5及

PM

,。中污染元素主要来于土壤风沙尘、建筑尘、燃煤与汽车尾气。

关键词:2.5; 1();元素特征;来源解析

PMPM

中图分类号:513 文献标志码:

XA

Elemental Characteristics and Source Analysis

of Atmospheric PM2 5 and PM10 in Fuxin City

Zhao Xiaoliang1, Yue Yangxia1, Han Fangwei2, Li Li3, Liu Yunbin1

(1. Environmental Science and Engineering Department, Liaoning Technical University, Fuxinl23000, China；

2. Safety Science and Engineering Department, Liaoning Technical University, Fuxinl23000, China；

3. Fuxin Environmental Monitoring Center Station, Fuxin 123000, China)

Abstract: In order to explore the sources of atmospheric particulate pollution in Fuxin City in 2017，the atmospheric PM2 5

and PM10 samples were taken in four asons at four functional areas. The enrichment factor method, geological accumulation in­

dex method, Spearman correlation coefficient and divergence coefficient method were ud to analyze the element characteristics

and sources of PM2 5 and PM10 in Fuxin city. The results showed that the elemental changes in PM2 5 and PM10 in Fuxin City were

higher in spring and winter, and lower in summer and autumn. The main elements in PM2 5 were Al, Si, K, Ca, Fe, Na, Mg.

The main elements in PM10 were Ca, Na, Al, Mg, the sources apportionment of PM2 5 and PM10 in Fuxin may be similar. The pol­

lution elements were mainly derived from soil dust,construction dust,coal burning and automobile exhaust pollution.

Key

words：PM2 5 ； PM10 ； element characteristics； source analysis

刖目

核心工作之一,颗粒物成因和来源的复杂性是污染

控制的难点之一[1]，粒径是大气颗粒物的重要性质

颗粒物污染防治已经成为中国环境污染治理的

之一，粒径既可以决定颗粒物在大气中的停留时间

和传输距离，也可以影响颗粒物对人体呼吸道系统

的健康效应[],近些年，以细颗粒物2.5、可吸人颗

2

PM

粒物。为特征污染物的大气环境问题尤为突

PMi

出[]，对 及^。的研究也大面积开展起来。

325

PMPIN

张红芳等人研究发现，宝鸡市 和。中元

WPM

25

收稿日期:2020-12-29

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（51604143);辽宁省教育

厅一般科研项目（LJ2020JCL031)

作者简介:赵晓亮（1981-)，男，博士，副教授，主要从事大气污染控

制研究工作。

通讯作者:岳阳霞

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赵晓亮等•阜新市大气2.5、W元素特征及来源解析

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素Zn > Pb > Cu > Ni > Cd,且主要富集在细小颗粒物 1.2质量控制

PM2 5 中。X. QUer〇l[5]对欧洲城市 PM2 5及 PM10®

行了研究,发现交通排放源及工业源占PM2 5污染成

分的40% ~ 60% ,占PMi。的35% ~ 55%。此外，还

有众多学者对城市PM2 5与PMi。中元素的污染特征

及来源进行研究。

阜新市是典型的煤炭资源型城市，属于生态

脆弱区，气象动力条件极不稳定。农田土壤季节

性裸露明显,采暖季燃煤烟尘协同北部科尔沁风

沙尘作用严重影响大气环境质量[6]，针对颗粒物

组分特征及来源的研究亟待开展。因此，文章对

阜新市 PM2.5 及 PM!。中 Na、K、V、Cr、Mn、Ni、CU、

Zn、Pb、As、Cd、Hg、Si、Al、Mg、Ti、Ca 和 Fe 共 18 种

金属元素（其中16种重金属元素）进行了采样分

析，以期为阜新市PM2.5及PMi。污染控制及来源深

度解析提供科学依据。

1材料与方法

1.1样品采集及分析

于阜新市4个不同功能区内设置采样点，分别

为市环境监测中心1个常规监测点位，汽车综合性

能监测站、市燃烧监测站煤质化验室和市粮油监测

站3个临时监测点位，采样地面距离为10 m。采样

时间段为2017年4月11-4月27日、6月5日

日

-7月16日、9月21-10月28日、12月11

日曰-

12月18日，采样结果取平均值代表阜新市大气

。浓度及元素浓度。

采用中崂1108A-1型中流量智能颗粒物采样

器，选用 90 mm 高纯 Teflon 膜（Whatman PTFE),采

样器使用前使用流量校准仪校准，流量设置为

lOOiymin,持续采样。滤膜采样前后均置于温度

(20±1)丈、湿度（50±1)%的环境中平衡48 h,称

量。使用NEXION350X/D/S型电感耦合等离子体

质谱（ICP - MS)分析 Na、K、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、

Pb、AS、Cd、Hg 12种元素;采用Agilent型电感耦合

等离子光谱仪（ICP _ AES)分析 Si、Al、Mg、Ti、Ca、Fe

共6种元素。

Feb

. 2021

为保证化学元素分析结果的有效性和准确性,

测量过程中，各元素测定值的相对误差小于10% ,

标准样品回收率在80% ~ 120% ,每10个样品进行

一次单点校准和空白测定，每批次实验中空白对照

样品与质控样品进行同步测定。

2结果与分析

2.1 PM25、PM1()中元素浓度特征

阜新市。中18种元素的质量浓度见

图1、图2。

it

图1采样期不同季节^ 5中金属元素平均含量(/3)

PlpgnT

置

3

-

3

/

赵

崁

I

J9g I Ti Ci Nil Fe Ni Cu Zn As Cd Fb Al Ca Hg 5i Ka V

；

图2采样期不同季节。中金属元素平均含量(/3)

jjugnT

由图1可看出,阜新市PM2.5中元素有春、冬浓

度较高，夏、秋浓度较低的趋势，其中Si、Al、Ca、Fe、

K、Na、Mg在四季浓度高于其它元素。由图2可知,

PM,。中元素浓度趋势与PM2 5相同，浓度较高元素为

Ca、Na、Al、Mg。总体上，PM2 5中元素浓度远高于

PMi。中元素浓度。

阜新市冬季燃煤供暖，气候受高压控制风速

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较低，地面污染物不易扩散;春季虽停止供暖，燃

煤使用量减少，但阜新地区风沙较大，干旱少雨，

秸秆焚烧使颗粒物增加，因此元素浓度仍保持较

高水平。夏季多雨，有利于颗粒物的扩散、稀释。

阜新市土壤风蚀较重导致Si和A1等土壤元素浓

度较高，春秋季建筑活动较多导致Ca元素浓度较

高。因此建筑扬尘源及燃煤源是阜新市PM2.5及

PMi。的主要来源。

2.2基于富集因子分析。中元素污染特征

PMi^PMi

颗粒物中元素的形成机制和来源不同，其元素的

富集程度也不同。采用富集因子(EF)研究大气颗粒

物中某种元素的富集程度，以分析颗粒物中元素含量

的贡献水平，表征颗粒物的来源[4]。通常采取AI元

素作为参比元素，富集因子的计算公式为(1):

_

(C/CJ

EF ~ (C/Cn)±m

⑴

式中,是所研究的第i种元素的浓度;c„为选

定的参比元素的浓度;下标“颗粒物”表示在颗粒物

中的量，下标“土壤，’表示在土壤参考系统中元素的

量，研究参考中国土壤环境背景值中褐色土的中位

值[7]。根据富集因子的大小，可将元素的富集以及

污染程度分为5个级别小于1为无富集或£，介

于1 ~2为轻微富集介于2 ~5为中度富集

介于5 ~ 20为显著富集;仰介于20 ~ 40为强烈富

集大于40为极强富集。

由表 1 可知,PM2 5中 V、Zn、As、Cd、Hg、Si 和 Pb

均为极强富集。PM1D中Cu、Zn、Cd、Hg、Si、Pb和Ca

为极强富集。通过PM25和Pl^。中金属元素的富集因

子可得,心、1^、(^等粗离子更容易在？]^。中富集，

而细粒子更容易在PM2.5中富集。Zn、Cd、Hg、Si、Pb

五种元素在PM25、PMj均为极强富集，其中Hg主

要来自燃煤源、Zn、Pb来自汽车尾气及轮胎磨损等、

Cd为秸秆焚烧的标识元素。由此可见,阜新市

PM2.5 。中元素污染受人为活动影响较大。

阜新市PM2 5及PM:。中各元素EF见表1。

Feb

. 2021

表1

阜新市2.5、

pmpmw

中元素富集因子值

元素

PM

2.5

PM10

Na

1.49.34

Mg

2. 03

8.69

K

2.010.88

Ti

1.14

0.02

V

125.940.24

Cr

16.2211

Mn

4.6211.04

Fe

1.310.51

m8.5618.76

Cu

27.7155.24

Zn

191.14105.75

As

107.1921.75

Cd

752,96

398.4

Hg

439.571 009.24

Si

302.39130. 69

Pb

130. 21

148.7

Ca

6.54

90.1

2.3

基于地质累积指数分析。中元素污

染特征

地质累积指数又称Mull污染指数，广泛应用于

研究沉积物中重金属污染程度的定量指标[8]，目前

也应用于大气颗粒物中元素的污染评价[9]。公式

如⑵：

Lge〇 = Log2[^^-] (2)

表示的是重金属；在颗粒物中的含量，

mg/kg;^是该元素的地球化学背景值[7] ,mg/kgA

值一般取1. 5。地质累积指数的划分见表2。

表2地质累积指数与污染程度分级

Lge

〇

级别污染程度

<10

无污染

[〇,)

i

1

轻度污染

[1,2)2

偏中度污染

[2,3)3

中度污染

[3,4)4

偏重度污染

[4,5)5

重度污染

身56

严重污染

59

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赵晓亮等•阜新市大气2.5、W元素特征及来源解析

PMPM

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根据所研究的18种元素在土壤中的背景值[7]

以及地质累积指数法计算公式（2),对元素的污染

级别以及程度进行计算分析，见图3。

联

霉

霉

鷗

驾

幸

Nd Mg E V Ct ftt Fc Mi flt AeXd A1 Cn

图5及中元素的地质累积指数

3 PM2 PM1()

由图3可得,阜新市PM2 5中V、Zn、AS、Cd、Hg、

Si、Pb的地质累计指数均大于5,属于严重污染;其

中,Cd的地质累积指数最高;PM:。中Zn、Cd、Hg、Si、

Pb、Al、Ca的地质累积指数均大于5,属于严重污染;

其中Hg的地质累积指数最高。有研究表明，Cd主

要源自冶金工业[8];1^、人8主要源自燃煤烟尘；3

主要源自土壤风沙尘;V源自一般工业过程。因此，

阜新市大气主要受燃煤、工业生产排放、建筑尘、风

沙尘及汽车尾气排放的影响。

2.4 ^。中元素成分谱相关性分析

PMpPMi

文章采用Spearman相关系数及分歧系数分析

PM2 5及PMi。成分谱之间的相似性及其来源。选取

PM2.5及PMi。中五种浓度较高、具有代表性的元素

Na、K、Mg、Zn、Si,运用SPSS22. 0计算可得各元素之

间的Spearman相关系数，从而进行分析。

表与中元素的相关系数

3 PM2.5PM1()Spearman

元素

NaK

Mg

ZnSi

Spearman

09790991

." ."

0.3230964

0907

.*

* .* *

相关系数

如表3所示除Mg相关性不强外，Na、K、Zn、Si

相关系数均为0.900以上，显著相关，可能来自于同

一污染源，说明阜新市大气PM2.5与PM1()的成分来

60

Feb

. 2021

源部分相似，存在一定差异。

分歧系数（Coefficient Divergence, CD )最早应

用于生物学，近年来人们用它来对比分析气溶胶数

据库，其计算公式为(3):

—⑶

式中,为分歧系数为PM2 5或PM:。中i

组分的平均含量，M为PM2 5或PM1()，P为参与计算

的组分个数。如果2个成分谱组分非常相似，则CD

值就趋向于〇;如果组分相差极大，则CZ)值就趋向

于1。计算得到阜新市iW2 5和PM1()中元素的Ci)为

0.296。姬亚芹[1°]在研究中发现在0.2以下的

两个成分谱的源解析结果大体相同,〇. 2 ~ 0. 5可能

相似,0• 5 ~ 1必定不相似,于是将0• 2作为相似与

否的分界点。研究中PM2.5与PMi。成分谱分歧系数

为0• 296,介于0. 2 ~ 0• 5之间，表明阜新市的PM2 5

与PMi。中成分谱源解析可能相似，但存在一定差异

性〇此结果与Spearman相关系数分析结果“阜新市

大气PM2 5与PM1()的成分来源部分相似，存在一定

差异”一致。

3结语

对阜新市^。中元素进行解析发现

PMiPMi

PMPMt

25、。中元素浓度均呈秋冬高，夏秋低的趋势,

PMAISiKCaFeNaMgPM

2.5中主要元素为 、、、、、、;1(^

主要元素为、、、〇利用富集因子对阜新市

CaNaAlMg

PMPMiPMVZnA

2 5及。中元素分析可得，2 5中、、S、

CdHgSiPbPMCuZnCd

、、和均为极强富集。:。中、、、

HgSiPbCa

、、和为极强富集。利用地质累积指数分

析得到,阜新市2 5中、、、、、、的

PMVZnASCdHgSiPb

属于严重污染；其中，的地质累积指数最高。

Cd

PMiZnCdHgSiPbAlC

。中、、、、、、属于严重污染；其中

Hg

的地质累积指数最高。利用分歧系数分析得到,

阜新市2 5和。中元素的分歧系数为0• 296说

PMPMt

明阜新市的2 5与^。中元素组分的来源与结构

PMPIN

第卷第期

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20212Feb. 2021

年月

赵晓亮等阜新市大气、W元素特征及来源解析

•PM2.5PM

VoL46 No. 2

可能相似,与分析Spearman相关系数所得结果一

致。综上可得阜新市PM2.5及PIV^。中元素质量分

数、富集因子、地质累积指数分析结果可知，阜新市

PM2 5及PMt。中污染元素主要来于土壤风沙尘、建筑

尘、燃煤与汽车尾气。

[5] , , , .

QuerolXAlastueyARuizCRetalSpeciationand

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10 2.5 []. ,

phericEnvironment

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化作为目标函数，依据相关规范及条例获得约束条

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UNG

0

软件编程求解得出线性规划最优方案，即乔灌草绿

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