厦门市大气可吸入颗粒物源解析的研究.docx

厦门市大气细颗粒物PM2.5源解析的研究
张学敏 庄马展

近年来，大气细颗粒物（PM2.5）对环境影响及其与健康的关系已引起越来越多国家和地区的重视。研究发现，城市细颗粒物浓度的短期增长与目前的死亡率之间存在着某种统计关系；此外细颗粒是导致大气可见度降低的雾或阴霾的主要构成。就其成分及来源国外已开展了大量的研究。美国环保局也在1997年提出的环境空气中颗粒物标准的修改提案中新增了关于PM2.5的标准（<2.5μm/m3）。国内也相继开展关于PM2.5的研究，而作为沿海经济开放城市的厦门，随着“海西”重要中心城市建设的加速推进、蓬勃发展的旅游业对城市环境空气质量提出更高的要求，厦门也对其主要污染物PM10的主要来源进行了研究[5,6]，得出工业燃煤排放、汽车尾气、土壤风沙尘及海盐粒子对厦门大气颗粒物PM10的贡献率分别为30.0%、29.4%、21.7%及6.5%，但对于PM2.5来源未见详细的分析。本文正是基于以上需求，利用主因子分析法并结合多元线性回归法来识别影响厦门市PM2.5的主要污染来源，并初步给出定量的结果，以期探寻影响厦门空气质量的原因，便于更加有针对性地开展空气污染物的防治。
数据和方法
1、采样采集
采样点位于大气国控点洪文，采样分冬（2005年1月5日～1月15日共十天）及夏（2005年7月4日～7月14日）二期进行，两台RP-1400a –ACCU同步采集PM2.5样，滤膜使用Watman TFE滤膜和石英膜，每天采集一次，并同步记录在线细微颗粒物PM2.5浓度。石英膜用铝泊包装、冷藏，样品一分二（一份分析TC；另一份分析IC）。
2、样品分析
无机元素如Al、Si、Ti、Fe，Pb、Br、Fe、Mn、Cu、Zn、Ba和Ca等用波长色散X-射线荧光分析技术(WD-XRF)由国家环境测试中心测定。有机碳OC和元素碳EC由中国科学院西安地球环境研究所的碳气溶胶实验室采用碳分析仪分析。SO42-、NO3-、F-、Cl-、Na+、Mg2+等阴、阳离子成分的分析采用离子色谱仪测定。
3、主因子分析法
主因子分析法的原理是基于与污染源有关的变量之间存在着某种相关性，在不损失主要信息的前提下，将一些具有复杂关系的变量或样品归结为数量较少的几个综合因子的一种多元统计方法。
主要步骤为，将标准化的数据矩阵求变量之间的相关系数，计算相关系数矩阵R的特征值λ1≥λ2≥λ3≥………λn≥0及特征向量，确定主因子的个数，在此基础上建立初始因子载荷矩阵A，并进行正交旋转变换，得出有实际分析意义的因子载荷矩阵A’，从而根据各变量的载荷识别主因子，并获得其主因子得分。
（1）绝对主因子得分APCS
识别主因子后，引入绝对主因子得分APCS估算各因子的贡献率，其简单步骤如下：
对所有样品进行标准化：

为标准化实测的污染物元素浓度值种污染物，个样品）。为样品的项目的浓度实测值，是项目的平均值，是所有样品中项目的标准方差。
因上述主因子得分是经过标准化的，此处我们引入一所有项目浓度值均为零的样品，其标准化结果为：

各实测样品的主因子得分减去上述引入的浓度值为零的样品的因子得分即为绝对主因子得分。
细颗粒物为因变量，绝对主因子得分计算作为自变量进行回归，得出每个样品中各主因子的相对贡献率；以样品中各元素的浓度作为因变量，每个样品中各主因子的相对贡献率作为自变量，最终还可以求出各主因子中各种元素的相对浓度。

式中为常数项，是回归系数，是样品的绝对主因子得分，代表了源对污染物的贡献。所有样品的均值即为源的平均贡献率。主因子中各种元素的相对浓度计算方式依此类推。
计算结果
参照国内外资料报道的大气颗粒物PM10源解析惯用标识元素，OC是汽车尾气排放的主要产物之一；而NOX和SO2在空气中可被氧化形成硝酸、硝酸盐或硫酸盐，即部分以二次粒子的形式出现；Zn被认为来源于燃煤飞灰和汽车尾气排放；土壤中地壳元素Si、Al、 Fe和Mn，认为与扬尘有关；燃煤排放的SO2及其在空气中氧化形成的硫酸盐以二次粒子的形式存在于PM2.5中；Ca被认为是建筑尘的标识元素；Cl、Na与Mg是海盐粒子的标识元素。
1、主因子识别
厦门市大气细颗粒物PM2.5主因子分析结果见表1，选取特征值大于1的因子个数作为分析中需要考虑的有效主因子个数，可以看出，前五种主因子的因子载荷的累积方差贡献率为78.8%，能够反映数据表中的绝大部分信息，因此可以说影响厦门市大气细颗粒物的来源主要有三种。
第一主因子与SO42- 、NH4+、NO3-和TC均具有良好的相关性，代表了工业排放和汽车尾气的污染；第二主因子中Al的因子载荷系数大于0.9，指示了土壤风沙尘的污染；第三主因子代表海盐粒子（Cl-的载荷系数为0.9109）。
引入绝对主因子得分计算出各因子的贡献率， PM2.5浓度值与各绝对主因子得分统计具有良好的相关性(R2=0.957)。
表1 厦门市PM2.5样品的方差最大旋转因子负载系数
元素/离子
/化合物
因子
因子1
因子2
因子3
TC
0.8699
0.3748
0.0535
NO3-
0.8846
0.1162
0.2897
SO42-
0.9141
0.1402
-
NH4+
0.9364
0.1480
-
Na+
0.5699
0.3443
0.4180
Cl-
-
-
0.9109
Mg
0.1863
0.8387
-
Ca2+
0.4466
0.3156
-
AL
0.2255
0.9180
0.1275
特征值
4.61
1.32
116
方差贡献（％）
51.3
14.7
12.9
累计方差贡献率％
51.3
66.0
78.8
污染源
汽车尾气/ 工业燃煤
土壤风沙尘
海盐粒子
2、主因子分析定量解析厦门大气PM2.5来源
厦门市空气细颗粒PM2.5二季来源贡献计算结果显示：汽车尾气与工业排放在PM2.5中占有显著的地位，其贡献率的年均值为72.7%，其次为土壤风沙尘，占11.7%，海盐粒子的贡献率较低，约1.4%左右。冬、夏两季相比，冬季汽车尾气与工业排放的贡献率高于夏季，土壤风沙尘的比重略低于夏季，海盐粒子基本不变。
结合PM2.5的化学成分谱特征分析结果，春季厦门空气PM2.5中二次离子NO3- 、SO42-、NH4+和碳TC均占40%；而夏季厦门空气PM2.5二次离子NO3- 、SO42-、NH4+超过50%， TC占25%。根据因子分析的结果识别工业排放与汽车尾气的贡献率分别为40.5%、30.2%,土壤风沙尘及海盐粒子的贡献分别为11.7%及1.4%,其余为不可识别源（见图1及表2）。

图1 厦门市各主要污染源对PM2.5的贡献率
表2 厦门市各季节主要污染源对PM2.5的贡献率
污染源
贡献率（%）
冬季
夏季
平均
工业排放
39.8
41.1
40.5
汽车尾气
39.8
20.5
30.2
土壤风沙尘
10.7
13.3
11.7
海盐粒子
1.4
1.3
1.4
其他
8.3
23.7
16.2
与PM10的分析结果比较发现，汽车尾气与工业排放对细微颗粒PM2.5的贡献率明显高于PM10，说明汽车尾气与工业排放主要以细微颗粒形态存在，而土壤风沙尘和海盐粒子对PM2.5的影响明显低于对PM10的影响，说明其污染源的元素或粒子颗粒较大，一般以粗颗粒的形态存在。
结论
厦门市空气细微颗粒PM2.5的主要污染来源有：汽车尾气与工业排放贡献率分别为40.5%、30.2%,土壤风沙尘及海盐粒子的贡献分别为11.7%及1.4%,其余为不可识别源。汽车尾气与工业排放对PM2.5的贡献率明显高于PM10，说明汽车尾气与工业排放主要以细微颗粒形态存在，而土壤风沙尘和海盐粒子则一般以粗颗粒的形态存在，而细颗粒物的土壤源因子中土壤元素即可能来自于燃煤等工业污染，也可能来自土壤的二次扬尘。
（作者单位：厦门市环境监测中心站）