论文推荐|北京、成都、上海、广州大气 PM2.5中金属污染特征及来源分析

邓林俐 张凯山*

（四川大学 建筑与环境学院,成都 610065）

研究背景

大气PM2.5是雾霾产生的重要内因。金属元素作为PM2.5的重要组成部分，因其具有较强的稳定性、富集性和持久性，严重威胁人体健康。近年来，京津冀地区、四川盆地、长江三角洲以及珠江三角洲已经成为我国雾霾发生频次较高的区域。分析不同地区大气污染成因的差异，特别是了解大气 PM2.5中作为污染源重要特征指示物的金属元素的污染水平及来源的地区差异，对于制定空气质量管理政策，改善空气质量异常重要。北京、成都、上海和广州分别是上述雾霾频发区域的核心城市，气候特征及经济发展模式等具有明显的地区特点，其空气质量状况大致可代表该区域空气质量水平区域有别，然污染类同，其中原因值得深究。特别是近些年为保证城市空气质量，工业布局有从城市向周边区域迁移的趋势，研究不同区域特征对大气污染的影响程度，这对于污染成因的了解和污染防控措施制定，以及工业布局规划等具有重要意义。

本研究主要关注选取城市中大气PM2.5污染(雾霾)，就研究区域中的整体PM2.5的污染水平、其中特征金属元素的污染水平、时空分布及来源等展开分析。分析数据的主要来源为各个区域内2013-2017年有关雾霾的研究成果 。

摘  要

吸附在大气细颗粒物PM2.5中的金属元素具有强稳定性和富集性，随着城市大气PM2.5污染加剧，对公众健康构成极大的威胁。为了解大气PM2.5中金属污染的地区特征，选取中国雾霾发生频次较高区域中典型城市作为研究对象，概述了2013-2017年城市大气PM2.5中金属污染水平、时空分布特征及其主要来源。经分析，地区气象条件、工业布局和污染源的差别是各城市大气PM2.5中金属元素污染水平及时空分布存在较大差异的主要原因。二次气溶胶、燃煤和生物质燃烧在研究城市大气PM2.5金属元素来源中占据主要贡献，其他源类在各个地区贡献率有所不同。未来的工作应进一步探讨工业布局的改变对大气PM2.5及其中金属元素污染及来源的影响，以期为环保部门制定有效的大气污染防治措施提供参考。

01

结果与分析

1.雾霾频发区域典型城市PM2.5污染水平

北京、成都、上海和广州4个城市大气PM2.5 2013-2017年污染水平如表1所示，4个城市均有不同程度的雾霾污染，不同城市历年间的污染变化情况及污染程度均有差异，但PM2.5浓度总体呈下降趋势。其中，以成都降幅最大，而其他3个城市降幅相当。由于气象及污染源排放状况差异，4个城市污染及重污染天数逐年变化情况不一，但整体呈下降趋势。无论是从ρ(PM2.5)年均值还是污染天数上看，北京污染最严重，其次为成都和上海，广州空气质量相对较好。各地区的污染情况与其气象条件、工业布局及地理位置关系密切相关。

表1 4个雾霾频发区域典型城市2013-2017年ρ(PM2.5)逐年变化

2.PM2.5中金属元素污染水平

表2为2012—2017年北京、成都、上海和广州4个城市大气 PM2.5中金属元素在各采样时间段的浓度情况，并按其可能的主要来源分别展示。4个城市的PM2.5中金属元素浓度均呈现生物质燃烧源的特征元素浓度最大，土壤、建筑扬尘源和机动车排放源特征元素次之，金属冶炼、燃煤和燃油排放元素浓度最小的规律，但不同城市各元素污染水平存在差别。其中，成都生物质燃烧排放的特征元素浓度最高。北京代表土壤、建筑扬尘源的元素浓度水平与成都相当，广州最小，这与城市土壤元素背景值及城建活动有关。北京表征机动车污染源的元素浓度略大于成都，上海次之，广州最小，这可能与城市机动车保有量和交通状况有关。表征金属冶炼、制造的元素浓度成都最大，北京、上海次之、广州最小，虽然4个城市均有冶炼、制造等工业外迁现象，但成都市范围内仍有较多金属冶炼厂，故该类元素在成都浓度较高，而广州规模以上金属冶炼、制造企业较少，故其浓度最低。北京燃煤源特征元素浓度高于其余3个城市，这可能与北京冬季供暖有关。上海、广州与燃油排放有关的元素浓度较大，北京和成都较低，这与上海、广州临港，船舶排放污染物较多有关。

表2 雾霾频发区域典型城市大气PM2.5中金属浓度水平

3.PM2.5中金属元素的时空分布特征

就金属元素浓度的空间分布而言，北京表征土壤、建筑扬尘源的元素中，Al、Na元素城区较大，而Ca、Mg元素郊区略大于城区。代表机动车和工业污染源的元素城郊浓度比为0.6~1.4。成都 Zn、As元素浓度郊区较大，其余元素浓度中心城区较高，且城郊之间浓度差别不大。成都市中心城区按不同环境功能分区后，各元素浓度分布大致趋势为工业区最大，交通区、商业区次之，居住区最小，表征机动车污染与燃煤排放的元素浓度以交通区最高，而代表金属冶炼源的元素浓度工业区较高。上海PM2.5中地壳源和生物质燃烧源的特征元素浓度郊区较大，表征机动车污染、金属冶炼和燃煤排放源的元素浓度城区更大，Ni、V等燃油源特征元素城郊之间几乎没有差别。广州PM2.5中地壳元素和机动车排放元素城区较大，而表征工业源的元素浓度城郊差别不大，特别是燃油源特征元素Ni，城郊浓度水平相同 。

图1为4个城市大气PM2.5中部分金属元素的季节分布。北京道路移动源和生物质燃烧源的特征元素浓度季节变化不明显。扬尘源特征元素春季浓度较高，冬季较低。代表金属冶炼源的元素秋季浓度最高,其余季节浓度差别不大。燃煤排放元素春季浓度较高 。成都地壳元素浓度春季较高，冬季浓度值略低于春季。表征机动车污染源、工业排放源的元素冬季浓度最高，夏季最低。燃油排放元素浓度几乎无季节变化。上海扬尘源特征元素冬、春季浓度较高，夏、秋季较低。机动车排放源元素浓度冬季最高，秋季次之，春、夏季节浓度较小。金属冶炼和燃煤源特征元素除Cd冬、春季较高外，其余元素浓度季节变化较小。广州表征扬尘源的元素浓度冬季 最高，其余季节元素浓度较低。机动车排放、金属冶炼源和重油污染的特征元素浓度四季变化较小。

图1 4个城市大气PM2.5中金属元素季节分布

综上，4个城市均是季风性气候，冬、春季节大气稳定，不利于污染物水平、垂直输送，而夏季风速较大，大气边界层湍流增强，促进污染物稀释扩散，故4个城市PM2.5中大多数金属元素冬、春季节浓度高，夏季浓度较低。但PM2.5中金属污染不仅受气候影响，更与地区污染物排放种类和总量有关，因此部分金属元素在不同城市间呈现出季节分布特征不同，应结合采样点附近污染源排放情况分析。

4.PM2.5中金属元素来源

根据研究区域近年来有关雾霾的研究成果，表3总结了4个城市大气PM2.5中金属元素的主要来源及贡献率。我国雾霾频发区域典型城市大气PM2.5中金属元素来源具有多样性。 不同城市由于地理位置、城市经济参数、工业布局等不同，呈现源类及其贡献率的差异。二次气溶胶和生物质燃烧源在4个城市PM2.5金属元素排放中均有较大贡献。此外，燃煤排放在4个城市PM2.5污染中也有比较重要的贡献，北京冬季集中供暖，燃煤排放贡献率较高，而其余3个非集中供暖城市燃煤排放多源于工业活动。北京交通源的贡献率较大，北京机动车保有量居全国首位，且交通流量高峰期道路拥堵严重，加剧了交通源排放。成都金属冶炼、加工源贡献率较大，相较于其余3个城市，成都工业在3种产业中的占比最大，故与工业排放有关的冶炼源对PM2.5中金属元素贡献较大。4个城市中成都有较大的土壤及建筑扬尘源贡献，这可能与成都近年来在建地铁等大型的城市基建工程有关。上海和广州临海，故船舶重油燃烧排放对PM2.5中金属元素的贡献也不容忽视。

表3 雾霾频发区域典型城市大气 PM2.5中金属元素来源

02

结 论

1）雾霾频发区域典型城市近年来大气PM2.5中金属元素浓度变化复杂，与各城市大气ρ(PM2.5) 逐年下降这一变化趋势不同，不同来源的元素在各城市间污染水平存在差异。成都市表征生物质燃烧源和金属冶炼源的元素浓度水平较高，北京市表征机动车污染源和燃煤源的金属元素浓度值较高，与土壤及建筑扬尘源有关的元素在北京和成都浓度水平相当。上海和广州市表征重油燃烧排放的元素浓度较大。

2）雾霾频发区域典型城市城郊之间大气PM2.5中金属元素污染水平差异日益减小。4个城市表征燃煤源、机动车污染源和金属冶炼源的金属元素浓度水平城区略大于郊区，除广州外，其他3个城市与土壤及建筑扬尘源有关的元素浓度水平郊区较大。广州和上海表征重油燃烧的元素城郊之间浓度水平几乎相同。这与颗粒物长距离传输特性，及城市工业企业向郊区聚集有关。今后应进一步分析大型城市周边的工业城镇大气PM2.5中金属元素污染水平，探讨工业布局的改变对城市环境空气质量的影响。

3）研究城市大气PM2.5中金属元素受地区污染物排放种类和总量的影响，在不同城市间呈现季节分布特征差异。4个城市与土壤及建筑扬尘源有关的金属元素均在冬、春季达到高值。北京表征机动车排放及生物质燃烧源的金属元素季节变化较小，表征燃煤源的元素冬、春季较高，表征金属冶炼源的元素秋季较高。成都与交通源和工业源排放有关的元素冬季值较高。上海与广州表征燃煤源和金属冶炼源的元素浓度基本没有季节差别。

4）地理位置、工业布局和经济发展模式等因素影响不同区域城市大气PM2.5中金属元素的来源及其贡献率，使其呈现差异。4个城市二次气溶胶、生物质燃烧排放和燃煤源对大气PM2.5中金属元素的贡献均处于较高水平，北京机动车排放贡献高于其余3个城市，成都金属冶炼源、土壤及建筑扬尘源贡献较大，而上海与广州临海，海洋尘及船舶重油燃烧排放贡献率较大。

本研究成果为进一步了解不同污染源对雾霾的贡献，明确改善空气质量、制定污染控制措施的重点，以及规划产业结构布局时综合考虑区域特点对空气质量的影响等方面提供参考。

来源：邓林俐. 张凯山.雾霾频发区域典型城市大气PM2.5中金属污染特征及来源分析[J].环境工程.2020,38(5):113-119

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1.http://hjgc.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13205/j.hjgc.202005020

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