引用本文
李拥军, 陈瑞, 刘小云, 孙建云. 兰州市空气PM2.5中十种金属和类金属浓度的季节性变化[J]. 环境卫生学杂志, 2017, 7(2): 90-94.
LI Yongjun, CHEN Rui, LIU Xiaoyun, SUN Jianyun. Cross-section Study on Seasonal Variations of PM2.5 Concentrations for Ten Metal and Melloids in Air of Lanzhou City[J]. Journal of Environmental Hygiene, 2017, 7(2): 90-94.
兰州市空气PM2.5中十种金属和类金属浓度的季节性变化
李拥军, 陈瑞, 刘小云, 孙建云     
甘肃省疾病预防控制中心
基金项目: 2015年甘肃省卫生行业科研计划项目（GSWSKY-2015-39）
作者简介: 李拥军, 副主任技师, 主要从事理化检验工作
通信作者: 孙建云, 主任技师, 主要从事理化检验工作; Email:378940920@qq.om
联系方式: 甘肃省兰州市城关区段家滩335号; 邮编:730000;Email:mhong555@126.com
摘要: 目的 通过对兰州市空气中PM2.5监测成分进行研究分析，发现主要污染成分和污染季节，为相关部门制定防控措施提供参考依据。 方法 2015年分别在兰州市城关区和西固区2个监测点采集PM2.5颗粒物样品，检测PM2.5及10种元素的含量，并分析季节性趋势。 结果 城关区和西固区PM2.5颗粒物中铅、镉及锰的含量有统计学差异，且城关区高于西固区；城关区四个季节的PM2.5的含量有统计学差异（χ2=18.406，P < 0.001），城关区春季PM2.5的含量最高，为0.12 mg/m3，秋季最低，为0.07 mg/m3；西固区四个季节的PM2.5的含量有统计学差异（χ2=30.0，P < 0.001），西固区冬季PM2.5的含量最高，为0.11 mg/m3，夏季最低，为0.05 mg/m3。 结论 2015年兰州市城关区和西固区PM2.5颗粒物及其元素污染水平有差别，需要重视不同季节大气污染，制定相应的污染防控措施。
关键词: 兰州市     PM2.5     金属和类金属     季节性变化    
Cross-section Study on Seasonal Variations of PM2.5 Concentrations for Ten Metal and Melloids in Air of Lanzhou City
LI Yongjun, CHEN Rui, LIU Xiaoyun, SUN Jianyun     
Abstract: Objective To understand the concentrations of ten metal and metalloids in PM2.5 of air in Lanzhou city, and to find out the main pollutants and heavy polluted seasons, thus to provide a basic data for air pollution control. Methods Chengguan District and Xigu District of Lanzhou were selected as the surveillance sites. The concentration of PM2.5 and ten metal and melloids in air samples were determined in 2015. Results The concentration of Plumbum (Pb), Cadmium (Cd) and Manganese (Mn) of PM2.5 in Chengguan district were higher than those in Xigu district, and the seasonal variation of these three metals were significant in Chengguan district(χ2=18.406, P < 0.001) and Xigu district (χ2=30.0, P < 0.001). For instance, the concentration of PM2.5 in Chengguan district in the Spring was the highest (0.12 ng/m3), and in Xigu district in the Winter was the highest (0.11 ng/m3). Conclusions There were obvious seasonal trend on concentration of several ten metal and melloid in PM2.5 in 2015. Hence, the measure on prevention of air pollution should comply with the prevalence characteristics of air pollution in different seasons.
Key words: Lanzhou     PM2.5     metal and melloids     seasonal variation    

近年来中国不同地区雾霾天气时有发生，引发社会高度关注。雾霾天气下空气污染程度明显高于正常天气，其中颗粒物的污染程度最为显著，金属污染物是细颗粒物(PM2.5)重要组成部分[1]，开展PM2.5中的元素监测及分析不同时段浓度水平研究，对于控制污染源、保护人群健康具有重要意义。兰州市属于工业化城市，污染源较多，气候独特，处在东经102°30″~104°30″、北纬35°5″~38°间，市区南北群山对峙，东西黄河穿城而过，城市依山傍水而建，属中温带大陆性气候，市区海拔平均高度1 520 m，年均气温11.2℃，年均降水量327 mm，全年日照时数平均2 446 h，无霜期180日以上。通过对兰州市空气中PM2.5成分分析，发现主要污染成分和污染季节，为相关部门防控措施的制定提供参考依据[2]。

1 材料与方法 1.1 监测点和监测时间

依据兰州市空气污染的区域特征和工业企业的分布特征，选择西固区(工业区)和城关区(非工业区)作为本次监测点，并于2015年每月对大气细颗粒物样品进行采集和分析。

1.2 仪器设备

电感耦合等离子体质谱仪(ICAP QC，美国Thermo公司)；十万分之一电子天平(METTLER公司)；智能中流量PM2.5采样器(TH-150C，武汉天虹)。

1.3 样品采集与测定

依据中国疾病预防控制中心《空气污染对人群健康影响监测工作手册》进行样品采集与测定，在选择的采样点每月连续7 d进行不少于22 h/d的细颗粒物PM2.5的采集工作。同时记录实际采样时间、大气压力、平均气温等资料[3]。取采样滤膜1/8(或适量)，用硝酸溶液洗脱，水浴超声浸提后采用电感耦合等离子体质谱法检测空气颗粒物中样品中锑(Sb)、砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、铅(Pb)、锰(Mn)、镍(Ni)、硒(Se)和铊(Ti)十种元素的含量，根据采样体积换算得到空气中相应元素的浓度[3]。

1.4 统计方法

使用SPSS 22.0统计分析软件，两组数据之间的比较采用Wilcoxon秩和检验，多组数据之间的比较采用Kruskal-Wallis秩和检验，检验水准α=0.05。作图使用Origin 9.0软件。

1.5 质量控制

1.5.1 称量过程质量控制 1.5.1.1 校准天平

每次称量前应按照操作规程对天平进行校准，天平室的温湿度条件应与滤膜平衡条件相一致，温度(25±1)℃；湿度(50±5)% RH。

1.5.1.2 滤膜前处理

滤膜称量前编号，但不能直接标记在滤膜上；滤膜编号必须保持唯一性和可追溯性。称量时应消除静电影响。

1.5.2 检测过程质量控制 1.5.2.1 仪器

在有效检定周期内运行，以保证检出限、灵敏度、定量测定范围满足方法要求。仪器工作的环境的温度和湿度要符合仪器使用说明书或认可实验室编制的仪器操作手册中相关指标的要求。

1.5.2.2 试剂

标准溶液配制和样品前处理时必须使用高纯度试剂。为满足空气样品测试的需要，使用高纯水来降低分析空白值。

1.5.2.3 校准曲线

每批样品需进行测试工作曲线，要求各离子校准曲线的线性相关系数≥0.999。每批样品工作曲线的斜率变化小于20%。

1.5.2.4 空白实验

实验室校准空白的浓度测定值不能大于检出限，实验室试剂空白平行双份测定值的相对差值不应大于50%，每批样品最少要有3个实验室试剂空白和3个现场空白样品。同时还需做试剂空白试验和现场空白试验。

1.5.2.5 质控样品测定

每批样品需进行质控样品测定(3个平行样)，要求每种离子成分测定值在质控样品规定的许可范围内。同时为确保仪器在使用过程中的稳定可靠，在每次进样周期过程中，按一定间隔进同一测试样。规定每间隔20个样品时，进一次标准样，测定值应在10%的标准值内，如果超出此范围，应重新调谐，并进行重新分析。

1.5.2.6 平行样

应尽可能抽取10%~20%的样品进行平行样测定。平行样的测定结果，其最大值与最小值间的差值应小于各离子相应的重复性限值(r)。由于受时间或空间的限制，严格意义上的平行样是难以采集的。因此，平行样分析一般是指将同一样品分为两份或多份在完全相同的条件下进行同步分析，一般是做双份平行。

2 结果 2.1 质量浓度监测情况

2015年1月—12月，分别在城关区和西固区采集样品各84份，共计168份样品，PM2.5及其中几种元素含量见表 1。PM2.5监测结果为(0.03~0.28) mg/m3，中位值是0.08 mg/m3，污染较重的有铅、锰、镉及砷等，中位分别为57.86 ng/m3、42.48 ng/m3、2.77 ng/m3和7.92 ng/m3。经过SPSS 22.0 (IBM，US)正态检验，发现城关区和西固区各组对应数据不符合正态分布，选择秩和检验比较每种元素两组之间数据是否有差异。经秩和检验发现，城关区和西固区铅的含量有统计学差异(Z=-3.886，P < 0.05)，城关区PM2.5中铅的含量中位值为65.93 ng/m3，西固区PM2.5中铅的含量中位值为50.25 ng/m3，城关区高于西固区；城关区和西固区的镉的含量有统计学差异(Z=-2.243，P=0.025)，城关区PM2.5中镉的含量中位值为3.11 ng/m3，西固区PM2.5中镉的含量中位值为2.34 ng/m3，城关区高于西固区；城关区和西固区的锰的含量有统计学差异(Z=-4.398，P < 0.05)，城关区PM2.5中锰的含量中位值为50.43 ng/m3，西固区PM2.5中锰的含量中位值为34.46 ng/m3，城关区高于西固区。

表 1 PM2.5质量浓度及其中几种元素含量
PM2.5/
(mg/m3)		 锑/
(ng/m3)		 砷/
(ng/m3)		 镉/
(ng/m3)		 铬/
(ng/m3)		 汞/
(ng/m3)		 铅/
(ng/m3)		 锰/
(ng/m3)		 镍/
(ng/m3)		 硒/
(ng/m3)		 铊/
(ng/m3)
均值 0.09 4.10 11.29 3.61 4.09 1.28 88.07 50.74 4.29 2.52 1.35
中值 0.08 3.15 7.92 2.77 2.72 0.78 57.86 42.48 2.60 1.00 1.12
最小值 0.03 0.77 1.07 0.07 0.60 0.07 12.22 12.39 0.60 0.31 0.18
最大值 0.28 24.71 44.90 17.38 37.20 6.80 771.17 178.52 70.44 9.98 4.43
表选项

2.2 不同季节监测情况

通过不同季节对比，经SPSS 22.0 (IBM，US)正态检验，发现每个区四组数据不符合正态分布，选择秩和检验分别比较城关区和西固区四组数据之间是否有差异。经秩和检验发现，城关区四个季节的PM2.5的含量有统计学差异(χ2=18.406，P < 0.001)，城关区春季PM2.5的含量最高，为0.12 mg/m3，秋季最低，为0.07 mg/m3；西固区四个季节的PM2.5的含量有统计学差异(χ2=30.0，P < 0.001)，冬季PM2.5的含量最高，为0.11 mg/m3，夏季最低，为0.05 mg/m3。不同季节城关区和西固区PM2.5及其中几种金属含量见表 2。PM2.5中几种元素含量在不同月份监测结果趋势见图 1。从采暖季节(每年11月—次年3月)和非采暖季节(每年4月—10月)所监测的10种物质来看，有5种物质存在统计学差异，其PM2.5中砷、镉、铬、镍、铅在采暖季节明显高于非采暖季节(表 3)。

表 2 不同季节PM2.5及其中几种金属含量中值
城关区 西固区
春季 夏季 秋季 冬季 春季 夏季 秋季 冬季
PM2.5/(mg/m3) 0.12 0.08 0.07 0.09 0.10 0.05 0.07 0.11
锑/(ng/m3) 2.72 2.55 3.91 3.94 3.16 2.22 3.83 4.69
砷/(ng/m3) 11.26 6.49 6.18 17.20 11.00 6.61 5.69 16.50
镉/(ng/m3) 4.24 2.05 0.98 7.80 2.97 1.51 0.79 5.06
铬/(ng/m3) 4.09 2.71 0.60 3.79 6.31 3.49 0.60 3.00
汞/(ng/m3) 0.21 1.43 1.07 1.82 0.10 0.52 1.00 1.74
铅/(ng/m3) 107.48 51.57 66.20 64.40 62.46 36.06 50.97 63.50
锰/(ng/m3) 53.93 51.65 53.96 40.80 36.01 29.39 48.20 28.72
镍/(ng/m3) 3.37 3.75 0.60 1.95 4.75 2.55 0.60 2.98
硒/(ng/m3) 1.00 2.98 1.00 4.15 1.00 2.65 1.00 3.93
铊/(ng/m3) 0.87 1.50 1.72 0.79 0.51 1.39 1.62 0.83
表选项

图 1 PM2.5中几种元素含量全年监测结果
图选项

表 3 采暖期和非采暖期不同元素的污染特征及差异
监测项目 采暖季节
(每年11月—次年3月)		 非采暖季节
(每年4月—10月)		 Z P
n 中位数 n 中位数
 PM2.5/(mg/m3) 70 0.10 98 0.07 -5.547 < 0.05
 锑/(ng/m3) 70 3.30 98 2.84 -1.543 0.123
 砷/(ng/m3) 70 15.39 98 6.37 -9.185 < 0.05
 镉/(ng/m3) 70 5.26 98 1.58 -8.326 < 0.05
 铬/(ng/m3) 70 4.56 98 1.83 -4.016 < 0.05
 汞/(ng/m3) 70 0.33 98 0.89 -1.533 0.125
 铅/(ng/m3) 70 66.60 98 51.84 -3.481 < 0.05
 锰/(ng/m3) 70 37.05 98 46.91 -1.673 0.094
 镍/(ng/m3) 70 3.17 98 2.06 -2.953 < 0.05
 硒/(ng/m3) 70 2.40 98 1.00 -1.578 0.115
 铊/(ng/m3) 70 0.66 98 1.55 -7.932 < 0.05
表选项

3 讨论

细颗粒物粒径小、表面积相对较大，易富集空气中的有毒有害物质尤其是金属元素，可随人的呼吸进入体内，甚至进入肺泡或血液循环系统而引起疾病[4]。气象条件及排放源是影响大气中污染物的两个重要因素。兰州市春冬季平均温度较低，风速小、大气层结构稳定、逆温频率高且大气层厚等气象条件都对污染物的扩散起阻碍作用[5]。春季和冬季(每年11月—次年3月份)大面积供暖，各种燃烧现象加重，两面夹山，气流流通不畅，城关区地处腹地，较西固区人口密集、车流量大以及各类污染源较多等因素，加上周边特别是农村地区存在燃煤取暖，这些都可能导致大气中PM2.5中各种金属含量较高，一些金属离子春冬季高，夏秋季低，季节性变化明显。此外，夏秋季太阳辐射强，日照强度大，有利于各种物质相互转化，同时在夏秋季风速较大，空气对流良好，降水较多以及湿度较大，有利于颗粒物扩散和去除[6]，因此春冬季整体PM2.5高于夏秋季。综上所述，兰州市大气细颗粒物(PM2.5)的组成成分中金属离子在不同月份和季节成分分布也不尽相同，采暖期和非采暖期也存在明显差异，其中个别物质浓度在采暖期高于非采暖期。虽然这几年兰州市实施了工业减排、燃烧减量、消烟除尘、尾气达标、扬尘管控、清新空气、蓝天工程等污染治理工程和燃煤锅炉改造、关闭落后产能企业、生态增绿工程等重点治污项目，以上治理措施对治理该市大气染起到了重要作用，但是从本文数据分析来看，大气污染任务艰巨。为了有效控制兰州市大气污染，必须要针对本市污染特点采取相应的防治目标和控制措施。

参考文献
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[3] 张志荣, 刘裕婷, 于秋红, 等. 电感耦合等离子体质谱法测定PM2.5中重金属元素[J]. 环境卫生学杂志, 2013, 3(5): 458–460, 464. Zhang ZR, Liu YT, Yu QH, et al. Determination of heavy metals in PM2.5 by inductively coupled plasma mass spectrometry[J]. Journal of Environmental Hygiene, 2013, 3(5): 458–460, 464. (in Chinese).
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[6] 朱倩茹, 刘永红, 徐伟嘉, 等. 广州PM2.5污染特征及影响因素分析[J]. 中国环境监测, 2013, 29(2): 15–21. Zhu QR, Liu YH, Xu WJ, et al. Analysis on the pollution characteristics and influence factors of PM2.5 in Guangzhou[J]. Environmental Monitoring in China, 2013, 29(2): 15–21. (in Chinese).
DOI: 10.13421/j.cnki.hjwsxzz.2017.02.002
中国疾病预防控制中心主办。
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李拥军, 陈瑞, 刘小云, 孙建云
LI Yongjun, CHEN Rui, LIU Xiaoyun, SUN Jianyun
兰州市空气PM2.5中十种金属和类金属浓度的季节性变化
Cross-section Study on Seasonal Variations of PM2.5 Concentrations for Ten Metal and Melloids in Air of Lanzhou City
环境卫生学杂志, 2017, 7(2): 90-94
Journal of Environmental Hygiene, 2017, 7(2): 90-94
DOI: 10.13421/j.cnki.hjwsxzz.2017.02.002

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