工业城市中PM2.5的化学成分变化、风险及其来源（2021-2023年）：供暖的影响

本研究系统评估了2021-2023年淄博市供暖与非供暖期PM2.5的化学组成、健康风险及污染源，发现供暖期PM2.5浓度显著升高，二次组分比例下降，镉、汞生态风险突出，砷、铬（VI）、镉具致癌风险，污染源以二次源为主，省际传输显著，为北方工业城市空气污染治理提供科学依据。

　　

曾庆红|纪圆圆|白文宇|徐波|韩金宝|耿春梅|杨文

中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京，100012，中国

摘要

尽管PM_2.5浓度有所下降，但供暖对其化学成分变化及相关风险的影响仍不明确。本研究分析了2021年至2023年供暖期和非供暖期在淄博市收集的PM_2.5样本，以评估其成分变化、生态和人类健康风险以及来源。PM_2.5的主要成分包括NO₃^–（30.4%–38.3%）、NH₄⁺（16.2%–21.2%）、有机物（15.5%–22.9%）和SO₄^2–（15.1%–16.7%）。供暖期间，所有成分的浓度均高于非供暖期，而PM_2.5中二次成分的比例持续下降。镉（Cd）和汞（Hg）具有极高的生态风险；砷（As）和六价铬（Cr（VI）以及镉对暴露人群存在致癌风险。供暖期间的生态和人类健康风险高于非供暖期，尽管两者都呈现下降趋势。PM_2.5的主要来源是二次排放源（44.0%–58.3%）、车辆排放（10.8%–26.4%）、燃烧源（7.6%–13.2%）、工业排放（8.4%–21.1%）和灰尘（2.5%–9.0%）。供暖期间，二次排放源对PM_2.5的贡献减少，而燃烧源（1.8%–3.5%）和车辆排放（0.8%–3.4%）的贡献增加。淄博市的PM_2.5污染主要受省内及周边地区排放的影响，供暖期间省内传输作用显著。这些发现为北方工业城市供暖季节的空气污染控制和健康风险管理提供了精确的科学依据和政策支持。

引言

PM_2.5指的是空气动力学直径不超过2.5微米的颗粒物（世界卫生组织，2021年）。主要来源包括工业排放（Fang等人，2021年）、交通尾气（Li等人，2022年）、建筑粉尘（Lv等人，2022年）和生物质燃烧（Zong等人，2016年）。它是最重要的空气污染物之一，会损害空气质量（Sharma等人，2020年）、降低大气能见度（Tseng等人，2019年）并危害生态系统（Li等人，2021年）。PM_2.5可进入人体呼吸系统，增加各种健康问题的风险（Sulaymon等人，2021年）。自20世纪80年代以来，美国和欧洲的PM_2.5浓度有所下降；日本自2012年以来也呈现下降趋势（Sharma等人，2020年）。中国自2013年实施《大气污染防治行动计划》后，年均PM_2.5浓度从2013年的62微克/立方米降至2023年的30.0微克/立方米。然而，世界卫生组织2021年更新的空气质量指南建议年均PM_2.5浓度应为5微克/立方米（世界卫生组织，2021年）。大多数中国城市的PM_2.5浓度仍超过这一推荐限值，每年因PM_2.5导致的死亡人数超过一百万（Zhu等人，2020年）。因此，全面评估PM_2.5的化学成分、来源及相关健康风险对于进一步降低环境中的PM_2.5水平至关重要。

PM_2.5的化学成分复杂，主要由碳质成分、水溶性无机离子、有机物、地壳元素和痕量金属组成（Xie等人，2020年）。这些成分的空间和时间变化受气象条件、排放特性和二次形成过程的影响（Lv等人，2022年）。Liu等人（2018a）研究了北京PM_2.5中重金属的季节性变化，发现供暖期间的总重金属浓度高于非供暖期。Shi等人（2024）研究了2016年中国春节期间昆明PM_2.5的化学成分和来源，发现SO₄^2–、NO₃^–和NH₄⁺是主要成分，二次形成是主要来源。目前，常用的PM_2.5来源识别方法包括主成分分析（PCA）、PCA/绝对主成分得分（PCA/APCS）模型、正矩阵分解（PMF）、Unmix和化学质量平衡方法（Liu等人，2018）。其中，PMF的结果通常比其他方法更准确（Liu等人，2018）。Zhan等人（2023）研究了2018年南京PM_2.5的来源，确定二次无机气溶胶、煤炭燃烧、工业活动和机动车排放及灰尘是主要贡献者。

暴露模型被广泛用于评估不同空气污染水平下人群的健康影响（Fang等人，2021年）。长期暴露于PM_2.5对心血管疾病死亡率的影响尤为显著（Hayes等人，2020年）。尽管痕量金属在PM_2.5中占比很小，但吸入有毒金属仍会带来超出可接受阈值的健康风险（Fang等人，2021年）。人类健康风险评估广泛用于评估PM_2.5中有毒元素的非致癌和致癌风险（Hayes等人，2020年）。Wang等人（2025）研究了华北平原各城市PM_2.5的季节性变化和健康风险，分析了2021年聊城的18种元素，发现冬季PM_2.5浓度达到峰值，并确定钴（Co）对当地居民具有致癌风险。

作为中国最大的城市群之一，淄博也是华北平原上的典型工业城市（Bai等人，2022年）。与依赖石油或煤炭的单一产业城市不同，淄博拥有多样化的轻工业和重工业（如陶瓷和石化），使其成为高度污染的地区。这种多产业结构显著增加了大气中金属元素的浓度，从而加剧了有毒金属的健康风险。此外，与北京等以交通污染为主的城市不同，淄博的大气同时受到密集工业排放和季节性燃煤供暖的影响。尽管已有研究分析了淄博的PM_2.5污染特征和来源，但大多数研究都是短期的，且很少有研究全面评估PM_2.5中有毒金属元素的健康风险。因此，需要进一步研究淄博的PM_2.5污染问题。本研究观察了2021年至2023年10月至12月期间淄博市的PM_2.5及其主要成分。分析了关键成分的动态变化模式，揭示了供暖的影响，并强调了PM_2.5的生态影响及潜在的人类健康风险。利用PMF模型和潜在来源贡献函数（PSCF）分析深入分析了各种污染源对PM_2.5的贡献。结果系统地评估了PM_2.5的化学特性、来源和健康风险之间的关系，为其他工业城市的PM_2.5控制策略提供了指导。

部分摘录

地点和采样

观测在山东省淄博市的综合大气污染观测站进行。2023年2月，观测地点从 Luzhong 安全生产检测中心三楼的屋顶（地址：淄博市张店区Sibaoshan街179号路；118.14°E, 36.86°N）迁至生态环境监测中心三楼的屋顶（地址：淄博市张店区Liuquan路222号；118.05°E, 36.82°N）

PM_2.5成分特征

2021年非供暖期和供暖期的平均每小时PM_2.5浓度分别为54.6±40.5微克/立方米和64.2±48.2微克/立方米，表明供暖期的浓度约为非供暖期的1.1倍（图1）。2022年和2023年，供暖期的平均每小时PM_2.5浓度分别是非供暖期的1.1倍和1.5倍。供暖期间，每小时平均PM_2.5浓度从2021年的64.2±48.2微克/立方米上升到2023年的68.5±55.0微克/立方米

结论

本研究系统分析了2021年至2023年供暖期和非供暖期在淄博市收集的监测数据，探讨了PM_2.5的化学成分、健康风险和污染来源的时间变化。

观测期间，淄博市PM_2.5的主要成分包括NO₃^–（30.4%–38.3%）、NH₄⁺（16.2%–21.2%）、有机物（OM）（15.5%–22.9%）和SO₄^2–（15.1%–16.7%）。与2021–2023年的非供暖期相比，这些主要成分的浓度普遍

CRediT作者贡献声明

杨文：验证、监督。纪圆圆：撰写——审阅与编辑、概念构思。曾庆红：撰写——初稿、可视化、调查、数据整理。耿春梅：监督、方法论。韩金宝：可视化。徐波：软件支持。白文宇：调查

未引用参考文献

Qian等人，2025年；美国环保署，2024年。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中央公益性科学机构的基础研究资金（编号：2023YSKY-14）以及中国空气污染控制关键问题国家研究计划（编号：DGQQ202119和DQGG202137）的支持。