随着经济快速发展，我国大气颗粒物污染越来越受到人们关注.大气颗粒物对气候、环境以及人体健康等都有重要影响^[1~4].水溶性无机离子是大气颗粒物中重要的组成成分^[5]，占颗粒物质量浓度的30%~60%^[6].近年来国内关于大气颗粒物中水溶性无机离子的研究主要集中在京津冀^{[7, 8]}、 长三角^[9~11]和珠三角^{[12, 13]}等区域的大中城市，对其它城市的研究相对较少； 研究内容多关注PM₁₀(空气动力学等效直径小于或等于10 μm的颗粒物)和PM_2.5(空气动力学等效直径小于或等于2.5 μm的颗粒物)，关于分级研究较少.不同粒径大气颗粒物中水溶性无机离子的构成比例和浓度水平不同，对气候、环境和健康的影响也不同^[14].研究大气颗粒物中水溶性无机离子的粒径分布特征有助于了解大气颗粒物的物理化学过程、形成机制、存在形式和来源.

太原已有大气颗粒物的研究主要关注一次霾污染过程或单一季节PM_2.5中水溶性离子浓度的变化^{[15, 16]}，而长时间序列，不同季节，不同粒径分布特征的连续观测研究鲜见报道.本研究于2012年6月~2014年5月对太原市大气颗粒物进行了分级采样，分析了颗粒物中水溶性无机离子的浓度水平、季节变化和粒径分布特征，并探讨了不同粒径段水溶性无机离子的主要来源.本研究的结果有助于更全面地了解太原市大气颗粒物化学特征，以期为今后的研究提供基础数据.

本采样点设置在太原市尖草坪区气象局(112.53°E，37.87°N)，采样点周围主要是居民区和商业区，无明显工业污染源，仅在西面500 m有一条环城高速公路.采样点在办公楼楼顶距地面15 m，本站属于CARE-China中原城市站点之一^[17].本研究使用安德森9级撞击式分级采样器(Andersen Series 20-800,USA)采集太原大气颗粒物样品，流速为28.3 L ·min^-1，粒子50%切割等效空气动力学粒径(EDA)为0.43、0.65、1.1、2.1、3.3、4.7、5.8、9.0 μm.采集时间从当日上午09:00至第三日上午09:00，每两周用石英膜(Munktell公司，型号T293，直径81 mm)采样1次，连续采集48 h，共采集有效样品50组.

采集后的膜样品均置于冰箱(-18℃)冷冻避光保存至分析.取1/4张膜置于PET瓶中，加入25 mL去离子水(18.2 MΩ ·cm^-1)，超声提取30 min，经0.22 μm滤膜(天津富集科技有限公司)过滤后，用阴、阳离子色谱(Dionex ICS-90,USA)分别测定其中阳离子Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和阴离子F^-、Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-浓度.阳离子检测采用Ionpac CS12A 4×250 mm分离柱、CSRS 300-4 mm抑制器，淋洗液为22 mmol ·L^-1的甲烷磺酸(MSA)； 阴离子检测用Ionpac AS14A 4×250 mm分离柱，ASRS 300-4 mm抑制器，淋洗液为3.5 mmol ·L^-1的Na₂CO₃和1.0 mmol ·L^-1的NaHCO₃混合溶液.进样量为100 μL时，Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Mg²⁺、Cl^-、和F^-最低检测限均小于0.01 μg ·m^-3； Ca²⁺、NO₃^-和SO₄^2-最低检测限均小于0.03 μg ·m^-3.

PM_2.5和PM₁₀质量浓度来自太原市环境保护局(http://www. tyshbj.com.cn)，气象数据包括温度、相对湿度、风速、大气压强和降水数据，来自国家气象局(http://www. cma. gov.cn).

由环保局数据显示，太原市PM_2.5和PM₁₀质量浓度在采样期平均值分别为(54.33±30.58) μg ·m^-3和(117.11±49.57) μg ·m^-3，超出了环境空气质量标准(GB 3095-2012)中PM_2.5和PM₁₀的年均浓度限值(35 μg ·m^-3和70 μg ·m^-3).其中PM_2.5质量浓度冬季最高[(89.82±43.44)μg ·m^-3]，秋季[(50.06±27.41) μg ·m^-3]和春季[(47.88±27.41) μg ·m^-3]次之，夏季最低[(45.32±29.65) μg ·m^-3].太原市PM_2.5质量浓度的年均值和季节均值都分别低于京津冀地区的北京^[8]、天津^[8]和石家庄^[8].在采样时间段，太原市PM_2.5日均值超过24 h平均浓度限值(75 μg ·m^-3)的天数占总采样天数的31.54%，秋季和冬季细粒子污染严重，共占超标日的74.29%，而春季和夏季占超标日的25.71%.

太原市大气PM_1.1、PM_2.1和PM₉中总水溶性无机离子质量浓度的平均值分别为(15.39±9.91)、(21.10±15.49)和(36.34±18.51) μg ·m^-3(见表 1).PM_2.1中二次离子(SO₄^2-、NO₃^-和NH₄⁺)质量浓度低于北京^[8]、天津^[8]、石家庄^[8]、保定^[18]和唐山^[19]，高于背景站长白山^[20]和贡嘎山^[21]，说明太原市二次细粒子污染虽然低于京津冀地区，但也明显存在细粒子污染.

表 1 (Table 1)

表 1 太原PM1.1、PM2.1和PM9中水溶性无机离子浓度/μg ·m-3 Table 1 Annual average concentration of water-soluble inorganic ions in PM1.1,PM2.1 and PM9 in Taiyuan/μg ·m-3 项目 SO42- NO3- NH4+ K+ Na+ Cl- Ca2+ Mg2+ F- 总和 PM1.1 7.02±5.29 2.41±2.10 4.05±3.14 0.33±0.20 0.13±0.07 0.77±1.13 0.57±0.62 0.06±0.04 0.06±0.04 15.39±9.91 PM2.1 9.60±8.43 3.41±3.13 5.20±4.66 0.44±0.29 0.20±0.11 0.99±1.36 1.06±0.89 0.11±0.06 0.10±0.07 21.10±15.49 PM9 11.91±10.08 5.29±3.65 5.68±5.46 0.60±0.40 0.40±0.25 1.38±1.56 10.37±7.20 0.41±0.24 0.30±0.18 36.34±18.51

表 1 太原PM1.1、PM2.1和PM9中水溶性无机离子浓度/μg ·m-3 Table 1 Annual average concentration of water-soluble inorganic ions in PM1.1,PM2.1 and PM9 in Taiyuan/μg ·m-3

由图 1可以看出，PM_1.1中，二次离子是主要离子，占总水溶性无机离子质量浓度的87.59%，其中SO₄^2-、NO₃^-和NH₄⁺分别占45.63%、15.66%和26.30%. PM_2.1中水溶性无机离子也是以二次离子为主，占总水溶性无机离子质量浓度的86.30%，其中SO₄^2-、NO₃^-和NH₄⁺分别占45.48%、16.15%和24.67%，与PM_1.1组成非常相似.PM₉中水溶性无机离子的组成与PM_1.1和PM_2.1明显不同.PM₉中二次离子占总水溶性无机离子质量浓度的62.96%，明显低于PM_1.1和PM_2.1，其中SO₄^2-、NO₃^-和NH₄⁺分别占32.78%、14.56%和15.62%，占比均低于PM_1.1和PM_2.1，主要是SO₄^2-和NH₄⁺的占比显著降低，而PM₉中Ca²⁺占总水溶性无机离子质量分数显著升高，达到28.54%.PM_1.1和PM_2.1以SO₄^2-和NH₄⁺为主，而PM₉则以SO₄^2-和Ca²⁺为主要离子.

图 1

Fig. 1

图 1 PM1.1、PM2.1和PM9中水溶性无机离子所占比例 Fig. 1 Percentages of water-soluble inorganic ions in PM1.1,PM2.1 and PM9

与京津冀地区的北京^[8]、天津^[8]、石家庄^[8]、保定^[18]和唐山^[19]相比，太原细粒子中SO₄^2-和NH₄⁺的占比较高，而NO₃^-占比则较低.质量浓度比值[NO₃^-]/[SO₄^2-]指示了大气中移动源与固定源的相对重要性^[22].太原地区细粒子中[NO₃^-]/[SO₄^2-]年均值为0.44，低于北京(1.07)^[8]、天津(0.75)^[8]、石家庄(0.85)^[8]和唐山(1.30)^[19]，表明太原市固定源排放是主要的大气颗粒物来源，这与太原市仍以燃煤为主要能源结构一致.

本研究中将3、4和5月划为春季，6、7和8月划为夏季，9、10和11月划为秋季，12月和次年1、2月划为冬季.

如图 2，PM_1.1、PM_2.1和PM₉中SO₄^2-在夏冬季节高，春秋季节低.SO₂平均浓度在春夏秋冬分别为：41.75、28.41、44.91和125.36 μg ·m^-3(太原市环境保护局http://www. tyshbj.com.cn).冬季由于工业排放加上燃煤取暖，SO₂浓度3倍高于春秋季节.冬季PM_1.1和PM_2.1中硫氧化率(SOR)仅为0.06和0.08，均低于0.10，说明冬季由SO₂向SO₄^2-的二次转化较弱，SO₄^2-受一次源的排放影响较大^[23].夏季SO₂浓度最低，仅为冬季的1/4，但温度高、湿度较大、光照强，PM_1.1和PM_2.1中SOR分别为0.23和0.27，显著高于其它季节，说明大气中SO₂的光化学氧化反应和液相化学过程都明显增强^[24]，所以尽管受到湿清除的影响，在强气粒转化作用下夏季PM_1.1和PM_2.1中SO₄^2-浓度出现高值.PM_1.1、PM_2.1和PM₉中NH₄⁺季节变化与SO₄^2-相似，说明NH₄⁺可能主要与SO₄^2-结合并受相同的季节变化因子控制，如湿清除、扩散条件等.PM_1.1、PM_2.1和PM₉中NO₃^-的季节变化与SO₄^2-和NH₄⁺不同，NO₃^-在冬季浓度最高夏季浓度最低.NO₃^-主要来自燃煤烟气和机动车尾气等排放的NO_x二次转化，冬季扩散条件差、湿清除少，同时低温有利于硝酸向颗粒态分配^[11]，导致PM_1.1、PM_2.1和PM₉中NO₃^-冬季明显高于其它季节.而夏季虽然有利于光化学转化，但也有利于硝酸铵的分解^[25]，夏季硝酸峰值出现在粗粒径段也说明了这一点，加上夏季有很好的湿清除作用，导致各粒径段粒子中NO₃^-浓度偏低.

图 2

Fig. 2

图 2 PM1.1、PM2.1和PM9中水溶性无机离子季节分布 Fig. 2 Seasonal distribution of water-soluble inorganic ions in PM1.1,PM2.1 and PM9

PM_1.1、PM_2.1和PM₉中Cl^-季节变化表现为：冬季>秋季>春季>夏季，且冬季Cl^-浓度约4倍高于其它季节，表明太原冬季的Cl^-与SO₄^2-一样也主要来自燃煤^{[25, 26]}.细颗粒物中K⁺是生物质燃烧源的指示离子^[27]，其季节变化与Cl^-一致，可见冬季太原地区除受燃煤排放外还可能受到生物质燃烧影响.各粒径段粒子中Ca²⁺和Mg²⁺浓度均春季显著高于其它季节，尤其是春季PM₉中Ca²⁺浓度占总水溶性无机离子的52.02%，主要是因为春季风速较大(平均2.65 m ·s^-1)，土壤尘加上道路沙尘和建筑粉尘，以及春季西北气团的长距离沙尘输送所致^[28].

PM_1.1和PM_2.1中总水溶性无机离子季节变化趋势相似，冬季浓度最高，夏季次之，春季和秋季浓度较低.而PM₉中总水溶性无机离子冬季浓度最高，其它季节变化差异不大.PM_1.1、PM_2.1和PM₉中总水溶性无机离子质量浓度均在冬季有最高值，主要是由于冬季工业排放、燃煤取暖加上机动车尾气排放了更多的污染气体，差的气象条件不利于污染物扩散和清除所致.PM_1.1和PM_2.1中总水溶性无机离子夏季浓度高值主要是由于二次离子在温度高、湿度大、强光照条件下更利于气粒转化和吸湿增长.

太原市不同季节大气颗粒物中主要水溶性无机离子的粒径分布特征如图 3所示.其中SO₄^2-和NH₄⁺为细模态离子，细粒径段峰值为0.43~2.1 μm； NO₃^-、K⁺、Na⁺和Cl^-为双模态离子，细粒径段峰值为0.43~2.1 μm，粗粒径段峰值为4.7~5.8 μm； Ca²⁺、Mg²⁺和F^-为粗模态离子，粗粒径段峰值为4.7~5.8 μm.

图 3

Fig. 3

图 3 水溶性无机离子粒径分布的季节变化特征 Fig. 3 Seasonal variation characteristics of mass size distribution of water-soluble inorganic ions

太原大气颗粒物中SO₄^2-和NH₄⁺的粒径分布呈现相似的季节分布特征.春秋季节SO₄^2-和NH₄⁺均在0.43~0.65 μm处出现峰值，而夏季在0.65~1.1μm处出现峰值，太原夏季大气相对湿度较高(65.78%)，气粒转化产生的SO₄^2-和NH₄⁺吸湿增长或者与非降水的云滴、雾滴结合^[29]，是峰值由凝结模态向液滴模态转移的主要原因.在北京^[30]、河北保定^[18]和唐山^[19]的研究中也发现了这种现象.冬季SO₄^2-在1.1~2.1 μm出现峰值，主要是冬季细粒子中SOR值较低，受一次排放的影响较大，而冬季NO₃^-和NH₄⁺均在0.43~2.1 μm出现细粒径段峰值，主要是由于冬季细粒子中NOR较高，二次转化较快，NO₃^-与NH₄⁺结合生成NH₄NO₃存在于细粒子中.春季NO₃^-与NH₄⁺粒径分布特征相似，均在0.43~0.65 μm出现细粒径段峰值.夏秋季节NO₃^-呈双峰分布，细粒径段峰值在0.43~0.65 μm，粗粒径段峰值在4.7~5.8 μm.其中夏季NO₃^-在粗粒径段峰值更显著，这与京津冀地区夏季NO₃^-在细粒径段出现主要峰值的结果不同^{[7, 18, 19]}.夏季细粒子中摩尔比NH₄⁺/SO₄^2-=1.14，细粒子中SO₄^2-浓度较高，NH₄⁺中和SO₄^2-之后，不足以完全中和NO₃^-，大气中NO_x发生均相反应生成的HNO₃与粗模态的Ca²⁺和Mg²⁺反应，导致夏季NO₃^-在粗模态出现明显峰值^[31].

细颗粒物中K⁺是生物质燃烧源的指示离子^[27]，春秋季节K⁺和Cl^-粒径分布基本一致，且显著相关(R²=0.75，P<0.01)，可见春秋季节K⁺和Cl^-来源相同，主要是受收获季节焚烧秸秆和落叶等生物质燃烧源的贡献.冬季Cl^-在0.43~0.65 μm有细粒径段高峰值，而K⁺没有，且相关性不好，推测主要来自燃煤.春季、秋季和冬季Na⁺在4.7~5.8 μm有粗粒径段高峰值； 夏季Na⁺在粗粒径段峰值不明显，在细粒径段峰值与春秋季相同，夏季的湿清除作用是粗粒径段峰值缺失的主要原因.已有研究表明细粒径段Na⁺来自燃煤，而粗粒径段Na⁺来自海盐或矿尘^[11]，而各季节Na⁺和Cl^-相关性较差，所以粗粒径段Na⁺主要来自矿尘.

Ca²⁺和Mg²⁺全年均呈粗粒径段单峰分布，粗粒径段峰值在4.7~5.8 μm，表明Ca²⁺和Mg²⁺来源比较固定主要是自然源，扬尘、土壤尘和建筑粉尘等.

依据PM_2.5质量浓度将采样日分为三类：重污染天(PM_2.5>150 μg ·m^-3)，轻度污染天(75 μg ·m^-3<PM_2.5≤150 μg ·m^-3)和清洁天(PM_2.5≤75 μg ·m^-3).表 2给出了不同粒径段水溶性无机离子在重污染、轻度污染和清洁天的平均质量浓度水平.重污染天PM_1.1中总水溶性无机离子质量浓度为(25.4±14.0) μg ·m^-3，分别为轻度污染天(14.0±8.0) μg ·m^-3和清洁天(10.8±4.1) μg ·m^-3的1.8和2.4倍.重污染天PM_2.1中总水溶性无机离子质量浓度为(38.0±24.8) μg ·m^-3，分别为轻度污染天(18.7±16.0) μg ·m^-3和清洁天(13.7±11.6) μg ·m^-3的2.0和2.8倍.PM₉中总水溶性无机离子质量浓度在重污染天为(55.6±27.5) μg ·m^-3，分别为轻度污染天(35.7±11.9) μg ·m^-3和清洁天(23.7±6.5) μg ·m^-3的1.6和2.3倍.其中各粒径段SO₄^2-、NO₃^-、NH₄⁺和Cl^-质量浓度在重污染天2.74、2.19、4.90和2.87倍高于清洁天，1.95、1.85、3.06和2.06倍高于轻度污染天，而Ca²⁺和Mg²⁺质量浓度在不同污染程度条件下差异不大，结果说明霾污染过程中尤其是重污染天，主要是受SO₄^2-、NO₃^-、NH₄⁺和Cl^-的影响.

表 2 (Table 2)

表 2 重污染、轻度污染和清洁天太原市水溶性无机离子质量浓度 /μg ·m-3 Table 2 Concentrations of water-soluble inorganic ions during heavily polluted days,lightly polluted days and clear days in Taiyuan/μg ·m-3 项目 SO42- NO3- NH4+ K+ Na+ Cl- Ca2+ Mg2+ F- 总和 PM1.1 11.13±7.65 4.60±2.64 6.64±4.07 0.48±0.23 0.20±0.11 1.61±1.75 0.55±0.59 0.06±0.04 0.10±0.05 25.37±13.98 重污染 PM2.1 17.26±14.07 6.88±4.51 9.51±6.90 0.69±0.36 0.31±0.15 2.08±2.04 0.97±0.82 0.13±0.06 0.17±0.07 38.02±24.79 PM9 21.74±17.56 9.35±5.20 10.94±8.65 0.86±0.47 0.60±0.25 2.60±2.25 8.59±4.70 0.46±0.23 0.48±0.18 55.62±27.49 PM1.1 6.66±5.04 1.82±1.57 3.73±2.85 0.30±0.18 0.12±0.06 0.56±0.85 0.65±0.67 0.06±0.04 0.04±0.03 13.95±7.96 轻度污染 PM2.1 8.74±6.57 2.57±2.03 4.66±3.81 0.39±0.22 0.18±0.07 0.70±0.97 1.24±0.97 0.12±0.06 0.07±0.05 18.68±10.21 PM9 10.72±6.98 4.40±2.60 4.96±4.16 0.55±0.33 0.40±0.27 1.09±1.17 12.84±8.66 0.47±0.27 0.24±0.14 35.67±11.90 PM1.1 5.15±2.71 1.69±1.50 2.58±1.10 0.24±0.15 0.11±0.05 0.42±0.39 0.47±0.62 0.05±0.04 0.05±0.03 10.76±4.14 清洁天 PM2.1 6.41±3.77 2.19±1.95 3.00±1.43 0.32±0.21 0.17±0.08 0.55±0.49 0.83±0.86 0.09±0.06 0.09±0.04 13.66±5.60 PM9 7.89±4.01 3.81±1.97 3.20±1.51 0.42±0.30 0.29±0.16 0.83±0.65 6.73±3.45 0.30±0.17 0.24±0.07 23.71±6.48

表 2 重污染、轻度污染和清洁天太原市水溶性无机离子质量浓度 /μg ·m-3 Table 2 Concentrations of water-soluble inorganic ions during heavily polluted days,lightly polluted days and clear days in Taiyuan/μg ·m-3

由于采样期重污染天中一半以上为冬季，所以为了研究不同污染条件下水溶性无机离子的粒径分布，选取冬季典型重污染天(2013年1月21日11:00~2013年1月23日11:00)和冬季清洁天(2013年1月7日11:00~2013年1月9日11:00)为例进行比较.2013年1月21日11:00~2013年1月23日11:00，采样期PM_2.5平均质量浓度值为344.1 μg ·m^-3，平均相对湿度为89.67%，平均温度-4.17℃，平均风速0.93 m ·s^-1.2013年1月7日~2013年1月9日，采样期PM_2.5平均质量浓度值为54.61 μg ·m^-3，平均相对湿度为46.00%，平均温度-4.70℃，平均风速3.07 m ·s^-1.气象条件上，重污染天比清洁天的相对湿度大、风速低.

由图 4可见，重污染天与清洁天二次离子呈现出明显不同的粒径分布特征.在重污染天，二次离子均呈细粒径段单峰分布，细粒径段峰值出现在1.1~2.1 μm，而清洁天二次离子呈现明显的双峰分布，细粒径段峰值在0.43~0.65 μm，粗粒径段峰值在4.7~5.8 μm.重污染天二次离子细粒径段峰值和SOR值显著高于清洁天，且峰值出现由凝结模态向液滴模态转移的现象，可能是由于重污染天相对湿度高，利于二次离子的非均相反应^[32].与二次离子类似，重污染天与清洁天Na⁺也呈现出不同的粒径分布特征.重污染天表现为细粒径段单峰分布，峰值在0.65~1.1 μm，而清洁天呈粗粒径段单峰分布，峰值在4.7~5.8 μm，表明Na⁺的来源不同，重污染天Na⁺主要是来源于燃煤源，清洁天Na⁺主要来源于矿尘的影响.重污染天和清洁天K⁺和Cl^-粒径分布特征相似，其中细粒径段分布特征变化不大，均主要加强于0.65~1.1 μm，Cl^-在0.43~0.65 μm也有加强.与二次粒子不同，在重污染天矿尘离子的粒径分布特征与清洁天表现一致，Ca²⁺、 Mg²⁺和F^-均呈粗粒径段单峰分布，峰值在4.7~5.8 μm.清洁天Ca²⁺和Mg²⁺质量浓度略高于重污染天，可能是由于清洁天风速较大，吹起的扬尘和道路土壤尘等造成的影响.

图 4

Fig. 4

图 4 重污染和清洁天水溶性无机离子粒径分布 Fig. 4 Particle size distribution of water-soluble inorganic ions on heavily polluted day and clear day

为解析太原大气气溶胶中水溶性无机离子的主要来源，利用数据分析软件(SPSS 16.0)的主成分分析方法(PCA)来进行来源分析.结果如表 3所示，PM_1.1中主要受3个因子的影响：因子1的载荷值较大的变量为SO₄^2-和NH₄⁺，方差贡献率高达29.77%，代表了二次源的影响；因子2的方差贡献率为28.61%，其中载荷值较大的变量为Cl^-和F^-，代表了工业排放源的影响； 因子3的方差贡献率为20.58%，其中载荷值较大的变量为Ca²⁺和Mg²⁺，说明因子3受土壤尘和降尘的影响.以上3个因子总的方差贡献率为78.96%，基本解释了PM_1.1中总水溶性无机离子的全部来源.PM_1.1~2.1也主要受3个因子的影响：因子1的载荷值较大的变量为SO₄^2-、NO₃^-、NH₄⁺和K⁺，方差贡献率达39.10%，代表了二次源和生物质燃烧源的影响； 因子2和因子3与PM_1.1的因子2和因子3相同，载荷值较大的变量分别为Cl^-与F^-和Ca²⁺与Mg²⁺，方差贡献率分别为26.23%和20.22%，代表了燃煤、工业排放源和土壤尘或降尘的影响.以上3个因子总的方差贡献率为82.05%，几乎解释了PM_1.1~2.1中总水溶性无机离子的全部来源.PM_2.1~9同样受3个因子的影响：因子1载荷值较大的变量为SO₄^2-、NO₃^-和NH₄⁺，代表了二次源对总水溶性无机离子的贡献，方差贡献率为25.55%； 因子2方差贡献率为24.09%，其中载荷值较大的变量为Na⁺和Cl^-，说明因子2受燃煤和矿尘的影响； 因子3与PM_1.1和PM_1.1~2.1的因子3相同，载荷值较大的变量为Ca²⁺、Mg²⁺，方差贡献率为21.33%，略高于其在PM_1.1和PM_1.1~2.1的贡献率，说明受土壤尘或降尘的影响略高一些.与唐山^[19]相似，太原也受二次源的影响最大，对应的因子1在PM_1.1、PM_1.1~2.1和PM_2.1~9中的方差贡献率均最高.而与保定^[18]和唐山^[19]粗粒子中土壤尘或降尘的方差贡献率明显高于细粒子不同，太原在PM_1.1、PM_1.1~2.1和PM_2.1~9中对应的因子3的方差贡献率差异不大，有待于进一步研究.

表 3 (Table 3)

表 3 主成分分析因子载荷 Table 3 Rotated component matrix for water-soluble inorganic ionic composition in PM1.1,PM1.1-2.1 and PM2.1-9 项目 PM1.1 PM1.1~2.1 PM2.1~9 因子 1 因子 2 因子 3 因子 1 因子 2 因子 3 因子 1 因子 2 因子 3 SO42- 0.92 0.00 -0.24 0.94 0.03 -0.15 0.89 0.31 -0.08 NO3- 0.57 0.60 0.11 0.84 0.32 0.11 0.76 -0.11 0.01 NH4+ 0.91 0.26 -0.14 0.95 0.11 -0.11 0.86 0.19 -0.12 K+ 0.62 0.54 0.11 0.71 0.48 0.14 -0.03 0.46 0.38 Na+ 0.51 0.61 -0.05 0.56 0.65 0.08 -0.02 0.74 0.24 Cl- 0.15 0.90 0.01 0.35 0.86 -0.05 0.16 0.92 -0.04 Ca2+ -0.14 -0.05 0.93 -0.23 -0.02 0.93 -0.15 0.05 0.91 Mg2+ -0.05 -0.02 0.93 0.18 0.20 0.92 0.01 0.14 0.93 F- 0.06 0.82 -0.15 -0.02 0.91 0.18 0.39 0.63 -0.01 方差贡献率/% 29.77 28.61 20.58 39.10 26.23 20.22 25.55 24.09 21.33

表 3 主成分分析因子载荷 Table 3 Rotated component matrix for water-soluble inorganic ionic composition in PM1.1,PM1.1-2.1 and PM2.1-9

综上，太原市水溶性无机离子的可能来源主要受二次源的影响，也有生物质燃烧、工业排放源和土壤尘及降尘的影响.二次源主要来源于化石燃料和机动车尾气排放的SO₂和NO_x的转化，Cl^-和F^-主要来源于燃煤和工业排放源.因此在太原控制燃煤、机动车尾气以及降低工业源排放十分重要.

(1) PM_1.1、PM_2.1和PM₉中水溶性无机离子的组成明显不同，PM_1.1和PM_2.1中以SO₄^2-和NH₄⁺为主，PM₉中以SO₄^2-和Ca²⁺为主.

(2) 水溶性离子季节变化特征明显，PM_1.1和PM_2.1中冬季和夏季SO₄^2-浓度高，春季和秋季浓度低.冬季浓度高主要受燃煤排放的影响，而夏季SO₄^2-则主要来自二次转化.NH₄⁺的季节变化与SO₄^2-相似.受燃煤和生物质燃烧的影响，冬季各粒径段NO₃^-、K⁺和Cl^-浓度最高，夏季最低.Ca²⁺和Mg²⁺受土壤尘和降尘的影响在春季浓度最高.

(3) SO₄^2-和NH₄⁺为细模态粒径分布离子，夏季存在由凝结模态向液滴模态转移的现象.NO₃^-为双模态粒径分布离子，冬季以细模态为主，夏季以粗模态为主.

(4) 重污染天和清洁天粒径分布特征明显不同.重污染天，二次离子均呈细粒径段单峰分布； 清洁天呈现明显的双峰分布，峰值在0.43~0.65 μm和4.7~5.8 μm.Na⁺在重污染天表现为细粒径段单峰分布，峰值在0.65~1.1 μm，清洁天呈粗粒径段单峰分布，峰值在4.7~5.8 μm.一次粒子Ca²⁺，Mg²⁺和F^-的粒径分布特征在重污染天和清洁天相似，均呈粗粒径段单峰分布.

(5) 水溶性无机离子的来源主要为二次源、燃煤、工业源、生物质燃烧和土壤尘或降尘.