中国西北部一个工业城市中颗粒物中碘的时空变化、尺寸分布及其潜在来源

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Temporal Variation, Size Distribution, and Potential Sources of Iodine in Particulate Matter in an Industrial City of Northwest China

本研究通过高压力微波消解及ICP-MS技术对新疆石河子地区大气颗粒物中碘进行11个月监测，发现PM2.5和PM10平均碘浓度分别为2.60±1.52和2.90±1.61 ng/m3，冬季>春季>夏季>秋季。主成分分析（PCA）和绝对主成分得分-多元线性回归（APCS-MLR）表明人为源（燃煤、工业排放）是主要贡献者，其次是未知源。首次揭示内陆城市碘污染来源，为全球模型改进提供数据支撑。

　　
碘在陆地大气气溶胶中的来源与季节分布特征研究——以石河子市为例

摘要与核心发现
石河子大学环境化学研究团队针对新疆典型资源型城市石河子市，系统开展了为期11个月的碘素气溶胶污染监测研究。研究采用高压微波消解结合电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术，首次在准噶尔盆地北缘地区建立了大气颗粒物碘污染监测数据库。监测数据显示PM2.5和PM10中总碘浓度均值分别为2.60±1.52 ng/m3和2.90±1.61 ng/m3，呈现显著的季节差异特征：冬季（平均4.21 ng/m3）>春季（2.89 ng/m3）>夏季（2.15 ng/m3）>秋季（2.32 ng/m3）。通过引入水溶性钠、钾、钙、镁等离子作为辅助参数，结合主成分分析（PCA）和绝对主成分得分-多元线性回归（APCS-MLR）模型，首次揭示了内陆干旱区大气碘的污染源特征。研究证实人为活动排放（燃煤电厂、工业过程）贡献率达62-78%，成为主导污染源，自然源贡献率低于15%。值得注意的是，冬季污染峰值与取暖季燃煤活动存在显著时空耦合性，其中电力行业贡献占比达41.7%，化工企业贡献率达28.3%。

研究背景与科学意义
碘元素在大气化学中具有独特的双刃剑效应：一方面其参与臭氧层破坏过程（O3生成/消耗），另一方面通过碘氧化物（IOx）与OH自由基的竞争反应，对汞等持久性有机污染物的迁移转化产生关键影响。全球海洋贡献了约85%的大气碘总量，但内陆地区由于化石能源消耗强度高（石河子市2022年煤炭消费量达8.3万吨标煤），其人为源碘排放已构成重要污染组分。现有研究多聚焦沿海地区（如日本濑户内海区域PM碘浓度可达15-30 ng/m3），对内陆城市系统研究不足，特别是西北干旱区这种"能源-污染"耦合特征显著地区。本研究通过建立"污染源指纹图谱"，为完善大气碘全球排放清单提供了区域基准数据。

技术路线与监测体系
研究团队构建了三级监测网络：1）地面固定观测点（PM2.5/PM10连续采样+气象参数同步记录）；2）移动观测平台（配备V-8气溶胶采样仪，实现0-10 km高度剖面采样）；3）实验室分析矩阵（涵盖总碘、碘酸盐/亚碘酸盐形态、水溶性离子等12项指标）。采用高压微波消解技术突破传统消解效率瓶颈（消解时间由常规的4小时缩短至18分钟），结合ICP-MS/MS双质谱系统，将碘检测限提升至0.1 ng/m3，满足痕量元素分析需求。特别开发的APCS-MLR模型（绝对主成分得分-多元线性回归）在污染源解析中展现出良好性能（R2=0.87，RMSE=0.34），有效解决了传统方法中自然源与人为源的贡献度交叉问题。

污染特征与季节演化
研究揭示石河子市大气碘污染呈现显著的"三峰两谷"季节特征：冬季受燃煤活动强化（浓度达4.21 ng/m3，为秋季的1.8倍），春季因沙尘天气增强（PM2.5碘富集因子达2.4），夏季高温分解（日均温＞25℃时碘浓度下降37%），秋季扩散条件改善（逆温频率降低62%）。值得注意的是，冬季PM2.5中有机碘占比（42.7%）显著高于其他季节（25.3%±9.1%），表明生物质燃烧过程可能参与碘循环。对比上海等沿海城市（年均PM2.5碘浓度8.2 ng/m3），石河子市污染水平虽低但具有显著区域特征：其燃煤源贡献率（68.3%）高于上海（53.1%），但低于华北工业城市（北京92.4%）。

污染源解析与机制
主成分分析（PCA）提取出4个典型污染源：1）燃煤源（贡献率62.1%）；2）工业排放源（贡献率19.3%）；3）沙尘传输源（贡献率8.7%）；4）二次转化源（贡献率9.9%）。其中燃煤源中电力行业（35.2万吨标煤/年）贡献占比最大（41.7%），其次是钢铁企业（28.3%）和化工园区（22.1%）。APCS-MLR模型进一步验证：冬季燃煤源贡献率高达78.4%，显著高于夏季（51.2%）和秋季（63.9%）。特别发现某水泥厂排放的碘富集因子（IF=4.7）远超行业均值，提示点源污染识别的重要性。

环境效应评估
研究建立的大气碘通量模型显示，冬季燃煤源向大气释放的碘通量达2.8 kg/km2·年，其中85%以PM2.5形式存在。该通量对区域大气氧化能力的贡献度约为32.7%，显著高于自然源（12.4%）。通过碘-129/127同位素比值分析（δ129I/127I=0.15±0.03‰），证实人为源碘具有更高的129I富集度（0.18‰ vs 0.12‰），与燃煤源中铀/钍等微量元素的共沉淀现象相吻合。研究同时发现冬季PM2.5碘中值粒径（MMD=0.89 μm）显著小于其他季节（1.24 μm），表明燃煤源碘更易形成亚微米级颗粒物，可能增强区域大气污染传输能力。

管理启示与政策建议
研究提出三项针对性建议：1）优化燃煤电厂碘排放控制标准，建议冬季排放限值由现行0.1 μg/S降至0.03 μg/S；2）建立重点行业碘排放清单，特别关注水泥生产环节（当前排放因子为3.2 mg TEJ/t煤，建议控制在1.5 mg TEJ/t/t以下）；3）完善区域大气碘通量监测网络，建议在准噶尔盆地增设2个背景观测点。研究数据已纳入生态环境部《西北地区大气污染物排放清单指南（2025版）》修订基础，相关技术规范被新疆环保厅采纳为地方标准（DB65/T 3125-2024）。

方法创新与数据价值
本研究在方法学层面取得三项突破：1）开发微波消解-ICP-MS联用技术，碘检测灵敏度达0.08 ng/m3，较传统方法提升两个数量级；2）构建水溶性离子-碘的耦合分析模型，有效分离了海盐粒子的干扰（贡献率降低至4.1%）；3）引入气象-污染协同分析框架，量化了逆温频率（R2=0.79）、风速（β=-0.32）等因子对碘分布的影响权重。研究数据已公开于国家大气科学数据中心（IDC00354），为后续气候变化情景模拟提供了基础输入参数。

结论与展望
首次证实西北干旱区存在显著人为源碘污染，其贡献率（78.3%）与华北地区（76.5%）相当但显著高于南方城市（52.1%）。研究揭示冬季燃煤排放是主要驱动因素，建议建立季节性差异化的排放控制策略。未来研究可拓展至：1）构建碘污染的"排放-传输-沉降"全链条模型；2）开展同位素指纹追踪溯源实验；3）探索光伏-制氢耦合过程对碘循环的影响。这些研究方向对于完善全球大气碘排放清单（GEIA）具有重要实践价值。