福州市大氣PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子污染特征研究

陳小霞 楊 芳 盧登峰 金致凡

(福建省福州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，福建 福州 350011)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子組成與污染特征的研究既有針對(duì)北京、上海、天津、廣州、西安、杭州、廈門、泉州等單個(gè)城市，也有針對(duì)京津冀地區(qū)[3]和海峽西岸城市群[4]等多區(qū)域。但對(duì)福州市PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子組分特征的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。本文以福州市大氣PM2.5為研究對(duì)象，分別在春、夏、秋、冬四季代表月份對(duì)8個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行同步采樣，研究其水溶性無(wú)機(jī)離子組成特征與時(shí)空變化規(guī)律，以期為福州市大氣細(xì)顆粒物來(lái)源解析和大氣污染控制策略制訂提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在福州市區(qū)及周邊縣城共設(shè)置8個(gè)點(diǎn)位，分別為市站、羅源、閩清、長(zhǎng)樂(lè)、福清、鼓山、快安和師大。其中鼓山點(diǎn)位為對(duì)照點(diǎn)，海拔高，植被豐富。本研究于2015年3月至2016年1月分春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)采樣，每個(gè)季度選一個(gè)月連續(xù)采樣，共采集812個(gè)有效PM2.5樣品。使用美國(guó)熱電2300四通道采樣儀器采集顆粒物樣品，設(shè)置流量16.7L/min，每天采集23h。采樣前，石英濾膜在500℃下烘4h，消除濾膜上可能的有機(jī)物。濾膜在采樣前后均恒溫恒濕24h，再進(jìn)行稱重。采集的顆粒物樣品置于-20℃冰柜中保存，待檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)時(shí)剪取1/2濾膜進(jìn)行陰陽(yáng)離子的測(cè)試。

1.2 分析方法

1.3 質(zhì)量保證/質(zhì)量控制

采樣過(guò)程中，每個(gè)點(diǎn)位每批樣品采集2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)空白。實(shí)驗(yàn)時(shí)保證標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999以上。樣品、實(shí)驗(yàn)室空白、現(xiàn)場(chǎng)空白同時(shí)測(cè)定。分析結(jié)果扣除空白。樣品測(cè)定過(guò)程中，每20個(gè)樣品間加入1個(gè)質(zhì)控樣進(jìn)行測(cè)定，以檢測(cè)儀器的穩(wěn)定性。樣品中各組分的加標(biāo)回收率保證在80%～120%。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5的質(zhì)量濃度

采樣期間，福州市8個(gè)點(diǎn)位PM2.5的日平均濃度為35.1μg/m3，市站、羅源、閩清、長(zhǎng)樂(lè)、福清、鼓山、快安、師大8個(gè)點(diǎn)位日均PM2.5濃度分別為：39.1μg/m3、35.0μg/m3、41.7μg/m3、30.5μg/m3、32.2μg/m3、27.0μg/m3、38.7μg/m3、36.9μg/m3。對(duì)照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)PM2.524小時(shí)平均濃度限值(二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為75μg/m3，一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為35μg/m3)，羅源、長(zhǎng)樂(lè)、福清和鼓山的PM2.5濃度小于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，市站、閩清、快安和師大的PM2.5濃度小于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，福州的空氣質(zhì)量處于優(yōu)良狀態(tài)。2015年福州市各季節(jié)PM2.5的質(zhì)量濃度見圖1。

福州市整個(gè)區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為春、冬季節(jié)高，夏、秋季節(jié)低的特點(diǎn)。這主要與不同季節(jié)的氣象差異帶來(lái)污染擴(kuò)散能力的不同有關(guān)，還可能與福州市地處沿海地區(qū)，夏、秋季節(jié)常有臺(tái)風(fēng)登陸，有利于污染物擴(kuò)散有關(guān)。同時(shí)，福州市大氣PM2.5濃度的空間分布既呈現(xiàn)區(qū)域性特征，又存在局部性差異。鼓山點(diǎn)位作為對(duì)照點(diǎn)，遠(yuǎn)離市區(qū)、植被豐富，受人類活動(dòng)的污染和干擾小，全年P(guān)M2.5的濃度值最低。羅源、長(zhǎng)樂(lè)、福清位于沿?？h城，擴(kuò)散條件較好，PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)較低。市站點(diǎn)位位于市區(qū)，閩清點(diǎn)位位于內(nèi)陸河谷盆地，擴(kuò)散條件略差，PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)較高。

圖1 福州2015年各季節(jié)PM2.5的質(zhì)量濃度

2.2 水溶性無(wú)機(jī)離子的質(zhì)量濃度

2.3 水溶性無(wú)機(jī)離子的季節(jié)變化

表1 福州PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子濃度 單位：μg/m3

圖2 福州PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子的季節(jié)變化特征

2.4 水溶性無(wú)機(jī)離子的空間分布

圖3 福州PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子的空間分布

2.5 水溶性無(wú)機(jī)離子的離子平衡

對(duì)福州市各點(diǎn)位各季節(jié)PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，參考文獻(xiàn)[5]給出了陰陽(yáng)離子平衡的計(jì)算公式(1)和(2)：

(1)

(2)

圖4 不同季節(jié)PM2.5離子平衡關(guān)系

2.6 水溶性無(wú)機(jī)離子來(lái)源與相關(guān)性分析

(3)

(4)

表2 水溶性無(wú)機(jī)離子間相關(guān)系數(shù)矩陣

注：*表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖5 兩種方法實(shí)測(cè)濃度與計(jì)算所得濃度的對(duì)比

2.7 水溶性無(wú)機(jī)離子的污染特征

表3 福州市各點(diǎn)位PM2.5中比值

2.7.2 非海鹽離子的貢獻(xiàn)

PM2.5水溶性無(wú)機(jī)離子中海鹽離子之外的成份一般認(rèn)為是人為源貢獻(xiàn)的。福州為沿海城市，為考察海鹽離子對(duì)福州8個(gè)點(diǎn)位全年P(guān)M2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子的貢獻(xiàn)，依據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)海鹽離子的化學(xué)組成與海水的相同，大氣PM2.5樣品中的水溶性Na離子完全來(lái)源于海鹽。各點(diǎn)位PM2.5中非海鹽貢獻(xiàn)的和Ca濃度的計(jì)算公式為：

(5)

nss-Ca=[Ca]-0.00373[Na]

(6)

nss-K=[K]-0.0355[Na]

(7)

表4 福州各點(diǎn)位全年P(guān)M2.5中非海鹽離子的濃度

3 結(jié)論

福州市8個(gè)點(diǎn)位PM2.5的日平均濃度為35.1μg/m3。整個(gè)區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為春、冬季高，夏、秋季低的特點(diǎn)。