云南省芒市春季PM2.5水溶性離子特征及來源分析

趙麗多， 任麗紅， 李軍， 黃順祥， 李剛， 張佳浩， 張凱

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國環(huán)境科學(xué)研究院2.南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院3.中國科學(xué)院大氣物理研究所4.陸軍防化學(xué)院核生化應(yīng)急技術(shù)支持中心

由于受經(jīng)濟(jì)和能源結(jié)構(gòu)、地形狀況、氣象條件等影響，不同的區(qū)域及城市大氣PM2.5水溶性離子的化學(xué)特征存在顯著差異。在我國的北方城市，由于冬季采暖導(dǎo)致污染物排放量較大，且冬季大氣擴(kuò)散條件較差，使空氣污染情況加重，此外，還導(dǎo)致PM2.5中Cl-富集[18-19]。然而，受海鹽影響較大的沿海地區(qū)PM2.5中的Na+、Cl-等離子濃度明顯高于內(nèi)陸地區(qū)[20]。國內(nèi)近年來針對(duì)PM2.5化學(xué)特征及來源分析的研究較多，但這些研究主要集中在京津冀[21-23]、東部沿海[24-25]和珠三角[26-27]等重污染天氣高發(fā)區(qū)，而針對(duì)西南地區(qū)的研究相對(duì)較少[28]。

芒市位于西南邊陲云南省西部，緊靠緬甸，屬于高原山地城市，具有夏長冬短、干濕分明、紫外線強(qiáng)、雨量充沛、冬季多霧等特點(diǎn)。芒市城區(qū)為一盆壩，以低山山地為主，不利于污染物的擴(kuò)散，春季常年出現(xiàn)逆溫和大霧天氣。近年來隨著城市化進(jìn)程的加速，芒市的機(jī)動(dòng)車保有量不斷增加(截至2018年民用車輛保有量為66.30萬輛，比2017年增加了7.1%)[29]，污染物排放不斷增加。由于受地形和靜風(fēng)氣候的影響，導(dǎo)致污染物在芒市城區(qū)上空集聚，大氣污染程度加重。同時(shí)由于芒市地處西南邊境地區(qū)，也可能受境外排放污染物的影響，從而導(dǎo)致芒市的大氣顆粒物污染特征可能會(huì)有別于其他城市。筆者在芒市污染較重的春季開展PM2.5濾膜樣品的采集與分析，研究其水溶性離子的化學(xué)組成特征，并利用主成分分析法推測(cè)其來源，以期豐富我國西南地區(qū)PM2.5污染特征的研究結(jié)果，為芒市空氣污染控制對(duì)策的制定提供參考及數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)

綜合考慮城市功能區(qū)的劃分及人口密度情況，優(yōu)先在國控點(diǎn)附近布設(shè)采樣點(diǎn)，本研究采樣點(diǎn)設(shè)在芒市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局(A點(diǎn))、德宏州生態(tài)環(huán)境局芒市分局(B點(diǎn))和芒市畜牧獸醫(yī)局(C點(diǎn))。采樣點(diǎn)周圍無高大建筑物和污染源。采樣時(shí)間為2019年3月11日—4月1日，采樣周期為23 h(10:00—翌日09:00)。采用武漢天虹生產(chǎn)的TH-16A型智能采樣儀(流量為16.6 L/min)進(jìn)行采樣，濾膜采用石英濾膜(Pall公司)。SO2和NOx濃度來自采樣點(diǎn)周邊國控點(diǎn)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為1 h。

1.2 分析方法

1.3 質(zhì)量控制

采樣前將石英濾膜放在500 ℃的馬弗爐中烘烤4 h，除去采樣濾膜中吸附或者殘留的有機(jī)物。采樣前后在恒溫〔(20±5)℃〕、恒濕(50%±5%)條件下平衡48 h。在不開機(jī)的情況下分別收集3個(gè)采樣點(diǎn)的空白濾膜樣品作為空白對(duì)照。將濾膜在恒溫、恒濕的天平室里進(jìn)行稱重(精確到0.1 mg，濾膜質(zhì)量差小于0.5 mg)。對(duì)水溶性離子進(jìn)行空白校正，扣除采樣及試驗(yàn)誤差。制作標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)量，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)保證各種離子的峰面積與濃度之間的相關(guān)系數(shù)在0.999以上，滿足標(biāo)準(zhǔn)曲線要求后再進(jìn)行樣品測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5濃度變化特征

芒市3個(gè)采樣點(diǎn)PM2.5濃度逐日變化如圖1所示。由圖1可見，芒市PM2.5濃度相對(duì)較低，A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)平均值分別為53.3、54.3和53.5 μg/m3，3個(gè)采樣點(diǎn)PM2.5濃度差異較小;最小值分別為26.0、26.5和25.5 μg/m3，均出現(xiàn)在3月19日；最大值分別為77.9、79.7和84.1 μg/m3，均出現(xiàn)在3月31日。這可能與當(dāng)日的氣象條件有關(guān)。采樣期間，3個(gè)采樣點(diǎn)PM2.5濃度日均值大部分小于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[30]二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(75 μg/m3)。芒市PM2.5濃度低于北京市(86.1 μg/m3)[31-32]、昆明市(106 μg/m3)[28]、成都市(67.5 μg/m3)[33]，高于南京市(52.6 μg/m3)[34]，表明芒市PM2.5的污染相對(duì)較輕。

圖1 采樣期間芒市PM2.5濃度變化Fig.1 Temporal variation of PM2.5 concentrations in Mang City during the sampling period

2.2 水溶性離子的化學(xué)特征分析

表1 芒市春季PM2.5水溶性離子濃度與國內(nèi)其他城市的對(duì)比Table 1 Comparison of water-soluble ions concentrations of PM2.5 between Mang City and several other cities μg/m3

2.3 二次氣溶膠及其前體物的轉(zhuǎn)化

(1)

(2)

表2 芒市春季NOR、SOR與其他城市的對(duì)比Table 2 Comparison of NOR and SOR between Mang City and other cities in spring

2.4 水溶性離子的相關(guān)性分析

表3 PM2.5水溶性離子相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 PM2.5 water-soluble ions correlation coefficient matrix

(3)

(4)

圖濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis between calculated values and measured values

2.5 陰陽離子平衡及酸堿度

(5)

如圖3所示，A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的AE/CE分別為0.81、0.84和0.82,均小于1，說明芒市春季大氣顆粒物呈現(xiàn)弱堿性，大氣顆粒物中的陽離子不能完全被陰離子中和，也可能是因?yàn)椴糠株庪x子(如碳酸根、碳酸氫根和小分子有機(jī)酸等)未檢出。芒市的PM2.5呈堿性，可能是由于采樣期間正值春耕，受土壤揚(yáng)塵的影響，致使顆粒物呈堿性。

圖3 芒市PM2.5陰陽離子的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between cations and anions of PM2.5 in Mang City

2.6 主成分分析

表4 芒市PM2.5水溶性離子的主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 4 Rotated component matrix of major components about water-soluble ions of PM2.5 in Mang City

3 結(jié)論

(1) 觀測(cè)期間芒市春季PM2.5濃度為25.5～84.1 μg/m3，大部分小于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

(5) 主成分分析結(jié)果表明，芒市春季PM2.5水溶性離子的主要來源是揚(yáng)塵源、生物質(zhì)燃燒源、二次無機(jī)氣溶膠。