2017—2022年春節(jié)期間西寧市細(xì)顆粒物(PM2.5)中水溶性離子污染特征研究*

胡曉峰 尹永正 修光利 宋維君 巢世軍

(1.青海大學(xué)化工學(xué)院,青海 西寧 810016;2.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,國家環(huán)境保護(hù)化工過程環(huán)境風(fēng)險評價與控制重點(diǎn)實驗室,上海 200237;3.青海省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院,青海 西寧 810007)

眾所周知,大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)是我國環(huán)境保護(hù)部門重點(diǎn)關(guān)注的污染物之一,會嚴(yán)重影響大氣環(huán)境質(zhì)量、能見度和地球輻射等[1-3]。研究顯示PM2.5可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人類健康影響,導(dǎo)致心血管和呼吸系統(tǒng)疾病[4-5]。隨著工業(yè)和城市化的發(fā)展,人為源對大氣氣溶膠負(fù)荷的貢獻(xiàn)顯著增加,尤其是在我國京津冀等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),PM2.5的影響尤為突出[6]。PM2.5包含大量的無機(jī)物以及有機(jī)物,水溶性離子是重要的無機(jī)物組成部分。水溶性離子來源于自然和人為源排放,例如海洋、沙塵暴、建筑、道路揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒、交通及工業(yè)排放等,通過水溶性離子可以識別PM2.5的來源,因此近年來大氣PM2.5中水溶性離子的污染特征得到了廣泛研究[7]。水溶性離子作為PM2.5的重要成分,會增加PM2.5對人類健康的潛在影響,造成陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)破壞[8]。因此,通過監(jiān)測PM2.5中的水溶性離子,了解它們的化學(xué)特性、來源以及形成機(jī)理,對大氣環(huán)境研究具有積極意義。

青藏高原被稱為地球“第三極”,高原環(huán)境對全球的氣候環(huán)境產(chǎn)生影響[15]。西寧市位于青藏高原東北部,為青海省省會,人口超過200萬,是青藏高原上最大的城市。近年來隨著經(jīng)濟(jì)的增長以及人口的增加,大氣環(huán)境質(zhì)量并不理想[16]。而隨著人口的增加以及東部污染轉(zhuǎn)移等因素的影響,西寧市大氣環(huán)境保護(hù)壓力較大。我國很多城市進(jìn)行了PM2.5水溶性離子的污染特征研究,但大部分研究集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)[17-19],西部地區(qū)的西安市[20]、蘭州市[21]、成都市[22]也都進(jìn)行了相關(guān)的研究工作,而關(guān)于西寧市的研究鮮見,針對西寧市煙花爆竹燃放對水溶性離子影響的研究目前未見報道,西寧市2019年實施了煙花爆竹燃放管理條例,實施效果如何也有待于分析,在西寧市開展此類研究工作具有積極意義。本研究對2017—2022年春節(jié)期間西寧市大氣PM2.5中水溶性離子進(jìn)行分析,并通過歷年春節(jié)期間的數(shù)據(jù)對比,探討西寧市2019年開始實施的煙花爆竹燃放管理以及疫情防控措施等對西寧市PM2.5產(chǎn)生的影響。

1 材料與方法

1.1 PM2.5采樣

于2017—2022年春節(jié)期間在西寧市市區(qū)進(jìn)行觀測實驗,采樣點(diǎn)布設(shè)在西寧市第一人民醫(yī)院住院部樓頂。采樣點(diǎn)位于西寧市城區(qū)中心區(qū)域毗鄰互助巷、西大街,為商業(yè)及居民混合區(qū)。采樣點(diǎn)周圍5 km內(nèi)無大型工業(yè)污染源,是較為典型的市區(qū)大氣觀測站點(diǎn),采樣點(diǎn)位布置見本課題組以前的研究[23]。利用中流量顆粒物采樣器采集PM2.5樣品,采樣濾膜為石英濾膜(Whatman,90 mm),采樣器流量為100 L/min。采樣在每年除夕前一天開始至元宵節(jié)后一天結(jié)束,每個春節(jié)期間共采集18個PM2.5樣品,共采集樣品108個。

1.2 水溶性離子分析

取二分之一稱量好的濾膜剪碎放入錐形瓶,加入20 mL超純水(電阻>18.2 MΩ) ,超聲振蕩30 min(控制槽水溫度在25 ℃),搖床振蕩30 min(控制溫度在(18±2) ℃,轉(zhuǎn)速在(180±20) r/min),然后超聲振蕩30 min,保證水溶性離子充分溶解。經(jīng)0.45 μm針孔過濾器過濾,將過濾液裝入進(jìn)樣瓶后密封冷藏待測。

1.3 質(zhì)量保障

采樣器使用前,進(jìn)行流量校準(zhǔn),實驗準(zhǔn)備兩臺采樣器,一用一備,確保正常采樣。濾膜使用前需要經(jīng)過馬弗爐焙燒,1.5 h升溫至600 ℃后焙燒4.5 h以去除有機(jī)物,冷卻后將濾膜置于恒溫恒濕箱中(溫度(20±1) ℃,相對濕度30%±5%)平衡24 h;采樣濾膜每采樣24 h后更換一次,更換后的濾膜放置于冰箱冷凍保存。濾膜在分析測試前放置于恒溫恒濕箱(溫度(20±1)℃,相對濕度30%±5% )平衡24 h后,再用精度為1 μg的精密分析天平(METTLER TOLEDO Switzerland)進(jìn)行稱量,每張濾膜稱量3次,3次稱量的誤差應(yīng)小于0.02 mg。利用離子色譜儀測定水溶性離子時,開機(jī)及每次更換淋洗液均需做標(biāo)準(zhǔn)曲線,每個濃度梯度測定3次,取平均值。每完成10個樣品,隨機(jī)抽取任意1個樣品進(jìn)行復(fù)檢,重復(fù)性相對偏差均低于5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5分布特征比較

2017—2022年西寧市春節(jié)期間PM2.5的日平均質(zhì)量濃度分別為(95.4±88.5)、(58.9±15.5)、(50.8±12.5)、(44.8±9.6)、(44.0±18.7)、(43.9±18.3) μg/m3,與西寧市國控點(diǎn)在線監(jiān)測PM2.5濃度對比,二者相關(guān)性較好(R2分別為0.98、0.96、0.97、0.98、0.98、0.97),說明采樣過程具有較高的可信度。圖1為2017—2022年春節(jié)期間PM2.5濃度,西寧市春節(jié)期間PM2.5濃度總體呈逐漸下降趨勢。2017年春節(jié)期間PM2.5的日均濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級標(biāo)準(zhǔn)(日均值75 μg/m3),西寧市春節(jié)期間大氣環(huán)境已經(jīng)受到了PM2.5的嚴(yán)重影響,2018—2022年春節(jié)期間超過GB 3095—2012中一級標(biāo)準(zhǔn)(日均值35 μg/m3)。春節(jié)期間西寧市PM2.5日平均濃度低于成都市[24]、天津市[25]等城市。春節(jié)期間PM2.5濃度在除夕和元宵節(jié)出現(xiàn)了兩個波峰,明顯高于春節(jié)的其他時間段,說明煙花爆竹的燃放對PM2.5濃度有明顯的提升作用。2017年除夕前后出現(xiàn)了一次復(fù)合污染過程,強(qiáng)沙塵暴與春節(jié)煙花爆竹燃放污染疊加,加之大氣靜穩(wěn),不利于污染物擴(kuò)散,導(dǎo)致PM2.5濃度大大增加,污染時間持續(xù)較長[26]。2018年春節(jié)未出現(xiàn)2017年春節(jié)期間的強(qiáng)沙塵暴,但煙花爆竹燃放量沒有減少,PM2.5濃度在除夕及元宵節(jié)依舊非常高,但平均濃度較2017年顯著下降。2019年西寧市實施煙花爆竹燃放管理措施,將西寧市主城區(qū)部分地區(qū)設(shè)置為禁放區(qū)域,煙花爆竹燃放量減少,PM2.5濃度隨之下降,但在除夕和元宵節(jié)還是有兩個波峰出現(xiàn),可能與西寧市煙花爆竹燃放管理政策有關(guān),西寧市劃定了主城區(qū)部分地區(qū)為禁放區(qū),但其他區(qū)域可以燃放,不是全面禁放,雖然采樣點(diǎn)在禁放區(qū),由于大氣的傳輸作用,出現(xiàn)了PM2.5濃度在除夕和元宵節(jié)明顯上升的狀況。2020年西寧市繼續(xù)實施煙花爆竹燃放管理,疊加疫情的管控措施,西寧市春節(jié)期間PM2.5平均濃度較2019年下降。2021年、2022年春節(jié)西寧市繼續(xù)實施煙花爆竹燃放管理,PM2.5濃度較2017年與2018年有大幅度下降,但與2020年相比下降較小,2021年和2022年春節(jié)期間都發(fā)生了幾次浮塵天氣導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降至輕微污染天氣,導(dǎo)致PM2.5濃度下降較少。

圖1 2017—2022年西寧市春節(jié)期間PM2.5質(zhì)量濃度Fig.1 Concentration of PM2.5 during the Spring Festival in Xining City in 2017-2022

西寧市春節(jié)期間的污染特點(diǎn)為除夕和元宵節(jié)出現(xiàn)兩個明顯的波峰,尤其是除夕,PM2.5濃度快速上升,明顯高于其他時段,與煙花爆竹的燃放顯著相關(guān)。與長春[27]、重慶[28]、南昌[29]等城市的研究一致。其他時段如初一、初五兩個時間段,由于傳統(tǒng)習(xí)慣,人們也會燃放煙花爆竹,PM2.5濃度也有所上升?？諝赓|(zhì)量指數(shù)(AQI)分析見圖2(數(shù)據(jù)源:https://sthjt.qinghai.gov.cn/),2017年西寧市春節(jié)期間空氣質(zhì)量最差,AQI為輕度污染及以上級別的污染天氣占了22.2%,主要是受沙塵天氣影響。2018年西寧市AQI出現(xiàn)了3次輕度污染,其余為良。2019年春節(jié)期間西寧市AQI都為良,主要是受浮塵影響。2020年西寧市春節(jié)期間空氣質(zhì)量較好,雖然2020年春節(jié)初期由于氣象條件變差等因素西寧市遭遇了輕度污染天氣,但從1月26日青海省因疫情實施了重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級響應(yīng),對交通等實施嚴(yán)格的管控措施,AQI持續(xù)降低,在西寧市污染較重的春節(jié)期間出現(xiàn)了3次AQI為優(yōu)的天氣。2021年AQI為優(yōu)的天數(shù)占采樣天數(shù)接近一半,主要與良好的天氣條件有關(guān),雖然發(fā)生幾次浮塵天氣,但擴(kuò)散較快,沒有形成持續(xù)污染狀態(tài)。2022年AQI為優(yōu)的天數(shù)只有4 d,其余為良和輕度污染,與2021年春節(jié)相比,2022年春節(jié)西寧市天氣狀況有所變差,出現(xiàn)陣性浮塵天氣,導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。西寧市春節(jié)期間對AQI影響最大的是沙塵,除夕和元宵節(jié)兩天影響較大的是煙花爆竹燃放。

2017—2022年西寧市春節(jié)期間PM2.5與溫度(Pearson系數(shù):-0.497～-0.359)、風(fēng)速(Pearson系數(shù):-0.536～-0.297)呈負(fù)相關(guān)性(置信度為0.01)。2019—2022年春節(jié)期間西寧市未發(fā)生嚴(yán)重沙塵天氣,總體表現(xiàn)為天氣晴好,微風(fēng),有利于污染物的擴(kuò)散。

2.2 水溶性離子的污染分布特征

圖3 2017—2022年采樣期間WSIIs平均值對比Fig.3 Comparison of average WSIIs during the sampling period in 2017-2022

圖4 2017—2022年除夕PM2.5中水溶性離子對比Fig.4 Comparison of water-soluble ions in PM2.5 on Chinese New Year’s Eve in 2017-2022

2.3 水溶性離子陰陽離子平衡

顆粒物中陰陽離子是否能達(dá)到平衡,通常用陰離子當(dāng)量和陽離子當(dāng)量的比值(AE/CE)來衡量陰陽離子的平衡性[32]。如果AE/CE在1附近,說明陰陽離子達(dá)到平衡狀態(tài);AE/CE大于1,說明PM2.5呈酸性,比值越大則酸性越強(qiáng);AE/CE小于1,說明PM2.5呈堿性,比值越小則堿性越強(qiáng)。

2.4 水溶性離子的二次轉(zhuǎn)化

2.5 水溶性離子相關(guān)性分析

2.6 主成分分析

表1 春節(jié)期間西寧市PM2.5中水溶性離子主成分分析結(jié)果Table 1 The principal component analysis of water-soluble ions in PM2.5 during the Spring Festival of Xining City

3 結(jié) 論

(1) 煙花爆竹的燃放對PM2.5濃度及水溶性離子有明顯的提升作用,春節(jié)期間PM2.5濃度及水溶性離子在除夕和元宵節(jié)出現(xiàn)了兩個峰值。2019年西寧市實施煙花爆竹燃放管理措施后,PM2.5濃度及其中水溶性離子在除夕和元宵節(jié)兩個峰值明顯下降,說明禁止燃放煙花爆竹的管理措施有利于PM2.5的控制。

(3) 主成分分析顯示西寧市春節(jié)期間PM2.5的主要源為二次轉(zhuǎn)化、工業(yè)排放、沙塵及燃燒源,PM2.5的污染控制應(yīng)重點(diǎn)從這幾個方面源進(jìn)行管控。