廈門(mén)市大氣PM2.5中水溶性離子污染特征及來(lái)源解析

張棕巍,胡恭任,于瑞蓮,胡起超,劉賢榮

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廈門(mén)市大氣PM2.5中水溶性離子污染特征及來(lái)源解析

張棕巍,胡恭任,于瑞蓮*,胡起超,劉賢榮

(華僑大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,福建 廈門(mén) 361021)

為探討廈門(mén)市大氣PM2.5水溶性離子污染特征及來(lái)源,于2014年8月和12月同步采集了城區(qū)和郊區(qū)的PM2.5樣品.用離子色譜分析了9種水溶性離子(F-、Cl-、NO3-、SO42-、Na+、K+、NH、Ca2+和Mg2+)的質(zhì)量濃度.結(jié)果表明廈門(mén)大氣PM2.5中水溶性離子濃度處于較低水平,總水溶性離子濃度(μg/m3)順序?yàn)?冬季城區(qū)(18.16)>冬季郊區(qū)(14.55)>夏季郊區(qū)(6.87)>夏季城區(qū)(5.33),降水對(duì)水溶性離子有顯著的去除作用.觀測(cè)期間,夏季PM陰離子相對(duì)虧損,冬季反之. SO-、NO3-、NH4+(簡(jiǎn)稱(chēng)SNA)占全部水溶性離子質(zhì)量濃度之和的比例達(dá)79.64%以上,表明PM2.5二次污染較嚴(yán)重.相關(guān)性分析和SNA三角圖解表明廈門(mén)市夏季NH4+主要以(NH4)2SO4的形式存在,其次為NH4NO3及堿性游離NH4+;冬季則主要以(NH4)2SO4和NH4NO3的形式存在,其次為NH4Cl. N/S值表明PM2.5中水溶性離子污染特征以燃煤源排放為主,冬季以交通排放為主,,很小.主成分分析進(jìn)一步表明廈門(mén)市大氣PM水溶性離子主要來(lái)自燃煤源、交通排放和生物質(zhì)燃燒源.

PM2.5；水溶性離子；時(shí)空分布；污染來(lái)源；廈門(mén)

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),大氣污染成為21世紀(jì)中國(guó)亟需解決的難題,也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)[1-3].PM2.5由于粒徑小,質(zhì)量輕,不易沉降,進(jìn)而被人體吸入肺部并擴(kuò)散至血液,嚴(yán)重危害人體健康[4-5].水溶性離子是大氣PM2.5的重要組成成分,由于其具有吸濕性,能夠在低于飽和蒸氣壓條件下形成霧滴,從而影響大氣的光學(xué)性質(zhì),通過(guò)對(duì)光的吸收和散射作用影響大氣能見(jiàn)度和地球-大氣的能量平衡[6-7].

近年來(lái),國(guó)內(nèi)京津冀[8-9]、長(zhǎng)江三角洲[10]、珠江三角洲[11-12]等大中型城市開(kāi)展了較多的細(xì)顆粒物水溶性離子研究,得到了區(qū)域氣溶膠的污染特征及排放來(lái)源.廈門(mén)是我國(guó)東南沿海重要的港口旅游城市,隨著海峽西岸經(jīng)濟(jì)一體化的快速發(fā)展,特別是沿海工業(yè)化與廈漳泉同城化的快速推進(jìn),廈門(mén)地區(qū)的空氣污染不容忽視. 2014年,廈門(mén)市煤炭占能源消耗總量的比例接近六成,機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)106萬(wàn)輛[13],大氣環(huán)境質(zhì)量面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).于艷科等[2]對(duì)中國(guó)海峽西岸城市群冬季PM2.5水溶性離子進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn), 機(jī)動(dòng)車(chē)污染與燃煤污染并存已成為廈門(mén)大氣污染主要特征.邱天雪等[3]研究發(fā)現(xiàn),廈門(mén)冬季PM2.5中水溶性離子主要以(NH4)2SO4和NH4NO3形式存在.但以往研究并未對(duì)廈門(mén)大氣PM2.5中水溶性離子存在形式差異及污染來(lái)源進(jìn)一步分析.此外,多是分析短時(shí)間內(nèi)(單一季節(jié))的水溶性離子污染特征,不同季節(jié)的能源消耗及大氣污染物排放源有所不同.本研究在思明區(qū)和集美區(qū)各設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn),同步采集了夏季和冬季共90個(gè)PM2.5樣品,分析9種水溶性離子的時(shí)空分布特征,探討PM2.5中水溶性離子的影響因素,利用SNA三角圖解和SPSS軟件分析污染特征及來(lái)源,為有效控制廈門(mén)市細(xì)顆粒物污染提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 樣品采集

本研究在廈門(mén)城區(qū)和郊區(qū)各設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)(圖1),城區(qū)采樣點(diǎn)位于思明區(qū)瑞景小學(xué)樓頂,是廈門(mén)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心設(shè)置的洪文大氣監(jiān)控站.郊區(qū)采樣點(diǎn)位于集美區(qū)華僑大學(xué)化工學(xué)院的頂樓平臺(tái),華僑大學(xué)位于集美區(qū)東南部,毗鄰集美學(xué)村,處于大學(xué)城中心地帶.2個(gè)采樣點(diǎn)描述見(jiàn)表1.

表1 采樣點(diǎn)的具體描述
Table 1 Specific description of sampling sites

2014年8月12日~8月25日同步采集廈門(mén)市城區(qū)和郊區(qū)各14個(gè)PM2.5樣品.2014年12月10日至2015年1月9日同步采集廈門(mén)市城區(qū)和郊區(qū)各31個(gè)PM2.5樣品.采樣期間天氣情況具體見(jiàn)表 2.大氣顆粒物采樣儀器為天虹TH-150CⅢ型中流量采樣器,根據(jù)PM2.5采集常用濾膜理化性質(zhì)及適用條件,可以用作IC分析的濾膜種類(lèi)有:Teflon、尼龍、石英纖維濾膜、玻璃- Teflon濾膜、玻璃纖維濾膜等[14],本研究采樣所用濾膜為Whatman石英濾膜(90mm),采樣流量100L/min,每樣采集24h.此外,在不開(kāi)機(jī)(流量為零)的條件下放置一張采樣膜,24h后取下作為空白膜.采樣前后濾膜均在恒溫恒濕條件下(=20±1℃,RH=50%±2%)放置24h至基本恒重.采用電子分析天平(Sartorius T-114)稱(chēng)重獲得 PM2.5重量,精度為0.01mg,采樣后的濾膜用鋁箔紙封裝后放入冰箱低溫保存?zhèn)溆?

表2 采樣期間氣象參數(shù)
Table 2 Meteorological parameters during sampling

注:風(fēng)力和風(fēng)向數(shù)據(jù)來(lái)自天氣網(wǎng),氣溫和天氣情況描述來(lái)自監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù).

1.2 樣品分析

將1/4 張載有PM2.5的石英濾膜剪碎,用10mL 超純水浸泡在15mL聚丙烯離心管中,置于超聲波清洗儀中萃取30min后靜置,上層液經(jīng)0.45μm 微孔濾膜過(guò)濾后,轉(zhuǎn)移至2mL的進(jìn)樣瓶中進(jìn)行上機(jī)分析.空白濾膜按同樣方法同步進(jìn)行處理與測(cè)定.所檢測(cè)的水溶性離子共有9種,即 F-、Cl-、NO3-、SO42-、Na+、K+、NH4+、Ca2+和Mg2+,分析儀器為離子色譜儀(ICS-3000型, Dionex公司,美國(guó)).水溶性陰離子采用IonPac ASRS-4抑制柱和IonPac AS11HC×250mm分析柱,淋洗液為10mmol/L碳酸鈉.水溶性陽(yáng)離子采用IonPacCSRS-4抑制柱和IonPac CS12A×250分析柱,淋洗液為10mmol/L甲磺酸.

1.3 分析過(guò)程中的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制

分析用的玻璃器皿清洗干凈后,再用超純水浸泡超過(guò)24h,并超聲波處理30min.樣品處理用水為超純水(電阻系數(shù)>18M?·cm).標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999以上.分析結(jié)果扣除空白.樣品測(cè)定過(guò)程中每10個(gè)樣品間加入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)定,以檢測(cè)儀器的穩(wěn)定性.濃度高的樣品進(jìn)行稀釋處理后再進(jìn)行測(cè)定,保證結(jié)果的準(zhǔn)確性.水溶性陰陽(yáng)離子檢出限均為0.05μg/mL.水溶性離子的標(biāo)準(zhǔn)樣購(gòu)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣品信息中心.

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5中水溶性離子污染特征

2.1.1 水溶性離子時(shí)空分布 廈門(mén)市夏季城區(qū)、郊區(qū)和冬季城區(qū)、郊區(qū)PM2.5的質(zhì)量濃度分別為41.91,48.89,74.38,81.19μg/m3,與我國(guó)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (GB3095-2012)》[15]二級(jí)日均濃度限值75μg/m3相比,樣品超標(biāo)率分別為7.14%, 14.29%,35.48%,61.29%.從時(shí)間上看,冬季大氣PM2.5污染明顯高于夏季;空間上則表現(xiàn)為郊區(qū)污染重于城區(qū),這與2011年3月邱天雪等[3]的研究結(jié)論一致(城區(qū):78.75μg/m3,郊區(qū):100.08μg/m3).結(jié)合氣象參數(shù),夏季降水頻率高于冬季,且夏季降水量較大,降水可有效去除大氣顆粒物[16],從而導(dǎo)致冬季比夏季大氣PM2.5污染更嚴(yán)重.郊區(qū)采樣點(diǎn)周?chē)慕ㄖ┕ぜ暗缆窊P(yáng)塵等加劇了大氣顆粒物的污染,而城區(qū)采樣點(diǎn)瑞景小學(xué)位于商住區(qū),揚(yáng)塵源較少,大氣顆粒物污染相對(duì)較輕.

廈門(mén)市大氣PM2.5中水溶性離子時(shí)空分布見(jiàn)圖2,觀測(cè)期間,夏季城區(qū)、郊區(qū)和冬季城區(qū)、郊區(qū)9種水溶性離子的總質(zhì)量濃度分別為5.33, 6.87,18.16,14.55μg/m3,占PM2.5質(zhì)量濃度的12.72%,14.06%,24.42%,17.92%.與國(guó)內(nèi)其他城市(北京[8]:60.5μg/m3,天津[9]:47.3μg/m3)相比,廈門(mén)PM2.5中水溶性離子處于較低水平.此外,本研究所得的PM2.5及所含水溶性離子質(zhì)量濃度明顯低于2011年3月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(表3).說(shuō)明近幾年廈門(mén)市大氣污染治理效果明顯.與國(guó)內(nèi)背景值 (表3)比較,發(fā)現(xiàn)廈門(mén)冬季的9種離子均高于背景點(diǎn),其中NO3-、NH4+、Cl-、K+、F-超過(guò)背景值5倍以上;夏季的NH4+、SO42-、K+、F-超過(guò)背景點(diǎn),其他離子和背景值較接近,表明廈門(mén)市大氣PM2.5中水溶性離子受到了人為污染,且冬季明顯高于夏季.

由圖2可知,各水溶性離子質(zhì)量濃度順序大體為:NO

3

-

,NH

4

+

,SO

4

2

-

>Cl

-

>K

+

,Ca

2+

,Na

+

>F

-

, Mg

2+

. 9種水溶性離子的總質(zhì)量濃度空間分布特征與PM

2.5

的略有不同:夏季郊區(qū)高于城區(qū),但冬季城區(qū)卻高于郊區(qū).由于監(jiān)測(cè)期間冬季城區(qū)降水頻率(9.7%)低于郊區(qū)(12.9%),降水偏少,而PM

2.5

中化學(xué)組成尤其是水溶性離子受降水影響較大.研究表明,降水對(duì)NH

4

+

和NO

3

-

等有顯著清除作用,但雨后細(xì)顆粒物會(huì)富集Cl

-

,使其濃度升高

[18]

,本研究與此結(jié)論相符合.

表3 廈門(mén)和國(guó)內(nèi)背景點(diǎn)大氣PM2.5及水溶性離子濃度分布(μg/m3)
Table 3 Mass concentrations of PM2.5 and the water-soluble ions in Xiamen and background site (μg/m3)

SO42-、NO3-和NH4+(三者簡(jiǎn)稱(chēng)SNA)多由氣態(tài)前體物SO2、NH3和NO轉(zhuǎn)化而來(lái),主要為二次污染物[8],在夏季城區(qū)、郊區(qū)和冬季城區(qū)、郊區(qū)所占9種水溶性離子之和的比例分別為84.02%、91.05%、87.20%、79.64%,略高于廣州(76%)[12],與北京(88%)[8]接近,表明廈門(mén)市大氣二次污染比較嚴(yán)重.夏季氣溫高,大氣中化學(xué)反應(yīng)速度快,SNA所占比例高于冬季,如郊區(qū).城區(qū)冬季SNA所占比例略高于夏季,但相差不大,可能受到燃煤電廠(chǎng)(嵩嶼電廠(chǎng),海滄區(qū))一次排放SO42-、NH4+等的影響,由于降水較少因此得到富集.

2.1.2 離子平衡及酸堿度 離子平衡計(jì)算常用于研究氣溶膠離子之間的酸堿平衡,進(jìn)而判斷酸堿性.方程(1)和(2)用于計(jì)算陽(yáng)離子和陰離子的電荷平衡[19]:

如圖3所示,夏季和冬季、城區(qū)和郊區(qū)的陰離子與陽(yáng)離子的相關(guān)系數(shù)均大于0.95,說(shuō)明離子來(lái)源相同或受到了主導(dǎo)污染源影響.

觀測(cè)期間總體PM2.5樣本的陰離子/陽(yáng)離子的比值(即相關(guān)性方程的斜率)為1.01,陰陽(yáng)離子基本平衡.陰離子/陽(yáng)離子比值的時(shí)空分布順序?yàn)?冬季郊區(qū)(1.22)>冬季城區(qū)(1.08)>夏季郊區(qū)(0.64) >夏季城區(qū)(0.50).夏季值小于1,陰離子相對(duì)虧損,表現(xiàn)為偏堿性,原因可能是夏季NH4+過(guò)剩,且以堿性NH4+形式存在;冬季離子呈酸性,可能受到較多化石燃料燃燒的影響.因本研究未測(cè)定PM2.5中的HCO3-濃度,所得到的值偏低[20],因此所得到的廈門(mén)大氣PM2.5中水溶性離子組分酸性可能偏低.

2.2 水溶性離子存在形式

2.2.1 相關(guān)性分析 由表4可見(jiàn),采樣期間,由于NH4+、NO3-、SO42-和Cl-是水溶性離子的主要組成成分,重點(diǎn)對(duì)其存在形式進(jìn)行分析討論.NH4+與NO3-、SO42-都有很好的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.918和0.903,因此,在大氣中可能主要以(NH4)2SO4、NH4HSO4、NH4NO3的形式存在[21].經(jīng)計(jì)算,NH4+與NO3-的物質(zhì)的量比為3.06,NH4+與SO42-的物質(zhì)的量比為5.35,表明NH4+與 SO42-及NO3-全部結(jié)合成(NH4)2SO4和NH4NO3,而不存在NH4HSO4.由于Cl-與NH4+的相關(guān)性最高,多余的NH4+則可能主要結(jié)合為NH4Cl.此外,Cl-與Na+幾乎無(wú)相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)為-0.025),表明Cl-與Na+具有不同的污染來(lái)源,Cl-濃度水平可能更多受到生物質(zhì)燃燒及燃煤的影響[22].

表4 水溶性離子間相關(guān)系數(shù)矩陣
Table 4 Matrix of correlation coefficients between water-soluble ions in PM2.5

注:**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān); * 表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),=90.

為進(jìn)一步驗(yàn)證NH4+的存在形式,假設(shè)NH4+、NO3-、SO42-主要以NH4HSO4和NH4NO3的形式存在,通過(guò)公式(3)計(jì)算NH4+的含量;若假設(shè)上述3種離子主要以(NH4)2SO4和NH4NO3的形式存在,可通過(guò)式(4)計(jì)算NH4+的含量[23].式中NO3-、SO42-代表的是NO3-和SO42-的質(zhì)量濃度.

NH4+(μg/m3)= 0.29(NO3-)+0.19(SO42-) (3)

NH4+(μg/m3)= 0.29(NO3-)+0.38(SO42-) (4)

2種計(jì)算方法所得的結(jié)果見(jiàn)圖4,根據(jù)斜率和相關(guān)系數(shù)來(lái)看,圖4(b)的相關(guān)系數(shù)更高,且斜率更接近1,則研究區(qū)域大氣PM2.5的NH4+與NO3-、SO42-主要以(NH4)2SO4和NH4NO3的形式存在.這與邱天雪等[3]研究結(jié)論一致,何俊杰等[12]研究的廣州大氣PM2.5水溶性離子也有相似結(jié)論.

2.2.2 SNA三角圖分布特征 由于SO42-、NO3-、NH4+是水溶性離子的主要組成成分,本文借鑒以往三角圖解的研究[24],選擇以上3種離子的物質(zhì)的量濃度值繪制SO42-- NO3--NH4+三角圖(圖5).夏季樣品普遍分布在SO42-- NO3--NH4+三角圖的底部,NH4+所占百分比范圍53.7%~ 66.3%,平均值61.5%;NO3-所占百分比變化范圍1.4%~15.4%,平均值6.0%;SO42-/2所占百分比變化范圍25.4%~ 37.0%,平均值32.5%. NH4+和SO42-是夏季主要離子,且主要以(NH4)2SO4的形式存在,較少比例以NH4NO3存在.由于夏季Cl-含量較低,離子呈堿性特征,多余的NH4+可能會(huì)以堿性NH4+形式存在.在空間分布上,夏季城區(qū)顆粒物中SO42-的物質(zhì)的量百分比相對(duì)較大,此外,夏季城區(qū)顆粒物堿性更強(qiáng), (NH4)2SO4和堿性NH4+形式比例相對(duì)較高,郊區(qū)NH4NO3比例相對(duì)較高;冬季NH4+所占百分比變化范圍51.2%~97.6%,平均值59.5%;NO3-所占百分比變化范圍1.9%~33.6%,平均值20.3%; SO42-/2所占百分比變化范圍0.5%~28.2%,平均值20.2%.因此冬季城區(qū)和郊區(qū)的離子主要以(NH4)2SO4和NH4NO3存在,多余的NH4+以NH4Cl的形式存在,空間離子存在形式較一致.

2.3 水溶性離子來(lái)源解析

2.3.1 非海鹽離子的貢獻(xiàn) 為了評(píng)價(jià)海鹽對(duì)廈門(mén)市大氣PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子的貢獻(xiàn),假設(shè)來(lái)自海鹽中的離子組成與海水中的相同,并假設(shè)樣品中的Na+只來(lái)源于海鹽,采用以下公式計(jì)算廈門(mén)大氣PM2.5中非海鹽的SO42-、K+、Ca2+的濃度[25-26].

nss-SO42-= [SO42-]-0.2455[Na+] (5)

nss-Ca2+= [Ca2+]-0.00373[Na+] (6)

nss-K+= [K+]-0.0355[Na+] (7)

廈門(mén)市夏季和冬季、城區(qū)和郊區(qū)的PM2.5中nss-SO42-、nss-Ca2+和nss-K+濃度和其在各離子中的比值見(jiàn)表5.PM2.5中3種離子中非海鹽離子所占的比例都在97%以上,與于艷科[2]的研究結(jié)論較一致,說(shuō)明研究區(qū)域PM2.5中水溶性離子主要受陸地人為源的影響,海鹽源貢獻(xiàn)較小.

2.3.2 污染類(lèi)型判斷 SO42-主要來(lái)自于煤炭燃燒釋放的SO2,排放源位置相對(duì)固定;而NO3-則主要來(lái)自于石油、天然氣的燃燒,排放源大多為機(jī)動(dòng)車(chē)輛,相對(duì)來(lái)說(shuō)處于移動(dòng)狀態(tài).一般用NO3-/ SO42-質(zhì)量濃度的比值(N/S值)來(lái)表示移動(dòng)源和固定源對(duì)大氣中顆粒物貢獻(xiàn)程度的相對(duì)大小[27].我國(guó)汽車(chē)人均保有量與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較低,而煤炭占我國(guó)能源總量的70%以上,因此我國(guó)(NO3-)/(SO42-)一般小于1[3].

如圖6所示,時(shí)間分布上,夏季N/S值較小,且遠(yuǎn)小于1,表明夏季以燃煤源排放為主,這是因?yàn)橄募臼菑B門(mén)用電高峰季節(jié),燃煤發(fā)電廠(chǎng)耗煤量明顯增加,使得燃煤排放特征凸顯;而冬季N/S均大于1,表明冬季交通排放成為了主要影響因素,一方面緣于發(fā)電廠(chǎng)燃煤量相對(duì)減少,此外也與機(jī)動(dòng)車(chē)保有量持續(xù)增加有關(guān).于艷科等[2]研究發(fā)現(xiàn)2011年冬季廈門(mén)N/S值接近于1,機(jī)動(dòng)車(chē)污染與燃煤污染并存.對(duì)比發(fā)現(xiàn),2014年廈門(mén)大氣PM2.5機(jī)動(dòng)車(chē)污染特征逐漸凸顯,總體呈現(xiàn)出與燃煤污染并存的復(fù)合型污染特征.空間分布上表現(xiàn)為郊區(qū)N/S值偏大,移動(dòng)源貢獻(xiàn)略大于城區(qū),這可能是郊區(qū)遠(yuǎn)離燃煤電廠(chǎng)(嵩嶼電廠(chǎng),海滄區(qū)),受燃煤影響相對(duì)較小,也可能受到了來(lái)自主干道集美大道交通車(chē)輛(尤其重型車(chē))排放較多的影響.

表5 廈門(mén)大氣PM2.5中非海鹽離子的度
Table 5 Concentrations of non-sea-salt ions in PM2.5 of Xiamen city

2.3.3 主成分分析 PCA是一種用較少的有代表性的因子來(lái)說(shuō)明眾多變量,依據(jù)標(biāo)識(shí)元素識(shí)別污染源的方法[28].本文采用SPSS16.0軟件FACTOR模塊解析廈門(mén)市大氣PM2.5水溶性離子來(lái)源,主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣見(jiàn)表6.前3個(gè)主成分共解釋了水溶性離子來(lái)源的84.22%,表明3個(gè)主成分已經(jīng)能夠提供原始數(shù)據(jù)的足夠信息.主成分1主要包含NO3-、NH4+、SO42-、Cl-和K+,貢獻(xiàn)率達(dá)50.62%, NO3-、NH4+和SO42-是通過(guò)氣態(tài)前體物經(jīng)復(fù)雜的大氣化學(xué)反應(yīng)而形成,通常與化石燃料的燃燒有關(guān)[29],K+一般被認(rèn)為是生物質(zhì)燃燒的示蹤物[30],因此主成分1代表交通源、燃煤源和生物質(zhì)燃燒源.主成分2主要包含F(xiàn)-、Mg2+、Ca2+,貢獻(xiàn)率為22.64%,Ca2+主要來(lái)自建筑揚(yáng)塵[31],因此可以認(rèn)為主成分2代表建筑揚(yáng)塵源.第3個(gè)主成分貢獻(xiàn)率為10.96%,主要為Na+,是海洋源的標(biāo)識(shí)元素,因此,主成分3可認(rèn)為是海洋源.由于主成分1的離子含量占到總水溶性離子質(zhì)量濃度的90%以上,因此,廈門(mén)市大氣PM2.5水溶性離子主要來(lái)自交通排放、燃煤源和生物質(zhì)燃燒源.

表6 主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣
Table 6 Rotated component matrix of major components

3 結(jié)論

3.1 廈門(mén)大氣PM2.5中水溶性離子濃度處于較低水平,9種水溶性離子濃度之和(μg/m3)順序?yàn)?冬季城區(qū)(18.16)>冬季郊區(qū)(14.55)>夏季郊區(qū)(6.87)>夏季城區(qū)(5.33),降水對(duì)水溶性離子有顯著的去除作用.PM2.5中水溶性離子順序?yàn)镹O3-, NH4+,SO42->Cl->K+,Ca2+,Na+>F-,Mg2+.SNA占9種離子之和的79.64%以上,表明廈門(mén)市大氣PM2.5二次污染較嚴(yán)重.離子平衡關(guān)系顯示,夏季PM2.5陰離子相對(duì)虧損,冬季陽(yáng)離子相對(duì)虧損.

3.2 水溶性離子相關(guān)性分析和SNA三角圖解表明廈門(mén)市夏季NH4+主要以(NH4)2SO4的形式存在,較少比例以NH4NO3存在,部分NH4+還以堿性NH4+形式存在,其中城區(qū)(NH4)2SO4和堿性NH4+形式比例相對(duì)較高,郊區(qū)NH4NO3比例較高;冬季則主要以(NH4)2SO4和NH4NO3的形式存在,較少以NH4Cl存在,空間差異較小.

3.3 N/S值表明,夏季以燃煤源排放為主;冬季交通排放是主要影響因素.廈門(mén)PM2.5呈現(xiàn)出交通源與燃煤污染并存的復(fù)合型污染特征,但受海鹽源的影響較小.主成分分析結(jié)果進(jìn)一步表明廈門(mén)市大氣PM2.5水溶性離子主要來(lái)自燃煤源、交通排放和生物質(zhì)燃燒源.

Cheng M C, You C F, Cao J J, et al. Spatial and seasonal variability of water-soluble ions in PM2.5aerosols in 14major cities in China [J]. Atmospheric Environment, 2012,73(6):182-192.

于艷科,尹麗倩,牛振川,等.中國(guó)海峽西岸城市群冬季PM2.5和PM10中水溶性離子的污染特征 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012, 32(9):1546-1553.

邱天雪,陳進(jìn)生,尹麗倩,等.閩南重點(diǎn)城市春季PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子特征研究 [J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013,22(3):512-516.

Jacob D J, Winner D A. Effect of climate change on air quality [J]. Atmospheric Environment, 2009,43(1):51-63.

Pope C A, Dockery D W. Health effects of fine particulate air pollution: lines that connect [J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2006,56(6):709-742.

Svenningsson B, Hansson H C, Wiedeneohler A, et al. Hygroscopic growth of aerosol particles and its influence on nucleation scavenging in cloud: experimental results from Kleiner Feldberg [J]. Journal of Atmospheric Chemistry, 1994,19(1):129-152.

Hassanvand M S, Naddafi K, Faridi S, et al. Indoor/outdoor relationships of PM10, PM2.5, and PM1mass concentrations and their water-soluble ions in a retirement home and a school dormitory [J]. Atmospheric Environment, 2014,82(1):375-382.

楊懂艷,劉保獻(xiàn),張大偉,等.2012~2013年間北京市PM2.5中水溶性離子時(shí)空分布規(guī)律及相關(guān)性分析 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2015, 36(3):768-773.

古金霞,吳麗萍,霍光耀,等.天津市PM2.5中水溶性無(wú)機(jī)離子污染特征及來(lái)源分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè), 2013,29(3):30-34.

張秋晨,朱 彬,龔佃利.南京地區(qū)大氣氣溶膠及水溶性無(wú)機(jī)離子特征分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(2):311-316.

翟宇虹,黃曉鋒,張 麗,等.深圳大氣氣溶膠中水溶性有機(jī)物粒徑分布特征 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015(11):3211-3216.

何俊杰,吳耕晨,張國(guó)華,等.廣州霧霾期間氣溶膠水溶性離子的日變化特征及形成機(jī)制 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(5):1107-1112.

黃麗嬌.淺談廈門(mén)市內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染現(xiàn)狀、危害及防治措施 [J]. 資源節(jié)約與環(huán)保, 2014(11):93-96.

曹軍驥.PM2.5與環(huán)境 [M]. 北京:科學(xué)出版社, 2014.

GB 3095-2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) [S].

韓 燕,徐 虹,畢曉輝,等.降水對(duì)顆粒物的沖刷作用及其對(duì)雨水化學(xué)的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(2):193-200.

刀 谞,王 超,張霖琳,等.我國(guó)4個(gè)大氣背景點(diǎn)環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5、PM10)中水溶性離子分布特征 [J]. 環(huán)境化學(xué), 2015, 34(6):1095-1102.

廖碧婷,吳 兌,陳 靜,等.華南地區(qū)大氣氣溶膠中EC和水溶性離子粒徑分布特征 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(5):1297-1309.

Zhang T, Cao J J, Tie X X, et al. Water-soluble ions in atmospheric aerosols measured in Xi'an, China: Seasonal variations and sources [J]. Atmospheric Research, 2011,102(1):110-119.

趙亞南,王躍思,溫天雪,等.長(zhǎng)白山PM2.5中水溶性離子季節(jié)變化特征研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2014,35(1):9-14.

戴永立,陶 俊,林澤健,等.2006~2009年我國(guó)超大城市霾天氣特征及影響因子分析 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2013,34(8):2925-2932.

Wang Y, Zhuang G S, Zhang X Y, et al. The ion chemistry, seasonal cycle, and sources of PM2.5and TSP aerosol in Shanghai [J]. Atmospheric Environment, 2006,40(16):2935-2952.

Kang C, Lee H S, Kang B, et al. Chemical characteristics of acidic gas pollutants and PM2.5 species during hazy episodes in Seoul, South Korea [J]. Atmospheric Environment, 2004,38(28):4749-4760.

鄭曉霞,趙文吉,郭逍宇.北京大氣降塵中微量元素的空間變異 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(8):2251-2260.

Wang G H, Wang H, Yu Y J, et al .Chemical characterization of water-soluble components of PM10and PM2.5atmospheric aerosols in five locations of Nanjing, China [J]. Atmospheric Environment, 2003,37(21):2893-2902.

Morales J A, Pirela D, de Nava M G, et al. Inorganic water soluble ions in atmospheric particles over Maracaibo Lake Basin in the western region of Venezuela [J]. Atmospheric Research, 1998,46(3):307-320.

Watson J G, Chow J C, Lurmann F W, et al. Ammonium nitrate, nitric acid, and ammonia equilibrium in wintertime Phoenix, Arizona [J]. Journal of the Air and Waste Management Association, 1994,44(4):405-412.

Mukerjee S, Shadwickb D S, Smith L A, et al. Techniques to assess cross-border air pollution and application to a US-Mexico border region [J]. Science of the Total Environment, 2001, 276(1-3):205-224.

Zhang R, Tao J, Hsu S C, et al. Chemical characterization and source apportionment of PM2.5in Beijing: seasonal perspective [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2013,13(14):7053-7074.

Zheng X Y, Liu X D, Zhao F H, et al . Seasonal characteristics of biomass burning contribution to Beijing aerosol [J]. Science in China Series B: Chemistry, 2005,48(5):481-488.

張 凱,王躍思,溫天雪,等.北京大氣PM10中水溶性金屬鹽的在線(xiàn)觀測(cè)與濃度特征研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2008,29(1):246-252.

* 責(zé)任作者, 教授, ruiliany@hqu.edu.cn

Characteristics and sources apportionment of water-soluble ions in PM2.5of Xiamen City, China

ZHANG Zong-wei, HU Gong-ren, YU Rui-lian*, HU Qi-chao, LIU Xian-rong

(Department of environmental science and engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)., 2016,36(7)：1947~1954

The PM2.5samples were synchronously collected in urban andareas of Xiamen city during August and December in 2014 to investigate the characteristics and sources of water-soluble ions in atmospheric PM2.5. Nine water-soluble ions (F-, Cl-, NO3-, SO42-, Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) were determined by ion chromatography. The level of water-soluble ions in PM2.5of Xiamen city was relatively lower, and the sum concentrations (μg/m3) of total water-soluble ions showed the order of urban area in winter (18.16) > suburban area in winter (14.55) > suburban area in summer (6.87) > urban area in summer (5.33). Precipitation had a significant effect on the removal of water-soluble ions in PM2.5. Anions in PM2.5were relative loss in summer, whereas opposite in winter. SO42-, NO3-, NH4+(SNA) were the major components of water-soluble ions in PM2.5with a contribution of more than 79.64% to total water-soluble ions, suggesting that the level of secondary ions was relatively high. Correlation analysis and SNA triangular diagram showed that NH4+in PM2.5mostly coexisted in the form of (NH4)2SO4followed byNHNO3and alkaline free NH4+in summer, while mostly in the form of (NH4)2SO4andNH4NO3followed by NH4Cl in winter. The mass ratio of N/S demonstrated that the main source to the water-soluble ions in PM2.5of Xiamen city was coal combustion in summer, while the traffic emissions in winter. Overall, the water-soluble ions in PM2.5of Xiamen city presented the composite pollution characteristics of traffic source and coal combustion, but barely influenced by marine source. Principal component analysis further indicated that the water-soluble ions in PM2.5of Xiamen city mainly came from coal combustion, traffic emission and biomass burning.

PM2.5；water-soluble ions；spatial and temporal distribution；pollution source；Xiamen

X513

A

1000-6923(2016)07-1947-08

張棕巍(1992-)女,湖北黃岡人,華僑大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià).

2015-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21477042,21377042);福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014J01159);華僑大學(xué)2014級(jí)研究生科研創(chuàng)新能力培育項(xiàng)目(435)