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.環境基準與風險評估國家重點實驗室， 中國環境科學研究院2.南京工業大學化學與分子工程學院3.中國科學院大氣物理研究所4.陸軍防化學院核生化應急技術支持中心

由于受經濟和能源結構、地形狀況、氣象條件等影響，不同的區域及城市大氣PM2.5水溶性離子的化學特征存在顯著差異。在我國的北方城市，由于冬季采暖導致污染物排放量較大，且冬季大氣擴散條件較差，使空氣污染情況加重，此外，還導致PM2.5中Cl-富集[18-19]。然而，受海鹽影響較大的沿海地區PM2.5中的Na+、Cl-等離子濃度明顯高于內陸地區[20]。國內近年來針對PM2.5化學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]等重污染天氣高發區，而針對西南地區的研究相對較少[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、雨量充沛、冬季多霧等特點。芒市城區為一盆壩，以低山山地為主，不利于污染物的擴散，春季常年出現逆溫和大霧天氣。近年來隨著城市化進程的加速，芒市的機動車保有量不斷增加(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。由于受地形和靜風氣候的影響，導致污染物在芒市城區上空集聚，大氣污染程度加重。同時由于芒市地處西南邊境地區，也可能受境外排放污染物的影響，從而導致芒市的大氣顆粒物污染特征可能會有別于其他城市。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組成特征，并利用主成分分析法推測其來源，以期豐富我國西南地區PM2.5污染特征的研究結果，為芒市空氣污染控制對策的制定提供參考及數據支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點

綜合考慮城市功能區的劃分及人口密度情況，優先在國控點附近布設采樣點，本研究采樣點設在芒市住房與城鄉建設局(A點)、德宏州生態環境局芒市分局(B點)和芒市畜牧獸醫局(C點)。采樣點周圍無高大建筑物和污染源。采樣時間為2019年3月11日—4月1日，采樣周期為23 h(10:00—翌日09:00)。采用武漢天虹生產的TH-16A型智能采樣儀(流量為16.6 L/min)進行采樣，濾膜采用石英濾膜(Pall公司)。SO2和NOx濃度來自采樣點周邊國控點的自動監測數據，時間分辨率為1 h。

1.2 分析方法

1.3 質量控制

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。在不開機的情況下分別收集3個采樣點的空白濾膜樣品作為空白對照。將濾膜在恒溫、恒濕的天平室里進行稱重(精確到0.1 mg，濾膜質量差小于0.5 mg)。對水溶性離子進行空白校正，扣除采樣及試驗誤差。制作標準曲線進行標準樣品測量，制作標準曲線時保證各種離子的峰面積與濃度之間的相關系數在0.999以上，滿足標準曲線要求后再進行樣品測量。

2 結果與討論

2.1 PM2.5濃度變化特征

芒市3個采樣點PM2.5濃度逐日變化如圖1所示。由圖1可見，芒市PM2.5濃度相對較低，A點、B點和C點平均值分別為53.3、54.3和53.5 μg/m3，3個采樣點PM2.5濃度差異較小;最小值分別為26.0、26.5和25.5 μg/m3，均出現在3月19日；最大值分別為77.9、79.7和84.1 μg/m3，均出現在3月31日。這可能與當日的氣象條件有關。采樣期間，3個采樣點PM2.5濃度日均值大部分小于GB 3095—2012《環境空氣質量標準》[30]二級標準限值(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 水溶性離子的化學特征分析

表1 芒市春季PM2.5水溶性離子濃度與國內其他城市的對比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化

(1)

(2)

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

2.4 水溶性離子的相關性分析

表3 PM2.5水溶性離子相關系數矩陣Table 3 PM2.5 water-soluble ions correlation coefficient matrix

(3)

(4)

圖濃度計算值與實測值的相關性分析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、B點和C點的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，也可能是因為部分陰離子(如碳酸根、碳酸氫根和小分子有機酸等)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 結論

(1) 觀測期間芒市春季PM2.5濃度為25.5～84.1 μg/m3，大部分小于GB 3095—2012《環境空氣質量標準》二級標準限值。

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