天津市冬季典型道路氨氣濃度特征研究

賀夢(mèng)璇，張 敏,2，李蘭蘭

(1.天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300382；2.南寧市邕武路學(xué)校，廣西 南寧 530001；3.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300074)

1 引言

氨氣作為大氣中活性氮最主要的還原形式，是形成大氣中無機(jī)銨鹽的重要前體物[1,2]。氨氣是大氣中重要的堿性氣體[3]，可以中和大氣中的酸性物質(zhì)，與其他二次氣溶膠組分通過大氣化學(xué)反應(yīng)生成硫酸銨(亞硫酸銨)和硝酸銨等二次污染物[4]。這些二次污染物以質(zhì)量更輕、粒徑更小的氣溶膠微小顆粒物形式停留在大氣中，進(jìn)一步降低大氣能見度，危害人類健康[5]。近年來，細(xì)顆粒物(PM2.5)已成為影響我國(guó)城市環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物[6]，在極度污染的條件下，銨鹽甚至占到PM2.5質(zhì)量的40%～60%[7]。除此之外，氨氣污染會(huì)影響光輻射強(qiáng)度，加劇大氣光化學(xué)污染[8]。

氨的排放分為天然源和人為源，天然源主要來自于野生動(dòng)物的糞便、植被、土壤和海洋的釋放等，人為源包括畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)田施肥等農(nóng)業(yè)源及化工行業(yè)、交通運(yùn)輸、人體排放、生物質(zhì)燃燒、化石燃料燃燒、廢物處理等非農(nóng)業(yè)源[8，9]。近些年，研究表明城市地區(qū)的氨氣與農(nóng)業(yè)地區(qū)的氨氣濃度相當(dāng)[3]，在人口密度高的城市地區(qū)，非農(nóng)業(yè)源排放的氨氣不可小覷，尤其是交通運(yùn)輸排放的氨氣往往被低估[3,10]。程剛等[10]研究了北京市交通環(huán)境中的大氣氨，發(fā)現(xiàn)氨氣排放量呈現(xiàn)出夏季低、春秋兩季高的變化規(guī)律。董艷強(qiáng)等[11]、尹沙沙等[12]通過國(guó)外機(jī)動(dòng)車排放因子分別對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)和珠三角地區(qū)機(jī)動(dòng)車的氨排放量進(jìn)行了估算。鄒忠等[13]通過研究發(fā)現(xiàn)，上海邯鄲路隧道出口的氨氣濃度遠(yuǎn)高于隧道進(jìn)口和外圍環(huán)境的氨氣濃度，分別是它們的5倍和11倍。Chitjian等[14]研究了加利福尼亞州南海岸區(qū)域的氨排放情況，發(fā)現(xiàn)由汽車排放的氨氣約占該地區(qū)總氨排放量的18%。目前關(guān)于氨氣的研究主要集中在大尺度的排放清單研究，缺乏近地面交通源氨氣的詳細(xì)觀測(cè)數(shù)據(jù)。本研究挑選天津市為研究區(qū)域，選取典型道路區(qū)域，采用“被動(dòng)采樣法”測(cè)得氨氣濃度，研究冬季不同道路類型氨氣濃度特征及其差異，同時(shí)探究氨氣濃度與顆粒物PM2.5形成的相關(guān)性，結(jié)果可為北方城市道路氨氣排放情況及城市環(huán)境空氣質(zhì)量改善提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

天津(38°34′～40°15′N，116°43′～118°04′E)地處華北平原東北部、海河流域下游，是環(huán)渤海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)中心，具有獨(dú)特的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征。天津是京津冀區(qū)域典型工業(yè)城市，屬于污染高度集中排放地區(qū)。2019年天津市常駐人口為1561萬人，民用汽車擁有量為308.91萬輛[15]。近年來天津市大力推進(jìn)并實(shí)施各項(xiàng)空氣質(zhì)量改善措施，環(huán)境空氣質(zhì)量較2013年比有明顯好轉(zhuǎn)[16]，但在秋季和冬季期間空氣質(zhì)量改善則不明顯[17]。由于大氣環(huán)境質(zhì)量影響因素的復(fù)雜性，天津冬季依舊容易出現(xiàn)霧霾天氣，因此選取天津市作為研究城市開展研究具有一定代表性。

2.2 研究道路選擇

道路選取津文公路、紅旗南路、紅旗南路輔路、秀川路、賓水西道、育梁路、士英路、水上公園西路、水上公園北道、復(fù)康路、白堤路、密云路、蘇堤路、長(zhǎng)江道、黃河道、青年路、汾水道共計(jì)17條道路作為道路綠化帶的研究對(duì)象，覆蓋了省道、市區(qū)主干道、次干道和快速路。各道路概況見表1，其中津文公路調(diào)查監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年12月27日至2019年1月7日，其他道路的調(diào)查監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年1月9～19日。

表1 各道路概況

2.3 氨氣的采集

通過采用被動(dòng)采樣法采集大氣氨氣，采樣器如圖1所示，主體為一個(gè)圓筒，兩端為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

圖中：1-帶有小孔的蓋子，2-不銹鋼紗網(wǎng)，3-濾膜，4-聚四氟乙烯小圈，5-聚四氟乙烯墊片，6-采樣器圓筒

圖1采樣器組成

本研究在每個(gè)道路綠化帶的相應(yīng)點(diǎn)位懸掛被動(dòng)采樣器，進(jìn)行一周的定位監(jiān)測(cè)，同時(shí)在每個(gè)道路設(shè)置對(duì)照，采樣點(diǎn)位于樹高約2.5 m處，用GPS記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的位置信息(海拔、經(jīng)緯度)，并用ZK-40A手持式空氣質(zhì)量檢測(cè)儀測(cè)得周圍的溫度、濕度等氣象要素和PM2.5、PM10的濃度，借此分析氨氣濃度特征與這些要素的相關(guān)性。采樣結(jié)束后，重復(fù)上述步驟，將采樣器安全地密封在棕色容器中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理。

2.4 氨氣的分析與測(cè)定

NH3(×10-9)=α×W/T

(1)

式(1)中，W為樣品中收集到的氨氣的量(ng)，T為暴露時(shí)間(min)，α為換算系數(shù)(×10-9min/ng)，計(jì)算方法如下：

α=43.8×[293/(273+t)]1.83

(2)

式(2)中，t為環(huán)境溫度(℃)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同道路的氨氣濃度特征

氨氣是交通環(huán)境中重要的污染物[10]，通過對(duì)不同道路的氨氣濃度進(jìn)行比較，得到各道路氨氣濃度特征，如圖2所示，可看到17條道路中氨氣平均濃度最高的為復(fù)康路，為1043.67×10-9，分析原因可能與復(fù)康路車流量大有關(guān)。白堤路和紅旗南路輔路次之，氨氣平均濃度為分別為995×10-9、839.5×10-9，分別低于復(fù)康路4.66%、19.56%。其次是紅旗南路和水上公園北道，且二者氨氣平均濃度接近一致，分別為807.33 ×10-9和807×10-9。汾水道和密云路緊接其后，氨氣平均濃度分別為788×10-9和780.33×10-9，分別低于復(fù)康路24.5%、25.23%。其次是秀川路，其氨氣平均濃度有776×10-9。水上公園西路和育梁路的氨氣平均濃度比較接近，分別為756.4×10-9和754×10-9。接下來是士英路和黃河道，氨氣平均濃度分別為729×10-9和711×10-9。賓水西道、青年路的氨氣平均濃度分別為690.75×10-9、655.5×10-9。長(zhǎng)江道和蘇堤路的氨氣平均濃度均較低，分別為539 ×10-9、524 ×10-9，分別低于復(fù)康路48.36%和49.79%。氨氣濃度最低的道路是津文公路，僅為516.6×10-9，比復(fù)康路低了50.5%。

3.2 不同道路類型的氨氣濃度

將所研究道路按照道路類型分為省道、快速路、主干道、次干道4種道路類型。由圖3可知，在所有道路類型中，省道的氨氣平均濃度最低，為561.6×10-9；快速路最高，為780.33×10-9，比省道高出了38.95%；主干道和次干道二者的氨氣平均濃度相差不大，分別為765.02×10-9和757.63×10-9。結(jié)果表明道路類型會(huì)影響氨氣濃度，分析原因可能是道路上車流量的差異造成的。

圖2 典型道路氨氣濃度

圖3 不同道路類型的氨氣濃度

3.3 氨氣與PM2.5的相關(guān)關(guān)系

中國(guó)北方冬季霧霾天氣頻發(fā)，主要是由住宅供暖引起的二次氣溶膠及不利氣象條件二者協(xié)同作用造成的[18]。而氨氣在氣溶膠初始核化過程中扮演著重要角色，是污染天氣二次顆粒物爆發(fā)式增長(zhǎng)的重要前體物[19,20]。彭應(yīng)登等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)氨氣是北京春、秋、冬三季生成二次顆粒物的主控因子。許艷玲等[22]研究了中國(guó)氨減排對(duì)控制PM2.5污染的敏感性，結(jié)果表明對(duì)于氨氣排放量大且相對(duì)集中、PM2.5污染較重的地區(qū)，氨減排對(duì)PM2.5降低有著明顯作用。為了探究大氣中氨氣與顆粒物PM2.5形成的相關(guān)性，本研究對(duì)二者進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示，氨氣濃度與PM2.5之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，方程為：y=e0.006x，相關(guān)系數(shù)R2=0.0444，即隨著氨氣濃度的增加，PM2.5的值也隨之增加，說明大氣中的氨氣能夠促進(jìn)PM2.5的形成，從而加劇霧霾天氣的發(fā)生。

4 討論與結(jié)論

通過研究分析17條道路的氨氣濃度特征，發(fā)現(xiàn)復(fù)康路的氨氣平均濃度最高，為1043.67×10-9，這可能與該道路車流量大有關(guān)。白堤路和紅旗南路輔路次之，氨氣平均濃度為分別為995×10-9、839.5×10-9，分別低于復(fù)康路4.66%、19.56%。其次是紅旗南路和水上公園北道，且二者氨氣平均濃度接近一致，分別為807.33 ×10-9和807 ×10-9。長(zhǎng)江道和蘇堤路的氨氣平均濃度均較低，分別為539 ×10-9、524 ×10-9，分別低于復(fù)康路48.36%和49.79%。氨氣濃度最低的道路是津文公路，僅為516.6×10-9，比復(fù)康路低了50.5%。道路類型對(duì)氨氣濃度影響顯著，快速路氨氣平均濃度最高，為780.33×10-9；省道氨氣平均濃度最低，為561.6×10-9。研究結(jié)果表明，道路類型以及車流量等因素會(huì)影響其氨氣濃度水平。

圖4 大氣氨氣濃度與顆粒物PM2.5的相關(guān)性

本研究對(duì)氨氣和PM2.5進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)性顯著，呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。因此，實(shí)施氨減排對(duì)于降低PM2.5有著積極影響，這對(duì)北方城市冬季的霧霾天氣治理提供了借鑒。

由于受研究時(shí)間及采樣點(diǎn)區(qū)域的限制，本研究只對(duì)冬季環(huán)境下天津市典型道路進(jìn)行了研究，未對(duì)其他區(qū)域道路和其他季節(jié)進(jìn)行調(diào)查，且缺少車流量相關(guān)數(shù)據(jù)，車流量對(duì)氨氣濃度影響的定量分析方面數(shù)據(jù)量偏少，今后應(yīng)完善天津市典型道路各個(gè)季節(jié)的氨氣濃度特征，以及不同道路車流量對(duì)氨氣濃度影響的定量表達(dá)，以便建立模型解析城市道路對(duì)氨氣的影響程度并對(duì)氨氣濃度進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，為改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量提供重要科學(xué)依據(jù)。