王亞梅, 任孝宗, 羅進洪, 趙巖松

(太原師范學院地理科學學院, 山西 晉中 030619)

近年來,隨著我國工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展,礦山的開采和冶煉、化石燃料的燃燒、汽車尾氣和垃圾焚燒排放成為大氣中污染物的主要來源。大氣干沉降是顆粒和氣態(tài)污染物從大氣進入生態(tài)地表環(huán)境的主要途徑[1],對北方地區(qū)特別是對干旱半干旱地區(qū)來說是最主要的沉降方式,它對維持大氣成分相對穩(wěn)定起到非常重要的作用[2]。干沉降也是地表、海洋、森林等生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)和有機污染物的重要來源[3],在全球化學循環(huán)中扮演著重要的角色[4]。干沉降中水溶性離子的存在影響顆粒物的吸濕性和吸光度[5],有一定催化作用和毒性增強作用[6]。因此,研究干沉降中的水溶性離子有助于更好地了解的大氣干沉降污染特征和環(huán)境效應(yīng)。

近年研究表明,我國許多城市的環(huán)境空氣污染特征已由此前的以二氧化硫、氮氧化物類污染為主轉(zhuǎn)化為以塵類污染為主,污染物的首要來源和載體就是大氣降塵[7]。目前干沉降的研究區(qū)域大多集中在北京[8-10]、南京[11-12]以及東部沿海地區(qū)[1,13-15]。近年來才有一些學者基于干沉降理論對中西部地區(qū)重金屬或氣溶膠粒子的化學組成進行研究[16-20]。重金屬具有較強的毒性和生物累積性,通過食物鏈進入生物體內(nèi)對人類健康及生態(tài)系統(tǒng)有潛在危害,且北方城市地區(qū)水溶性無機離子濃度普遍高于南方城市[16],進一步對干沉降來源進行解析[3,14,21-23]更是勢在必行。Blifford和Meeker[24]提出了大氣顆粒物源解析概念,隨后美國研發(fā)了以因子分析(factor analysis, FA)和化學質(zhì)量平衡(chemical mass balance, CMB)為主的各類受體模型源解析技術(shù)[25]。目前國內(nèi)水溶性離子源解析的方法主要有源排放清單法、擴散模型法以及受體模型法。受體模型法主要包括化學質(zhì)量平衡法、因子分析法、富集因子法等,其中因子分析法又主要包括正定矩陣因子分解法(positive matrix factorization,PMF)、主成分分析(principal component analysis,PCA)方法。更有研究表明城市環(huán)境中干沉降與濕沉降的通量以及濃度有較大差異[26]。干沉降的化學組分與排放源、天氣條件、化學離子輸送和氣團軌跡等多種因素都密切相關(guān)[27-28]。通過研究大氣干沉降中水溶性離子的變化,分析不同污染源對大氣降水化學組分的相對貢獻,有助于了解當?shù)卮髿饨邓奈廴緺顩r和對生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域與采樣點

采樣點位于山西省榆次區(qū)太原師范學院(圖1)。采樣點周圍大學聚集,所處位置地形平坦、無明顯的局地排放源。采樣設(shè)備放置在太原師范學院地理科學學院距地面大約為1.2 m高的頂樓上(37°44′59″N,112°42′21″E)。山西省榆次區(qū)地處山西中部的太原盆地,當?shù)貧夂驗榈湫偷呐瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L氣候,屬溫帶大陸性干旱氣候。

圖1 山西省榆次區(qū)位置

1.2 樣品采集

采用替代面法收集干沉降樣品,樣品收集在直徑150 mm、容積5 L的聚乙烯桶內(nèi)。采樣時間自2022年4月至2023年3月,采樣周期為15 d。為保證準確反映周降塵情況,考慮到降雨對降塵清除的影響,若當天為雨天則收集的樣品不做統(tǒng)計,去除因儀器和其他原因?qū)е碌腻e誤樣品,共得到有效樣品53個。與此同時采樣期間記錄榆次區(qū)地面氣象觀測數(shù)據(jù),包括溫度、風速和降雨量等。

1.3 樣品測定和分析

1.3.1 樣品前處理

1.3.2 水溶性離子分析

采用CIC-D160型離子色譜儀對所有前處理后的濾膜樣品進行水溶性離子分析,進樣體積為1 μL,流速為1.1 mL/min,其分離原理為基于離子交換樹脂上可離解的離子與流動相中具有相同電荷的溶質(zhì)離子之間進行的可逆交換和分析物溶質(zhì)對交換劑親和力的差別而被分離。進行樣品分析前,取已知濃度和成分的標準樣品溶液經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別生成陰陽離子校正曲線,陰離子標準溶液濃度梯度為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mg/L,相關(guān)系數(shù)為0.999。將分析后的樣品數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)導入陰陽離子校正曲線,計算后得到樣品的最終濃度。

1.3.3 pH和電導率分析

干沉降樣品的pH和電導率用意大利HANNA哈納HI98195高精度便攜式多參數(shù)水質(zhì)綜合快速測定儀,每次使用之前,分別用pH為4.00、6.86、9.18的校正緩沖液進行標定。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

運用Origin Pro 2020以及MATLAB R2022a 對水溶性離子化學組分特征數(shù)據(jù)進行分析和作圖,運用軟件SPSS 22.0對離子進行相關(guān)性分析,利用HYSPLIT后向軌跡模式對離子的主要來源進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 電導率、pH及離子組成

所有干沉降樣品中,干沉降樣品的pH范圍為4.5～7.5,所有干沉降樣品中有66%的干沉降pH保持在6.0～6.5(圖2),干沉降樣品pH平均值為6.2,干沉降偏中性,表明榆次區(qū)大氣顆粒物中含有大量的堿性物質(zhì)。

圖2 干沉降pH頻次分布

圖3 干沉降總濃度與電導率的相關(guān)性

電導率可判斷干沉降中所含電解質(zhì)的多少,能夠在一定程度上反映出干沉降水溶性離子的污染程度(圖3)。研究期間在收集的53個有效干沉降樣品中,水溶性陰離子電導率范圍為19～169 μS/cm,干沉降水溶性陰離子的日平均濃度最大為2 606.817 μg/g,所得樣品電導率與干沉降水溶性陰離子溶度的相關(guān)系數(shù)為0.82,相關(guān)性良好,說明干沉降電導率主要是由于沉降中水溶性離子組分貢獻。

2.2 干沉降水溶性離子濃度的時間變化特征

表1 干沉降中陰離子濃度

圖4 榆次區(qū)干沉降水溶性離子占比

2.3 干沉降水溶性離子通量

圖5 榆次區(qū)干沉降水溶性離子的濃度

圖6 榆次區(qū)干沉降水溶性離子通量的月變化

3 討論

3.1 干沉降水溶性離子相關(guān)性分析和來源分析

表2 干沉降中主要陰離子濃度間的相關(guān)系數(shù)矩陣

PM2.5以二次組分為主,如硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、二次有機氣溶膠,PM10中含有豐富的地殼成分,因此通過PM2.5/PM10比可以對二次組分在顆粒物中的貢獻進行梳理(表3),PM2.5/PM10比越低,揚塵也就是大顆粒物對大氣污染的貢獻就越大。采樣期間PM2.5/PM10各個月份比值分別為0.837、0.734、0.496、0.559、0.822、0.639、0.678、0.629、0.232、0.308、0.392、0.361,榆次區(qū)夏季PM2.5/PM10比明顯大于秋季,二次生成對顆粒物的貢獻在秋季更高。

表3 采樣期間各月污染物濃度平均值

圖7 榆次區(qū)的月平均變化特征

3.2 后向軌跡聚類分析

由于大氣結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,大氣污染不僅與城市的本地排放有關(guān),還與周邊地區(qū)存在著相互影響和輸送關(guān)系。為探究氣團輸送對大氣干沉降的影響,應(yīng)用后向軌跡模型HYSPLIT[5,36-37]進行分析。氣象條件(如風向、風速和降雨等)隨季節(jié)的變化對干沉降化學組成的時間變化特征具有重要影響。后向軌跡主要輸入?yún)?shù):軌跡的起點設(shè)為觀測點所在地太原師范學院地理科學學院頂樓,考慮到大氣干沉降主要對大氣邊界層的近地層及下墊面的影響較大,因此起始模擬高度選取500 m。分別對榆次6月到10月每月降塵日進行36 h后向軌跡計算,并將計算結(jié)果進行聚類分析,各月后向軌跡分布如圖8所示?？筛鶕?jù)氣團軌跡的長短判斷氣團移動的速度,長的軌跡說明對應(yīng)氣團移動速度快,短的軌跡表明對應(yīng)氣團移動速度較慢。榆次區(qū)6月氣團源自西伯利亞大陸性北方氣團和榆次區(qū)當?shù)氐臍鈭F,7月氣團來自榆次當?shù)貣|部(29%)和南部氣團(22%),8月氣團主要為山西南部氣團(45%)和西伯利亞大陸性北方氣團(29%),9月氣團只有西伯利亞大陸性北方氣團(91%),10月氣團來自為內(nèi)蒙古地區(qū)的北方氣團和西伯利亞大陸性北方氣團?？梢钥闯霰镜貧鈭F、北方氣團是影響榆次區(qū)夏秋季節(jié)的干沉降的主要氣團。

3.3 干沉降水溶性離子影響因素分析

已有研究結(jié)果表明,大氣干沉降與風向、風速、風沙揚塵天氣日數(shù)、降水量、日照時數(shù)、氣溫、相對濕度等氣象要素有關(guān)。將干沉降水溶性陰離子濃度按月變化與中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的對應(yīng)月的降雨以及大氣污染物指標相結(jié)合[38]如圖9所示,圖中降雨頻率較高月份的離子濃度明顯低于降雨頻率較低的月份,降雨之后離子濃度較降雨之前有減少趨勢,可以看到降雨當月的大氣污染物SO2、NO2的濃度比未下雨月低,說明降雨對大氣顆粒污染物有明顯清除作用,有利于空氣質(zhì)量的改善。9月、10月干沉降水溶性離子濃度隨著PM2.5濃度的增加而升高,可能跟這段時間降雨少風速低為靜穩(wěn)天氣有關(guān),靜穩(wěn)天氣條件下大氣中顆粒物主要是通過干沉降去除,因此隨著大氣顆粒物的增加干沉降離子濃度增加。

數(shù)字表示氣團數(shù)目;括號內(nèi)為氣團占比圖8 夏秋季節(jié)各月氣團后向軌跡

圖9 各月干沉降離子濃度與氣象要素的關(guān)系

4 結(jié)論

采集了榆次區(qū)2022年4月至2023年3月53個有效大氣干沉降樣品,并分析其中的水溶性無機陰離子組成及變化特征,探究了干沉降中水溶性陰離子的來源及影響因素,得到以下結(jié)論。

(4)利用HYSPLIT 后向軌跡進行聚類分析后發(fā)現(xiàn),6月氣團源自西伯利亞大陸性北方氣團和榆次區(qū)當?shù)氐臍鈭F,7月氣團來自榆次當?shù)貣|部(29%)和南部氣團(22%),8月氣團主要是為山西南部氣團(45%)和西伯利亞大陸性北方氣團(29%),9月氣團只有西伯利亞大陸性北方氣團(91%)。本地氣團、北方氣團是影響榆次區(qū)夏秋季節(jié)的干沉降的主要氣團,說明干沉降陰離子受本地污染的影響較大,具有局地性。