2017—2022年春節期間西寧市細顆粒物(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.青海大學化工學院,青海 西寧 810016;2.華東理工大學資源與環境工程學院,國家環境保護化工過程環境風險評價與控制重點實驗室,上海 200237;3.青海省環境科學研究設計院,青海 西寧 810007)

眾所周知,大氣細顆粒物(PM2.5)是我國環境保護部門重點關注的污染物之一,會嚴重影響大氣環境質量、能見度和地球輻射等[1-3]。研究顯示PM2.5可能導致嚴重的人類健康影響,導致心血管和呼吸系統疾病[4-5]。隨著工業和城市化的發展,人為源對大氣氣溶膠負荷的貢獻顯著增加,尤其是在我國京津冀等經濟發達地區,PM2.5的影響尤為突出[6]。PM2.5包含大量的無機物以及有機物,水溶性離子是重要的無機物組成部分。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、道路揚塵、生物質燃燒、交通及工業排放等,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系統破壞[8]。因此,通過監測PM2.5中的水溶性離子,了解它們的化學特性、來源以及形成機理,對大氣環境研究具有積極意義。

青藏高原被稱為地球“第三極”,高原環境對全球的氣候環境產生影響[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。近年來隨著經濟的增長以及人口的增加,大氣環境質量并不理想[16]。而隨著人口的增加以及東部污染轉移等因素的影響,西寧市大氣環境保護壓力較大。我國很多城市進行了PM2.5水溶性離子的污染特征研究,但大部分研究集中在經濟發達的地區[17-19],西部地區的西安市[20]、蘭州市[21]、成都市[22]也都進行了相關的研究工作,而關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年春節期間西寧市大氣PM2.5中水溶性離子進行分析,并通過歷年春節期間的數據對比,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產生的影響。

1 材料與方法

1.1 PM2.5采樣

于2017—2022年春節期間在西寧市市區進行觀測實驗,采樣點布設在西寧市第一人民醫院住院部樓頂。采樣點位于西寧市城區中心區域毗鄰互助巷、西大街,為商業及居民混合區。采樣點周圍5 km內無大型工業污染源,是較為典型的市區大氣觀測站點,采樣點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后一天結束,每個春節期間共采集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0.45 μm針孔過濾器過濾,將過濾液裝入進樣瓶后密封冷藏待測。

1.3 質量保障

采樣器使用前,進行流量校準,實驗準備兩臺采樣器,一用一備,確保正常采樣。濾膜使用前需要經過馬弗爐焙燒,1.5 h升溫至600 ℃后焙燒4.5 h以去除有機物,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)進行稱量,每張濾膜稱量3次,3次稱量的誤差應小于0.02 mg。利用離子色譜儀測定水溶性離子時,開機及每次更換淋洗液均需做標準曲線,每個濃度梯度測定3次,取平均值。每完成10個樣品,隨機抽取任意1個樣品進行復檢,重復性相對偏差均低于5%。

2 結果與討論

2.1 PM2.5分布特征比較

2017—2022年西寧市春節期間PM2.5的日平均質量濃度分別為(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,與西寧市國控點在線監測PM2.5濃度對比,二者相關性較好(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年春節期間PM2.5濃度,西寧市春節期間PM2.5濃度總體呈逐漸下降趨勢。2017年春節期間PM2.5的日均濃度超過《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)二級標準(日均值75 μg/m3),西寧市春節期間大氣環境已經受到了PM2.5的嚴重影響,2018—2022年春節期間超過GB 3095—2012中一級標準(日均值35 μg/m3)。春節期間西寧市PM2.5日平均濃度低于成都市[24]、天津市[25]等城市。春節期間PM2.5濃度在除夕和元宵節出現了兩個波峰,明顯高于春節的其他時間段,說明煙花爆竹的燃放對PM2.5濃度有明顯的提升作用。2017年除夕前后出現了一次復合污染過程,強沙塵暴與春節煙花爆竹燃放污染疊加,加之大氣靜穩,不利于污染物擴散,導致PM2.5濃度大大增加,污染時間持續較長[26]。2018年春節未出現2017年春節期間的強沙塵暴,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,將西寧市主城區部分地區設置為禁放區域,煙花爆竹燃放量減少,PM2.5濃度隨之下降,但在除夕和元宵節還是有兩個波峰出現,可能與西寧市煙花爆竹燃放管理政策有關,西寧市劃定了主城區部分地區為禁放區,但其他區域可以燃放,不是全面禁放,雖然采樣點在禁放區,由于大氣的傳輸作用,出現了PM2.5濃度在除夕和元宵節明顯上升的狀況。2020年西寧市繼續實施煙花爆竹燃放管理,疊加疫情的管控措施,西寧市春節期間PM2.5平均濃度較2019年下降。2021年、2022年春節西寧市繼續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年春節期間都發生了幾次浮塵天氣導致空氣質量下降至輕微污染天氣,導致PM2.5濃度下降較少。

圖1 2017—2022年西寧市春節期間PM2.5質量濃度Fig.1 Concentration of PM2.5 during the Spring Festival in Xining City in 2017-2022

西寧市春節期間的污染特點為除夕和元宵節出現兩個明顯的波峰,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。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,由于傳統習慣,人們也會燃放煙花爆竹,PM2.5濃度也有所上升。空氣質量指數(AQI)分析見圖2(數據源:https://sthjt.qinghai.gov.cn/),2017年西寧市春節期間空氣質量最差,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出現了3次輕度污染,其余為良。2019年春節期間西寧市AQI都為良,主要是受浮塵影響。2020年西寧市春節期間空氣質量較好,雖然2020年春節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公共衛生事件一級響應,對交通等實施嚴格的管控措施,AQI持續降低,在西寧市污染較重的春節期間出現了3次AQI為優的天氣。2021年AQI為優的天數占采樣天數接近一半,主要與良好的天氣條件有關,雖然發生幾次浮塵天氣,但擴散較快,沒有形成持續污染狀態。2022年AQI為優的天數只有4 d,其余為良和輕度污染,與2021年春節相比,2022年春節西寧市天氣狀況有所變差,出現陣性浮塵天氣,導致空氣質量下降。西寧市春節期間對AQI影響最大的是沙塵,除夕和元宵節兩天影響較大的是煙花爆竹燃放。

2017—2022年西寧市春節期間PM2.5與溫度(Pearson系數:-0.497～-0.359)、風速(Pearson系數:-0.536～-0.297)呈負相關性(置信度為0.01)。2019—2022年春節期間西寧市未發生嚴重沙塵天氣,總體表現為天氣晴好,微風,有利于污染物的擴散。

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

2.4 水溶性離子的二次轉化

2.5 水溶性離子相關性分析

2.6 主成分分析

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

3 結 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,春節期間PM2.5濃度及水溶性離子在除夕和元宵節出現了兩個峰值。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期間PM2.5的主要源為二次轉化、工業排放、沙塵及燃燒源,PM2.5的污染控制應重點從這幾個方面源進行管控。