2017—2022年春节期间西宁市细颗粒物(PM2.5)中水溶性离子污染特征研究*

胡晓峰 尹永正 修光利 宋维君 巢世军

(1.青海大学化工学院,青海 西宁 810016;2.华东理工大学资源与环境工程学院,国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室,上海 200237;3.青海省环境科学研究设计院,青海 西宁 810007)

众所周知,大气细颗粒物(PM2.5)是我国环境保护部门重点关注的污染物之一,会严重影响大气环境质量、能见度和地球辐射等[1-3]。研究显示PM2.5可能导致严重的人类健康影响,导致心血管和呼吸系统疾病[4-5]。随着工业和城市化的发展,人为源对大气气溶胶负荷的贡献显著增加,尤其是在我国京津冀等经济发达地区,PM2.5的影响尤为突出[6]。PM2.5包含大量的无机物以及有机物,水溶性离子是重要的无机物组成部分。水溶性离子来源于自然和人为源排放,例如海洋、沙尘暴、建筑、道路扬尘、生物质燃烧、交通及工业排放等,通过水溶性离子可以识别PM2.5的来源,因此近年来大气PM2.5中水溶性离子的污染特征得到了广泛研究[7]。水溶性离子作为PM2.5的重要成分,会增加PM2.5对人类健康的潜在影响,造成陆地和水生生态系统破坏[8]。因此,通过监测PM2.5中的水溶性离子,了解它们的化学特性、来源以及形成机理,对大气环境研究具有积极意义。

青藏高原被称为地球“第三极”,高原环境对全球的气候环境产生影响[15]。西宁市位于青藏高原东北部,为青海省省会,人口超过200万,是青藏高原上最大的城市。近年来随着经济的增长以及人口的增加,大气环境质量并不理想[16]。而随着人口的增加以及东部污染转移等因素的影响,西宁市大气环境保护压力较大。我国很多城市进行了PM2.5水溶性离子的污染特征研究,但大部分研究集中在经济发达的地区[17-19],西部地区的西安市[20]、兰州市[21]、成都市[22]也都进行了相关的研究工作,而关于西宁市的研究鲜见,针对西宁市烟花爆竹燃放对水溶性离子影响的研究目前未见报道,西宁市2019年实施了烟花爆竹燃放管理条例,实施效果如何也有待于分析,在西宁市开展此类研究工作具有积极意义。本研究对2017—2022年春节期间西宁市大气PM2.5中水溶性离子进行分析,并通过历年春节期间的数据对比,探讨西宁市2019年开始实施的烟花爆竹燃放管理以及疫情防控措施等对西宁市PM2.5产生的影响。

1 材料与方法

1.1 PM2.5采样

于2017—2022年春节期间在西宁市市区进行观测实验,采样点布设在西宁市第一人民医院住院部楼顶。采样点位于西宁市城区中心区域毗邻互助巷、西大街,为商业及居民混合区。采样点周围5 km内无大型工业污染源,是较为典型的市区大气观测站点,采样点位布置见本课题组以前的研究[23]。利用中流量颗粒物采样器采集PM2.5样品,采样滤膜为石英滤膜(Whatman,90 mm),采样器流量为100 L/min。采样在每年除夕前一天开始至元宵节后一天结束,每个春节期间共采集18个PM2.5样品,共采集样品108个。

1.2 水溶性离子分析

取二分之一称量好的滤膜剪碎放入锥形瓶,加入20 mL超纯水(电阻>18.2 MΩ) ,超声振荡30 min(控制槽水温度在25 ℃),摇床振荡30 min(控制温度在(18±2) ℃,转速在(180±20) r/min),然后超声振荡30 min,保证水溶性离子充分溶解。经0.45 μm针孔过滤器过滤,将过滤液装入进样瓶后密封冷藏待测。

1.3 质量保障

采样器使用前,进行流量校准,实验准备两台采样器,一用一备,确保正常采样。滤膜使用前需要经过马弗炉焙烧,1.5 h升温至600 ℃后焙烧4.5 h以去除有机物,冷却后将滤膜置于恒温恒湿箱中(温度(20±1) ℃,相对湿度30%±5%)平衡24 h;采样滤膜每采样24 h后更换一次,更换后的滤膜放置于冰箱冷冻保存。滤膜在分析测试前放置于恒温恒湿箱(温度(20±1)℃,相对湿度30%±5% )平衡24 h后,再用精度为1 μg的精密分析天平(METTLER TOLEDO Switzerland)进行称量,每张滤膜称量3次,3次称量的误差应小于0.02 mg。利用离子色谱仪测定水溶性离子时,开机及每次更换淋洗液均需做标准曲线,每个浓度梯度测定3次,取平均值。每完成10个样品,随机抽取任意1个样品进行复检,重复性相对偏差均低于5%。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5分布特征比较

2017—2022年西宁市春节期间PM2.5的日平均质量浓度分别为(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,与西宁市国控点在线监测PM2.5浓度对比,二者相关性较好(R2分别为0.98、0.96、0.97、0.98、0.98、0.97),说明采样过程具有较高的可信度。图1为2017—2022年春节期间PM2.5浓度,西宁市春节期间PM2.5浓度总体呈逐渐下降趋势。2017年春节期间PM2.5的日均浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准(日均值75 μg/m3),西宁市春节期间大气环境已经受到了PM2.5的严重影响,2018—2022年春节期间超过GB 3095—2012中一级标准(日均值35 μg/m3)。春节期间西宁市PM2.5日平均浓度低于成都市[24]、天津市[25]等城市。春节期间PM2.5浓度在除夕和元宵节出现了两个波峰,明显高于春节的其他时间段,说明烟花爆竹的燃放对PM2.5浓度有明显的提升作用。2017年除夕前后出现了一次复合污染过程,强沙尘暴与春节烟花爆竹燃放污染叠加,加之大气静稳,不利于污染物扩散,导致PM2.5浓度大大增加,污染时间持续较长[26]。2018年春节未出现2017年春节期间的强沙尘暴,但烟花爆竹燃放量没有减少,PM2.5浓度在除夕及元宵节依旧非常高,但平均浓度较2017年显著下降。2019年西宁市实施烟花爆竹燃放管理措施,将西宁市主城区部分地区设置为禁放区域,烟花爆竹燃放量减少,PM2.5浓度随之下降,但在除夕和元宵节还是有两个波峰出现,可能与西宁市烟花爆竹燃放管理政策有关,西宁市划定了主城区部分地区为禁放区,但其他区域可以燃放,不是全面禁放,虽然采样点在禁放区,由于大气的传输作用,出现了PM2.5浓度在除夕和元宵节明显上升的状况。2020年西宁市继续实施烟花爆竹燃放管理,叠加疫情的管控措施,西宁市春节期间PM2.5平均浓度较2019年下降。2021年、2022年春节西宁市继续实施烟花爆竹燃放管理,PM2.5浓度较2017年与2018年有大幅度下降,但与2020年相比下降较小,2021年和2022年春节期间都发生了几次浮尘天气导致空气质量下降至轻微污染天气,导致PM2.5浓度下降较少。

图1 2017—2022年西宁市春节期间PM2.5质量浓度Fig.1 Concentration of PM2.5 during the Spring Festival in Xining City in 2017-2022

西宁市春节期间的污染特点为除夕和元宵节出现两个明显的波峰,尤其是除夕,PM2.5浓度快速上升,明显高于其他时段,与烟花爆竹的燃放显著相关。与长春[27]、重庆[28]、南昌[29]等城市的研究一致。其他时段如初一、初五两个时间段,由于传统习惯,人们也会燃放烟花爆竹,PM2.5浓度也有所上升。空气质量指数(AQI)分析见图2(数据源:https://sthjt.qinghai.gov.cn/),2017年西宁市春节期间空气质量最差,AQI为轻度污染及以上级别的污染天气占了22.2%,主要是受沙尘天气影响。2018年西宁市AQI出现了3次轻度污染,其余为良。2019年春节期间西宁市AQI都为良,主要是受浮尘影响。2020年西宁市春节期间空气质量较好,虽然2020年春节初期由于气象条件变差等因素西宁市遭遇了轻度污染天气,但从1月26日青海省因疫情实施了重大突发公共卫生事件一级响应,对交通等实施严格的管控措施,AQI持续降低,在西宁市污染较重的春节期间出现了3次AQI为优的天气。2021年AQI为优的天数占采样天数接近一半,主要与良好的天气条件有关,虽然发生几次浮尘天气,但扩散较快,没有形成持续污染状态。2022年AQI为优的天数只有4 d,其余为良和轻度污染,与2021年春节相比,2022年春节西宁市天气状况有所变差,出现阵性浮尘天气,导致空气质量下降。西宁市春节期间对AQI影响最大的是沙尘,除夕和元宵节两天影响较大的是烟花爆竹燃放。

2017—2022年西宁市春节期间PM2.5与温度(Pearson系数:-0.497～-0.359)、风速(Pearson系数:-0.536～-0.297)呈负相关性(置信度为0.01)。2019—2022年春节期间西宁市未发生严重沙尘天气,总体表现为天气晴好,微风,有利于污染物的扩散。

2.2 水溶性离子的污染分布特征

图3 2017—2022年采样期间WSIIs平均值对比Fig.3 Comparison of average WSIIs during the sampling period in 2017-2022

图4 2017—2022年除夕PM2.5中水溶性离子对比Fig.4 Comparison of water-soluble ions in PM2.5 on Chinese New Year’s Eve in 2017-2022

2.3 水溶性离子阴阳离子平衡

颗粒物中阴阳离子是否能达到平衡,通常用阴离子当量和阳离子当量的比值(AE/CE)来衡量阴阳离子的平衡性[32]。如果AE/CE在1附近,说明阴阳离子达到平衡状态;AE/CE大于1,说明PM2.5呈酸性,比值越大则酸性越强;AE/CE小于1,说明PM2.5呈碱性,比值越小则碱性越强。

2.4 水溶性离子的二次转化

2.5 水溶性离子相关性分析

2.6 主成分分析

表1 春节期间西宁市PM2.5中水溶性离子主成分分析结果Table 1 The principal component analysis of water-soluble ions in PM2.5 during the Spring Festival of Xining City

3 结 论

(1) 烟花爆竹的燃放对PM2.5浓度及水溶性离子有明显的提升作用,春节期间PM2.5浓度及水溶性离子在除夕和元宵节出现了两个峰值。2019年西宁市实施烟花爆竹燃放管理措施后,PM2.5浓度及其中水溶性离子在除夕和元宵节两个峰值明显下降,说明禁止燃放烟花爆竹的管理措施有利于PM2.5的控制。

(3) 主成分分析显示西宁市春节期间PM2.5的主要源为二次转化、工业排放、沙尘及燃烧源,PM2.5的污染控制应重点从这几个方面源进行管控。