宝鸡大气气溶胶(PM10)化学组成和来源解析

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为了解我国内陆城市地区大气颗粒物化学组成和来源,我们于2008年冬春季在宝鸡四个典型功能区(商贸区,生活区,交通干道,郊区背景点),采用KC-6120型TSP采样器(青岛崂山)采集44个PM10样品,在分子水平上分析颗粒物的有机和无机组成,并根据分析结果对化学组分及颗粒物本身的来源进行定性判断和定量分析,  宝鸡市冬,春季PM10平均浓度分别为401±100μg/m3(207-574μg/m3)和410±160μg/m3(158-691μg/m3),显著高于我国东南沿海城市地区.冬季采暖期煤碳,生物质等燃料使用量增加及不利的地理气象因素(静风,三面环塬)加剧了颗粒物污染;春季温度升高,风力增强导致土壤扬尘和风沙对颗粒物浓度贡献迅速升高.颗粒物粒径分布特征表明,春季粗模态(>2.1μm)颗粒物占TSP的质量分数较冬季增加20%.冬季PM10浓度空间分布趋势为:大庆路(交通干道,461±56μg/m3)>经一路(商贸中心,455±65μg/m3)>监测站(生活区,383±115μg/m3)>庙沟村(郊区背景,308±84μg/m3);春季为经一路(455±65μg/m3)>大庆路(461±56μg/m3)>监测站(383±115μg/m3)>庙沟村(308±84μg/m3).  PM10中正构烷烃(C18-C33)总浓度在冬春季分别为1733±990 ng/m3和449±268 ng/m3.分子组成及CPI值(奇数/偶数,冬季1.3,春季1.6)表明化石燃料燃烧是主要来源.冬春季颗粒态多环芳烃(PAHs)浓度分别为594±405 ng/m3和128±82 ng/m3,远高于我国东部城市.PAHs各特征比值(如IcdP/(BghiP+IcdP), BghiP/BeP, CPAHs/Σ PAH)同燃煤烟尘更接近,且PAHs总浓度和来源于化石燃料燃烧的正构烷烃浓度有显著相关性(R2≥0.85),进一步表明燃煤是宝鸡地区颗粒态正构烷烃和PAHs的主要来源.  生物质焚烧有机示踪物中,levoglucosan浓度最高,冬春季分别达到901 ng/m3(430-1894 ng/m3)和261 ng/m3(87-644 ng/m3),依次为galactosan,1,6-anhydrogluco-furanose和mannosan,各组分冬季浓度远高于春季,表明生物质燃料仍然是宝鸡市周边农村地区冬季采暖的重要能源之一.相反,糖类有机物春季浓度高于冬季,可归结于春季富含活性微生物土壤扬尘对颗粒物贡献的增加;sucrose浓度最高,冬春季浓度分别为219 ng/m3(0.9-1736 ng ng/m3)和473 ng/m3(4.0-2709 ng/m3).糖醇类有机物不一致的季节差异表明除真菌孢子外,可能还存在其它来源,有待进一步研究.饱和脂肪酸(C12∶0-C30∶0)冬季浓度达到2020 ng/m3(407-3962 ng/m3),约为春季2倍;分子组成呈明显偶数分布优势,较高的CPI值(偶数/奇数,冬季9.4,春季14)体现生物质来源影响;冬季高分子量(HMW)脂肪酸浓度的急剧升高可能也和生物质燃料的使用有关.  9种二元羧酸(C2-C10)中,乙二酸浓度最高,冬春季分别为0.85±0.23μg/m3和0.50±0.23μg/m3,占二元酸总量的53±7.2%和41±9.2%;冬季二元羧酸总量(1.58±0.28μg/m3)高于光照更强烈的春季(1.18±0.32μg/m3).因为冬季逆温层的形成也有利于光化学反应进行,此外由于采暖燃煤排放出更多的挥发性有机物,这些前体物(precursors)迸一步发生光化学氧化,从而导致二元羧酸冬季浓度较春季高.尽管冬季一次排放源(煤,生物质燃烧)贡献更高,C3和C4浓度比值(冬季0.85±0.11,春季0.93±0.08)说明宝鸡地区二元羧酸更倾向二次源,春季由于采暖期结束和土壤扬尘对PM10贡献率增加,PM10中有机质(organic matter, OM=OC×1.6)含量较冬季下降约10%.本研究所分析的有机组分冬春季分别占总有机质的6.96%和5.68%.各有机组分浓度同有机碳(OC)在空间分布上保持一致,均在商贸区达到最大值,在郊区达到最低;而元素碳(EC)浓度空间分布则体现了各点受交通污染的影响程度,在交通干道区达到最高,  本研究所分析15种元素中,Al,Fe,K和Mg浓度最高,冬春季均超过1μg/m3; Cd和Co浓度最低,冬春季均不超过10 ng/m3.冬春季所有元素浓度之和约占PM10质量浓度的4.9%和7.9%.各元素富集因子(EFs)表明宝鸡地区仅有Cu,Cd,Pb和Zn四种元素来源与人为活动有关,其它元素均主要来自自然源.来自自然源元素浓度的空间分布同PM10相一致,Pb和Zn浓度的空间分布则主要受燃煤和交通影响,  运用主成分分析(PCA)和正矩阵因数分解(PMF)模型分别对所选择的18种组分进行定性定量源解析,两种模型均从源数据中分离出四各因子,相对应因子的成分谱非常吻合,各因子所代表的颗粒物来源由成分谱中的特征组分确定,结果如下:因子1代表土壤,风沙,道路扬尘,特征组分为Fe,Sr, Ti,并且该因子对PM10贡献最高,PMF结果为49%;因子2代表生物质焚烧,特征组分为levoglucosan,galactosan,vannilic acid和C24∶0;因子3代表微生物排放,特征组分为fructose和sucrose;因子4代表化石燃料燃烧及潜在的糖醇类物质来源,特征组分为Pb,Zn,arabitol和mannitol.
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