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碳质气溶胶是大气细颗粒物的重要组成成分,对人体健康、环境及气候都产生了一定影响。其主要组成成分分为有机碳和元素碳,具有不同的来源特征。测定碳质气溶胶样品EC的放射性14C,能很好区分生物质燃烧或化石燃料燃烧这两大来源,因此分离碳质气溶胶中OC与EC具有重大意义。多环芳烃、有机氯农药和多氯联苯属于持久性有机污染物,能长时间存在于环境中,易发生生物累积,能够发生长距离迁移,在迁移过程中会随着有机碳发生干湿沉降,发生气-粒分配,并最终对人类健康及环境造成一定危害。我国东部大气污染严重,专门针对大气有机污染物(如持久性有机污染物、碳质气溶胶)的大气观测站较少,且放射性14C东部工业区监测空白,因此本研究在我国东部浙江宁波一远离市区的山顶上建立了大气环境观测站(NAEO),其数据代表了我国东部工业区的大气本底特性。
本研究首先建立了碳质气溶胶14C分析的前处理制样系统。该系统根据气溶胶中有机碳和元素碳的热化稳定性差异对它们进行分离,并在线分别收集由它们燃烧所产生的二氧化碳,收集后通过“锌密封法”制成石墨靶,用于加速器质谱进行14C测定。流程空白和现代碳标准样品的碳含量和14C测量结果表明此系统可有效满足有机碳从总碳分离测定14C的需求。其次,为了减少有机碳对元素碳的影响,建立了离线分析元素碳放射性14C的测定方法。流程空白和标准样品1649a(Urban Dust)的碳含量和放射性14C结果表明此方法可有效用于元素碳中放射性碳14C的离线分析。
本研究从2009年7月至2010年3月在宁波大气环境观测站对细颗粒物进行了采集和野外观测。分析了PM2.5、有机碳、元素碳、左旋葡聚糖、多环芳烃、有机氯农药和多氯联苯的含量水平、季节变化及来源。并结合大气气流后向轨迹分析、卫星火点资料、潜在来源区域分析(PSCF)和放射性碳源解析模型等手段,综合探讨了我国东部宁波大气环境观测站有机碳、元素碳放射性14C季节变化特征,并定量生物质/化石燃料燃烧贡献比率。其主要结果如下:
(1)生物质燃烧和植物释放是宁波站有机碳的主要贡献者,约占59.8%;化石燃料燃烧是元素碳的主要来源,约占76.7%。夏季生物质燃烧对元素碳贡献比率(39.9%)显著高于冬季(12%),这主要和夏季来自采样点周围区域和邻区大量生物质燃烧活动有关,而冬季则更多地受北方和中部地区燃煤影响。
(2)16种多环芳烃总含量范围为11.0~103 ng/m3(平均46.0±23.4 ng/m3),其的季节变化特征为冬季高夏季低,主要因素为能源变化与大气迁移的双重作用。结合相关性分析、特征化合物比值分析和大气气流后向轨迹分析发现,煤燃烧和生物质燃烧是宁波站多环芳烃的重要来源。
(3)宁波站多环芳烃大气输送通量呈现冬春季比夏秋季高的特点。这与春冬季采样期间盛行南风和从中国次大陆吹向台湾和/或北太平洋的西北风有关。
(4)与其他背景站相比,宁波站大气有机氯农药含量较低而多氯联苯含量较高。六六六、滴滴涕、氯丹和六氯苯季节变化相似,均为冬季高夏季低,主要因素为大气传输。
(5)化合物特征比值表明宁波大气六六六、滴滴涕和氯丹主要为工业六六六、工业滴滴涕和工业氯丹的历史残留。
(6)潜在污染源区分布(PSCF)分析表明我国北部、南部和日本是宁波大气有机氯农药的主要来源。
(7)宁波站多环芳烃季节变化特征为夏季高冬季低,正好和有机氯农药浓度季节变化相反,这主要归因于温度控制的地表挥发。