2. 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092;
3. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012;
4. 广西大学环境学院, 南宁 530004;
5. 清华大学环境学院, 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室, 北京 100084
2. College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;
3. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
4. Environment College, Guangxi University, Nanning 530004, China;
5. State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
类腐殖酸(HULIS)是一类从大气颗粒物、 云、 雾以及雨水中提取出的有机分子,因与陆地、 水体中的腐殖酸和富里酸有相似的结构而得名[1]. HULIS相对于陆地、 水体中的腐殖酸平均分子量较小,芳环结构较少,脂肪链结构较丰富[2, 3],含有多环芳香烃、 酚类和酸性官能团. 大气颗粒物中的HULIS是水溶性有机物WSOC和二次有机气溶胶SOA的重要组成部分,对空气质量有一定影响. 因其具有较强的水溶性和表面活性,在云凝结核(能够被激活形成云滴的气溶胶粒子称为云凝结核)、 冰核的形成和气溶胶的吸湿性增长,以及大气化学(有机污染物的液相氧化和气溶胶表面的臭氧损耗)等过程中发挥着重要作用,从而对大气辐射平衡和全球气候变化产生直接或间接的影响[4]. 近几年又发现类腐殖酸对人体健康存在一定的负面影响[5].
对HULIS的污染特征和来源研究具有很重要的意义. 北京APEC会议在会议期间实施了严格的污染控制措施,减排的污染源主要包含工业源、 交通源和生物质燃烧源等,不同过程(污染控制前中后)HULIS来源的显著变化,使得采样过程中HULIS的污染特征和来源的信息更加丰富,为HULIS的污染特征、 转化和来源的研究提供了较好的机会. 为保障2014年亚太经济合作组织会议(APEC)期间的空气质量,会议前北京市政府和周边地区政府进行了一系列的污染防治措施. 北京在会议期间(11月3-12日)采取了非常严格的强化减排控制措施:11月3-12日实行机动车单双号限行、 11月7-12日在京政府机关和企事业单位放假调休6 d、 全市所有施工工地停工,企业停产并且在北京周边五省区市实施多种污染物协同减排等措施. 本研究通过对会议前中后期北京大气颗粒物中HULIS的分析,了解各种减排措施的对HULIS综合效应,以期为以后HULIS研究提供一些依据.
1 材料与方法 1.1 样品采集本研究采样地点位于北京市石景山区中国科学院大学科研楼顶 (39.92°N,116.26°E),采样高度距地面约8 m,对北京市大气污染状况有较好的代表性[6]. 具体采样点位图如图 1所示. 采样期分为2014年10月29日至11月2日、 11月3日至11月12日、 11月13日至11月15日这3个阶段共18 d:其中2014年10月29日至11月2日代表APEC会议前期,北京周边五省区市未采取强制减排措施; 2014年11月3日至11月12日代表APEC会议期间,北京周边五省区市开始采取强制减排措施; 2014年11月13日至11月15日代表会议后期,北京周边五省区市强制减排措施结束. 样品采集使用Thermo TE-6070大流量(1.13 m3 ·min-1)PM2.5采样器,共采集18个样品. 采样使用石英滤膜,采样前置于马弗炉内在480℃高温下灼烧4 h.
![]() | 图 1 采样点位示意 Fig. 1 Sampling map |
有机碳(OC)和元素碳(EC)使用美国DRI的Model 2001A型热/光碳分析仪; 水溶性有机碳(WSOC)样品用KQ-500DB型数控超声波清洗器促进样品溶解,用0.45 μm Teflon滤头过滤得水溶液后立即上机分析. 样品分析使用总有机碳分析仪TOC,型号为德国耶拿Multi N/C 3100; 水溶性离子(Water-Soluble Ions,WSI)样品预处理方法同WSOC样品预处理. 样品分析使用ICS-2100离子色谱仪进行分析. HULIS样品预处理参考Varga等[7]的方法. 样品前期提取同WSOC样品预处理,所得滤液用2 mol ·L-1的盐酸调节至pH=2,将酸化后的提取液导入装有Waters Oasis HLB小柱(3 cc,60 mg)的固相萃取装置,大分子的HULIS会截留在小柱上,而小分子的WSOC,无机盐等会随着溶液流出小柱. 向HLB小柱中加入含2%氨(优级纯)的甲醇溶液(色谱纯)对吸附在小柱上的HULIS进行洗脱,洗脱液经氮气吹干后加Milli-Q超纯水重新溶解后,以萨旺尼河黄腐酸(SRFA,Suwannee river fulvic acid) 和北欧黄腐酸(NAFA,Nordic aqueous fulvic acid)为标准参考物质,高效液相配置蒸发光散射检测器即HPLC串联ESLD(型号为Agilent1260)检测器进行定量分析.
1.3 气象数据来源观测期间气象数据采用“wunderground”网站公布的北京市(40.1 °N,116.6 °E)气象观测数据.
2 结果与讨论 2.1 HULIS污染水平如表 1所示APEC采样期间的PM2.5、 OC、 EC、 WSOC和HULIS的平均浓度分别为49.72、 11.88、 2.25、 6.21和6.63 μg ·m-3. 其中APEC采样期间大气颗粒物中HULIS 的浓度范围为1-15 μg ·m-3. 本研究的采样时间包括了APEC会议前、 中、 后这3个时期. 其中PM2.5浓度分别为58.42、 43.23和56.84 μg ·m-3; OC浓度分别为10.48、 10.71和18.10 μg ·m-3; EC浓度分别为2.33、 2.02和2.86 μg ·m-3; WSOC浓度分别为6.28、 5.73和7.73 μg ·m-3; HULIS浓度分别为7.99、 5.83和7.06 μg ·m-3(图 2). 由数据可以看出会议期间相对于会议前HULIS、 EC、 WSOC和PM2.5分别下降了27.05%、 13.10%、 8.81%和26.01%,OC变化很小. 其中HULIS的浓度下降程度明显快于EC与WSOC,较快于PM2.5. 会议后期间相对于会议中期间HULIS、 OC、 EC、 WSOC和PM2.5分别升高了21.10%、 68.99%、 41.42%、 34.91%和31.50%. 在此期间HULIS的浓度上升程度明显慢于OC、 EC、 WSOC和PM2.5. 与国内外地区相比(表 2),北京采样期间的HULIS浓度低于广州冬季,和广州夏季相近,高于香港,远高于美国纽约、 匈牙利布达佩斯、 法国巴黎、 法国马赛和新西兰奥克兰.
![]() | 表 1 北京APEC期间主要污染物浓度 /μg ·m-3 Table 1 Concentration of main air pollutants during the Beijing APEC/μg ·m-3 |
![]() | 图 2 北京APEC期间PM2.5、 OC、 EC、 WSOC、 HULIS日均浓度变化 Fig. 2 Variation of daily averaged concentrations of PM2.5,OC,EC,WSOC and HULIS during the Beijing APEC |
![]() | 表 2 国内外不同城市HULIS浓度比较 Table 2 Comparison of HULIS in different cities worldwide |
OC和WSOC是PM2.5的重要组成部分. 对OC在PM2.5中所占的比例和WSOC在OC中所占的比例进行分析. 如图 3所示:采样期间OC占PM2.5的25.79%,会议减排前、 中和后所占比例分别为20.69%、 26.36%和32.35%. 对于WSOC在OC所占的比例,采样期间、 会议减排前、 中和后分别为54.93%、 62.83%、 54.00%和44.89%. OC在PM2.5的比例依次增加,而WSOC在OC所占的比例依次降低,不同期间比例差异明显,说明来源的变化以及气象条件的改变对OC和WSOC影响较大.
![]() | 图 3 北京APEC期间HULIS/PM2.5、 HULIS-C/OC和HULIS-C/WSOC等的变化 Fig. 3 Variation of HULIS/PM2.5,HULIS-C/OC and HULIS-C/WSOC etc during the Beijing APEC |
对HULIS在PM2.5、 WSOC和OC中所占的比例进行分析. 结果表明:HULIS占PM2.5在采样期间、 会议减排前、 中和后分别为13.60%、 13.59%、 14.02%和12.22%. HULIS占PM2.5的值在采样期间变化不大,可见一次源的减少对HULIS在PM2.5中的含量影响不是很大. 再看HULIS-C[15]/OC的值和HULIS-C/WSOC的值依次为28.95%、 35.51%、 28.37%、 19.93%和52.75%、 59.58%、 51.54%、 45.39%. 在会议减排中HULIS-C/OC的值和HULIS-C/WSOC的值相对于减排前下降了近10%,且会议减排后HULIS-C/OC的值和HULIS-C/WSOC的值相对于减排中又下降了近10%. 可知一次源的减少会使HULIS-C/OC和HULIS-C/WSOC的值下降,而在一次降低一定时间后,一次源的增加不会立即使HULIS-C/OC的值和HULIS-C/WSOC的值上升反而会继续下降. HULIS-C/WSOC的值和HULIS-C/OC的值随着大气颗粒物中HULIS含量的增加都表现出明显的逐渐增大的趋势,HULIS-C/WSOC增加幅度比HULIS-C/OC的增加幅度要大. 由此可见:随着大气颗粒物中HULIS含量的增加,HULIS在WSOC和OC中所占的比例越来越高. 另外,HULIS-C/EC的值随着大气颗粒物中HULIS含量的增加也表现出增加的趋势,并且增加幅度比HULIS-C/WSOC和HULIS-C/OC的增加幅度要大.
2.3 HULIS与气象参数的关系图 4为采样期间气象因子的湿度和风速的值分别与HULIS浓度进行的相关性分析,分析发现: HULIS与湿度呈显著正相关,相关系数为0.707(P<0.01),可见湿度的增加可以使得HULIS的值上升; 而HULIS与风速呈显著负相关,相关系数为-0.689(P<0.01),故风速的增加可以使得污染物质的扩散加快,使得HULIS的值下降. 此次采样过程中,会议减排前的湿度和风速分别为58.2%和10.0 km ·h-1,HULIS的浓度是7.99μg ·m-3; 会议减排中的湿度和风速分别为46.7%和9.4 km ·h-1,HULIS的浓度是5.83μg ·m-3; 会议减排前的湿度和风速分别为37.7%和8.0 km ·h-1,HULIS的浓度是7.06μg ·m-3. 相对于会议减排前,会议减排中的气象因子对HULIS浓度的降低起到了一定的作用.
![]() | 图 4 风速和湿度对HULIS浓度的影响 Fig. 4 Influences of wind speed and humidity on HULIS |
大气中HULIS来源有:地壳土壤源[16]、 海洋飞沫[17, 18, 19]、 生物质燃烧[20, 21, 22, 23]、 汽车尾气[24]以及大气中的二次反应过程[25, 26, 27]. 但汽车尾气排放作为HULIS另一个可能的来源,目前尚有争议[28]. 然而,近几年的研究发现,源于地壳土壤的HULIS量基本可以忽略不计. 沿海地区和北极地区大气颗粒物中的HULIS大量来自于海洋飞沫,而内陆地区来自海洋的HULIS量非常少. 通过表 1可以知道APEC采样期间,Na+和Cl-的浓度分别为0.33μg ·m-3和2.30μg ·m-3,可见海洋飞沫不是采样期间HULIS重要来源.
用HULIS的浓度和采样期间K+的浓度做相关性分析,分析发现: HULIS与K+呈显著正相关,相关系数为0.929(P<0.01). 大气颗粒物中水溶性K+可以作为生物质燃烧的指示物[29, 30, 31],HULIS的浓度水平和K+的相关性很好,因此生物质燃烧可能是APEC期间北京大气颗粒物中HULIS的重要来源之一. 图 5是采样期间24 h后向轨迹. 模式选用采样点500作为气团轨迹计算的起始高度. 从中可知一般情况下采样期间气团传输距离比较近,受局地影响比较明显,污染浓度较高,传输距离比较远,受区域影响比较明显,污染浓度较低. 并且从南北方传输的情况也不一样,南方传输过来形成的污染浓度明显高于气团从北方的传输. 如10月29日、 10月30日和11月4日的气团从南方传递过来并且传输距离短,这3 d的HULIS浓度为采样期间最高的3 d,HULIS浓度分别为14.28、 12.78和12.26μg ·m-3; 11月3日气团从北方传递过来并且传输距离长,HULIS浓度为7.45μg ·m-3; 11月8日气团从北方传递过来但传输距离短,HULIS浓度为8.02μg ·m-3. 周边的生物质燃烧污染源随着气流传输到北京后,加之北京处于静稳天气污染物扩散受到限制,成为造成北京HULIS和水溶性K+浓度升高的一个重要原因. 综上可知,生物质燃烧可能是北京大气颗粒物中HULIS的一个重要来源.
![]() | 图 5 后向轨迹图 Fig. 5 Backward trajectories |
用HULIS-C/OC和WSOC/OC做相关性分析,排除特殊点的影响如图 6所示,HULIS-C/OC与WSOC/OC呈显著正相关,相关系数为0.717(P<0.01). WSOC/OC可以表示二次转化的程度,样品中的HULIS-C/OC和WSOC/OC具有显著的相关性,可知二次转化也可能是HULIS一个重要来源.
![]() | 图 6 北京APEC期间HULIS和K+、 HULIS-C/OC和WSOC/OC的相关性 Fig. 6 Correlation between HULIS and K+,HULIS-C/OC and WSOC/OC during the Beijing APEC |
(1)APEC采样期间大气颗粒物中HULIS的浓度范围为1-15μg ·m-3. 会议前、 中、 后这3个时期,HULIS浓度分别为7.99、 5.83和7.06μg ·m-3. 会议减排对降低HULIS浓度起到了一定作用. 在会议期间HULIS的浓度下降程度明显快于EC与WSOC. 会议之后HULIS的浓度上升程度明显慢于OC、 EC、 WSOC和PM2.5.
(2)HULIS占PM2.5的值在采样期间变化不大,在采样期间、 会议减排前、 中和后期分别为13.60%、 13.59%、 14.02%和12.22%. HULIS-C/OC的值和HULIS-C/WSOC的值依次为28.95%、 35.51%、 28.37%、 19.93%和52.75%、 59.58%、 51.54%、 45.39%. 随着大气颗粒物中HULIS含量的增加,HULIS在WSOC和OC中所占的比例越来越高.
(3)HULIS与湿度呈显著正相关,湿度的增加可以使得HULIS的浓度上升; HULIS与风速呈显著负相关,风速的增加可以使得污染物质的扩散加快,使得HULIS的浓度下降.
(4)生物质燃烧是北京大气颗粒物中HULIS的一个可能重要来源,二次转化可能是HULIS的另一个重要来源.
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