2. 甘肃省环境监测中心站, 兰州 730030
2. Gansu Province Environmental Monitoring Centre, Lanzhou 730030, China
左旋葡聚糖(levoglucosan, LG)及其同分异构体甘露聚糖(mannosan, MN)和半乳聚糖(galactosan, GT)均为脱水聚糖, 极性较强, 易溶于水, 挥发性低, 化学性质稳定, 暴露在大气光化学氧化剂下不会发生显著地分解反应[1], 尤其是在低温的条件下[2].Lock等[3]研究了LG在气态氧化剂存在条件下的大气稳定性, 含有一定浓度LG的滤膜暴露在建筑物屋顶的阳光下, LG在8 h内没有降解.Hennigan等[4]和Fraser等[5]研究了LG在大气中的酸催化水解, 研究显示即使在酸度很强的条件下LG在10 d内也未出现降解.LG及其异构体仅在含纤维素生物质高温热解的产物中存在, 而在碳水化合物水解过程、微生物转化过程、煤燃烧过程中没有被发现, 故其被认为是一种极好的示踪含纤维素生物质燃烧的分子标志物[6, 7], 且已被广泛用于大气颗粒物源解析研究[8, 9].
生物质燃烧大大增加了一次颗粒物和二次颗粒物的排放.相关研究表明生物质燃烧对PM2.5的形成有很大影响[10], 间接影响全球气候水平[11]和人体健康[12].LG及其同分异构体的测定方法主要有气相色谱质谱法[13]、液相色谱法和安培离子色谱法等[14], 其中安培离子色谱法前处理方法便捷且不使用有毒有害试剂.本研究选用高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测技术, 对4个季节北京及周边的天津、保定、石家庄、济南和郑州这6个城市, PM2.5样品中LG、GT和MN的含量进行测定.分析了该区域这3种脱水聚糖含量水平的城市间差异及季节变化特征, 同时与有机碳(organic carbon, OC)含量进行了对比, 结合区域污染特征和各脱水聚糖间的含量比值, 探讨了生物质燃烧源的类别, 通过掌握生物质燃烧源对北京及周边城市大气PM2.5的影响现状, 以期为京津冀区域大气污染物的来源解析工作提供一定的参考.
1 材料与方法 1.1 采样站位和采样时间在京津冀及周边6个城市(北京、天津、保定、石家庄、济南和郑州)采集PM2.5样品, 采样点位于城市腹地, 采样时间均为早上09:00到次日早上08:00, 6个城市4个季节的采样日期:2016年11月21~25日(冬季)、2017年3月11~20日(春季)、2017年5月16~31日(夏季)和2017年9月13~17日(秋季).共150个样品.
1.2 采样技术采样器均为武汉天虹四通道采样器, 采样流量为16.7 L·min-1, 采样时长为23 h, 采样量约为23 m3.采样滤膜选用直径47 mm的石英纤维滤膜, 在同批次滤膜中设置全程序空白滤膜, 采样结束后用镊子取出滤膜放入滤膜盒中, 0~4℃运输, 到实验室后于-18℃下冷冻保存.
1.3 测定方法3种脱水聚糖的测定:截取面积为1.5 cm2的滤膜样品放入20 mL玻璃瓶中, 加入5 mL超纯水后常温超声振荡30 min, 萃取液用0.22 μm针式滤器(上海ANPEL)、C18有机物净化柱和Na型重金属净化柱(天津博纳艾吉尔)过滤, 滤液转入样品瓶, 用离子色谱(Thermo ICS-5000+)进行分析测试.色谱柱为Dionex CarboPac TM MA1分析柱(4 mm×250 mm)和Dionex CarboPac TM MA1保护柱(4 mm×50 mm), 进样体积200 μL.实验中LG及其异构体标准曲线的相关性均大于0.995;每测5个样品插入一个标准曲线中间点溶液, 确保测量误差小于15%, 若超出15%则需要重新绘制标准曲线;样品加标回收率75%~120%;同时分析实验室空白, 空白的测定浓度均为未检出.
PM2.5的测定:参照标准方法[15], 用丹东瑞特(RT-AWS)自动称膜天平, 对滤膜样品进行平衡和称重, 恒重时两次称量的重量差小于0.04 mg.
EC/OC的测定:用DRI 2000A热光碳分析仪对OC和元素碳(elemental carbon, EC)进行分析.每10个样品做一个平行样, 其中EC和OC的平均算数标准偏差分别为1.02%~5.29%和0.07%~4.87%.
1.4 数据处理与统计分析选用SPSS 24.0软件, 对数据进行相关性分析和差异显著性检验.当P < 0.05认为相关性具有统计意义和显著性差异.
2 结果与讨论 2.1 3种脱水聚糖的季节分布特征 2.1.1 4个季节3种脱水聚糖的浓度水平6个城市LG、MN和GT的季节平均值如图 1所示, 可见6个城市的3种脱水聚糖浓度呈现冬季>春季>秋季>夏季. 3种脱水聚糖中LG浓度最高, 最高浓度出现在冬季为428 ng·m-3, 最低浓度出现在夏季为41.1 ng·m-3, 冬季均值是夏季均值的10倍;MN和GT的浓度相对较低, 高浓度出现在冬季分别为42.3 ng·m-3和29.8 ng·m-3, 低浓度出现在夏季分别为0.8 ng·m-3和0.5 ng·m-3.对4个季节的脱水聚糖数据进行统计分析, P值均小于0.05, 表明4个季节间3种脱水聚糖含量水平有显著性差异.Zhao[16]等研究了西安PM2.5中LG对元素碳来源的贡献, 在生物质燃烧的排放研究中发现西安冬季LG的浓度为夏季的10倍;Wang等[17]研究了2003年我国14个城市的有机气溶胶的时空分布情况, 表明LG占总糖的90%, 冬季糖的平均浓度(700 ng·m-3)是夏季平均浓度(123 ng·m-3)的5倍.可见本研究的观测结果与国内学者研究成果相比并不相悖.
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图 1 3种脱水聚糖的季节分布 Fig. 1 Seasonal distribution of the three anhydroglucoses |
由于监测点位均处于城市腹地, 且近些年环保部门对大面积秸秆焚烧管控较严, 本研究区域虽在9月中旬已进入秋收时节, 但秸秆焚烧现象并不明显, 本研究选择的春季样品在3月中旬, 仍处于采暖季, 有一定的燃料排放, 因此有秋季颗粒物中脱水聚糖浓度低于春季的现象.Pratap等[18]用模型的方式研究了LG在环境空气中的存在周期, 在常温且湿度较高的环境中, 一周内LG浓度显著降低, 但在低于0℃的温度下, 即使相对湿度在60%, LG浓度在一周内的变化也不大.北京及周边区域夏季温度高且降水丰富[19], 温湿度较大, 除相对采暖季排放量较低外, 也更容易降解, 因此有夏季颗粒物中3种脱水聚糖浓度明显偏低的现象.
2.1.2 LG对OC的季节贡献特征LG在3种脱水聚糖中浓度较高, 占比较大, 故将其作为主要示踪物判断生物质燃烧对OC的贡献.LG和PM2.5、OC在4个季节不同时间内的变化趋势, 如图 2所示, 4个季节6个城市PM2.5和OC的均值均呈现春冬季高, 夏秋季低的现象, LG浓度变化曲线与PM2.5和OC的变化曲线趋势相似, 可见在每个季节LG对OC和PM2.5均有一定贡献.为讨论6个城市各季节LG对OC的贡献, 选用基于受体模式的方法建立解析方法, 利用如下公式估算生物质燃烧对OC的贡献.
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图 2 采样时间段内LG、PM2.5和OC的浓度分布 Fig. 2 Concentration distribution of LG, PM2.5, and OC in the sampling period |
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式中, (LG/OC)样品代表PM2.5样品中LG与OC的浓度比值, (LG/OC)源代表生物质燃烧源谱中LG与OC的浓度比值.
假设LG的来源仅为谷类秸秆燃烧, 参照文献[20, 21]对中国谷类秸秆燃烧释放的PM2.5中LG对OC的排放因子即8.3%, 将6个城市各季节样品的比值与8.3%进行对比.结果如图 3所示, 可见6个城市4个季节的比值均低于30%.春季的北京、天津和保定比值在25%~30%之间, 其中保定最高为29.4%;夏季各城市不同季节内比值仅在3.3%~9.0%之间, 其中保定偏高为9.0%;秋季不同城市变化范围较大, 保定的数据偏高为28.2%, 其他城市则在10%~18%之间;冬季济南和北京的比值偏高, 分别为26.3%和23.9%, 石家庄最低, 为12.7%.说明生物质燃烧对6个城市的OC有一定贡献, 生物质燃烧对春秋季保定的OC贡献较大, 其次是冬春季的北京, 冬季的济南和春季的天津.
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图 3 6个城市4个季节LG对有机碳的排放因子与源谱排放因子的比较 Fig. 3 Comparison of the emission factors of LG to organic carbon in six cities and four seasons with the emission factors of source profile |
应用SPSS软件对6个城市LG的监测数据进行统计分析, P值如表 1所示, 可以看出北京与天津、保定、石家庄数据的P值高于0.05, 说明北京的LG浓度与这3个城市无显著性差异.但北京与济南和郑州的数据统计后P值则低于0.05, 说明北京的LG浓度与济南和郑州有显著性差异.从地理位置上看, 与北京无显著性差异的城市距离北京均在350 km以内, 而有显著性差异的济南和郑州则距离北京较远.可能距离较短是导致北京与天津、保定和石家庄的LG有一定同源性的影响因素.
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表 1 6个城市间LG浓度统计分析的P值 Table 1 The P values of statistical analysis of levoglucosan concentration data between six cities |
保定的LG浓度与天津、石家庄、济南和郑州统计分析后的P值低于0.05, 说明保定的LG浓度与这4个城市的差异较大, 而保定仅与北京的LG浓度无显著性差异.
统计6个城市PM2.5中的3种脱水聚糖浓度的年度平均值, 保定、北京、济南、石家庄、天津和郑州LG的浓度水平分别为324.6、276.8、160.4、172.3、196.7和119.3 ng·m-3, 具体如图 4所示.从空间分布来看, 保定的LG含量水平最高, 北京次之, 郑州最低.MN和GT城市间的浓度差异与LG一致, 即保定>北京>天津>石家庄>济南>郑州.
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图 4 3种脱水聚糖的城市分布 Fig. 4 Urban distribution of the three anhydroglucoses |
应用SPSS 24.0软件对样品中3种脱水聚糖进行了相关性分析, 计算Pearson相关性系数r.如表 2所示, LG与MN、GT的相关性很好, 相关性系数分别为0.93和0.96, MN与GT相关性也高达0.97, 表现为极强相关, 同时也证实了3种脱水聚糖的同源性.
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表 2 不同组分间相关性分析 Table 2 Correlation analysis between the different components |
LG、MN和GT相对于OC的相关性系数r为0.769~0.823, 表现为强相关.可见3种脱水聚糖是OC的重要组成成分, 因此LG浓度的季节变化趋势与OC一致.PM2.5的相关系数r为0.584~0.617, 表现为中等程度相关, 故LG浓度的季节变化趋势与PM2.5相似.
2.4 生物质燃烧的来源分析生物质类型不同, 燃烧时所排放的脱水聚糖比率不同[22~25], 故可通过LG/MN、LG/GT、MN/GT等区分不同类型的生物质燃烧源.根据文献[1, 26]的报道, 软木、硬木和作物残渣燃烧后3种脱水聚糖间的参考比值如表 3所示, 6个城市3种脱水聚糖间的比值如表 4所示, 将表 4与表 3的数据进行对比.
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表 3 不同生物质燃烧所排放脱水聚糖的比值 Table 3 Concentration ratios of the three anhydroglucoses from different biomass combustion |
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表 4 6个城市3种脱水聚糖间的浓度比值1) Table 4 Concentration ratio of the three anhydroglucoses in the six cities |
相同季节不同城市LG/MN、LG/(MN+GT)比值基本一致, 比值范围分别是7.6~20.6和4.7~9.6.城市和季节间的MN/GT和LG/GT差异不大. 6个城市LG/MN、LG/(MN+GT)、LG/GT、MN/GT的比值范围分别是7.6~20.6、4.7~9.6、12.7~24.2、1.1~1.8.与表 3比对, 6个城市4季节的比值结果中没有软木2.5~6.7的LG/MN以及1.5~5.1的LG/(MN+GT), 因此6个城市脱水聚糖来源于硬木与作物残渣的概率较大.
2.5 污染过程分析从图 2的PM2.5变化曲线可以看出, 2017年3月16~20日, 6个城市PM2.5浓度均值呈现逐渐升高到降低的现象, 可以将其作为一春季的污染过程进行分析.各城市PM2.5、OC、LG和LG/OC的具体数据如图 5所示, 北京和保定的PM2.5最高浓度出现在3月19日, 其他4个城市PM2.5的最高浓度出现在3月18日, 除郑州外, 其他5个城市的OC浓度变化趋势与PM2.5接近;除保定外, LG的浓度变化趋势并不明显;除保定和郑州外, 其他城市LG/OC在这一污染过程中呈现了逐渐升高的现象.这主要是因为在这一污染时段, 北京、天津、石家庄和济南的LG含量变化不大, OC的逐渐降低导致比值逐渐升高, 可见在该污染过程中LG在PM2.5中的存在状况稳定, 颗粒物浓度的降低对其影响不大, 同时也说明生物质燃烧在该污染过程中不是主导污染因素.
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图 5 春季北京及周边区域污染过程中PM2.5、OC、LG和LG/OC的分布特征 Fig. 5 Distribution characteristics of PM2.5, OC, LG, and LG/OC in the spring pollution process in Beijing and surrounding areas |
(1) 6个城市脱水聚糖浓度水平均呈现出冬季最高, 夏季最低的污染特征, 季节分布规律相似, 4个季节脱水聚糖的含量水平有显著性差异;从空间分布特征来看, 北京与天津、保定、石家庄的脱水聚糖浓度水平无显著性差异, 但北京的LG浓度与济南和郑州的有显著性差异, 其中保定与北京的LG同源性较强.
(2) LG在3种脱水聚糖中含量最高, 3种脱水聚糖间的相关系数r接近于1, 相关性极强, 说明3种聚糖的来源相同, 均来自于生物质燃烧.脱水聚糖是OC的重要组成成分, 对PM2.5也有一定贡献.
(3) 根据3种脱水聚糖含量的比值判断6个城市的生物质燃烧源来源, 与作物残渣和硬木的混合贡献的可能性较大, 来源于软木的可能性小.
(4) 春季的污染过程中, 北京、天津、石家庄和济南的LG在PM2.5中的含量变化不大, 存在状况稳定, 显示该污染过程中受生物质燃烧影响不大.
致谢: 本实验的现场采样工作由6个城市的环境监测站协助完成, 在此表示感谢.
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