城郊结合带农业耕作活动对大气PM10和PM2.5的影响——以武汉植物园江夏基地为例

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大气中可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)对环境和人类健康带来巨大威胁,大气颗粒物污染已经成为大气污染的重要问题。目前我国大气PM10和PM2.5主要来自于燃煤、汽车尾气、土壤尘等,关于燃煤、汽车尾气的PM10和PM2.5成分、形成与危害研究较多,而关于PM10和PM2.5中土壤尘的研究受到了忽视。农业耕作活动是PM10和PM2.5中土壤尘的重要来源,在城郊结合带高强度的农业活动(如土地利用、耕作、农药和化肥的施用)能够破坏土壤结构体,使土壤中细颗粒物质呈分散态,并携带重金属等残留物进入大气中,从而对大气环境造成危害。因此本研究旨在探讨农业耕作活动时土壤对大气PM10和PM2.5的影响。  本研究于2013年7月至2014年6月,在中科院武汉植物园江夏基地对PM10和PM2.5进行了春、夏、秋、冬4个阶段的采集。基于PM10和PM2.5监测数据,结合温度、气压等气象因子,探讨了PM10和PM2.5浓度的时间变化规律,同时测定分析了所含元素、组分和矿物等特征,利用富集因子法与化学质量平衡特征分析了武汉植物园江夏基地大气颗粒物组成,并结合矿物颗粒的组成与粒径分布探讨农业耕作活动对大气PM10和PM2.5的影响。所得的主要结论如下:  1、江夏植物园采样点四个季节PM10和PM2.5日均质量浓度均表现为冬季>秋季≈春季>夏季,除夏季之外,其他季节均存在一定的污染超标。夏季、秋季、冬季、春季采样期内PM10的日平均浓度分别为66.23μg/m3、151.36μg/m3、206.23μg/m3和159.01μg/m3,PM2.5的日平均浓度分别为47.54μg/m3、110.91μg/m3、133.49μg/m3、110.83μg/m3,其中冬季PM2.5超标率高达100%;采样期内PM10与PM2.5日均质量浓度呈现很好的线性相关性,夏季、秋季、春季PM2.5/PM10均值约为0.72,而冬季PM2.5/PM10比值为0.66。  2、富集因子法分析结果表明PM10和PM2.5样品中的Si和Ti可能仅来自土壤或岩石风化的尘埃,Al、Cr、Mg、Mn主要来源于土壤尘,而Ca、Cu主要是人为污染源,Cd、Pb富集因子超过100,主要来自于机动车尾气、燃煤燃油、冶金化工尘的贡献;四个季节典型样品中Cd、Pb、Cu在PM2.5富集度都比其在PM10中的富集度高。  3、PM10和PM2.5中8种水溶性离子、有机碳(OC)和元素碳(EC)均呈现明显的季节变化,其冬季含量最高,春秋季次之,夏季最低。采样期内样品PM2.5和PM10偏酸性,夏、秋、冬、春四季PM10样品中水溶性离子总的占比分别为48.31%、43.97%、50.55%和38.24%,而其中二次离子(SO42-、NO3-和NH4+)在PM10中占比分别为37.96%、39.17%、42.53%和41.22%;采样期内夏、秋、冬、春四季PM2.5样品中水溶性离子总的占比分别为25.86%、44.70%、47.17%和40.63%,二次离子占比分别为21.83%、40.82%、41.60%和37.73%; PM10样品中OC的质量浓度范围为10.73-20.60μg/m3,EC为1.95-3.06μg/m3,OC/EC比值的范围为5.50-6.73; PM2.5样品中OC的质量浓度范围为8.42-15.36μg/m3,EC为1.43-2.59μg/m3, OC/EC比值的范围为3.93-6.96。  4、翻耕期土壤的扰动向PM10和PM2.5中贡献了高岭石、长石、赤铁矿和磁铁矿等土壤组分,耕作过程扰动土壤使得云母富集在2.5-10μm颗粒中。相较于PM2.5,耕作过程对PM10的矿物组分影响更大。  5、秋季耕作期内PM10和PM2.5中矿物颗粒粒径分布峰值向大粒径方向偏移,PM10(2.5-10μm)、PM2.5(1.0-2.5μm)中大颗粒的比重增加,耕作期内土壤扰动对PM10和PM2.5中贡献了较大粒径的颗粒。  6、根据化学质量平衡特征分析,PM10中有机质(OM)、土壤尘、SO42-、NO3-、NH4+、EC和其它组分分别占比为23.99%、18.18%、14.89%、14.16%、6.31%、2.49%、19.98%。PM2.5中OM、土壤尘、SO42-、NO3-、NH4+、EC和其它组分分别占比为26.62%、13.44%、16.28%、11.39%、7.05%、2.97%、22.25%。
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