重庆市典型城区PM2.5有机气溶胶季节变化、来源解析和长距离传输

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作为大气细颗粒物(PM2.5)重要组分,含碳气溶胶主要包括有机碳(OC)和元素碳(EC)。由于对气候变化,人类健康和环境质量的显著影响,含碳气溶胶已逐渐成为国际大气环境研究的前沿和城市大气污染防控的关键。多环芳烃(PAHs)、正构烷烃(n-alkanes)、未分离复杂混合物(UCM)、甾烷(Sterane)和藿烷(Hopane)是OC重要组成部分,广泛存在于大气环境中,可用作OC来源识别标记。其中PAHs因其显著的致癌、致畸、致突变特性,早已成为环境领域热点目标污染物。n-alkanes、甾烷藿烷和UCM是大气颗粒物的迁移传输和来源研究的典型生物标志物,其组成和分布都能反映污染源重要的地球化学信息。本研究基于2015年10月-2016年8月在重庆大学A区煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室楼顶(沙坪坝区)采集的四个季节PM2.5样品(n=77),探讨重庆市典型城区含碳气溶胶(主要包括OC、EC以及OC的重要组分PAHs、n-alkanes、甾烷藿烷和UCM)污染水平与季节变化特征,识别污染源并对源贡献进行定量,同时比对污染天气下含碳气溶胶的诱发原因,以期为进一步开展大气污染预报预警和区域空气治理提供基础科学数据。研究结果表明,重庆沙坪坝区PM2.5中OC、EC?char、soot、?PAHs、?n-alkanes和UCM的年均浓度分别为20.66μg/m~3?6.16μg/m~3?5.42μg/m~3、0.74μg/m~3、38.29 ng/m~3、328.69 ng/m~3和2.52μg/m~3。OC、?PAHs、?n-alkanes和UCM冬季最高,夏季最低;EC?char和soot秋季最高,冬季最低。基于TOR法的7个碳组分PMF源解析识别3个来源,包括生物质/煤燃烧和道路扬尘的混合源(52.70%)、汽油机动车排放源(22.88%)和柴油机动车排放源(24.43%)。机动车尾气是秋季?春季和夏季含碳气溶胶的主要来源,冬季主要受煤炭/生物质燃烧和道路扬尘混合源的影响。采样期间共观测到五次明显污染事件,秋季污染事件含碳气溶胶浓度升高可能是因本地及周边城市汽油车通行量増加。冬季污染事件可能受到本地煤炭/生物质燃烧排放增加和周边农村地区输入的共同影响。春季污染事件生物质/煤燃烧和道路扬尘混合源对含碳气溶胶的贡献增加,可能与来自西北方向的沙尘长距离传输有关。USEPA 16 PAHs中Bb F(7.17 ng/m~3)、Icd P(5.89 ng/m~3)和Bghi P(5.05 ng/m~3)含量最高,以5~6环占比最高(64.6%),其次为4环(27.8%)和2~3环PAHs(7.6%)。PAHs总毒性当量(TEQ)年均值为6.46 ng/m~3,通过呼吸暴露途径对未成年人和成年人造成的年均超额终生致癌风险(ILCR)分别为1.27×10-6和0.73×10-6,冬季PM2.5中的PAHs对人体具有潜在致癌风险。16 PAHs的PMF源解析识别出3个来源,机动车尾气排放(39.28%)为最主要的来源,其次为煤/生物质燃烧源(31.74%)和蒸发/成岩源(28.99%)。秋季、春季和夏季的主要来源是机动车尾气排放源和蒸发/成岩源。冬季主要来源于煤/生物质燃烧。秋季污染天机动车尾气排放源(47.2%)对PAHs的贡献增加,可能与本地及周边城市车辆通行量増加有关。冬季污染天生物质/煤燃烧源的贡献率(62.89%)高于非污染天(56.93%),可能受到本地煤炭/生物质燃烧排放增加和周边农村地区输入的共同影响。春季污染天在机动车尾气排放源(49.73%)和生物质/煤燃烧源(20.53%)的贡献均有所增加,可能受到沙尘长距离传输、机动车排放增加、生物质/煤燃烧增加和气象条件的综合影响。PM2.5共检测出28种n-alkanes,碳数分布为C11-C38,主要以C29为主峰碳。n-alkanes的CPI取值为0.79-1.52,植物蜡含量的平均比例为20.90%。UCM与可分离烷烃组分的比例(U:R)的取值范围为1.29-3.33,夏季比值最低,可能是受温度和光照的驱使,微生物和植物的生命活动旺盛。28 n-alkanes的PMF源解析识别出4个因子,包括化石燃料燃烧源(23.45%)、化石燃料残留源(29.1%)、高等植物蜡排放源(26.1%)和生物质燃烧源(21.33%)。化石燃料燃烧源在春季(34.82%)和冬季(32.05%)对n-alkanes的贡献率较高,主要受到污染排放增加和不利气象条件的影响。化石燃料残留源的贡献率(49.30%)在夏季显著高于其他三个季节,主要是因为光照和温度的驱使有利于化石燃料残余物挥发到大气。高等植物蜡排放源在冬季的贡献率(42.14%)显著高于其他三个季节,可能受到气象条件和污染源排放增多的共同影响。生物质燃烧源的贡献率在秋季最高(47.42%),可能与农民焚烧秸秆等农作物废弃物相关。污染事件中n-alkanes的CPI和Wax Cn均大于对应季节的非污染天,且污染天U:R较低。秋季和冬季污染事件中高等植物蜡排放源的贡献率均略高于非污染天,污染天n-alkanes浓度升高主要受到植物蜡排放增加的影响。春季污染事件中n-alkanes的增加与化石燃料及生物质燃烧活动有关。PM2.5样品中检测出13种藿烷类化合物和12种甾烷化合物,碳数分布分别为C27-C33(无C28)和C27-C29。藿烷以C30αβ为主峰碳,C29αβ为次峰碳。甾烷秋季、春季和夏季以C29ααα(20S)甾烷为主峰碳,冬季以C27ααα(20R)甾烷为主峰碳。藿烷和甾烷总含量的季节变化均表现为冬季>秋季>春季>夏季。Ts/Tm、C30αβ/C31αβ(22R)和C31αβ(22S)/(22S+22R)的年均值分别为1.15±0.20、5.26±0.75和0.59±0.01,指示高成熟度石油烃的输入(如机动车尾气排放)。甾烷C29αββ/(ααα+αββ)和C29ααα(20S)/(20S+20R)的年均值分别为0.40和0.53,主要指示高热成熟度化石燃料残余物的输入。污染事件1和污染事件3中的Ts/Tm和C30αβ/C31αβ(22R)均高于对应非污染天,可能与机动车尾气排放增加有关。污染事件2、污染事件4和污染事件5中的Ts/Tm和C30αβ/C31αβ(22R)均低于对应非污染天,可能受到低成熟度煤或生物质燃烧的影响。对于甾烷,污染事件1和污染事件4的C29ααα(20S)/(20S+20R)略高于非污染天,说明高成熟度石油烃输入的贡献可能有部分增加。污染事件5的C29ααα(20S)/(20S+20R)略低于非污染天,可能受到低成熟度煤或生物质燃烧的影响。500m高度的气团72-h后向轨迹分析发现夏季和秋季主要盛行西南风,气团主要来自中国西南部的云南、广西、贵州、湖南和四川等地区。春季和冬季主要盛行西北风,气团主要来自中国西部的西藏、云南、新疆和青海地区。PSCF分析表明,OC、EC、ΣPAHs和Σn-alkanes的潜在源区主要集中在四川东南部和重庆西部及其相接壤附近区域,UCM的潜在源区主要分布在四川东南部。
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