东北农业耕作和收割时期大气颗粒物排放特征研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:buffon149
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农业耕作和收割时期所排放的大气颗粒物是我国大气颗粒物的重要来源之一,会影响农业区甚至是整个区域的大气环境。东北地区是我国重要的商品粮基地,农田面积占全国总耕地面积的约20%,厘清该地区农业耕作和收割时期大气颗粒物的排放特征,对研究大气污染物对区域空气质量影响及减控措施都具有重要科学意义。本研究依托沈阳农业大学农业科学试验基地(沈阳站)、长春农业综合试验站(长春站)、榆树市农业示范区(榆树站)、大安碱地生态实验站(大安站)、中国科学院海伦农业生态试验站(海伦站)和中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站(三江站)6个站点,开展东北典型农业区耕作和收割时期大气颗粒物排放特征研究。采用重量法(膜采样-天平称重法)和在线实时监测方法(Dustrak8520型智能粉尘仪),于2017年10月-11月和2018年4月-6月份进行了农业区耕种和收割时期的大气颗粒物(PM2.5)样品逐日采集,获取了各站点典型月份的PM2.5质量浓度(基于重量法)、PM2.5和PM10的每分钟实时浓度(基于在线监测法),以及PM2.5化学组分信息(OC、EC、元素和离子)。结合PM2.5质量浓度、化学组分信息、风速和风向等因素,分析了典型农业区的PM2.5及其组分质量浓度的时空变化特征、PM2.5院排放特征,以及PM2.5和气象因素之间的相关性。主要研究结果如下:(1)2017年10月-11月农业收割时期,榆树站的PM2.5质量浓度均值为143μg/m3,高于长春站的PM2.5质量浓度(均值83μg/m3)。2018年4-6月份的6个站点春季农业耕种时PM2.5浓度均值为榆树站>大安站>长春站>海伦站>沈阳站>三江站。2018年4月-6月份农业耕种操作时,Dustrak8520型智能粉尘仪测得PM2.5和PM10的实时浓度结果表明,农业耕种排放的颗粒物强度受风速、土壤湿度和机械扰动力度的共同作用,风速和机械扰动力度越大,土壤湿度越低,土壤颗粒物的排放越强。不同的耕种方式对土壤的扰动力度从大到小为:大型耕种机>家庭用小型耕种机>人工耕种。(2)PM质量浓度和风速风向的相关性分析表明,来自西南方向和南方的污染物输送是长春站污染的主要原因。海伦站污染较轻。榆树站本地污染较重,且东部、南部和北部均是污染高值区。不同采样点周边的农业耕作活动强度和采样点的位置都对采样点颗粒物质量浓度具有显著影响。时间变化分析结果显示,5-6时和18-20时是污染浓度值高峰时期,凌晨和夜间浓度值处于较高的污染水平。各地区农业耕作习惯对站点浓度的日变化具有显著影响。榆树站5月3日-7日的霾污染事件激光雷达数据表明垂直方向上外来污染物的输送和沙尘事件是影响此次霾污染过程的重要原因。(3)2018年春季的6个站点的PM2.5中,碳含量(Total Carbon,TC总碳)从高到低依次为榆树站、海伦站、大安站、长春站、沈阳站和三江站。总碳在颗粒物中的比例(TC/PM2.5)为5%45%,其中榆树站(TC/PM2.5)值最大,三江站值最小。6站点中OC/EC值在315之间,6站点均受到不同程度的二次有机污染。沈阳站、长春站和榆树站的OC和EC可能来自机动车尾气,大安站和三江站可能是生物质燃烧,海伦站是机动车尾气和生物质燃烧。9种水溶性离子质量浓度从高到低为:2017秋季(榆树站>长春站)>2018春季(榆树站>沈阳站>长春站>大安站>海伦站>三江站)。NO3-/SO42-结果表明长春站、榆树站和三江站都是以移动污染源为主,沈阳站、大安站和海伦站是固定污染源为主。阴阳离子平衡分析发现,秋季PM2.5中的离子主要呈酸性,主要是化石燃料燃烧,SO42-和NO3-等阴离子过剩。春季PM2.5中的离子主要呈碱性,主要是土壤尘离子Mg2+和Ca2+含量增加,以及农业种植过程产生的NH3经二次转化生成的NH4+等碱性离子含量增加造成的。元素分析表明,秋季PM2.5中的K元素明显高于春季,春季PM2.5中Al、Ca、Fe和Mg浓度值高于秋季,原因是秋季大量燃烧秸秆,春季农业耕种时扰动土壤造成更多土壤尘逸散到空气中。农业区大气颗粒物质量浓度在不同季节和不同站点之间差异较大;不同农业区周边的污染源排放类型、排放强度和气象条件是影响农业区及周边大气环境的主要因素;本研究所获得的不同农业区大气颗粒物PM2.5质量浓度、化学组分和垂直观测等信息,对于准确定量农业源大气颗粒物排放清单所需要的重要参数和验证数据,以及为减控措施和政策提供科学依据都有重要的科学意义。
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