丁 銘，朱玉奇，牛志春，葛 順，姜 晟

1．江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036

2．南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210048

隨著江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，農(nóng)作物面積產(chǎn)量不斷提高，秸稈資源也越來越豐富，根據(jù)2013年江蘇省統(tǒng)計年鑒，2012年江蘇農(nóng)作物播種面積達7 651.57千公頃，稻子、谷子、小麥等糧食播種面積為5 336.57千公頃，年秸稈產(chǎn)量約在4 000萬噸左右，但與此同時煤、氣、電等能源已取代秸稈成為農(nóng)村地區(qū)的主要能源，每年大面積秸稈被露天焚燒已成為普遍現(xiàn)象，短時間大量污染物排放到大氣中，極易導(dǎo)致區(qū)域性的顆粒物重污染過程，進而使空氣中懸浮顆粒濃度明顯升高，對人體健康產(chǎn)生嚴重危害［1-4］;能見度下降，對交通安全也構(gòu)成威脅，有時甚至?xí)绊懨窈?、鐵路、高速公路的正常運營，因此秸稈焚燒已嚴重影響區(qū)域性環(huán)境空氣質(zhì)量。依據(jù)大量文獻調(diào)研，目前在臺灣臺中［2］、北京［5］、鄭州［6］、上海［7-8］、南京［9-11］等城市已經(jīng)開展了秸稈焚燒引起的“霾”天氣的研究。但由于測量手段的限制，這些研究往往局限于在某一個觀測點進行離線的膜采樣及組分分析，時間分辨率和空間代表性不高，無法對秸稈焚燒這類區(qū)域性、時段性的污染過程進行全面和深入的觀測研究。筆者耦合了江蘇全省環(huán)境觀測網(wǎng)的顆粒物質(zhì)量濃度在線監(jiān)測和南京超級站的顆粒物化學(xué)組分在線觀測，結(jié)合衛(wèi)星遙感資料和后向軌跡模型，對2013年秸稈焚燒頻發(fā)的6月發(fā)生的一次典型秸稈焚燒引起的重污染過程進行深入分析，以期為江蘇省及長三角地區(qū)的秸稈焚燒控制提供決策支持。

1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自江蘇省內(nèi)72個國控大氣監(jiān)測站測點與17個國控降水測點，對環(huán)境空氣中的PM10、PM2.5質(zhì)量濃度進行測量;對大氣降水中的離子濃度進行分析;深度分析測點位于南京市江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心 6 樓樓頂(32°04'N，118°75'E)，該點位距離地面約18 m，周圍無建筑遮擋，視野較為開闊，觀測結(jié)果一定程度上可以代表南京市典型的商住混合區(qū)域大氣污染水平。使用Marga 1S在線監(jiān)測儀對 PM2.5中鉀離子 (K+)、鈣離子(Ca2+)、鈉離子(Na+)、鎂離子(Mg2+)、銨根離子()、硫酸根離子()、硝酸根離子()、氯離子(CL－)等8種水溶性離子進行濃度監(jiān)測;使用Sunset熱－光法對有機碳、元素碳進行監(jiān)測;使用TH-300B大氣揮發(fā)性有機物在線監(jiān)測系統(tǒng)測量環(huán)境空氣中揮發(fā)性有機物含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM2.5日均質(zhì)量濃度變化

2013年6月共發(fā)生2次污染過程(圖1)，6月10—22日的污染過程最為明顯，自10日起，部分城市PM2.5濃度開始升高，南京、徐州、淮安、宿遷4市達到輕度污染;13日，徐州、淮安、揚州、鎮(zhèn)江、泰州5市達到中度污染;16日，徐州市達到嚴重污染，PM2.524 h平均質(zhì)量濃度為284 μg/m3;之后，PM2.5濃度有所下降，大部分城市空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良－輕度污染之間。

圖1 6月份江蘇省空氣PM2.5日均質(zhì)量濃度變化

2.2 氣象情況

6月10—22日氣象變化情況見表1。

表1 6月10—22日天氣形勢變化情況

由表1可見，全省以多云到陰的天氣為主，有時有小雨;高空500 hpa有低槽過境，致使高空云系增加，14—16、21日受副熱帶高壓(簡稱副高)增強影響，西南水汽北上，同時近地面處于高壓后邊或低壓帶的均勻場內(nèi)，風(fēng)力較小，污染物不容易擴散，有利于顆粒物的吸濕增長及污染積累。

2.3 單站點污染物小時濃度變化

南京市多參數(shù)站6月10—11日對多種污染物小時濃度進行了監(jiān)測，具體情況見圖2。

圖2 南京市省級多參數(shù)站6月10—11日監(jiān)測結(jié)果

由圖2可見，自10日21:00起，PM2.5濃度突然升高，至11日00:00 PM2.5小時濃度最高，達164 μg/m3;氣溶膠顆粒物中黑碳和K+(生物質(zhì)焚燒的指示物［11-12］)伴隨著PM2.5濃度異常升高。K+濃度21:00起突然上升，濃度最高達18 μg/m3，超過6月平均濃度(0.48 μg/m3)37倍;同時黑碳濃度出現(xiàn)峰值，最高濃度達30.4 μg/m3，超過6月平均濃度(12 μg/m3)2.5倍。在這次污染過程期間，地面以北風(fēng)為主，且風(fēng)速較小，僅1 m/s左右，濕度與能見度指標與PM2.5分別呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)與負相關(guān)性，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.530和－0.839。由此可見，在靜小風(fēng)的污染天氣里，隨著地面濕度增加，PM2.5濃度持續(xù)攀升，能見度則迅速減小，其中能見度指標與濕度的相關(guān)性較好，說明在近地面濕度較大，有利于顆粒物的形成。

VOCs小時濃度均值變化見圖3。

圖3 揮發(fā)性有機物1-已烯、乙炔、乙醛變化情況

由圖3可見，6月10日16:00—11日20:00的PM2.5污染過程中，1-已烯、乙炔、乙醛3種揮發(fā)性有機物均出現(xiàn)較高的峰值，最高濃度分別高達36.56、11.47、37.7 μg/m3;1-已烯、乙炔、乙醛相關(guān)性比較情況顯示，污染期間，乙炔與1-已烯小時濃度Pearson相關(guān)系數(shù)達到了0.808，乙炔與乙醛小時濃度Pearson相關(guān)系數(shù)達到了0.640，乙醛與1-已烯小時濃度Pearson相關(guān)系數(shù)則達到了0.808。由此可見，在本次污染過程中，1-已烯、乙炔、乙醛3種揮發(fā)性有機物之間存在較好的正相關(guān)性，根據(jù)李錦菊等［13-14］對秸稈燃燒過程中VOCs排放分析，乙醛、1-己烯和乙炔是來自秸稈焚燒的主要成分，可見此次污染過程可能與秸稈焚燒有關(guān)。

OC(有機碳)、EC(元素碳)日均質(zhì)量濃度變化見圖4。

圖4 OC、EC日均質(zhì)量濃度變化

由圖4可見，6月10—11日 OC與 EC質(zhì)量濃度均出現(xiàn)一次上升過程，OC濃度最高達到14 μg/m3，EC 濃 度 為 4 μg/m3，OC/EC 為3～4。根據(jù)相關(guān)文獻研究［15-16］，秸稈焚燒排放大氣顆粒物的主要組分為碳質(zhì)顆粒與無機水溶性離子，碳質(zhì)顆粒主要為OC和EC組成，石化燃燒(煤、石油、天然氣)排放顆粒物中OC/EC值小于0.4，生物質(zhì)燃放中OC/EC較高，范圍為 3～78［15］，因此進一步說明，此次污染過程與靜穩(wěn)的不利氣象條件下周邊的生物質(zhì)燃燒有關(guān)。

2.4 遙感監(jiān)測及后項軌跡計算

TERRA/MODIS(過境時間每日上午10:30左右)和AQUA/MODIS(過境時間每日下午1:30左右)數(shù)據(jù)與環(huán)保部發(fā)布的“全國秸稈焚燒分布遙感監(jiān)測結(jié)果”見圖5。

圖5 遙感監(jiān)測與后項軌跡計算結(jié)果

由圖5可見，6月10—11日，由于天氣多云有陣雨，江蘇省大部分地區(qū)被云層覆蓋，衛(wèi)星無法有效獲取地面信息，從6月12—22日監(jiān)測結(jié)果來看，安徽、山東、河北、江蘇均發(fā)現(xiàn)了大量火點，其中以12—17日較多，每日發(fā)現(xiàn)火點數(shù)均達到140個左右，利用TrajStat軌跡模式［17］選取時間為6月16日后向48 h，地點分別選在徐州(34°12'N，117°15'E)、連云港(34°35'N，119°10'E)、南京(32°04'N，118°75'E)和蘇州(31°10'N，E120°33'E)4個城市，起始高度為 100、500、1 500 m(AGL)高度氣團進行跟蹤，3條軌跡線主要來自安徽，可見在6月10—22日污染過程的后期，區(qū)域傳輸性復(fù)合污染已較為明顯。

2.5 5、6月降雨中水溶性離子變化

5、6月江蘇省17個國控點降水中離子占比情況(圖6)顯示，6月份K+和NO－3占比明顯高于5月，分別增加了0.7和2.3個百分點，Mg2+和Cl－則有所下降，其余指標則未見明顯變化。

圖6 5、6月污染濃度占比變化

5月未發(fā)現(xiàn)火點，而6月累計發(fā)現(xiàn)火點達160多處，5、6月省內(nèi)降水中K+和NO3－質(zhì)量濃度變化情況見圖7。由圖7可見，6月份K+月均質(zhì)量濃度為3.15 mg/L，與5月份相比，高出19.1倍;NO3－月均質(zhì)量濃度為4.93 mg/L，與5月相比，高出0.5倍，由此可見，大量的秸稈焚燒可能是降水中K+和NO3－升高的原因之一。

4 小結(jié)

此次江蘇省污染天氣過程總體呈現(xiàn)3個特點:一是氣象條件不利于污染物擴散。12—22日江蘇省處于高壓后邊或低壓帶均勻場內(nèi)，風(fēng)力較小，擴散條件較差，加之副熱帶高壓的增強，地面水汽增大，加劇了內(nèi)源性排放污染物的生成;二是秸稈焚燒使得空氣污染加劇，根據(jù)江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心多參數(shù)觀測站在線離子監(jiān)測結(jié)果與全省降水離子監(jiān)測情況來看，秸稈焚燒指示物K+質(zhì)量濃度明顯較高;從污染后期，加之周邊省份(如山東、河北和安徽)發(fā)現(xiàn)的大量火點情況來看，區(qū)域性的秸稈焚燒污染是空氣污染加重的主要原因之一;三是本地污染源的排放促進二次氣溶膠的形成。根據(jù)黑碳監(jiān)測指標和NO－3占比的結(jié)果顯示，2項污染物作為內(nèi)源排放的黑碳、NO－3均有明顯上升。

此外，需要進一步探討的問題如下:一是遙感與傳統(tǒng)的污染監(jiān)測方式不足以及時跟蹤區(qū)域秸稈焚燒的污染過程。以此次江蘇污染過程為例，利用遙感對區(qū)域范圍的秸稈焚燒監(jiān)測，由于受地面云層干擾與衛(wèi)星過境時間的限制，地面火點發(fā)現(xiàn)情況存在滯后性，而傳統(tǒng)的顆粒物監(jiān)測雖然能及時反映污染過程，但并不能確定污染來源的情況，在此次監(jiān)測過程中，僅憑南京市內(nèi)一個多參數(shù)監(jiān)測站點并不能完全描述江蘇受秸稈焚燒污染的整個過程，因此今后在較大區(qū)域敏感范圍內(nèi)，增加環(huán)境空氣離子在線監(jiān)測和VOCs監(jiān)測等地面深度監(jiān)測分析設(shè)備，密切關(guān)注秸稈焚燒動態(tài)，對防控秸稈焚燒污染將大有裨益。

二是在秸稈焚燒期間，不利氣象擴散條件與本地工業(yè)排放是造成區(qū)域重污染的原因之一。從觀測結(jié)果看，在秸稈焚燒高發(fā)的季節(jié)，本地污染物的排放，靜穩(wěn)及高濕氣象條件下污染物的混合造成的二次污染，是形成區(qū)域重污染天氣的原因。

三是要根本解決農(nóng)作物秸稈焚燒問題，應(yīng)加大高科技投入以及技術(shù)推廣工作，搞好農(nóng)作物秸稈的綜合利用，從源頭上解決農(nóng)作物秸稈問題。

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