孫啟斌, 肖紅偉, 肖化云,3, 張忠義

1.東華理工大學(xué), 江西省大氣污染成因與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330013 2.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 江西 南昌 330013 3.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 南昌 330013

南昌市大氣降水化學(xué)特征及來(lái)源分析

孫啟斌1,2, 肖紅偉1,3*, 肖化云1,2,3, 張忠義1,3

1.東華理工大學(xué), 江西省大氣污染成因與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330013 2.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 江西 南昌 330013 3.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 南昌 330013

為分析南昌市大氣降水離子來(lái)源和源區(qū)，對(duì)南昌市2016年4—9月大氣降水樣品主要陰陽(yáng)離子的組成進(jìn)行了測(cè)定分析，并運(yùn)用PMF(正定矩陣因子分解)模型分析來(lái)源和TrajStat軟件模擬后向軌跡. 結(jié)果表明：NH4+和Ca2+是南昌市大氣降水中的主要陽(yáng)離子，加權(quán)平均濃度為65.3和23.9 μmolL，分別占陽(yáng)離子總量的57%和21%；SO42-和NO3-是主要陰離子，加權(quán)平均濃度為60.4和25.3 μmolL，分別占陰離子總量的56%和23%.c(NH4+)、c(Ca2+)、c(K+)、c(Mg2+)、c(Na+)、c(Cl-)、c(NO3-)之間均存在著較為顯著的相關(guān)性，說(shuō)明它們之間可能有相似的來(lái)源或形成化合物共同存在. 結(jié)合PMF模型分析結(jié)果表明，Na+、Cl-很明顯受到了海鹽的影響，也部分受土壤和二次污染影響；K+、Mg2+、Ca2+大部分來(lái)自于土壤，海鹽、二次污染也貢獻(xiàn)了一部分的K+；SO42-、NH4+和NO3-是組成大氣二次顆粒物的主要成分，主要由二次污染源貢獻(xiàn)；煤燃燒貢獻(xiàn)了主要的F-和部分SO42-. 后向軌跡模型分析表明，南昌市大氣降水主要受局地降雨氣團(tuán)影響，5月、8月、9月受陸源及人為影響較大，海源性離子經(jīng)過(guò)內(nèi)陸上空時(shí)被稀釋或沉降，導(dǎo)致6月、7月來(lái)自于海洋上空的降雨氣團(tuán)對(duì)南昌影響不大. 研究顯示，SO42-對(duì)南昌市大氣降水的影響逐漸增大導(dǎo)致降雨類型逐漸由混合型向硫酸型轉(zhuǎn)化，人為影響是造成大氣污染的主要原因.

南昌； 大氣降水； 化學(xué)組成； 正定矩陣因子分解模型； 后向軌跡

隨著我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)以及工業(yè)化、城市化的加速，長(zhǎng)江以南地區(qū)已成為全球強(qiáng)酸雨中心[1]. 大量研究表明，降水中污染離子主要來(lái)源于化石燃料燃燒、工業(yè)廢氣以及生物質(zhì)燃燒等[2-4]，其中化石燃燒產(chǎn)物NOx和SO2是導(dǎo)致酸雨現(xiàn)象的主要前體物，人類活動(dòng)釋放的污染物存在于大氣中[5-6]，通過(guò)大氣轉(zhuǎn)化以及干、濕沉降去除[7-9]，對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響，其中，大氣降水作為濕沉降的一種，能夠有效去除大氣中的顆粒物和污染氣體[10]. 研究表明，大氣降水是一種復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[11]，降水的化學(xué)組成與大氣污染及氣象條件、地理位置、地形地貌等因素密切相關(guān)[6,12-13]，對(duì)大氣降水進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析對(duì)于評(píng)估當(dāng)?shù)乜諝猸h(huán)境質(zhì)量以及人為活動(dòng)對(duì)大氣的影響有著重要的指示作用[14].

南昌市是長(zhǎng)江中游城市群的重要城市，降水酸化程度高，污染較為嚴(yán)重[9]，近年來(lái)，城市化加劇導(dǎo)致南昌污染物排放有增加的趨勢(shì)，而且南昌市工業(yè)布局欠妥，污染物不易擴(kuò)散[15]，高溫高濕度下很容易使NOx及SO2轉(zhuǎn)化為H2SO4、HNO3等物質(zhì)[16]. 為了更好地了解大氣降水中污染物的來(lái)源貢獻(xiàn)以及大氣降水的時(shí)空變化，于2016年4—9月對(duì)南昌市大氣降水進(jìn)行連續(xù)采樣，主要分析其水溶性無(wú)機(jī)離子，結(jié)合PMF(positive matrix factorization，正定矩陣因子分解)模型以及后向軌跡模型識(shí)別降水中離子的主要來(lái)源及貢獻(xiàn)分配，以期為今后的研究提供參考和依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

南昌市地處江西中部偏北，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候濕潤(rùn)溫和，日照充足，一年中夏冬季長(zhǎng)、春秋季短. 春季陰雨天氣較多，日照偏少. 雨季主要在4—6月，總降水量占全年近50%，暴雨天氣及洪澇災(zāi)害大多出現(xiàn)在雨季. 年平均氣溫為17 ℃，年降水量1 600～1 700 mm，年平均相對(duì)濕度為78.5%.

1.2 采樣與分析方法

采樣時(shí)間為2016年4—9月. 采樣點(diǎn)位于東華理工大學(xué)南昌校區(qū)校園內(nèi)，周圍無(wú)明顯局地污染源. 樣品的采集使用專用聚乙烯收納箱，在收集雨水前，用Milli-Q超純水反復(fù)沖洗收納箱內(nèi)部，在不下雨時(shí)將收納箱蓋上蓋子保存，下雨時(shí)敞開(kāi)蓋子，以防止大氣中的干沉降影響. 采集過(guò)程中，將處理后的雨水用洗凈的純凈水瓶進(jìn)行保存. 共采集52份樣品.

雨水樣品用孔徑0.45 μm的微孔濾膜進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾完的一部分雨水分別裝于兩個(gè)15 mL離心管中，用于測(cè)定陰、陽(yáng)離子的質(zhì)量濃度，其余雨水裝于洗凈的純凈水瓶中，用于后期對(duì)N和S的同位素進(jìn)行測(cè)量，裝有雨水的純凈水瓶與離心管共同放置在-20 ℃ 冰箱里保存. 水樣中主要陰離子(F-、Cl-、NO3-、SO42-)濃度用ICS-90型離子色譜儀(美國(guó)Dionex)測(cè)定，檢出限分別為1.58、0.845、1.29、0.781 μmolL，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.57%、2.55%、1.16%、1.36%. 陽(yáng)離子(Ca2+、K+、Mg2+、Na+)的濃度用MPX型電感耦合等離子體-發(fā)射光譜儀(美國(guó)VISTA，ICP-OES)測(cè)定，檢出限分別為0.0750、1.54、0.020 6、0.870 μmolL，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1.5%.c(NH4+)采用紫外線分光光度計(jì)測(cè)定，檢出限為5.56 μmolL，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5.0%.

1.3 正定矩陣因子分解(PMF)模型

PMF模型最早由Paatero等[17]開(kāi)發(fā)，是一種用于識(shí)別和量化不同來(lái)源對(duì)一組樣品的貢獻(xiàn)的多元統(tǒng)計(jì)模型. PMF將指定數(shù)據(jù)的矩陣分解為兩個(gè)子矩陣，即因子分布和源貢獻(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于大氣顆粒物、沉積物以及地表水等的源解析中. 該研究采用EPA PMF5.0(US EPA 2014)模型對(duì)樣品中離子(F-、Cl-、NO3-、SO42-、NH4+、Ca2+、K+、Mg2+、Na+)的來(lái)源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算方法[18]：

X=G*F+E

(1)

式中:X為樣本(n×m)矩陣，n為樣品數(shù)量，m為污染物數(shù)量；G為包含源貢獻(xiàn)的矩陣(n×p)；F為包含源分布的矩陣(p×m)；E為殘數(shù)矩陣. 式(1)也可用數(shù)學(xué)方式表達(dá)[19]：

(2)

式中：xij為第i個(gè)樣本中組分j或另一輔助物質(zhì)的質(zhì)量濃度，mgL；p為污染源的數(shù)量(因子數(shù))；gik為第k個(gè)污染源對(duì)第i個(gè)樣本的相對(duì)貢獻(xiàn)；fik是第k個(gè)污染源中組分j的組成含量；eij是第i個(gè)樣本和組分j的組成含量的殘差(估計(jì))值. 由于沒(méi)有樣本具有顯著的負(fù)貢獻(xiàn)，通過(guò)PMF使用最小二乘法使Q值達(dá)到最小化來(lái)解析污染源概況和相對(duì)貢獻(xiàn)，如式(3)[20-21]所示：

(3)

式中,uij是與樣本xij相關(guān)的不確定性. 基于PMF模型，在2～10個(gè)因子數(shù)(p)范圍內(nèi)檢驗(yàn)QQexp〔Qexp=m×n-p×(m+n)〕以確定最佳因字?jǐn)?shù)，QQexp與p之間的斜率變化表明4個(gè)因子數(shù)為最佳，最終根據(jù)其主要離子確定了4種實(shí)際來(lái)源，即海鹽(Na+、Cl-)、土壤(K+、Mg2+、Ca2+)、煤燃燒(SO42-、F-)、二次污染(SO42-、NH4+、NO3-). 模型表明，除K+，各離子(Na+、Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、NH4+、NO3-、F-)的真實(shí)值與模型預(yù)測(cè)值之間均存在著良好的相關(guān)性(R2分別為0.73、0.96、0.99、0.99、0.98、0.99、0.98、1)，為了獲得最佳解決方案，將旋轉(zhuǎn)工具中的旋轉(zhuǎn)系數(shù)(Fpeak)分別設(shè)定為(-1.0、-0.8、-0.6、-0.4、-0.2、-0.01、0.01、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，結(jié)果表明，最優(yōu)解旋轉(zhuǎn)系數(shù)為0.01.

1.4 后向軌跡模型分析

氣流軌跡模型(HYSPLIT trajectory model)是一種計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型，常用來(lái)研究采樣期間大氣氣團(tuán)來(lái)源. 該文利用美國(guó)空氣資源實(shí)驗(yàn)室(NOAA ARL)提供的GDAS數(shù)據(jù)對(duì)每次降雨過(guò)程的氣團(tuán)后向軌跡結(jié)合TrajStat軟件進(jìn)行模擬計(jì)算(http:ready.arl.noaa.govHYSPLIT.php). 軌跡的起始高度為500 m，起始時(shí)間為降水事件的0點(diǎn)，并向后推3 d(-72 h).

2 結(jié)果與討論

2.1 降水中主要無(wú)機(jī)離子的組成

2016年4—9月南昌市降雨中主要離子總濃度范圍為53.9～934 μmolL，降水量加權(quán)平均濃度為223 μmolL；總陽(yáng)離子濃度變化范圍為12.5～581 μmolL，降水量加權(quán)平均濃度為115 μmolL. 由圖1和表1可見(jiàn)，陽(yáng)離子降水量加權(quán)平均濃度為NH4+>Ca2+>Na+>K+>Mg2+，NH4+和Ca2+是主要的陽(yáng)離子，加權(quán)平均濃度分別為65.3和23.9 μmolL，占陽(yáng)離子總量的57%和21%. 總陰離子濃度變化范圍為20.4～452 μmolL，降水量加權(quán)平均濃度為108 μmolL，陰離子降水量加權(quán)平均濃度為SO42->NO3->Cl->F-，SO42-和NO3-是主要陰離子，加權(quán)平均濃度分別為60.4和25.3 μmolL，占陰離子總量的56%和23%. 南昌市降水離子濃度順序基本與我國(guó)大部分南方城市(如長(zhǎng)沙[22]、浙江金華[11]等)相同，與國(guó)外的古晉、胡志明市、曼谷以及伊爾庫(kù)茨克等城市基本一致(見(jiàn)表1).

圖1 2016年南昌市降水中主要離子平均濃度所占比例Fig.1 Average contribution of equivalent concentration of main ions in Nanchang precipitation in 2016

Na+、Cl-是典型的海源性離子[23]，該研究南昌降雨中c(Na+)和c(Cl-)高于重慶、拉薩[24]這些內(nèi)陸城市，低于永興島[3]、胡志明市等沿海地區(qū)，這說(shuō)明南昌除了受海源輸入影響，也有人為因素影響.

Ca2+主要來(lái)自于陸地塵埃以及建筑施工等開(kāi)放源[23]，其濃度低于天津[25]、北京[26]以及貴陽(yáng)[27]、長(zhǎng)沙[22]等大部分城市，這可能是因?yàn)槟喜型寥罁P(yáng)塵在大氣顆粒物中所占比例較低[9].

NH4+是降雨中濃度最大的陽(yáng)離子，比2007—2008年的南昌增長(zhǎng)了18%，比2013年增長(zhǎng)13%[28-29]，這可能和南昌市近幾年養(yǎng)殖業(yè)增加及農(nóng)業(yè)灌溉中化肥的使用有關(guān)(南昌市統(tǒng)計(jì)年鑒2015)，也有可能與化石燃料燃燒以及工廠排放有關(guān)[30-31].

SO42-是雨水中濃度最大的陰離子，比2013年和2007—2008年南昌前湖分別增加了近40%和60%[28-29].c(SO42-)與c(NO3-)的比值(2×[SO42-][NO3-])為4.77，屬于硫酸型降雨[32]，2013年南昌前湖為2.52，2007—2008年為1.93[28-29]，均低于該研究，說(shuō)明南昌近年來(lái)SO42-對(duì)于導(dǎo)致雨水酸化的作用增大，降雨類型逐漸由混合型向硫酸型轉(zhuǎn)化. 與國(guó)內(nèi)外其他城市相比，南昌市2016年c(SO42-)處于偏高水平，這表明工業(yè)上的硫的輸出比例仍很高，南昌近幾年工業(yè)的增加、工廠未普及脫硫設(shè)施以及高硫煤的燃燒均可能是導(dǎo)致SO42-貢獻(xiàn)比例大的原因[33].

c(NO3-)為1.70～148 μmolL，加權(quán)平均值為25.3 μmolL. 與往年相比，呈逐漸下降趨勢(shì)，遠(yuǎn)低于北京[26]、天津[25]、重慶，但與貴陽(yáng)[27]、永興島[3]、以及背景區(qū)拉薩[24]仍有很大差距，并且高于國(guó)外城市地區(qū)(如日本東京、馬來(lái)西亞古晉、越南胡志明市、泰國(guó)曼谷、俄羅斯伊爾庫(kù)茨克)，說(shuō)明南昌NOx污染仍然較為嚴(yán)重.

表1 南昌市降水主要離子與往年及其他地區(qū)的比較

注：—表示無(wú)數(shù)據(jù); *數(shù)據(jù)來(lái)源于東亞酸雨網(wǎng)(EANET).

2.2 降水主要離子來(lái)源分析

2.2.1離子相關(guān)性分析

相關(guān)性分析用于表示不同離子間的關(guān)系并區(qū)分離子成分的潛在來(lái)源[5-6]. 如表2所示，南昌市降水中c(NH4+)、c(Ca2+)、c(K+)、c(Mg2+)、c(Na+)、c(Cl-)、c(NO3-)之間均存在著較為顯著的相關(guān)性，說(shuō)明這些離子中的一部分可能具有相同的來(lái)源或者結(jié)合成化合物.c(Na+)和c(Cl-)之間的相關(guān)系數(shù)(R)>0.8，表明它們可能有共同來(lái)源，主要為海洋來(lái)源，并且可以在大氣氣溶膠中以NaCl形式存在[34]. Ca2+和Mg2+也表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性(R=0.94)，說(shuō)明其可能來(lái)源于地殼.c(K+)和c(Na+)、c(Cl-)間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，表明K+很可能有一部分來(lái)自于海源，也有可能來(lái)自生物質(zhì)燃燒，生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的顆粒物中含有大量的Na+和Cl-[35-36]，尤其是來(lái)自于秸稈燃燒，而秸稈燃燒現(xiàn)象在中國(guó)普遍存在[37]. 此外，c(K+)與c(Ca2+) 之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，這意味著它們可能來(lái)自地殼組分.c(SO42-)與c(NO3-)具有明顯的相關(guān)性，這可能是由于SO42-和NO3-化學(xué)特性具有相似性且它們的前體物SO2和NOx有著共同的來(lái)源[6]. SO42-和F-也具有強(qiáng)烈的相關(guān)性(R=0.74)，這說(shuō)明其可能有著共同的來(lái)源：燃煤產(chǎn)生的氣體排放[38].c(SO42-) 與c(Ca2+)、c(Mg2+)并沒(méi)有體現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，這與我國(guó)內(nèi)陸城市[27]差別很大.c(NH4+)與c(NO3-)的相關(guān)系數(shù)(0.94)大于c(SO42-)與c(NH4+) 的(0.48)，說(shuō)明NH4+在大氣中優(yōu)先與NO3-結(jié)合；c(NH4+)與c(NO3-)、c(SO42-)的相關(guān)系數(shù)也分別大于c(Ca2+)與c(NO3-)、c(SO42-)的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明NH4+對(duì)雨水酸性中和的貢獻(xiàn)度大于Ca2+，其在大氣中可能以NH4NO3、NH4HSO4、(NH4)2SO4的形式存在.

表2 降水中各主要離子相關(guān)性分析

注：** 表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

2.2.2正定矩陣因子分解模型分析

為了更好地研究南昌市降雨的來(lái)源，采用PMF模型對(duì)離子濃度進(jìn)行進(jìn)一步解析. 近年來(lái)類似的研究也使用這種模型來(lái)識(shí)別空氣污染物的來(lái)源，肖紅偉等[3]使用PMF模型對(duì)西沙永興島的大氣降水來(lái)源進(jìn)行了解析. Kim等[4]使用PMF模型對(duì)美國(guó)Cleveland大氣顆粒物的來(lái)源進(jìn)行了解釋. 基于PMF模型，確定了4種實(shí)際來(lái)源，即海鹽(5%)、土壤(20%)、煤燃燒(25%)、二次污染(50%). 圖2總結(jié)了每種源對(duì)主要離子的相對(duì)貢獻(xiàn)的源分配，其中Na+、Cl-主要由海源貢獻(xiàn)，K+、Mg2+、Ca2+主要由土壤源貢獻(xiàn)，但仍有一些離子還受其他源影響. Na+、Cl-除來(lái)自于海洋貢獻(xiàn)外，還受土壤和二次污染影響，生物質(zhì)以及化石燃料的燃燒產(chǎn)生的污染物中含有大量的Na+、Cl-[2,35-36]，它們?cè)诖髿庵袝?huì)與其他化合物結(jié)合生成二次污染物. K+除來(lái)源于土壤，受海鹽及二次污染影響也較大，海洋中的K+可以通過(guò)海水噴濺富集于大氣[3]，然后傳輸?shù)絻?nèi)陸地區(qū). 作為生物質(zhì)燃燒的指示物之一[39]，K+大量富集于燃燒產(chǎn)生的顆粒中，垃圾焚燒也會(huì)產(chǎn)生K+[40]，它們通過(guò)一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)生成二次污染物進(jìn)一步污染環(huán)境. Mg2+主要來(lái)自于土壤，這與典型沿海地區(qū)永興島[3]存在很大差異，說(shuō)明在沿海地區(qū)海水噴濺貢獻(xiàn)的Mg2+遠(yuǎn)大于內(nèi)陸. 大部分的SO42-由二次污染源貢獻(xiàn)，SO42-和F-有很大一部分來(lái)自于煤燃燒產(chǎn)生的氣體排放. NH4+和NO3-的主要來(lái)源具有一致性，它們也是組成大氣中二次顆粒物的主要成分，農(nóng)業(yè)活動(dòng)以及土壤中的微生物反應(yīng)、工業(yè)和車輛廢氣排放產(chǎn)生的二次污染物可能是NH4+和NO3-主要貢獻(xiàn)源[41].

圖2 不同因子對(duì)降水中不同離子的貢獻(xiàn)Fig.2 The percentage contribution of each species

2.2.3后向軌跡分析

注：底圖來(lái)源于國(guó)家測(cè)繪地理信息局(http:bzdt.nasg.gov.cn)下載的《中國(guó)地圖1∶6 000萬(wàn) 64開(kāi) 有鄰國(guó) 線劃一》審圖號(hào)：GS(2016)1593號(hào).圖3 采樣點(diǎn)(南昌市)與降水事件的后向軌跡Fig.3 Backward trajectories of air mass in different rain event at sampling site (Nanchang)

氣流軌跡模型的分析結(jié)果如圖3所示，南昌市2016年受局地降雨氣團(tuán)的影響最大，其次，5月降雨氣團(tuán)有來(lái)自于江西以北省份諸如河南、江蘇，也有部分來(lái)自于江西以南的廣東省，結(jié)合特殊降雨事件(見(jiàn)表3)可看出，5月7日，c(NH4+)、c(NO3-)、c(SO42-)相對(duì)較高.8月、9月的降雨氣團(tuán)與此類似，均來(lái)自于南方省份(如江蘇、湖南等)，經(jīng)過(guò)城市密集區(qū)，此時(shí)受陸源、人為因素影響應(yīng)很高，8月25日的降雨各項(xiàng)離子濃度均非常高，可能是由于期間降雨頻率不高，每次降雨之前大氣中累積的離子濃度很高，導(dǎo)致離子濃度高于平常. 與加權(quán)平均值相比，9月1日除Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+其他未表現(xiàn)出明顯差異性.6月、7月的降雨氣團(tuán)有一部分來(lái)自于我國(guó)南海上空，也有來(lái)自于東南沿海省份(如福建、廣東)，7月3日和4日的氣團(tuán)可能受臺(tái)風(fēng)尼伯特的影響(中國(guó)臺(tái)風(fēng)網(wǎng))，但由表3對(duì)應(yīng)圖3可看出，來(lái)自于海上的氣團(tuán)所對(duì)應(yīng)的海源性離子濃度都不高，這可能由于降水前來(lái)自海洋氣團(tuán)中的海源性離子經(jīng)過(guò)內(nèi)陸上空時(shí)被稀釋或沉降，不僅如此，7月3日、4日還出現(xiàn)了異常濃度的SO42-和F-，這說(shuō)明氣團(tuán)途經(jīng)地區(qū)可能存在煤燃燒的情況.7月30日各項(xiàng)離子濃度均存在異常，這應(yīng)該與短時(shí)間內(nèi)的雷陣雨有關(guān). 具有高濃度海鹽性離子的降水事件對(duì)應(yīng)的氣流軌跡基本上來(lái)源于內(nèi)陸地區(qū)，這可能是非降雨時(shí)帶有海源性離子的氣團(tuán)在內(nèi)陸上空累積所致，此時(shí)海源性離子的輸入可能是導(dǎo)致南昌海源性離子濃度大于我國(guó)典型內(nèi)陸城市的原因.

表3 南昌市特殊降水事件主要離子化學(xué)組成

注： 特殊降水事件指部分離子的濃度較加權(quán)平均值存在異常.

3 結(jié)論

a) 對(duì)2016年南昌市大氣降水的化學(xué)成分進(jìn)行了調(diào)查分析，NH4+、Ca2+、SO42-、NO3-是降雨中的主要離子，近年來(lái)SO42-對(duì)于導(dǎo)致雨水酸化的作用增大，降雨類型逐漸由混合型向硫酸型轉(zhuǎn)化.

b) 結(jié)合PMF模型，確定了4種實(shí)際來(lái)源，即海鹽(5%)、土壤(20%)、煤燃燒(25%)、二次污染(50%). Na+、Cl-主要來(lái)自于海鹽，也受土壤和二次污染影響. K+、Mg2+、Ca2+主要來(lái)自于土壤，海鹽、二次污染也貢獻(xiàn)了一部分的K+. SO42-、NH4+和NO3-主要由二次污染源貢獻(xiàn)，煤燃燒貢獻(xiàn)了主要的F-和一部分SO42-.

c) 通過(guò)后向軌跡模型研究發(fā)現(xiàn)，2016年南昌市大氣降水主要受局地降雨氣團(tuán)影響，5月、8月、9月受陸源及人為影響較大，海源性離子經(jīng)過(guò)內(nèi)陸上空時(shí)被稀釋或沉降，導(dǎo)致6月、7月來(lái)自于海洋上空的降雨氣團(tuán)對(duì)南昌影響不大.

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ChemicalCharacteristicsandSourceApportionmentofAtmosphericPrecipitationinNanchangCity

SUN Qibin1,2, XIAO Hongwei1,3*, XIAO Huayun1,2,3, ZHANG Zhongyi1,3

1.Jiangxi Province Key Laboratory of the Causes and Control of Atmospheric Pollution, East China University of Technology, Nanchang 330013, China2.School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, China3.School of Water Resources and Environmental Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China

This research aimed to identify the sources and origins of atmospheric precipitation ions in Nanchang City. Rainwater samples were collected from April 2016 to September 2016, and the chemical characteristics of major ions were analyzed. Additionally, the positive definite matrix factorization (PMF) model was used to distinguish the sources, and TrajStat software was used to simulate the backward trajectories. The results showed that NH4+and Ca2+were the main cations. On average, we measured rainfall-weighted concentrations of 65.3 and 23.9 μmolL, accounting for 57% and 21% of the total cations respectively. SO42-and NO3-were the major anions, of which the average rainfall-weighted concentrations were 60.4 and 25.3 μmolL, accounting for 56% and 23% of the total anions respectively. Significant correlations amongc(NH4+),c(Ca2+),c(K+),c(Mg2+),c(Na+),c(Cl-) andc(NO3-) indicated similar sources or the formation of compounds. The PMF model showed that Na+and Cl-were obviously affected by sea salt and partly affected by soil and secondary pollution. The major contribution of K+, Mg2+and Ca2+was the soil source. Sea salt and secondary pollution also contributed part of the K+. SO42-, NH4+and NO3-were the main constituents of the atmospheric secondary particles, which were mainly contributed by secondary pollution sources. Almost all of the F-and part of the SO42-came from coal burning. Backward trajectories revealed the atmospheric precipitation of Nanchang City in 2016 was mainly affected by air masses originating from local areas. In May, August and September, the precipitation was more affected by soil and anthropogenic sources. Oceanic ions were diluted or settled when they went inland, meaning that rainfall air masses originating from the ocean in June and July had little impact on Nanchang. The rainfall type in Nanchang City is shifting gradually from mixed type to sulfuric acid type, and the artificial influence is the main cause of air pollution.

Nanchang; precipitation; chemical composition; Positive Matrix Factorization model; backward trajectory

2017-04-13

2017-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41663003)；東華理工大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(DHBK2015327)；核資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主基金項(xiàng)目(Z1609)

孫啟斌(1993-)，男，河北唐山人，646750598@qq.com.

*責(zé)任作者，肖紅偉(1984-)，男，江西贛州人，副研究員，博士，主要從事大氣環(huán)境同位素地球化學(xué)研究，xiaohw@ecit.cn

孫啟斌,肖紅偉,肖化云,等.南昌市大氣降水化學(xué)特征及來(lái)源分析[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(12):1841-1848.

SUN Qibin,XIAO Hongwei,XIAO Huayun,etal.Chemical characteristics and source apportionment of atmospheric precipitation in Nanchang City[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(12):1841-1848.

X517

1001-6929(2017)12-1841-08

A

10.13198j.issn.1001-6929.2017.03.38