天津市冬季典型道路氨氣濃度特征研究

賀夢璇，張 敏,2，李蘭蘭

(1.天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300382；2.南寧市邕武路學(xué)校，廣西 南寧 530001；3.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300074)

1 引言

氨氣作為大氣中活性氮最主要的還原形式，是形成大氣中無機銨鹽的重要前體物[1,2]。氨氣是大氣中重要的堿性氣體[3]，可以中和大氣中的酸性物質(zhì)，與其他二次氣溶膠組分通過大氣化學(xué)反應(yīng)生成硫酸銨(亞硫酸銨)和硝酸銨等二次污染物[4]。這些二次污染物以質(zhì)量更輕、粒徑更小的氣溶膠微小顆粒物形式停留在大氣中，進一步降低大氣能見度，危害人類健康[5]。近年來，細顆粒物(PM2.5)已成為影響我國城市環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物[6]，在極度污染的條件下，銨鹽甚至占到PM2.5質(zhì)量的40%～60%[7]。除此之外，氨氣污染會影響光輻射強度，加劇大氣光化學(xué)污染[8]。

氨的排放分為天然源和人為源，天然源主要來自于野生動物的糞便、植被、土壤和海洋的釋放等，人為源包括畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)田施肥等農(nóng)業(yè)源及化工行業(yè)、交通運輸、人體排放、生物質(zhì)燃燒、化石燃料燃燒、廢物處理等非農(nóng)業(yè)源[8，9]。近些年，研究表明城市地區(qū)的氨氣與農(nóng)業(yè)地區(qū)的氨氣濃度相當(dāng)[3]，在人口密度高的城市地區(qū)，非農(nóng)業(yè)源排放的氨氣不可小覷，尤其是交通運輸排放的氨氣往往被低估[3,10]。程剛等[10]研究了北京市交通環(huán)境中的大氣氨，發(fā)現(xiàn)氨氣排放量呈現(xiàn)出夏季低、春秋兩季高的變化規(guī)律。董艷強等[11]、尹沙沙等[12]通過國外機動車排放因子分別對長三角地區(qū)和珠三角地區(qū)機動車的氨排放量進行了估算。鄒忠等[13]通過研究發(fā)現(xiàn)，上海邯鄲路隧道出口的氨氣濃度遠高于隧道進口和外圍環(huán)境的氨氣濃度，分別是它們的5倍和11倍。Chitjian等[14]研究了加利福尼亞州南海岸區(qū)域的氨排放情況，發(fā)現(xiàn)由汽車排放的氨氣約占該地區(qū)總氨排放量的18%。目前關(guān)于氨氣的研究主要集中在大尺度的排放清單研究，缺乏近地面交通源氨氣的詳細觀測數(shù)據(jù)。本研究挑選天津市為研究區(qū)域，選取典型道路區(qū)域，采用“被動采樣法”測得氨氣濃度，研究冬季不同道路類型氨氣濃度特征及其差異，同時探究氨氣濃度與顆粒物PM2.5形成的相關(guān)性，結(jié)果可為北方城市道路氨氣排放情況及城市環(huán)境空氣質(zhì)量改善提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗設(shè)計、材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

天津(38°34′～40°15′N，116°43′～118°04′E)地處華北平原東北部、海河流域下游，是環(huán)渤海地區(qū)的經(jīng)濟中心，具有獨特的自然和社會經(jīng)濟特征。天津是京津冀區(qū)域典型工業(yè)城市，屬于污染高度集中排放地區(qū)。2019年天津市常駐人口為1561萬人，民用汽車擁有量為308.91萬輛[15]。近年來天津市大力推進并實施各項空氣質(zhì)量改善措施，環(huán)境空氣質(zhì)量較2013年比有明顯好轉(zhuǎn)[16]，但在秋季和冬季期間空氣質(zhì)量改善則不明顯[17]。由于大氣環(huán)境質(zhì)量影響因素的復(fù)雜性，天津冬季依舊容易出現(xiàn)霧霾天氣，因此選取天津市作為研究城市開展研究具有一定代表性。

2.2 研究道路選擇

道路選取津文公路、紅旗南路、紅旗南路輔路、秀川路、賓水西道、育梁路、士英路、水上公園西路、水上公園北道、復(fù)康路、白堤路、密云路、蘇堤路、長江道、黃河道、青年路、汾水道共計17條道路作為道路綠化帶的研究對象，覆蓋了省道、市區(qū)主干道、次干道和快速路。各道路概況見表1，其中津文公路調(diào)查監(jiān)測時間為2018年12月27日至2019年1月7日，其他道路的調(diào)查監(jiān)測時間為2019年1月9～19日。

表1 各道路概況

2.3 氨氣的采集

通過采用被動采樣法采集大氣氨氣，采樣器如圖1所示，主體為一個圓筒，兩端為對稱結(jié)構(gòu)。

圖中：1-帶有小孔的蓋子，2-不銹鋼紗網(wǎng)，3-濾膜，4-聚四氟乙烯小圈，5-聚四氟乙烯墊片，6-采樣器圓筒

圖1采樣器組成

本研究在每個道路綠化帶的相應(yīng)點位懸掛被動采樣器，進行一周的定位監(jiān)測，同時在每個道路設(shè)置對照，采樣點位于樹高約2.5 m處，用GPS記錄每個采樣點的位置信息(海拔、經(jīng)緯度)，并用ZK-40A手持式空氣質(zhì)量檢測儀測得周圍的溫度、濕度等氣象要素和PM2.5、PM10的濃度，借此分析氨氣濃度特征與這些要素的相關(guān)性。采樣結(jié)束后，重復(fù)上述步驟，將采樣器安全地密封在棕色容器中，帶回實驗室進行預(yù)處理。

2.4 氨氣的分析與測定

NH3(×10-9)=α×W/T

(1)

式(1)中，W為樣品中收集到的氨氣的量(ng)，T為暴露時間(min)，α為換算系數(shù)(×10-9min/ng)，計算方法如下：

α=43.8×[293/(273+t)]1.83

(2)

式(2)中，t為環(huán)境溫度(℃)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同道路的氨氣濃度特征

氨氣是交通環(huán)境中重要的污染物[10]，通過對不同道路的氨氣濃度進行比較，得到各道路氨氣濃度特征，如圖2所示，可看到17條道路中氨氣平均濃度最高的為復(fù)康路，為1043.67×10-9，分析原因可能與復(fù)康路車流量大有關(guān)。白堤路和紅旗南路輔路次之，氨氣平均濃度為分別為995×10-9、839.5×10-9，分別低于復(fù)康路4.66%、19.56%。其次是紅旗南路和水上公園北道，且二者氨氣平均濃度接近一致，分別為807.33 ×10-9和807×10-9。汾水道和密云路緊接其后，氨氣平均濃度分別為788×10-9和780.33×10-9，分別低于復(fù)康路24.5%、25.23%。其次是秀川路，其氨氣平均濃度有776×10-9。水上公園西路和育梁路的氨氣平均濃度比較接近，分別為756.4×10-9和754×10-9。接下來是士英路和黃河道，氨氣平均濃度分別為729×10-9和711×10-9。賓水西道、青年路的氨氣平均濃度分別為690.75×10-9、655.5×10-9。長江道和蘇堤路的氨氣平均濃度均較低，分別為539 ×10-9、524 ×10-9，分別低于復(fù)康路48.36%和49.79%。氨氣濃度最低的道路是津文公路，僅為516.6×10-9，比復(fù)康路低了50.5%。

3.2 不同道路類型的氨氣濃度

將所研究道路按照道路類型分為省道、快速路、主干道、次干道4種道路類型。由圖3可知，在所有道路類型中，省道的氨氣平均濃度最低，為561.6×10-9；快速路最高，為780.33×10-9，比省道高出了38.95%；主干道和次干道二者的氨氣平均濃度相差不大，分別為765.02×10-9和757.63×10-9。結(jié)果表明道路類型會影響氨氣濃度，分析原因可能是道路上車流量的差異造成的。

圖2 典型道路氨氣濃度

圖3 不同道路類型的氨氣濃度

3.3 氨氣與PM2.5的相關(guān)關(guān)系

中國北方冬季霧霾天氣頻發(fā)，主要是由住宅供暖引起的二次氣溶膠及不利氣象條件二者協(xié)同作用造成的[18]。而氨氣在氣溶膠初始核化過程中扮演著重要角色，是污染天氣二次顆粒物爆發(fā)式增長的重要前體物[19,20]。彭應(yīng)登等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)氨氣是北京春、秋、冬三季生成二次顆粒物的主控因子。許艷玲等[22]研究了中國氨減排對控制PM2.5污染的敏感性，結(jié)果表明對于氨氣排放量大且相對集中、PM2.5污染較重的地區(qū)，氨減排對PM2.5降低有著明顯作用。為了探究大氣中氨氣與顆粒物PM2.5形成的相關(guān)性，本研究對二者進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示，氨氣濃度與PM2.5之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，方程為：y=e0.006x，相關(guān)系數(shù)R2=0.0444，即隨著氨氣濃度的增加，PM2.5的值也隨之增加，說明大氣中的氨氣能夠促進PM2.5的形成，從而加劇霧霾天氣的發(fā)生。

4 討論與結(jié)論

通過研究分析17條道路的氨氣濃度特征，發(fā)現(xiàn)復(fù)康路的氨氣平均濃度最高，為1043.67×10-9，這可能與該道路車流量大有關(guān)。白堤路和紅旗南路輔路次之，氨氣平均濃度為分別為995×10-9、839.5×10-9，分別低于復(fù)康路4.66%、19.56%。其次是紅旗南路和水上公園北道，且二者氨氣平均濃度接近一致，分別為807.33 ×10-9和807 ×10-9。長江道和蘇堤路的氨氣平均濃度均較低，分別為539 ×10-9、524 ×10-9，分別低于復(fù)康路48.36%和49.79%。氨氣濃度最低的道路是津文公路，僅為516.6×10-9，比復(fù)康路低了50.5%。道路類型對氨氣濃度影響顯著，快速路氨氣平均濃度最高，為780.33×10-9；省道氨氣平均濃度最低，為561.6×10-9。研究結(jié)果表明，道路類型以及車流量等因素會影響其氨氣濃度水平。

圖4 大氣氨氣濃度與顆粒物PM2.5的相關(guān)性

本研究對氨氣和PM2.5進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)性顯著，呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。因此，實施氨減排對于降低PM2.5有著積極影響，這對北方城市冬季的霧霾天氣治理提供了借鑒。

由于受研究時間及采樣點區(qū)域的限制，本研究只對冬季環(huán)境下天津市典型道路進行了研究，未對其他區(qū)域道路和其他季節(jié)進行調(diào)查，且缺少車流量相關(guān)數(shù)據(jù)，車流量對氨氣濃度影響的定量分析方面數(shù)據(jù)量偏少，今后應(yīng)完善天津市典型道路各個季節(jié)的氨氣濃度特征，以及不同道路車流量對氨氣濃度影響的定量表達，以便建立模型解析城市道路對氨氣的影響程度并對氨氣濃度進行模擬預(yù)測，為改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量提供重要科學(xué)依據(jù)。