張國(guó)玉 鄭祥民 周立旻 黃文丹 錢 鵬 王永杰

(華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海,200062)

上海市大氣濕沉降汞及其生態(tài)危害評(píng)價(jià)＊

張國(guó)玉 鄭祥民＊＊周立旻 黃文丹 錢 鵬 王永杰

(華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海,200062)

Hg0蒸氣壓高、水溶性低,主要以蒸氣態(tài)存在于空氣中,在大氣中滯留時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 1年,能隨大氣環(huán)流進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,在傳輸過(guò)程中可被大氣中的強(qiáng)氧化劑氧化成活性二價(jià)汞 (Hg2+).Hg2+水溶性高,能夠隨大氣沉降進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng),并通過(guò)食物鏈逐級(jí)富集,對(duì)人類的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅.大氣沉降是水體和陸地表面汞的一個(gè)主要來(lái)源,其中濕沉降在大氣汞沉降中占主體地位.

本研究依托 2008年2月—2009年1月逐月連續(xù)采集的上海市區(qū)和郊區(qū)濕沉降樣品,分析上海市、郊濕沉降中各形態(tài)汞的季節(jié)分布特征,探討影響汞濕沉降的相關(guān)因素及大氣汞對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)危害.

1 樣品的采集與處理

選擇華東師范大學(xué)為上海市市區(qū)采樣點(diǎn),陳行海星村為郊區(qū)采樣點(diǎn),逐月收集濕沉降樣品.濕沉降樣品使用酸雨自動(dòng)采集器采集并用無(wú)色聚乙烯桶收集,每月采樣的同時(shí)記錄降雨量并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量 pH值,樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后,部分直接裝入聚乙烯采樣瓶保留用以測(cè)試總汞濃度,部分用 0.45μm的微孔濾膜過(guò)濾再裝入采樣瓶,用以測(cè)試溶解態(tài)汞濃度,總汞與溶解態(tài)汞濃度的差值即為顆粒態(tài)汞的濃度,所有樣品均保存在 3℃—5℃的冰箱中.

樣品采用王水-氯化溴水浴法消解、SnCl2還原,以QM201型冷原子熒光測(cè)汞儀進(jìn)行汞濃度測(cè)定.在消解樣品的同時(shí),進(jìn)行標(biāo)樣和空白樣品的同步操作.標(biāo)樣采用華東國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心汞標(biāo)準(zhǔn)溶液 GBW 08609,加標(biāo)回收率在 94%—103%之間.文中計(jì)算的平均值均為體積加權(quán)平均值.

2 汞濃度的季節(jié)變化

不同季節(jié)各形態(tài)汞的平均濃度變化較大 (表1),市區(qū)顆粒態(tài)汞、溶解態(tài)汞濃度與總汞的季節(jié)變化趨勢(shì)較為一致,郊區(qū)具有一定差別.市區(qū)采樣點(diǎn)一年中總汞濃度變化范圍在 0.11—0.36μg·l-1,平均值為 0.30μg·l-1,總汞沉降通量為 304.74μg·m-2·y-1,其中顆粒態(tài)汞占總汞沉降量的 50%.郊區(qū)采樣點(diǎn)一年中總汞濃度變化范圍在 0.18—0.28 μg·l-1,平均值為 0.22μg·l-1,比市區(qū)低 0.08μg·l-1;總汞沉降通量為 205.50μg·m-2·y-1,比市區(qū)低 99.24 μg·m-2·y-1,其中顆粒態(tài)汞占總汞沉降量的 64%,比市區(qū)高 14%.

表1 市區(qū)與郊區(qū)四季汞濃度

市區(qū)汞濃度的季節(jié)變化特征為:總汞濃度秋季 >夏季 >冬季 >春季,秋季總汞、顆粒態(tài)汞和溶解態(tài)汞濃度的平均值分別是春季的 3.3,1.8和 10.0倍.顆粒態(tài)汞占總汞濃度比例為春季 (82%)>夏季 (51%)>秋季 (44%)>冬季(38%).總汞沉降通量與降水量成明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.93).郊區(qū)汞濃度的季節(jié)變化特征為:總汞濃度總體上變化不大,秋季 >冬季 >夏季 >春季;秋季總汞、顆粒態(tài)汞和溶解態(tài)汞濃度的平均值分別是春季的 1.6,1.3和 2.7倍.顆粒態(tài)汞占總汞濃度比例為春季 (83%)>秋季 (68%)>夏季 (55%)>冬季 (39%).總汞沉降通量與降水量成明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.92).

有研究發(fā)現(xiàn)大氣濕沉降中汞濃度和濕沉降通量都是夏天高而冬天低.天氣炎熱的夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng),對(duì)流層中·OH自由基濃度明顯高于其它季節(jié),而且大氣中 O3濃度是其它季節(jié)的 3倍多,Hg0能夠被·OH自由基、O3等氧化成大氣汞干濕沉降的主要形態(tài)——Hg+和 Hg2+,所以夏季濕沉降中汞的濃度較高,最大的沖刷沉降也發(fā)生在夏季.上海市區(qū)和郊區(qū)濕沉降汞的濃度和濕沉降通量都是夏、秋季高而春、冬季低,與上述研究結(jié)果相似.市區(qū)與郊區(qū)濕沉降汞濃度的主要差別體現(xiàn)在春、秋兩季上,春季:郊區(qū)總汞濃度高于市區(qū),主要體現(xiàn)在郊區(qū)顆粒態(tài)汞的濃度高于市區(qū);秋季:郊區(qū)顆粒態(tài)汞濃度大于溶解態(tài)汞,市區(qū)相反.這可能是因?yàn)榻紖^(qū)采樣點(diǎn)距寶鋼工業(yè)園區(qū)核心區(qū)不足 10km,受到來(lái)自工業(yè)園區(qū)釋放顆粒物的影響較為明顯.

降水量對(duì)濕沉降汞濃度影響的研究表明,由于在濕沉降初期就清除了空氣中的水溶性氣態(tài)汞和顆粒態(tài)汞,導(dǎo)致濕沉降汞的濃度與降水量具有負(fù)相關(guān)性.上海市區(qū)和郊區(qū)濕沉降中汞的濃度與降水量均不具相關(guān)性,可能是因?yàn)闈癯两倒扔袇^(qū)域性污染又有大氣汞庫(kù)(或全球?qū)α鲗庸瘞?kù))的來(lái)源.

上海市與日本、佛羅里達(dá)等地類似,總汞濕沉降通量與降水量具有很好的正相關(guān)性.由于汞在降水中以顆粒汞和活性二價(jià)汞的形式去除,人為活動(dòng)釋放出大量的汞,增大了大氣汞的濃度,一般市區(qū)的汞濃度高于郊區(qū),大氣汞濃度的變化對(duì)濕沉降中汞的濃度具有影響.上海市區(qū)總汞的濕沉降通量是郊區(qū)的 1.48倍,與其它地區(qū)市區(qū)通量高于郊區(qū)的研究結(jié)果一致,說(shuō)明上海市汞的濕沉降已經(jīng)受到人為因素的干擾.

3 汞濃度及濕沉降通量與其它地區(qū)的比較

上海市市區(qū)與郊區(qū)大氣濕沉降中的總汞濃度與其它地區(qū)進(jìn)行對(duì)比 (表2),發(fā)現(xiàn)該地區(qū)濕沉降中總汞的平均濃度較高,汞沉降通量遠(yuǎn)高于其它地區(qū),說(shuō)明上海市的大氣已經(jīng)受到一定程度的汞污染.

Hg0在大氣中有O3和OH自由基等氧化劑存在的情況下可以被氧化成 Hg2+,隨雨水降到地面,結(jié)束大氣循環(huán).上海地處中國(guó)東部,位于東亞典型季風(fēng)氣候區(qū)域,三面依水,處于海-陸風(fēng)交互作用的海岸帶,同時(shí)也是高臭氧地帶,這種特殊的區(qū)位對(duì)汞的濕沉降具有重要的促進(jìn)作用,導(dǎo)致該地區(qū)濕沉降汞的濃度與沉降通量都較高.

表2 上海市市、郊大氣濕沉降汞濃度和沉降量與其它地區(qū)的比較

4 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害

以我國(guó)地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) (GB3838-2002)對(duì)上海市濕沉降中汞污染特征進(jìn)行評(píng)估,市區(qū)和郊區(qū)各季度濕沉降總汞平均濃度均未達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn) (標(biāo)準(zhǔn)極限 0.1μg·l-1).由于汞是具有生物累積性的重金屬元素,其生物放大作用顯著,所以高汞濃度濕沉降的生態(tài)后果嚴(yán)重而突出.利用對(duì)重金屬潛在生物危害指數(shù)法對(duì)濕沉降汞進(jìn)行分析評(píng)價(jià),污染系數(shù)式中為污染系數(shù),為實(shí)測(cè)含量,為該元素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);潛在生態(tài)危害系數(shù)其中為毒性系數(shù),本文取 Hakanson給定值 40.以地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),市區(qū)和郊區(qū)各季度汞的潛在生態(tài)危害系數(shù)及污染程度見表3,除春季為中等生態(tài)危害,其它季節(jié)均屬于強(qiáng)生態(tài)危害范圍,全年平均值的潛在生態(tài)危害系數(shù)分別為120和 88,屬于強(qiáng)生態(tài)危害范圍.

表3 濕沉降汞的潛在生態(tài)危害系數(shù)及污染程度

綜上所述,上海市區(qū)一年中總汞濃度變化范圍在 0.11—0.36μg·l-1,平均值 0.30μg·l-1,總汞沉降通量為304.74μg·m-2·y-1,其中顆粒態(tài)汞占總汞的 50%.郊區(qū)總汞濃度變化范圍在 0.18—0.28μg·l-1,平均值 0.22 μg·l-1;與市區(qū)相比,郊區(qū)總汞濃度低 0.08μg·l-1,總汞沉降通量低 99.24μg·m-2·y-1,顆粒態(tài)汞占總汞比例高14%.

各形態(tài)汞的濃度具有明顯的季節(jié)性變化.市區(qū)和郊區(qū)濕沉降汞的濃度和濕沉降通量都是夏、秋季高而春、冬季低,春季郊區(qū)總汞濃度高于市區(qū),秋季郊區(qū)顆粒態(tài)汞濃度大于溶解態(tài)汞,市區(qū)相反.

上海市濕沉降總汞的濃度較高,該區(qū)域大氣已經(jīng)受到一定程度的汞污染;濕沉降汞濃度與降水量沒(méi)有負(fù)相關(guān)性,總汞沉降通量與降水量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系.

2009年7月2日收稿.

＊國(guó)家自然科學(xué)基金 (40701195),上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人項(xiàng)目 (07XD14010),中國(guó)博士后基金項(xiàng)目和中國(guó)博士后基金特別資助項(xiàng)目 (200801192)資助.＊＊通訊作者:zhengxm8@yahoo.com.cn