張思鵬，衛(wèi)江偉，楊倩楠，趙紅艷

(東北師范大學(xué)泥炭沼澤研究所，國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130024)

敦化大橋泥炭記錄的積累人為大氣鉛沉降

張思鵬，衛(wèi)江偉，楊倩楠，趙紅艷

(東北師范大學(xué)泥炭沼澤研究所，國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130024)

[摘要]分析了敦化大橋泥炭地裕家剖面自2 120 a(B.P.)以來(lái)泥炭中的鉛、鋯元素含量，計(jì)算了該剖面鉛的富集因子、沉降速率，以及巖石鉛和人為鉛的含量.結(jié)果表明，大橋泥炭地該時(shí)期總鉛含量變化在1.81～7.35 μg/g，平均值為4.24 μg/g.富集因子揭示剖面上部60 cm，相當(dāng)于1 300 a(B.P.)以來(lái)有外來(lái)的鉛富集，其下幾乎無(wú)富集.裕家剖面鉛沉降速率為0.54～4.97 mg/(m2·a)，呈現(xiàn)隨深度加深而增加的變化趨勢(shì).鉛沉降速率與大氣灰塵沉降速率呈明顯的正相關(guān)(r=0.948，n=14，P<0.01)，表明鉛主要來(lái)自于大氣灰塵.鉛沉降速率與巖石鉛含量也呈明顯的正相關(guān)(r=0.784，n=14，P<0.01)，意味著大氣沉降的鉛主要來(lái)自于巖石風(fēng)化后的自然產(chǎn)物，而人類(lèi)活動(dòng)造成的人為鉛污染較少.大橋泥炭地積累的人為鉛總量為0.729 3 g/m2.

[關(guān)鍵詞]富營(yíng)養(yǎng)泥炭；大氣鉛沉降；環(huán)境變化；鉛污染

當(dāng)燃煤取暖、開(kāi)礦冶煉、燃燒含鉛汽油等人類(lèi)活動(dòng)造成的鉛含量超過(guò)自然水平時(shí)，就可能導(dǎo)致大氣、水體和土壤的鉛污染.為做到防微杜漸，減少威脅東北糧食安全的潛在因素，有必要對(duì)東北地區(qū)的重金屬進(jìn)行系統(tǒng)研究，以為相關(guān)管理政策的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

泥炭沼澤是記錄重金屬鉛污染的良好載體，尤其是貧營(yíng)養(yǎng)泥炭類(lèi)型[1-3].富營(yíng)養(yǎng)泥炭沼澤在水-沉積物相互作用較弱的情況下，也可以揭示歷史時(shí)期的鉛沉降.即使富營(yíng)養(yǎng)泥炭中的鉛存在沉積后再移動(dòng)的現(xiàn)象，積累的人為大氣鉛沉降也可以作為鉛污染的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因?yàn)殂U在垂向上的移動(dòng)對(duì)它不產(chǎn)生任何影響[4].長(zhǎng)白山區(qū)作為人類(lèi)活動(dòng)較少的地區(qū)，其重金屬記錄具有提供背景值的作用，尤其是進(jìn)行剖面研究，在長(zhǎng)時(shí)間尺度下探討重金屬的變化可以更深刻地認(rèn)識(shí)當(dāng)前的重金屬污染.

重金屬的主要來(lái)源可分為原地巖石風(fēng)化和大氣沉降，后者是造成土壤污染的重要原因，而鉛是唯一列入國(guó)家大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重金屬.有關(guān)以泥炭沼澤為載體的鉛濃度、沉降速率及其與大氣沉降的關(guān)系最有代表性的研究是20世紀(jì)90年代Shotyk及其團(tuán)隊(duì)在瑞士JURA山脈開(kāi)展的一系列工作[5].此后，類(lèi)似的工作在歐洲大陸內(nèi)部，包括西班牙、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、比利時(shí)[6-10]和北美[11-12]等地區(qū)迅速開(kāi)展，通過(guò)研究鉛的富集因子、206Pb與207Pb的比值和同一剖面間隔20年的210Pb年代序列變化等情況，揭示了貧營(yíng)養(yǎng)泥炭記錄的鉛在剖面上基本不再遷移，并以此重建了當(dāng)時(shí)的大氣沉降規(guī)律，通過(guò)鉛的4種穩(wěn)定同位素(204Pb，206Pb，207Pb和208Pb)豐度組成對(duì)比確定了重金屬鉛的來(lái)源.

我國(guó)目前已經(jīng)開(kāi)展的涉及泥炭記錄的剖面鉛沉降研究主要針對(duì)大/小興安嶺[13-14]、長(zhǎng)白山地區(qū)[15]和青藏高原地區(qū)[16]的貧營(yíng)養(yǎng)泥炭，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)泥炭記錄的鉛沉降研究相對(duì)較少[17].因此，本文對(duì)東北泥炭地集中分布區(qū)之一的敦化盆地泥炭記錄的晚全新世以來(lái)的鉛含量、沉降速率和富集因子，以及該地區(qū)由土壤巖石風(fēng)化而來(lái)的巖石鉛、大氣沉降的大氣鉛和剖面積累的人為鉛的變化情況進(jìn)行了研究.

1研究區(qū)概況

圖1　大橋泥炭沼澤位置圖

長(zhǎng)白山區(qū)位于溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)針闊葉混交林東部地區(qū)，受東亞季風(fēng)影響，雨熱同季.年均溫2℃～6℃，年降水量700～900 mm.大橋泥炭地位于長(zhǎng)白山區(qū)的敦化盆地內(nèi)，行政上隸屬于敦化市東南10 km的大橋鄉(xiāng)裕家村，地理坐標(biāo)為43°17′N(xiāo)～43°20′N(xiāo)，128°22′E～128°24′E(見(jiàn)圖1)，海拔350～400 m，地表已被開(kāi)墾為耕地，周?chē)鹆旮?00～600 m.泥炭地呈掌狀，泥炭層邊緣薄、中心厚，平均厚1.2 m，最厚達(dá)1.4 m.泥炭地總面積257.25 hm2，儲(chǔ)量870.534 kt.礦體已被一沖溝切開(kāi)，溝內(nèi)季節(jié)性流水，地下水位在3 m以上.

2樣品采集及研究方法

2.1樣品采集和處理

2000年6月份采用剖面法取樣，采樣地點(diǎn)位于大橋泥炭地的沖溝旁.用于測(cè)量鉛元素的樣品從地表下2.5 cm處開(kāi)始取樣，間隔為5 cm，共得到28個(gè)泥炭樣品.樣品自然風(fēng)干后，粉碎、過(guò)0.18 mm的細(xì)篩.之后，用HNO3-HF-HCIO3在200℃電熱盤(pán)上進(jìn)行完全消解，然后轉(zhuǎn)移到25 mL 的試管中定容.總鉛含量利用原子吸收光譜儀(ZEEMAN AAS)進(jìn)行分析、測(cè)定，同步測(cè)試使用土壤標(biāo)準(zhǔn)參考樣GSS-3(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW-07403)，已知標(biāo)樣的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(26±3)μg/g，實(shí)際測(cè)得的數(shù)值是(25.7±1.7)μg/g，滿(mǎn)足質(zhì)量控制要求.鋯含量采用電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜儀(PLASMA SPEC(Ⅰ)ICP-AES)進(jìn)行測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)差為1.10 μg/mL.樣品的測(cè)量工作由東北師范大學(xué)分析測(cè)試中心完成.

2.2年代測(cè)定

樣品采用常規(guī)14C法進(jìn)行定年.年代校正采用華盛頓大學(xué)提供的年代校正軟件，版本為4.1.2和4.3.

2.3鉛的富集因子、沉降速率，巖石鉛、人為鉛沉降的計(jì)算方法

鉛元素富集因子的計(jì)算公式為

fA=A/b.

式中：fA為泥炭樣品中鉛的富集因子；A為泥炭樣品中鉛和鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比；b為地殼中鉛和鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比.由于地殼中鉛和鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為14.8和203μg/g[18]，故b等于0.073.

計(jì)算鉛沉降速率時(shí)，本文參考Marion使用的方法[16]，即：鉛沉降速率(mg/(m2·a))=鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(μg/g)×樣品厚度速率(cm/a)×容重(g/cm3)×10.

使用無(wú)明顯人為來(lái)源的元素鋯作為參考，通過(guò)巖石風(fēng)化提供給泥炭的巖石鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為[4]

C=D×b.

式中：C是巖石鉛，即巖石風(fēng)化后進(jìn)入泥炭樣品中的鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D是泥炭樣品中鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；b來(lái)自于地殼的鉛和鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，即0.073.一旦巖石鉛確定，外來(lái)的人為鉛可用下式計(jì)算得出：

E=f-C.

式中：E為外來(lái)的人為鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；f是泥炭樣品中總鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；C為巖石鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

計(jì)算整個(gè)泥炭剖面內(nèi)一定體積的泥炭樣品外來(lái)人為鉛的數(shù)量，可采用下式

g=E×ρ×v.

式中：g為一定體積外來(lái)人為鉛的質(zhì)量(μg)；E是外來(lái)人為鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(μg/g)；ρ為泥炭的干容重(g/cm3)；v為樣品的體積(cm3).

由于本剖面水分運(yùn)動(dòng)以下滲為主，大氣沉降占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，外來(lái)人為鉛即相當(dāng)于大氣鉛，因此，本文使用Shotyk提出的公式[4]計(jì)算大橋裕家剖面從底部到頂部積累的人為的大氣鉛含量，即

式中：h是積累的人為的大氣鉛含量；g為外來(lái)的人為鉛含量；i為第i層泥炭；n是總的泥炭層數(shù).

3結(jié)果及分析

3.1年代

大橋泥炭地基底即140 cm處沉降物的14C年齡為2 195 a(B.P.)，校正后的年齡為2 120 a(B.P.)；60 cm處的泥炭年齡是1 410 a(B.P.)，校正后的年齡為1 290 a(B.P.).本文使用的是校正后的年代，年齡深度模型的建立采用分段線(xiàn)性?xún)?nèi)插法.

3.2總鉛和鉛的富集因子、沉降速率

大橋泥炭裕家剖面總鉛含量為1.81～7.35 μg/g，平均值為4.24 μg/g.剖面變化總的趨勢(shì)為底層和表層高，中間低(見(jiàn)圖2).

裕家剖面鉛的富集因子為0.8～3.7，平均值為1.4，在60 cm以下無(wú)富集，其上有不同程度的富集，尤其是亞表層20～25 cm間富集最高(見(jiàn)圖2).

大橋裕家剖面總鉛的沉降速率為0.54～4.97 mg/(m2·a)，變化范圍較大，基本趨勢(shì)是隨著深度的增加而增大，120～160 cm處的沉降速率為0～120 cm層的2倍多.

圖2　大橋泥炭地裕家剖面鉛沉降

3.3巖石鉛、外來(lái)人為鉛和積累的人為大氣鉛

大橋泥炭地裕家剖面的巖石鉛含量為1.0～6.0 μg/g，平均值為2.71 μg/g，剖面的變化趨勢(shì)是底部高，沿剖面向上變小，到表層略有增高，但遠(yuǎn)小于底部的含量.外來(lái)人為鉛的含量為0.01～4.9 μg/g，平均為1.38 μg/g，變化規(guī)律與巖石鉛相反，表層25 cm以上含量偏高.通過(guò)計(jì)算得出，大橋泥炭地積累的人為大氣鉛含量為0.729 3 g/m2.

4討論

大橋泥炭地裕家剖面的總鉛含量與該區(qū)其他泥炭地相比，要略小一些，但基本處于一個(gè)水平上[15]，這種情況可能與樣品的測(cè)量偏差有關(guān).富集因子揭示，裕家樣品在60 cm以上有富集，而其下無(wú)富集，說(shuō)明鉛在剖面上的移動(dòng)較弱.

為了評(píng)價(jià)大橋裕家剖面鉛的來(lái)源，本文參考了Ferrat使用的方法[19]，計(jì)算了大橋泥炭地大氣土壤灰塵輸入速率的歷史變化情況，計(jì)算公式為

I=(J/K)×ρ×L/100.

式中：I為大氣土壤灰塵輸入速率(g/(m2·A))；J是樣品中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(μg/g)；K是地殼中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即4 010μg/g；ρ是泥炭密度(g/cm3)；L是泥炭累積速率(cm/A).

計(jì)算結(jié)果顯示，大橋裕家剖面鉛沉降速率變化趨勢(shì)與大氣土壤灰塵輸入速率的發(fā)展趨勢(shì)一致，相關(guān)分析表明，鉛沉降速率與大氣灰塵輸入速率呈明顯的正相關(guān)(r=0.948，n=14，P<0.01)，表明鉛主要來(lái)自于大氣灰塵輸入，也就是說(shuō)，外來(lái)人為鉛主要是大氣鉛.而鉛的沉降速率與土壤風(fēng)化得來(lái)的巖石鉛也呈明顯的正相關(guān)(r=0.784，n=28，P<0.01)，即剖面鉛沉降速率與土壤氣溶膠輸入速率顯著相關(guān).由此可以看出鉛的沉降速率主要受大氣土壤灰塵沉降影響，而人類(lèi)活動(dòng)造成的鉛污染相對(duì)較小.

將本文得到的積累的人為的大氣鉛同瑞士8個(gè)泥炭沼澤鉆孔的鉛含量(1.0～9.7 g/m2)[4]進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)大橋裕家剖面積累的人為的大氣鉛含量偏低(見(jiàn)表1)，這也進(jìn)一步表明本區(qū)受到的人為的鉛污染較弱，可以作為現(xiàn)代鉛污染的環(huán)境背景參考值.

表1　中國(guó)長(zhǎng)白山區(qū)泥炭與瑞士泥炭中積累的人為的大氣鉛含量比較

大橋泥炭地裕家剖面鉛的富集因子表明大約1 300 a(B.P.)以來(lái)都有所富集，特別是在530 a(B.P.)以來(lái)富集最重.因裕家剖面的鉛沉降與當(dāng)時(shí)的大氣土壤灰塵輸入速率呈正相關(guān)，據(jù)此推測(cè)，15世紀(jì)鉛富集可能與小冰期時(shí)干冷的氣候背景下灰塵較多有關(guān)，而20世紀(jì)以來(lái)的鉛富集主要是人為活動(dòng)的結(jié)果.

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)白山區(qū)敦化盆地大橋泥炭地裕家泥炭剖面樣品的鉛、鋯含量的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)大橋裕家剖面泥炭記錄的晚全新世以來(lái)鉛含量、沉降速率與該地其他剖面在一個(gè)水平上.大橋裕家剖面鉛沉降和富集主要來(lái)自于大氣土壤灰塵等自然變化.富集因子顯示小冰期較多的鉛沉降主要體現(xiàn)干冷的氣候帶來(lái)較多的灰塵；近年來(lái)的鉛富集可能是人為活動(dòng)造成的.大橋裕家剖面記錄的積累的人為的大氣鉛含量低于瑞士泥炭，這說(shuō)明本區(qū)鉛污染相對(duì)較弱.

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(責(zé)任編輯：方林)

Cumulative，anthropogenic，atmospheric lead deposition recorded in Daqiao mire，Dunhua Basin，Changbai Mountains

ZHANG Si-peng，WEI Jiang-wei，YANG Qian-nan，ZHAO Hong-yan

(Institute for Peat and Mire Research，State Environmental Protection Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration，Key Laboratory of Vegetation Ecology，Ministry of Education，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

Abstract:The concentrations of lead，zirconium in the Yujia profile of Daqiao mire in Dunhua Basin were analyzed，the enrichment factor，accumulation rates，lithogenic and anthropogenic lead were calculated in this paper.The results show that the total contents of Pb within Yujia profile at Daqiao mire are 1.81～7.35 μg/g，and average value is 4.24 μg/g.The enrichment factors in the upper section of the profile (0～60 cm，correspond to 0～1 300 a (B.P.))are more than 1，while less than 1 in the bottom section of the profile.It seems to indicate a weak lead move in profile.The range of the lead accumulation rates in Yujia profile is from 0.54 mg/(m2·a)to 4.97 mg/(m2·a)，and it becomes smaller with the depth decreasing.The lead accumulation rates and atmospheric dust accumulation rates show a significant positive correlation(r=0.948，n=14， P<0.01).It means Pb mainly comes from the atmospheric dust.The lead accumulation rates and lithogenic lead concentrations also show a significant positive correlation(r=0.784，n=14， P<0.01)，indicating less lead contamination caused by human activity.The total accumulative，anthropogenic lead in Daqiao mires is 0.729 3 g/m2.The enrichment factors of lead in the Yujia profile reveal the most enrichment occured since 530 a(B.P.).

Keywords:minerotrophic mires；atmospheric Pb deposition；environmental change；Pb pollution

[文章編號(hào)]1000-1832(2016)02-0122-05

[收稿日期]2014-10-10

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41471165，41371103，40971036)；吉林省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20130101081JC)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510200053).

[作者簡(jiǎn)介]張思鵬(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者：趙紅艷(1969—)，女，博士，副教授，主要從事自然地理與濕地生態(tài)研究.

[中圖分類(lèi)號(hào)]P 531[學(xué)科代碼]170·5037

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.02.026