韋嘉輝，張媛媛，陳 晉，梁 婷

(寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院/陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

自工業(yè)革命以來(lái)，隨著人口增長(zhǎng)和工業(yè)、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，化石燃料燃燒和農(nóng)藥化肥等的大量使用，導(dǎo)致人為的污染物排放量激增，大氣中的污染物含量增加，對(duì)大氣降水的化學(xué)組成產(chǎn)生影響[1]。大氣中的含硫、磷物質(zhì)降落至陸地地表或水體表面，被稱之為大氣硫、磷沉降。硫、磷作為環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)元素, 能通過大氣沉降形式輸入到地表，造成湖泊，海洋等水生生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降[2-3]，也會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境問題，是研究生態(tài)系統(tǒng)地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)的重要內(nèi)容之一[4-5]。大氣中的硫沉降過高導(dǎo)致的酸沉降是全球重點(diǎn)關(guān)注問題[6-7]，酸沉降是指大氣中的酸性物質(zhì)以降水的形式或者在氣流作用下遷移到地面的過程，其危害性強(qiáng)，影響范圍較大，會(huì)造成一系列生態(tài)問題，如酸雨、土壤酸化作物減產(chǎn)等[8]。大氣磷的主要來(lái)源有土壤風(fēng)蝕、沙塵、花粉、生物質(zhì)和化石燃料燃燒等[9-10]，大氣磷沉降是導(dǎo)致水質(zhì)下降的主要因素之一[11-12]，是一些水體磷的主要來(lái)源，水體酸度和磷含量的變化都會(huì)引起水體生物群落和物理化學(xué)過程的改變。因此，大氣中的硫、磷沉降以不同方式危害著水生生態(tài)系統(tǒng)、陸生生態(tài)系統(tǒng)、材料和人體健康。

近年來(lái)大氣降水的研究受到廣泛關(guān)注。也有研究表明，東亞地區(qū)降水化學(xué)成分受季節(jié)影響明顯, 除部分源自人為或工業(yè)排放源影響外 (如:北部地區(qū)冬季取暖) , 東亞地區(qū)氣候的季節(jié)變化也是影響降水化學(xué)成分的主要因子之一[13]。目前，人們對(duì)酸沉降的研究較多，我國(guó)是以煤炭作為主要能源的國(guó)家，煤中有機(jī)質(zhì)是復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物，主要由碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成，燃燒過程中的排放的SO2是硫沉降的主要成分。寶雞市是陜西省第二大工業(yè)城市，對(duì)煤炭需求量較大，寶雞同時(shí)也是陜西省重點(diǎn)發(fā)展的旅游城市，對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求也比較高。因此，本研究在寶雞市區(qū)通過采集和分析樣品，對(duì)大氣降水中的硫、磷濃度及其沉降量進(jìn)行初步分析，旨在了解寶雞市城市生態(tài)區(qū)硫、磷濃度和沉降通量的變化特征，主要探討人為活動(dòng)對(duì)城市生態(tài)區(qū)硫、磷沉降的影響，為城市生態(tài)區(qū)硫、磷沉降提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究取樣點(diǎn)位于寶雞市，該地區(qū)地處關(guān)中平原的西部，年平均氣溫13℃，年均降水量700 mm，冬季天氣寒冷干燥，夏季，溫?zé)岫嘤旰脱谉岣稍锾鞖饨惶娉霈F(xiàn)，春季升溫迅速且多變少雨，秋季降溫迅速且陰雨綿綿。寶雞市位于陜西、甘肅、寧夏、四川四省的交匯處，是中國(guó)境內(nèi)亞歐大陸橋上第三個(gè)大十字樞紐。便利 的交通促進(jìn)了以寶雞石油機(jī)械為龍頭的石油鉆采、傳輸產(chǎn)業(yè)集群和汽車制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，“十二五”以來(lái)寶雞市不僅工業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，而且旅游業(yè)的發(fā)展也逐步完善。

1.2 樣品采集與分析

本研究利用雨量器對(duì)硫、磷沉降樣品收集和測(cè)量。雨量器主要由內(nèi)筒和外筒組成，外筒筒口用堅(jiān)硬銅質(zhì)做成內(nèi)直外斜的刀刃狀，起固定作用；內(nèi)筒放一個(gè)儲(chǔ)水瓶用來(lái)收集雨水。雨量器口一直處于敞開狀態(tài)，不僅收集到濕沉降，也會(huì)收集到部分大氣中因重力作用而自然沉降的粉塵(屬于干沉降的一少部分)。每次降水后進(jìn)行人工采樣，取樣時(shí)將雨水搖勻，用雨量杯對(duì)降水量進(jìn)行計(jì)量，后取50 ml樣品裝入提前用去離子水清洗過的塑料瓶，在實(shí)驗(yàn)室中用 0.45 μm 濾膜過濾后于4℃冷藏保存待測(cè)。采樣后，需用去離子水對(duì)雨量器進(jìn)行清洗。樣品分析時(shí)在實(shí)驗(yàn)室用0.45 μm 濾膜過濾后再用 ICP-AES 測(cè)定硫、磷含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析與制圖

樣品中硫、磷的濃度可直接用ICP-AES測(cè)定得到。

沉降通量可表示為：

F=Pr×ρ/100

(1)

式中：F表示濕沉降通量(kg/hm2)，Pr表示降水量(mm)，ρ表示硫或者磷的濃度(mg/L)。

根據(jù)氣象法將3-5月劃為春季，6-8月劃為夏季，9-11月劃為秋季，12月至次年2月劃為冬季。本研究監(jiān)測(cè)期為2017年1-12月，因此再做季節(jié)分析時(shí)將2017年1、2和12月歸為冬季。

采用Excel 2016和GraphPad-8.0作圖軟件處理數(shù)據(jù)并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣硫磷沉降濃度的月動(dòng)態(tài)變化特征

觀測(cè)位點(diǎn)的月降雨量變化如圖 1所示。寶雞市降雨量季節(jié)性分布不均，降雨量主要集中在夏秋季。本監(jiān)測(cè)年內(nèi)，降雨量最大值出現(xiàn)在7月份高達(dá) 196.6 mm,夏秋兩季降雨量分別為124.13 mm、22.50 mm。在冬季降雨量最少，且1、12月無(wú)降雨量。

監(jiān)測(cè)期內(nèi)，大氣中硫、磷沉降月濃度總體來(lái)看變化幅度較大(圖2、圖3)，硫、磷的月平均濃度分別為2.59、0.27 mg/L。硫濃度從9 月開始增加，9、10、11濕沉降總硫濃度分別為4.7、4.53、14.09 mg/L，且明顯高于其他月份；2-8月的硫濃度變化幅度差異不明顯。磷濃度在7月最大高達(dá)0.13 mg/L，5月次之。2、4、8、9、11月磷濃度較小且均小于0.05 mg/L，其他月份為0。據(jù)王麗霞[14]對(duì)陜西省各城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與差異分析中發(fā)現(xiàn)，寶雞市自然條件優(yōu)越，以高新產(chǎn)業(yè)為支柱具有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力保護(hù)生態(tài)資源，城市綠化面積較大，可能因?yàn)閷氹u市為工業(yè)城市，因此工業(yè)產(chǎn)生的污染物較多，并且11月寶雞市開始供暖，燃煤也是導(dǎo)致大氣硫濃度升高的主要原因之一。

圖1 監(jiān)測(cè)期內(nèi)每月降雨量分布圖

圖2 寶雞市大氣硫濕沉降濃度月動(dòng)態(tài)變化

2.2 大氣硫磷沉降濃度的季節(jié)變化特征

從圖4和圖5可以看出，硫濃度和磷濃度的季節(jié)變化特征較為明顯。硫濃度呈現(xiàn)出秋季>春季>夏季>冬季的趨勢(shì)，其中秋季高達(dá)7.77 mg/L，遠(yuǎn)高于其他季節(jié)，春夏季和冬季的硫濃度變化差異不明顯。磷濃度季節(jié)變化趨勢(shì)為夏季>春季>冬季>秋季，并且春夏季明顯高于秋冬季，夏季磷濃度高達(dá)0.045 mg/L。一般來(lái)說(shuō)，降雨次數(shù)越小，硫、磷在大氣中的積聚時(shí)間越久，即使降雨量很小，雨水中硫、磷的濃度也會(huì)很高，而強(qiáng)度較大和次數(shù)較頻繁的降水對(duì)空氣中的硫、磷濃度有一定的稀釋作用。冬季硫、磷濃度較低的原因主要是因?yàn)槎窘涤炅可?，而且寶雞的冬天霧霾較為嚴(yán)重，大量的顆粒物懸浮在空氣中，降雨量少導(dǎo)致無(wú)法測(cè)的濕沉降數(shù)據(jù)，由于霧霾天氣導(dǎo)致的機(jī)動(dòng)車車輛限行也會(huì)降低大氣硫磷濃度 。

圖3 寶雞市大氣磷濕沉降濃度月動(dòng)態(tài)變化

圖4 寶雞市大氣硫沉降濃度季節(jié)變化

圖5 寶雞市大氣磷沉降濃度季節(jié)變化

2.3 大氣硫磷沉降通量的月動(dòng)態(tài)變化特征

監(jiān)測(cè)期內(nèi)，各月大氣氮沉降中的硫、磷通量總體來(lái)看變化幅度較大(圖6)，7-11月硫通量較大分別為1.59、1.26、1.04、1.70 kg/hm2且明顯高于其他月份；6、7月的磷通量值最大為0.009、0.014 kg/hm2，其他月份磷通量值沒有明顯差異(圖7)。硫沉降量7-11月份通量較高，因?yàn)橄那锛窘涤炅看蠹铀倭蛞詽癯两档男问匠两?。并且寶雞市是陜西省重點(diǎn)發(fā)展的旅游城市，春夏季適宜出行，可能是由于旅游季車流量的增多，使化石燃料的消耗也增加，客流量增加導(dǎo)致生活廢水增多，因此大氣磷通量也在4-8月份較高。

圖6 寶雞市大氣硫沉降通量月動(dòng)態(tài)變化

2.4 大氣硫磷沉降通量的季節(jié)變化特征

從圖8圖9可以看出，硫通量和磷通量的季節(jié)變化特征較為明顯。硫通量季節(jié)變化為秋季>夏季>春季>冬季，夏秋季硫通量明顯高于春冬季節(jié)，秋季硫通量高達(dá)1.253 kg/hm2；磷通量季節(jié)變化為夏季>春季>秋季=冬季，夏季磷通量為0.008 kg/hm2，明顯高于春季。全球82%的大氣磷為礦物氣溶膠，大氣磷主要以干沉降的形式沉降[15]。硫沉降量在夏季和秋季較大，而春冬兩季農(nóng)事活動(dòng)較少，可能導(dǎo)致夏秋兩季大氣的硫通量較高。就寶雞市區(qū)而言，在夏季、秋季會(huì)出現(xiàn)高溫天氣，同時(shí)郊區(qū)會(huì)對(duì)作物進(jìn)行追肥和施肥，這會(huì)加速磷的揮發(fā)，而且夏季降雨量多將大氣中含磷的礦物氣溶膠以濕沉降的形式沉降下來(lái)，因此磷沉降量相對(duì)大于其他季節(jié)。伴隨著夏、秋兩季寶雞市雨水較為充沛，夏季高溫汽車尾氣排放量增多，硫沉降量在夏季和秋季較大。

圖7 寶雞市大氣磷沉降通量月動(dòng)態(tài)變化

圖8 寶雞市大氣硫沉降通量季節(jié)變化

圖9 寶雞市大氣磷沉降通量季節(jié)變化

圖10 寶雞市降雨量與大氣硫磷沉降通量的相關(guān)分析

2.5 降水量與大氣硫磷沉降通量的關(guān)系

監(jiān)測(cè)期內(nèi)，寶雞市區(qū)總降水量為500.20 mm，硫的總沉降通量為7.472 kg/hm2，磷的總沉降通量為0.029 kg/hm2。將逐月大氣硫、磷沉降通量與降雨量進(jìn)行相關(guān)分析(圖10)，可見寶雞市的大氣硫、磷濕沉降通量與降雨量呈顯著的線性正相關(guān)(P<0.05)，寶雞市硫、磷沉降量總體上隨降雨量的增加而增加。通過文獻(xiàn)對(duì)比，寶雞市磷沉降的年通量值與九寨溝的年通量值相似，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西安和重慶的觀測(cè)值，高于黃石國(guó)家公園的觀測(cè)值[16]。而硫的月平均通量值也遠(yuǎn)低于太原的觀測(cè)值[17,18]。也說(shuō)明寶雞市雖然是工業(yè)城市，硫、磷沉降量較公園和農(nóng)田系統(tǒng)高，但大氣污染的排放量還是遠(yuǎn)低西安、重慶、太原這些大城市。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)寶雞市區(qū)2017年1月到12月的降水進(jìn)行了收集和分析，主要結(jié)論如下：

(1) 監(jiān)測(cè)期內(nèi)，寶雞市區(qū)大氣硫、磷沉降中月濃度平均值分別為2.59、0.27 mg/L，其月變化波動(dòng)均較大。硫濃度在秋季較高，磷濃度在春夏季較高。

(2)監(jiān)測(cè)期內(nèi)，寶雞市區(qū)大氣硫、磷沉降中月通量平均值分別為0.623、0.002 kg/hm2，月變化波動(dòng)均較大。硫、磷通量均呈現(xiàn)出夏季較高的趨勢(shì)。

(3)監(jiān)測(cè)期內(nèi)，寶雞市區(qū)的降 水量為500.20 mm，硫、磷的總沉降通量為7.472、0.029 kg/hm2。并且大氣硫、磷沉降量與降雨量之間呈正相關(guān)關(guān)系，且隨降雨量的增加而增加。