仇 豐 李斯豪 郭 莉 謝向前

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江恒達儀器儀表股份有限公司,浙江 杭州 310030)

近些年,杭州城市規(guī)模不斷擴大,經(jīng)濟、政治地位大幅提升,對環(huán)境質(zhì)量的要求也不斷提高,但僅有在杭州部分區(qū)域開展過氮、磷沉降總量或無機氮的研究[15-17]。本研究在杭州不同土地功能的典型區(qū)域設置了4個觀測點,觀測2020年秋(11月)冬(12月)季降水中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機氮3種形態(tài)氮的濕沉降特征,為杭州制定合理高效的氮控制方案提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎。

1 研究區(qū)域

本研究選擇了主城區(qū)、中心綠地、農(nóng)田、水體4類典型區(qū)域。主城區(qū)觀測點位于華東勘測設計研究院潮王院區(qū)南樓樓頂,30°17′24.56′′N、120°9′45.66′′E,地處杭州的市中心。中心綠地觀測點位于美人峰山腳下大龍駒塢,30°15′2.06′′N、120°5′6.98′′E,人群活動較少。農(nóng)田觀測點位于蘭里景區(qū)南側農(nóng)用地旁,30°20′38.68′′N、120°2′4.83′′E,周圍5 km內(nèi)無工業(yè)污染。水體觀測點位于農(nóng)田觀測點位附近蘭里景區(qū)外大型魚塘,30°20′30.92′′N、120°2′16.12′′E。

2 樣品采集及前處理

2.1 降水采樣及前處理

降水樣品使用ZJC-V型全自動干濕沉降采樣器采集于聚乙烯容器中,其中聚乙烯容器貯存在溫度為0～4 ℃的內(nèi)置冰箱里。樣品帶回實驗室后分成兩部分,一部分經(jīng)0.45 μm濾膜過濾,另一部分不經(jīng)濾膜過濾,無法當天完成檢測的樣品置于-20 ℃條件下冷凍保存。樣品采集、運輸、保存均符合《水質(zhì)采樣 樣品的保存和管理技術規(guī)定》(HJ 493—2009)和《酸沉降監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 165—2004)相關規(guī)定。同時,現(xiàn)場安裝TS-CB1型自動超聲波氣象站記錄觀測期間降水量、降水起止時間、風速、風向等參數(shù)。

2.2 降水樣品分析

降水樣品的pH和電導率現(xiàn)場使用G11481型多參數(shù)水質(zhì)分析儀進行測定,在進行pH測定前使用標準校準液進行3點校準(標準pH分別為4.01、7.00、10.01),在進行電導率測定前使用標準校準液進行單點校準(標準電導率為1 414 μS/cm)。

3 濕沉降中活性氮分布特征

3.1 活性氮濃度特征

由表1可見,杭州典型區(qū)域秋冬季降水中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機氮的質(zhì)量濃度平均值分別為1.85、1.38、2.78 mg/L,在總氮中的質(zhì)量分數(shù)分別為30.78%、22.96%、46.26%,有機氮占比最高。

表1 不同形態(tài)氮的統(tǒng)計特征1)Table 1 Statistical characteristics of different nitrogen forms

3.2 活性氮時間分布特征

大氣中氮濕沉降的時間分布規(guī)律主要受降水和氣溫的影響[18]。從圖1可知,有機氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮與降水量均存在顯著指數(shù)負相關關系(p<0.05),與張六一等[19]在三峽庫區(qū)澎溪河流域的觀測結果一致。降雨能夠有效清除大氣活性氮,尤其是降雨初期的“云下清除”過程,可對空氣和氣溶膠起沖刷作用[20]。從圖2可知,以硝態(tài)氮為典型,不同區(qū)域基本上表現(xiàn)為冬季硝態(tài)氮濃度高于秋季,可能是氣溫大幅度下降導致人們出行方式和用電量的改變所致。冬季的大氣活性氮濃度高于秋季,也與冬季降水量偏少有關。另外,冬季大氣的靜穩(wěn)性也會造成大氣污染物無法及時擴散,導致活性氮聚集。

3.3 活性氮空間分布特征

分析圖3可知,氨態(tài)氮濃度主城區(qū)>中心綠地>農(nóng)田>水體;硝態(tài)氮濃度主城區(qū)>農(nóng)田>水體>中心綠地;有機氮濃度主城區(qū)>水體、農(nóng)田>中心綠地。由此可見,主城區(qū)濕沉降中各類活性氮濃度均處于最高水平,說明人為源是導致大氣活性氮過量輸入的主要原因[21]。本研究中杭州主城區(qū)觀測點緊鄰上塘高架路,冬季位于北邊塘棲工業(yè)園、崇賢工業(yè)園的下風向,所以機動車和工業(yè)排放對該區(qū)域的活性氮濃度分布產(chǎn)生巨大影響[22]。

圖3 杭州濕沉降中活性氮的空間分布Fig.3 Spatial distribution of active nitrogen in wet deposition in Hangzhou

3.4 濕沉降中活性氮來源分析

大氣無機氮中氨態(tài)氮主要來自化肥使用、畜禽糞便揮發(fā)等農(nóng)業(yè)活動[23-24],硝態(tài)氮主要來自工業(yè)生產(chǎn)、化石燃料燃燒等工業(yè)活動[25-26]。大氣有機氮主要來自大氣顆粒物、機動車尾氣、生物質(zhì)燃燒及二次形成[27-28]。

在以往研究中,學者們通常采用氨態(tài)氮/硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度比(RN)作為判斷工業(yè)源和農(nóng)業(yè)源相對貢獻的初步依據(jù)[29-31]。杭州典型區(qū)域主城區(qū)、中心綠地、農(nóng)田、水體秋冬季RN平均值分別為2.50、2.40、1.27、2.33,均大于1,說明杭州大氣活性氮以農(nóng)業(yè)源為主。

有機氮由于成分復雜,因此其來源一般很難準確描述。主城區(qū)的有機氮可能來自機動車和工業(yè)企業(yè)的一次排放,也有大氣顆粒物的二次排放。而水體與農(nóng)田的有機氮濃度較中心綠地略高,可能是化肥使用等農(nóng)業(yè)活動所致。

4 結 論

(1) 杭州典型區(qū)域秋冬季降水中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機氮的質(zhì)量濃度平均值分別為1.85、1.38、2.78 mg/L,在總氮中的質(zhì)量分數(shù)分別為30.78%、22.96%、46.26%,有機氮占比最高。

(2) 杭州典型區(qū)域秋冬季降水中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機氮均與降水量呈顯著指數(shù)負相關關系(p<0.05);冬季硝態(tài)氮濃度基本上高于秋季。主城區(qū)濕沉降中各類活性氮濃度均處于最高水平,說明人為源是導致杭州大氣活性氮過量輸入的主要原因。

(3) 杭州典型區(qū)域RN平均值大于1,可推斷杭州大氣活性氮以農(nóng)業(yè)源為主導。有機氮可能來自機動車和工業(yè)企業(yè)的一次排放,也有來自大氣顆粒物的二次排放。