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华北地区大气干湿沉降及其对农田土壤的影响研究

张国忠  
【摘要】:干湿沉降是大气污染物清除的主要途径。大气中的污染物进入海洋和陆地生态系统后,不但影响地球的生物化学循环,而且通过食物链富集,进而影响人体健康。随着我国经济的飞速发展,工业化和城市化进程不断加速,导致空气质量逐渐恶化,极端大气污染事件频繁发生,华北已经成为我国环境污染最严重地区之一。大气污染的加重,必将对区域农业生态系统产生严重影响。如何准确测算大气污染物向陆地表面输送的污染物种类、通量以及这些污染物的生态环境效应,是一个亟待解决的科学技术难题。本文利用主动和被动两种采样法,于2013年6月到2014年8月在北京同步采集降水样品,测量了降水量、降水p H和电导率等物理特性,分析了Na+,NH4+,K+,Mg2+,Ca2+Cl-,NO3-,SO42-等水溶性离子,以及Be,Na,Mg,Al,K,Ca,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,As,Se,Mo,Cd,Sb,Ba,Ti,Pb,Th,U等金属元素。评估了传统被动采样法表征大气降水化学浓度和沉降通量的可靠性,并通过两种采样方法,间接估算了大气污染物的干沉降通量,对其可行性也进行了评估。同时,利用华北地区城市站(北京)和农业站(山东禹城和河北栾城)大气沉降观测资料和土壤剖面测量数据,测算了大气沉降对城市森林和农田土壤重金属富集的贡献。本文主要研究结果如下:(1)与主动采样法相比,被动采样法获得的降水离子浓度较高,ρ(NO3-)、ρ(Mg2+)、ρ(Ca2+)、ρ(K+)、ρ(Cl-)、ρ(SO42-)、ρ(Na+)和ρ(NH4+)分别超出主动采样法的65%、58%、43%、41%、35%、26%、10%和9%。被动采样法获得的干沉降物质具有酸化降水的趋势,但由于降水携带的碱性物质本底含量较高或是缓冲作用,大气污染物干沉降引入的酸性物质并未显著改变被动采样法获得的降水p H。被动采样法获得的降水中NO3-、NH4+和SO42-混合沉降通量分别比后者获得的湿沉降通量高79%、18%和35%,传统的被动采样法无法完整表征大气含氮元素与硫元素向地表的沉降过程,将分别低估大气氮和硫元素沉降总通量的39%和40%。(2)利用两种采样方式沉降通量差值间接的估算大气干沉降量。其中Na,Mg,Ca,K,V,U,Mo,Cu,Ni,Se,Th,Sb,Fe,Ti,As等15种元素的大气干沉降通量分别占混合沉降通量的57%,51%,42%,36%,33%,30%,27%,25%,23%,22%,20%,20%,17%,17%,17%。(3)我国华北城市和农业区金属元素(Se为非金属;As为类金属)干湿沉降通量整体上高于我国其它地区。华北农业区污染型金属元素在土壤表层均有不同程度的富集,表明存在工业排放源的显著影响。禹城站Mn、Cu、Fe、Ni和As在40-60cm处发生富集,Mo、Zn、Cr和Ni在20-40cm处富集,重金属污染明显影响到农业耕层土壤。大气沉降对禹城土壤人为源Cu、Se、Cd和As的贡献率分别为78%、11%、8%和10%,对其它金属元素影响较小;栾城站土壤中Zn元素的大气沉降贡献率为20%,Cr元素几乎完全来自于大气沉降。我国华北地区大气干湿沉降携带的污染物浓度高,对区域水体和土壤污染已构成严重威胁。本文研究方法有助于科学评价大气污染物通过降水、降尘和气体干沉降输入到地表环境通量的可靠性和可行性,研究结果有利于认知华北地区大气污染沉降通量的空间变化及其对生态系统的潜在影响,进而可为大气污染区域协同控制提供部分科学依据。


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