天目山地區(qū)大氣酸沉降的動(dòng)態(tài)特征論文
大氣的酸沉降是指大氣中不同來源的酸性物質(zhì)沉降到森林、湖泊、地表等作用而的過程。根據(jù)沉降物的物理性質(zhì)可分為干沉降(如氣溶膠等)和濕沉降(如降水等過程)。大氣酸沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)、水生生態(tài)系統(tǒng)等各類生態(tài)系統(tǒng)都能產(chǎn)生不同程度的危害，而且，這種危害可以隨著大氣環(huán)流作用可以擴(kuò)散到其他國(guó)家和區(qū)域。因此，它不僅是大氣的環(huán)境問題，同時(shí)也包括了全部的水域、土壤，甚至整個(gè)生物圈。關(guān)于大氣酸沉降的研究最早起始于19世紀(jì)40年代英國(guó)化學(xué)家Robert-Smith對(duì)英格蘭地區(qū)酸沉降現(xiàn)象的科學(xué)調(diào)查。但直到20世紀(jì)中葉，斯堪的納維亞半島酸化問題給湖泊魚類帶來毀滅J哇的災(zāi)害，酸沉降現(xiàn)象才引起各國(guó)學(xué)者的普遍關(guān)注。此后的研究發(fā)現(xiàn):北美西北部、中國(guó)、俄羅斯和南美等均出現(xiàn)了嚴(yán)重的酸雨。20世紀(jì)二三十年代，中國(guó)才開始對(duì)大氣酸沉降開展相關(guān)的研究。為進(jìn)一步掌握酸雨的地區(qū)分布，國(guó)家環(huán)保部門于1982年在全國(guó)范圍內(nèi)建立了189個(gè)觀測(cè)站、523個(gè)降水采樣點(diǎn)的酸雨監(jiān)測(cè)網(wǎng)。研究監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)末期酸雨已覆蓋了中國(guó)大部分經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，酸沉降地區(qū)的總而積已超過270萬km，占國(guó)土陸域而積的30%以上。全國(guó)酸雨監(jiān)測(cè)網(wǎng)2005-2011年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)的酸雨發(fā)生頻率及酸雨覆蓋而積總體均呈降低趨勢(shì)，但形勢(shì)依然嚴(yán)峻，酸雨類型仍以硫酸型為主，硝酸鹽對(duì)降水酸度的貢獻(xiàn)逐年增加。中國(guó)現(xiàn)已是繼西歐和北美之后的世界第三大酸沉降區(qū)，并且隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境惡化仍有加劇的趨勢(shì)，因此尋求科學(xué)有效的污染控制對(duì)策和治理措施是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的迫切要求。位于長(zhǎng)江三角洲的天目山地區(qū)，是中國(guó)酸雨多發(fā)區(qū)和水體嚴(yán)重污染區(qū)域之一，因此積極在該地區(qū)開展大氣酸沉降的研究具有十分重要的實(shí)踐意義和理論價(jià)值。
1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法
1.1研究區(qū)概況
天目山地處浙江省西北部臨安市境內(nèi)。天目山由東西2座峰組成，東峰的大仙頂海拔為1 480 m ,西峰的仙人頂海拔1 506 m。天目山于1956年被國(guó)家林業(yè)部劃為森林禁伐區(qū)，作為自然保護(hù)區(qū)加以保護(hù)。天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于西天目山，所轄地域總而積為4 284 hmZ，地理位置為30°18'30"~30°24'55" N, 119°23'47"119°28'27" E，距離杭州94 km。本試驗(yàn)研究區(qū)即在保護(hù)區(qū)內(nèi)。
天目山地處亞熱帶地區(qū)，因受海洋暖濕氣流的影響，屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，春秋季較短，冬夏季偏長(zhǎng)。年平均氣溫為14.88.8 ℃，最冷月平均氣溫為3.42.6 0C，最熱月平均氣溫為28.119.9 0C。雨水充沛，年雨日為159.2183.1 d，年降水量為1 390~1 870 mm，積雪期較長(zhǎng)，比區(qū)外多10~30 d，形成浙江西北部的多雨中心。土壤類型主要為紅壤、黃壤和黃紅壤。植被類型主要有針葉林、毛竹Phyllostuchys edulas林、常綠闊葉林、常綠落葉闊葉林和落葉闊葉林，且目前正處于向針闊混交林演替的階段。
1.2研究方法
1.2.1大氣降水樣品的采集在研究區(qū)的一開闊處(無建筑物、林冠等遮擋)，安裝了1臺(tái)ZJG系列智能降水采樣器(工型)，自動(dòng)收集降水并記錄。收集到的降水樣品先測(cè)定其體積，然后保存350 mL的樣品以作分析。采樣頻率為1次/周。此外，在研究區(qū)域設(shè)有1個(gè)小型氣象自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，主要測(cè)量并記錄該地區(qū)的濕度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向和降水量等氣象因子。
1.2.2降水樣品測(cè)定降水樣品的pH值和電導(dǎo)率CE用MP522型精密pH/電導(dǎo)率儀測(cè)定。每次測(cè)定前都需要用標(biāo)準(zhǔn)溶液校正，pH值采用“三點(diǎn)法”，電導(dǎo)率CE采用“單點(diǎn)法”。降水樣品的按態(tài)氮質(zhì)量濃度使用美國(guó)戴安DX-1000離子色譜儀分析測(cè)定，硝態(tài)氮和硫酸根的質(zhì)量濃度使用美國(guó)戴安DX-80離子色譜儀分析測(cè)定。水樣分析方法是將1個(gè)月內(nèi)的水樣按照體積數(shù)加權(quán)平均混合后進(jìn)行測(cè)定。
1.2.3數(shù)據(jù)來源與分析一部分?jǐn)?shù)據(jù)來自實(shí)驗(yàn)室對(duì)水樣的分析測(cè)定，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)是基于臭氧監(jiān)測(cè)儀器( OMI , ozone monitoring instrument)遙感技術(shù)獲得的天目山地區(qū)2012年8月一2013年8月期間天目山地區(qū)二氧化氮(NOZ)對(duì)流層柱濃度。數(shù)據(jù)的分析和處理主要利用Excel 2007來完成。
2結(jié)果與分析
天目山地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，受海洋暖氣流的影響，因此降水較為充沛，并且季節(jié)變化明顯，具體表現(xiàn)為夏季潮濕多雨，而冬季相對(duì)干燥少雨。大氣中的氮、硫等元素多以濕沉降的形式進(jìn)入到生態(tài)系統(tǒng)。
2.1天目山地區(qū)降水樣品的部分特征
2012年8月至2013年9月，每周收集濕沉降樣品，統(tǒng)計(jì)記錄收集到的降水總體積數(shù)，并定期分析測(cè)定樣品的電導(dǎo)率CE和pH值等指標(biāo)，然后得出降水樣品的月平均變化情況。其中，樣品的pH值變化范圍較小，一直處于酸性降水水平;電導(dǎo)率CE的值與采樣器收集到樣品的體積數(shù)具有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而且季節(jié)性顯著，如春夏季，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.958 8。這說明，降水的體積數(shù)對(duì)樣品的離子濃度具有一定的稀釋作用圈，故電導(dǎo)率隨季節(jié)性降水呈現(xiàn)出相應(yīng)的季節(jié)性變化規(guī)律。
2.2天目山地區(qū)降水樣品的無機(jī)氮沉降特征
關(guān)于活性氮對(duì)大氣環(huán)境、全球生態(tài)系統(tǒng)等造成危害的報(bào)道已不勝枚舉，因此開展對(duì)活性氮的重要組成成分—無機(jī)氮的動(dòng)態(tài)研究，是十分必要的。本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)降水樣品的按態(tài)氮(NHQ'-N)和硝態(tài)氮(N03--N)的質(zhì)量濃度進(jìn)行的分析測(cè)定�？梢钥吹剑琋HQ'-N和N03--N質(zhì)量濃度的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為10月達(dá)到最高，7月最低。這主要和降水量的大小對(duì)離子的濃度具有一定的稀釋效應(yīng)有關(guān)。此項(xiàng)結(jié)果與向仁軍等研究蔡家塘森林小流域時(shí)的大氣氮濕沉降得出的結(jié)果具有一定的一致性，可見無機(jī)氮質(zhì)量濃度的變化確實(shí)存在季節(jié)性的特征差異。
2.3天目山地區(qū)降水樣品的硫酸根沉降特征
亞硫酸根是大氣中重要的致酸陰離子，結(jié)合該地區(qū)的降水量數(shù)據(jù)�？梢钥闯�:亞硫酸根質(zhì)量濃度變化與降水量呈一定的的負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且春夏季動(dòng)態(tài)變化中表現(xiàn)顯著，相關(guān)系數(shù)為0.977;在秋冬季的動(dòng)態(tài)變化中不是很明顯，這可能是因?yàn)槠渌蛩赜绊懙慕Y(jié)果，如秋季焚燒作物秸稈、冬季取暖時(shí)煤炭的燃燒等排放的二氧化硫能直接影響大氣中亞硫酸根的質(zhì)量濃度。這些將在下而再作進(jìn)一步的探討。
3討論與結(jié)論
3.1討論
大氣降水樣品的pH值和電導(dǎo)率CE的變化規(guī)律主要與季節(jié)性降水有關(guān)，可能是因?yàn)榻邓康拇笮?/p>
對(duì)離子的質(zhì)量濃度具有一定的稀釋效應(yīng)
降水樣品的無機(jī)氮質(zhì)量濃度具體表現(xiàn)為秋季最高，春季次之，夏季最低，與青島地區(qū)大氣濕沉降的研究結(jié)果基本一致。并且，降水的無機(jī)氮質(zhì)量濃度隨降水強(qiáng)度的增大呈降低趨勢(shì)，旱季質(zhì)量濃度明顯大于雨季，降水對(duì)大氣具有一定的清洗作用。出現(xiàn)上述結(jié)果的原因，一方而與季節(jié)性降水有關(guān)，一方而與煤炭燃燒、化肥揮發(fā)、微生物的分解作用等有關(guān)。大氣降水樣品中51142一質(zhì)量濃度主要來源于大氣二氧化硫遇水和空氣后發(fā)生的氧化反應(yīng)，因此其質(zhì)量濃度變化與降水量的大小呈較高的負(fù)相關(guān)關(guān)系。
通過對(duì)天目山地區(qū)的2012年8月至2013年9月的降水樣品N03一和51142一質(zhì)量濃度的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)兩者具有比較高的相關(guān)性，這主要與降水樣品N03一和SOQZ一的來源密切相關(guān)。二氧化硫和氮氧化物大多來自化石燃料等的燃燒，而閃電作用可以直接把大氣的氮?dú)庖厕D(zhuǎn)化為氮氧化物。二氧化硫在臭氧等條件下可氧化成三氧化硫.遇水即變成SOaZ-:在大氣水分充足的條件下.二氧化硫可以直接變成亞硫酸.然后經(jīng)某些物質(zhì)的催化作用也可變?yōu)镾OQZ-。而二氧化氮可以直接與大氣中的水分反應(yīng)生成N03-，同時(shí)二氧化氮的存在也促進(jìn)了二氧化硫向SOQZ一的轉(zhuǎn)化〔m。故而兩者具有很高的相關(guān)性。另外，研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)SOQZ-/ N03一的比值范圍為4.138.89，說明天目山地區(qū)的酸沉降過程中，SOQZ一對(duì)酸雨的酸度貢獻(xiàn)較大。張新民等[mo的研究表明:中國(guó)酸雨目前還是以硫酸型為主，并且隨著氮氧化物排放量的增加，正在向硫酸一硝酸混合型轉(zhuǎn)變。本研究結(jié)果與其結(jié)論是完全一致的。
通過對(duì)天目山降水樣品的N03一質(zhì)量濃度的測(cè)定和OMI衛(wèi)星對(duì)流層二氧化氮的垂直柱質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，兩者質(zhì)量濃度在秋冬季呈現(xiàn)為相關(guān)系數(shù)值較高的正相關(guān)，而在春夏季為相關(guān)系數(shù)值較低的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這可能是因?yàn)橄募窘邓^多，對(duì)大氣的濕清除作用較為明顯，而且夏季溫度較高，減少了二氧化氮在大氣的存在時(shí)間[l5]，同時(shí)也增加了二氧化氮在水里的.溶解度，故而在夏季兩者的變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。冬季的氣溫較低而且降水稀少，二氧化氮垂直柱質(zhì)量濃度較高，而冬季采暖使用煤炭燃燒排放出的二氧化氮等廢棄物增多，導(dǎo)致降水樣品的N03一質(zhì)量濃度迅速升高。因此，兩者在冬季的變化呈現(xiàn)出較高的一致性。而在秋季也出現(xiàn)了一致性的變化，主要是因?yàn)橄募镜慕邓^多，通過濕清除作用把大氣中的大部分雜質(zhì)包括含氮化合物都沉降下來，故降水樣品的N03一質(zhì)量濃度較低，同時(shí)由于秋季的溫度也較高，二氧化氮垂直柱質(zhì)量濃度較低，故兩者也表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。
通過對(duì)2012年8月至2013年9月間天目山地區(qū)降雨水樣無機(jī)氮質(zhì)量濃度的測(cè)定和分析，得出無機(jī)氮月平均質(zhì)量濃度為1.109 mL。，結(jié)合智能降水采集器收集到的降水總體積數(shù)和采樣桶的口徑大小，可以估算出該地區(qū)大氣濕沉降的無機(jī)氮年沉降總量約為5.25 kg/ hm 。而據(jù)報(bào)道在未受到人類活動(dòng)影響，該地區(qū)的較高氮沉降量也不可忽視。
3.2結(jié)論
2012年8月至2013年9月期間通過對(duì)天目山地區(qū)濕沉降水樣的采集和對(duì)樣品的無機(jī)氮組分(硝態(tài)氮、按態(tài)氮)、硫酸根、電導(dǎo)率CE值、pH值等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定及相關(guān)性分析，結(jié)論如下:
①天目山地區(qū)的降水屬于典型的酸性降水，pH值年平均值為pH 4.81; pH值的變化具有明顯的季節(jié)性特征，夏秋季節(jié)較高，春冬季節(jié)較低;降水中的SOQZ-/N03一離子的比值范圍為4.138.89，說明該地區(qū)的酸沉降中，SOQZ一對(duì)酸水的酸度貢獻(xiàn)較大。
�、谔炷可酱髿鉂癯两档碾妼�(dǎo)率CE值以及NHQ -N , N03 -N和SOQZ一質(zhì)量濃度隨時(shí)間而呈規(guī)律性變化，大體表現(xiàn)為:秋季或冬季最高，而夏季最低，主要與降水量的稀釋效應(yīng)有關(guān)。
�、垩芯科陂g，大氣濕沉降的無機(jī)氮年沉降總量約為5.25 kG/hm Z，降水的無機(jī)氮月平均質(zhì)量濃度為1.109m. L。因此，雖然該地區(qū)的酸沉降中SOQZ一的貢獻(xiàn)較大，但是該地區(qū)的較高氮沉降量也不可忽視。
④降水樣品的N03--N和NHQ--N質(zhì)量濃度，N03--N和SOQZ一質(zhì)量濃度變化均呈線性相關(guān)關(guān)系，分別是)=1.392 Ox-0.315 5 , RZ = 0.768 0和)=0.1803x+0.0138, Rz=0.8866
⑤地而搜集降水樣品的N03一質(zhì)量濃度和OMI衛(wèi)星對(duì)流層二氧化氮的垂直柱質(zhì)量濃度也存在密切的相關(guān)關(guān)系，并且這種相關(guān)性有季節(jié)J哇變化，表現(xiàn)為秋冬季正相關(guān)性，而在春夏季則為負(fù)相關(guān)性。
4參考文獻(xiàn)
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