京津冀农业区典型气态污染物干沉降研究及其生态效应初探

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干沉降是污染物从大气中清除的主要过程之一,沉降到地表能影响地球生化循环,并通过水和食物链对人体健康造成危害。京津冀是我国政治、经济和文化中心,近年来,由于化石燃料燃烧、化肥使用以及畜牧业等人类活动的加剧,品类繁多的挥发性无机和有机物、光化学氧化剂和细粒子交织复合,京津冀区域呈现出高颗粒物浓度与高臭氧浓度并存的大气复合污染特征。特别是在静稳天气条件下,区域复合污染极易持续积累,能见度持续下降,造成严重的区域大气污染,不但对人体健康造成危害,也对农业生产造成影响,极大地阻碍着首都圈的生态文明建设。本文通过对京津冀域典型农业站气体污染物干沉降浓度特征和变化规律及其生态效应的观测研究,阐述京津冀区域农业站气体污染物的时空变化规律和及其生态学效应,为区域环境污染协同控制提供部分科学参考和技术支撑。本文利用意大利“分析家”(Analyst)个体被动采样器和化学分析相结合的方法,于2007年12月2010年11月在北京、天津、保定、塘沽、唐山、阳坊、沧州、栾城、禹城和兴隆共10个站点,同步采集并分析了大气中气体污染物SO2、NO2、NOx、O3、NH3和BTEX的浓度特征和变化规律,并估算了农业生态站禹城和栾城的气体SO2、NO2、NH3及总的无机氮的干沉降通量,初步探讨了其生态学效应。本文获得以下研究结果:(1)农业站栾城和禹城20082010年SO2的浓度呈下降的趋势,NO2呈上升的趋势,禹城站O3上升,栾城站O3先下降后上升,NH3没有明显的年际变化。SO2、NO2的年均值浓度为农业站比其他站低,栾城和禹城NO2的浓度均超过世界卫生组织的年均值标准30μK·Q-3,O3为本底站兴隆高,NH3为农业站禹城和栾城及近海站塘沽高。SO2和NO2的季节变化呈两头高中间低的“U”字型,冬季高,夏季低,春秋居中。栾城和禹城冬季的SO2浓度分别为(138.3±21.2)μK·Q-3和(82.1±17.6)μK·Q-3,夏季SO2的浓度分别为(42.8±5.4)μK·Q-3和(31.9±6.1)μK·Q-3。冬季NO2浓度分别为(67.2±15.1)μK·Q-3和(54.0±8.8)μK·Q-3,夏季NO2的浓度分别为(24.0±3.4)μK·Q-3和(17.9±0.1)μK·Q-3。NH3季节特征表现为夏季高,冬季低。夏季NH3浓度最高的是栾城和禹城,分别为(36.1±16.3)μK·Q-3和(28.9±11.4)μK·Q-3,最低的为兴隆站,浓度为(5.6±2.8)μK·Q-3;冬季近海站塘沽的NH3浓度最高,为(21.6±9.7)μK·Q-3,兴隆站最低,浓度为(1.6±0.9)μK·Q-3。(2)20082010年BTEX浓度特征表现为农业站低于城市站,栾城和禹城的BTEX浓度分别为26.1μK·Q-3和14.7μK·Q-3。近海工业城市塘沽BTEX浓度最高为77.2μK·Q-3,其次是北京、天津、唐山和保定,浓度分别为23.4μK·Q-3、26.9μK·Q-3、26.1μK·Q-3和23μK·Q-3,兴隆站BTEX的浓度最低为11.0μK·Q-3。农业站超过欧盟规定的苯年均值排放标准5μK·Q-3。北京和天津BTEX的平均浓度由高到低的顺序依次为甲苯>苯>乙苯>间对二甲苯,保定、唐山、阳坊、沧州、栾城、禹城、塘沽和兴隆站BTEX的平均浓度由高到低的顺序依次为苯>甲苯>乙苯>间对二甲苯。(3)农业站栾城的BTEX浓度表现为冬季最高,夏季最低,春秋居中,禹城表现为冬季最高,春季最低,夏秋居中。栾城、禹城、沧州和兴隆四个季节B/T≥1,生物质、燃煤及其他源对BTEX的贡献较多。北京和天津冬季B/T>1,燃煤可能是冬季BTEX的主要来源,春夏秋季B/T<1,机动车尾气可能是春夏秋季BTEX的主要来源;保定和唐山四个季节B/T≥1,燃煤可能是老工业基地BTEX的主要来源;阳坊春秋季B/T<1,春秋机动车尾气可能对BTEX的贡献较多,夏冬季B/T>1,夏季生物质、冬季燃煤可能对BTEX的贡献较多;农业站冬季BTEX之间的相关性比夏季好,城市站夏季比冬季好,表明农业站冬季BTEX源一致,城市站夏季BTEX源一致。农业站冬季甲苯和间对二甲苯的相关系数为0.91,乙苯和间对二甲苯的相关系数为0.90,甲苯、乙苯和间对二甲苯的排放源相同;城市站夏季乙苯和甲苯的相关系数为0.82,乙苯和甲苯可能来自相同的源。(4)20082010年,禹城和栾城站气体污染物的干沉降速率处于动态变化中,一般而言,夏秋季高,冬春季低。同一物种不同地区的干沉降速率略有差异,禹城站NH3、NO2和SO2的月沉降速率变化范围分别为3.812.8、0.21.7和1.18.8mm·s-1;栾城站的干沉降速率分别为3.012.4、0.21.1和1.29.2mm·s-1。同一地区不同物种的干沉降速率不同,NH3的沉降速率最大,其次为SO2,沉降速率最低的是NO2。NO2的干沉降速率没有明显的年际差异,呈单峰型,NH3和SO2的干沉降速率年际间稍有差异,呈双峰型。(5)20082010年,禹城站NH3、NO2和SO2的月沉降通量变化范围分别为0.914.5、0.20.9和1.112.8Kg·ha-1·month-1,栾城站其月沉降通量变化范围分别为1.113.2、0.21.4和1.226.9Kg·ha-1·month-1。从年际上看,NH3的干沉降通量表现出先下降后上升的趋势,NO2的干沉降通量表现出上升的趋势,SO2的干沉降通量表现出下降的趋势。禹城站20082010年NH3的干沉降通量分别为42.9、40.3和49.7Kg·ha-1·a-1,年均值为44.3Kg·ha-1·a-1,NO2的干沉降通量分别为4.5、5.1和5.5Kg·ha-1·a-1,年均值为5.1Kg·ha-1·a-1,SO2的干沉降通量分别为67.7、50.1和40.6Kg·ha-1·a-1,年均值为52.8Kg·ha-1·a-1;栾城站20082010年NH3的干沉降通量分别为51.2、50.8和52.9Kg·ha-1·a-1,年均值为51.7Kg·ha-1·a-1,NO2的干沉降通量分别为4.8、5.7和6.3Kg·ha-1·a-1,年均值为5.6Kg·ha-1·a-1,SO2的干沉降通量分别为105.4、75.9和50.5Kg·ha-1·a-1,年均值为77.2Kg·ha-1·a-1。禹城站大气中总的无机氮干沉降约为52.2165.7KgN·ha-1·a-1,栾城站大气中总的无机氮干沉降约为60.7192.6KgN·ha-1·a-1,超过氮沉降的临界负荷1530KgN·ha-1·a-1
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