杭州典型區(qū)域秋冬季大氣活性氮濕沉降特征研究*

仇 豐 李斯豪 郭 莉 謝向前

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江恒達(dá)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(kuò)大,經(jīng)濟(jì)、政治地位大幅提升,對(duì)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(guò)氮、磷沉降總量或無(wú)機(jī)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(shè)置了4個(gè)觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)2020年秋(11月)冬(12月)季降水中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機(jī)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(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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(cè)點(diǎn)位于華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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(cè)點(diǎn)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(dòng)較少。農(nóng)田觀測(cè)點(diǎn)位于蘭里景區(qū)南側(cè)農(nóng)用地旁,30°20′38.68′′N、120°2′4.83′′E,周圍5 km內(nèi)無(wú)工業(yè)污染。水體觀測(cè)點(diǎn)位于農(nóng)田觀測(cè)點(diǎn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室后分成兩部分,一部分經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾,另一部分不經(jīng)濾膜過(guò)濾,無(wú)法當(dāng)天完成檢測(cè)的樣品置于-20 ℃條件下冷凍保存。樣品采集、運(yùn)輸、保存均符合《水質(zhì)采樣 樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493—2009)和《酸沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 165—2004)相關(guān)規(guī)定。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)安裝TS-CB1型自動(dòng)超聲波氣象站記錄觀測(cè)期間降水量、降水起止時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)。

2.2 降水樣品分析

降水樣品的pH和電導(dǎo)率現(xiàn)場(chǎng)使用G11481型多參數(shù)水質(zhì)分析儀進(jìn)行測(cè)定,在進(jìn)行pH測(cè)定前使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)液進(jìn)行3點(diǎn)校準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)pH分別為4.01、7.00、10.01),在進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)定前使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)液進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)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(jī)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?jǐn)?shù)分別為30.78%、22.96%、46.26%,有機(jī)氮占比最高。

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

3.2 活性氮時(shí)間分布特征

大氣中氮濕沉降的時(shí)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(jī)氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮與降水量均存在顯著指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05),與張六一等[19]在三峽庫(kù)區(qū)澎溪河流域的觀測(cè)結(jié)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(guò)程,可對(duì)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(dǎo)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(guān)。另外,冬季大氣的靜穩(wěn)性也會(huì)造成大氣污染物無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散,導(dǎo)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(jī)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(shuō)明人為源是導(dǎo)致大氣活性氮過(guò)量輸入的主要原因[21]。本研究中杭州主城區(qū)觀測(cè)點(diǎn)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(fēng)向,所以機(jī)動(dòng)車和工業(yè)排放對(duì)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(lái)源分析

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

在以往研究中,學(xué)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(duì)貢獻(xiàn)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(shuō)明杭州大氣活性氮以農(nóng)業(yè)源為主。

有機(jī)氮由于成分復(fù)雜,因此其來(lái)源一般很難準(zhǔn)確描述。主城區(qū)的有機(jī)氮可能來(lái)自機(jī)動(dòng)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(jī)氮濃度較中心綠地略高,可能是化肥使用等農(nóng)業(yè)活動(dòng)所致。

4 結(jié) 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(jī)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?jǐn)?shù)分別為30.78%、22.96%、46.26%,有機(jī)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(jī)氮均與降水量呈顯著指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)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(shuō)明人為源是導(dǎo)致杭州大氣活性氮過(guò)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(dǎo)。有機(jī)氮可能來(lái)自機(jī)動(dòng)車和工業(yè)企業(yè)的一次排放,也有來(lái)自大氣顆粒物的二次排放。