我国东北地区城乡连续空间大气汞分布特征研究

陈 燕

（大连金州新区环境监测站，辽宁 大连 116600）

0 引言

汞主要以元素态存在于大气中，占大气总汞的90%以上，可停留长至2a［1－2］，故大气介质是重要的汞贮存库，也是汞进行迁移和转化的重要渠道之一.据EPA的统计，有50%～70%的人为源释汞是由化石燃料燃烧所致，这其中又有超过50%的量来自于中国、印度等亚洲发展中国家［3－4］.亚洲东部地区排放的汞，可由极地西风携带，一直输送到北美地区并沉降，因此汞已经被认为是全球性的污染物［3，5］.中国一度被认为是全球主要的释汞源区，有研究显示约有1／3的全球总汞释放量来自于中国的人为源［6］，其依据是中国为全球第一煤炭消费大国，且煤炭的平均汞含量（0.15～0.20μg／g）稍高于全球煤炭的平均汞含量（0.13μg／g）［6－7］；此外，中国对燃煤释汞的控制一直较弱［8］.

目前，大气汞污染物的研究主要集中在建立汞排放源清单、估算排放因子、汞形态分布及测定、高汞区汞时空分布等方面［9］.如万奇报道了长白山地区大气总汞含量的季节分布特征［10］；方凤满报道了长春市大气颗粒汞及其干沉降通量规律［11］；王起超报道了燃煤型城市长春市地气界面汞的交换通量特征［12］；张刚报道了吉林省域范围内城乡连续空间大气汞分布特征［13］；王宁报道了松花江流域土法冶金矿区大气汞的时空分布特征［14］等.上述的研究也表明，较大尺度空间大气汞浓度的时空分布特征方面报道尚少.本研究使用车载高分辨率测汞仪，在我国东北地区，由哈尔滨市，沿哈大线至大连市，测定了范围内连续空间大气环境中的汞含量，在近地面层次在较短时间内（较小气象要素变异）掌握了大气环境中汞的时空分布特征，以为研究汞在中尺度空间内环境地球化学过程提供基础数据，同时也为我国人为源的汞污染及其控制等问题的解决提供参考.

1 区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

我国东北三省位于山海关东北方向，包括辽宁、吉林、黑龙江三省，是中国的老工业基地和粮食主产区，具有综合的工业体系、完备的基础设施、丰富的农产品资源、优良的生态环境和雄厚的科教人力资源，土地总面积78.73万km2，占全国的8.2%，人口10715.4万人，占全国的8.4%.辽宁省是东北地区唯一的既沿海又沿边省份，地势为北高南低，从陆地向海洋倾斜；山地丘陵分列于东西两侧，向中部平原倾斜；地貌划分为三大区：东部山地丘陵区、中部平原区、西部山地丘陵区；全省属于温带大陆性季风气候，是东北地区降水量最多的省份，年降水量600～1100mm，从西向东逐渐减少.吉林省东南部高、西北部低，由东南向西北沉降，依次形成了“山地—丘陵—平原”三大地貌类型；全省分为四个区域：东部长白山区、东部低山丘陵区，中部冲积、洪积台地平原区，西部沙丘覆盖的冲积平原区；全省属温带大陆性季风气候，全年降水量从东南向西北依次递减，平均为400～900mm.黑龙江省西北部、北部和东南部较高，东北部、西南部较低，主要由山地、台地、平原和水面构成；西北部为东北—西南走向的大兴安岭山地，北部为西北—东南走向的小兴安岭山地，东南部为东北—西南走向的张广才岭、老爷岭、完达山脉；区域气候为温带大陆性季风气候，全省年降水量400～650mm，中部山区较多，东部次之，西、北部较少.

1.2 采样及测定方法

2012年10月3日，由哈尔滨市出发，沿“哈尔滨市—双城市—扶余市—德惠市—长春市区—公主岭市—四平市—开原市—铁岭市—沈阳市区—灯塔市—辽阳市—鞍山市—海城市—大石桥市—盖州市—瓦房店市—普兰店市—大连市”一线，利用车载高分辨率测汞仪进行采样.车载高分辨率测汞仪（LUMEX Zeeman RA915＋）时间分辨率为1s，最小量度1ng／m3.连续行车同步测定沿途大气汞质量浓度，平均行车速度约80km／h，累计行车12h.采样时将测汞仪采样头探出汽车右侧窗，距地面1.5m，连续记录每10s内大气汞质量浓度的平均值，共获数据4320组.使用合众思壮GARMIN：GPS76记录途径区域的地理信息.

2 结果与讨论

2.1 研究区域内大气介质的汞含量

研究区域大气气态总汞质量浓度范围为1～44ng／m3，均值为（9.1±5.4）ng／m3，见表1.其中，最高值44ng／m3出现在沈阳市区，最低值1ng／m3分别出现在扶余市、公主岭市和盖州市等规模较小的县级市辖区内的偏远乡村.哈尔滨市、长春市和沈阳市作为东北三省的区域中心城市，其大气汞质量浓度明显高于其他各地级城市，各地级市一般又明显高于县级市.开原市区大气汞质量浓度略高于铁岭市，这可能与开原市近年来城镇化过程迅速有关.分析结果表明，研究区域大气汞质量浓度分布呈现明显的以大规模区域中心城市为圆心，逐步向规模稍小的城市（镇）及乡村地区辐射递减的空间分布格局.

东北地区范围内各城市均属典型的燃煤型能源结构，对于以燃煤为主要能源的城市，燃煤释汞是主要的汞输出源，城市规模与经济发展一般和能源消耗成正比.据《中国统计年鉴（2009）》、《中国2010年第六次全国人口普查主要数据公报》和《2010年中国城市竞争力蓝皮书：中国城市竞争力报告》，按照城市综合竞争力、辖区人口密度以及GDP等指标进行的比较（见表2）表明，城市规模和实力较强的城市一般为区域中心城市，包括哈尔滨市、长春市、四平市、沈阳市、鞍山市、大连市，该类城市一般表现为经济发达、城市规模宏大、人口密度高、综合实力强，故其资源与能源消耗强度相对较高，大气汞含量分布特征为：哈尔滨市区（20.4±12.1）ng／m3、长春市区（12±11）ng／m3、四平市（14.4±7）ng／m3、沈阳市（17.2±11.5）ng／m3、鞍山市（15.1±10）ng／m3、大连市区（15.2±8.8）ng／m3，明显高于其他地县级小规模城市.

有研究表明，化石燃料的燃烧是重要的人为汞释放源［15－16］.吉林省区域中心城市长春市年耗煤量约为707.6×104t，煤中含汞量为626.8kg，其中排入大气中的汞量为425.6kg／a［12］，进入大气中的汞又以多种形式参与区域乃至全球大气汞的循环.此外，城市生活垃圾中经常掺杂一些高汞固体废弃物，如电池、荧光灯管等，这些物质在垃圾站或垃圾填埋场堆放后，可逐渐释放出挥发性汞化合物，从而造成区域的环境汞污染问题.冯新斌的研究表明，垃圾填埋场既是大气汞源，又是大气中甲基汞的重要来源；垃圾填埋场向大气的排汞过程是通过两种途径发生的，一是从填埋场的排气筒与垃圾废气同时排放到环境空气中，另外还通过垃圾填埋场的上覆土层间接排向大气［17］.相对于规模较大的城市区域，能源消耗少和经济实力弱的小规模城市，其工业企业和人类活动十分分散，人为源所致大气汞含量较低，空间变异程度弱，一般大气汞质量浓度最低值在1～5ng／m3间变动，最大值则分布于7～30ng／m3，其中灯塔市和普兰店市最大值为8ng／m3，而盖州市最大值仅为7ng／m3.

表1 研究区域大气汞含量统计

各个城市的大气汞含量空间分布特征（见图1），呈现以大规模城市为中心，向小规模城市（镇）逐次递减的变化趋势，即大气汞含量与所在地区经济发展及城市规模呈现一定的同向关系.

图1 研究区域沿线大气汞含量分布趋势

表2 研究区域内各地级城市规模与综合实力分析表

2.2 研究区域自北向南大气汞含量空间分布特征

2.2.1 黑龙江省大气汞含量空间分布

黑龙江省是国家重要的能源工业基地，同时也是主要的燃煤大省之一；此外，电力和燃气行业也占有重要地位.研究结果表明，区域大气汞含量（按研究路线哈尔滨—双城计）均值为（12.6±7.2）ng／m3，其中哈尔滨市为（20.4±12.1）ng／m3，明显高于所监测的其他城市，双城大气汞含量均值为4.7ng／m3.由图2可见，黑龙江省大气汞含量在哈尔滨市区出现峰值，明显高于其他地县级小规模城市.

图2 哈尔滨—双城沿线大气总汞含量分布

图3 扶余—德惠—长春沿线大气总汞含量分布

2.2.2 吉林省大气汞含量空间分布

吉林省是中国重要的工业基地和商品粮生产基地，加工制造业比较发达，汽车、石化、农产品加工为三大支柱产业；同时吉林省生态环境优越，是国家生态建设试点省.研究结果表明，吉林省地域大气汞含量均值为（8.3±5.4）ng／m3，其中长春市区（（12±11）ng／m3）和四平市（（14.4±7）ng／m3）明显高于公主岭市（（5.6±3.9）ng／m3），较大城市的大气汞含量明显高于规模较小、经济发展缓慢的小城市（见图3和图4）.研究数据表明，长春市和四平市大气汞含量明显高于我国西南的重庆市主城区大气汞含量均值（（6.45±0.03）ng／m3）［18］，也略高于我国南方的典型城市厦门地区的大气汞含量均值（11.037ng／m3）［19］，但明显低于吉林省东部山区以土法冶金著称的夹皮沟金矿（129ng／m3）［14］.

图4 公主岭—四平—开原沿线大气总汞含量分布

图5 铁岭—沈阳—灯塔沿线大气总汞含量分布

2.2.3 辽宁省大气汞含量空间分布

辽宁是我国重要的老工业基地之一，装备制造业和原材料工业比较发达，冶金矿山、输变电、石化通用、金属机床等重大装备类产品和钢铁、石油化学工业在全国占有重要位置.研究结果表明，辽宁省大气汞含量均值为（8.8±8.6）ng／m3，其中沈阳市（（17.2±11.5）ng／m3）、鞍山市（（15.1±10）ng／m3）、大连市区（（15.2±8.8）ng／m3）是辽宁省内大气汞含量较高的几个城市，明显高于其毗邻的小规模地县级城市（镇），辽宁省的大气汞含量由北向南相继出现了3次高峰值，详见图5、图6和图7.这与郑冬梅所报道的辽西工业重镇葫芦岛市（市区大气气态汞质量浓度为35～3300ng／m3，平均为1200ng／m3）［20］相比，研究区域大气汞污染水平相对较低.人为汞释放是城市大气汞空间分布特征的重要影响因素，其释放速率受工业发展、能源燃烧等诸多因素的影响.

图6 辽阳—鞍山—海城—大石桥沿线大气总汞含量分布

图7 盖州—瓦房店—普兰店—大连沿线大气总汞含量分布

3 结论

（1）研究区域大气汞含量均值为（9.1±5.4）ng／m3，介于1～44ng／m3之间；最高值出现在沈阳市区，最低值出现在扶余市、公主岭市、盖州市，均明显高于北半球大气汞背景值（1.5～2ng／m3）.

（2）研究区域大气汞含量空间分布特征为：大气汞含量以大规模城市（哈尔滨、长春、四平、沈阳、鞍山、大连等）为中心，向小规模城市、乡村地区呈现逐渐辐射递减的趋势，规模大的城镇区域明显高于规模小的城镇区域，说明经济发展及能源消耗是决定大气汞含量的主要原因.

（3）大气汞含量较高的几个区域中心城镇区为哈尔滨市（（20.3±12.1）ng／m3）、长春市（（12±11）ng／m3）、四平市（（14.4±7）ng／m3）、沈阳市（（19.7±12.5）ng／m3）、鞍山市（（15.6±10）ng／m3）、大连市（（15.2±8.8）ng／m3），大气汞含量均值最低为盖州市（（3.3±1.7）ng／m3）.

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