杭州典型区域秋冬季大气活性氮湿沉降特征研究*

仇 丰 李斯豪 郭 莉 谢向前

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江恒达仪器仪表股份有限公司,浙江 杭州 310030)

近些年,杭州城市规模不断扩大,经济、政治地位大幅提升,对环境质量的要求也不断提高,但仅有在杭州部分区域开展过氮、磷沉降总量或无机氮的研究[15-17]。本研究在杭州不同土地功能的典型区域设置了4个观测点,观测2020年秋(11月)冬(12月)季降水中氨态氮、硝态氮和有机氮3种形态氮的湿沉降特征,为杭州制定合理高效的氮控制方案提供科学依据和数据基础。

1 研究区域

本研究选择了主城区、中心绿地、农田、水体4类典型区域。主城区观测点位于华东勘测设计研究院潮王院区南楼楼顶,30°17′24.56′′N、120°9′45.66′′E,地处杭州的市中心。中心绿地观测点位于美人峰山脚下大龙驹坞,30°15′2.06′′N、120°5′6.98′′E,人群活动较少。农田观测点位于兰里景区南侧农用地旁,30°20′38.68′′N、120°2′4.83′′E,周围5 km内无工业污染。水体观测点位于农田观测点位附近兰里景区外大型鱼塘,30°20′30.92′′N、120°2′16.12′′E。

2 样品采集及前处理

2.1 降水采样及前处理

降水样品使用ZJC-V型全自动干湿沉降采样器采集于聚乙烯容器中,其中聚乙烯容器贮存在温度为0～4 ℃的内置冰箱里。样品带回实验室后分成两部分,一部分经0.45 μm滤膜过滤,另一部分不经滤膜过滤,无法当天完成检测的样品置于-20 ℃条件下冷冻保存。样品采集、运输、保存均符合《水质采样 样品的保存和管理技术规定》(HJ 493—2009)和《酸沉降监测技术规范》(HJ/T 165—2004)相关规定。同时,现场安装TS-CB1型自动超声波气象站记录观测期间降水量、降水起止时间、风速、风向等参数。

2.2 降水样品分析

降水样品的pH和电导率现场使用G11481型多参数水质分析仪进行测定,在进行pH测定前使用标准校准液进行3点校准(标准pH分别为4.01、7.00、10.01),在进行电导率测定前使用标准校准液进行单点校准(标准电导率为1 414 μS/cm)。

3 湿沉降中活性氮分布特征

3.1 活性氮浓度特征

由表1可见,杭州典型区域秋冬季降水中氨态氮、硝态氮、有机氮的质量浓度平均值分别为1.85、1.38、2.78 mg/L,在总氮中的质量分数分别为30.78%、22.96%、46.26%,有机氮占比最高。

表1 不同形态氮的统计特征1)Table 1 Statistical characteristics of different nitrogen forms

3.2 活性氮时间分布特征

大气中氮湿沉降的时间分布规律主要受降水和气温的影响[18]。从图1可知,有机氮、氨态氮、硝态氮与降水量均存在显著指数负相关关系(p<0.05),与张六一等[19]在三峡库区澎溪河流域的观测结果一致。降雨能够有效清除大气活性氮,尤其是降雨初期的“云下清除”过程,可对空气和气溶胶起冲刷作用[20]。从图2可知,以硝态氮为典型,不同区域基本上表现为冬季硝态氮浓度高于秋季,可能是气温大幅度下降导致人们出行方式和用电量的改变所致。冬季的大气活性氮浓度高于秋季,也与冬季降水量偏少有关。另外,冬季大气的静稳性也会造成大气污染物无法及时扩散,导致活性氮聚集。

3.3 活性氮空间分布特征

分析图3可知,氨态氮浓度主城区>中心绿地>农田>水体;硝态氮浓度主城区>农田>水体>中心绿地;有机氮浓度主城区>水体、农田>中心绿地。由此可见,主城区湿沉降中各类活性氮浓度均处于最高水平,说明人为源是导致大气活性氮过量输入的主要原因[21]。本研究中杭州主城区观测点紧邻上塘高架路,冬季位于北边塘栖工业园、崇贤工业园的下风向,所以机动车和工业排放对该区域的活性氮浓度分布产生巨大影响[22]。

图3 杭州湿沉降中活性氮的空间分布Fig.3 Spatial distribution of active nitrogen in wet deposition in Hangzhou

3.4 湿沉降中活性氮来源分析

大气无机氮中氨态氮主要来自化肥使用、畜禽粪便挥发等农业活动[23-24],硝态氮主要来自工业生产、化石燃料燃烧等工业活动[25-26]。大气有机氮主要来自大气颗粒物、机动车尾气、生物质燃烧及二次形成[27-28]。

在以往研究中,学者们通常采用氨态氮/硝态氮的质量浓度比(RN)作为判断工业源和农业源相对贡献的初步依据[29-31]。杭州典型区域主城区、中心绿地、农田、水体秋冬季RN平均值分别为2.50、2.40、1.27、2.33,均大于1,说明杭州大气活性氮以农业源为主。

有机氮由于成分复杂,因此其来源一般很难准确描述。主城区的有机氮可能来自机动车和工业企业的一次排放,也有大气颗粒物的二次排放。而水体与农田的有机氮浓度较中心绿地略高,可能是化肥使用等农业活动所致。

4 结 论

(1) 杭州典型区域秋冬季降水中氨态氮、硝态氮、有机氮的质量浓度平均值分别为1.85、1.38、2.78 mg/L,在总氮中的质量分数分别为30.78%、22.96%、46.26%,有机氮占比最高。

(2) 杭州典型区域秋冬季降水中氨态氮、硝态氮、有机氮均与降水量呈显著指数负相关关系(p<0.05);冬季硝态氮浓度基本上高于秋季。主城区湿沉降中各类活性氮浓度均处于最高水平,说明人为源是导致杭州大气活性氮过量输入的主要原因。

(3) 杭州典型区域RN平均值大于1,可推断杭州大气活性氮以农业源为主导。有机氮可能来自机动车和工业企业的一次排放,也有来自大气颗粒物的二次排放。