宝鸡市区大气硫、磷沉降特征分析

韦嘉辉，张媛媛，陈 晋，梁 婷

(宝鸡文理学院地理与环境学院/陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

自工业革命以来，随着人口增长和工业、农业的快速发展，化石燃料燃烧和农药化肥等的大量使用，导致人为的污染物排放量激增，大气中的污染物含量增加，对大气降水的化学组成产生影响[1]。大气中的含硫、磷物质降落至陆地地表或水体表面，被称之为大气硫、磷沉降。硫、磷作为环境中营养元素, 能通过大气沉降形式输入到地表，造成湖泊，海洋等水生生态系统服务功能下降[2-3]，也会导致土壤环境问题，是研究生态系统地球化学物质循环的重要内容之一[4-5]。大气中的硫沉降过高导致的酸沉降是全球重点关注问题[6-7]，酸沉降是指大气中的酸性物质以降水的形式或者在气流作用下迁移到地面的过程，其危害性强，影响范围较大，会造成一系列生态问题，如酸雨、土壤酸化作物减产等[8]。大气磷的主要来源有土壤风蚀、沙尘、花粉、生物质和化石燃料燃烧等[9-10]，大气磷沉降是导致水质下降的主要因素之一[11-12]，是一些水体磷的主要来源，水体酸度和磷含量的变化都会引起水体生物群落和物理化学过程的改变。因此，大气中的硫、磷沉降以不同方式危害着水生生态系统、陆生生态系统、材料和人体健康。

近年来大气降水的研究受到广泛关注。也有研究表明，东亚地区降水化学成分受季节影响明显, 除部分源自人为或工业排放源影响外 (如:北部地区冬季取暖) , 东亚地区气候的季节变化也是影响降水化学成分的主要因子之一[13]。目前，人们对酸沉降的研究较多，我国是以煤炭作为主要能源的国家，煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，燃烧过程中的排放的SO2是硫沉降的主要成分。宝鸡市是陕西省第二大工业城市，对煤炭需求量较大，宝鸡同时也是陕西省重点发展的旅游城市，对环境质量要求也比较高。因此，本研究在宝鸡市区通过采集和分析样品，对大气降水中的硫、磷浓度及其沉降量进行初步分析，旨在了解宝鸡市城市生态区硫、磷浓度和沉降通量的变化特征，主要探讨人为活动对城市生态区硫、磷沉降的影响，为城市生态区硫、磷沉降提供数据支持。

1.1 研究区概况

本研究取样点位于宝鸡市，该地区地处关中平原的西部，年平均气温13℃，年均降水量700 mm，冬季天气寒冷干燥，夏季，温热多雨和炎热干燥天气交替出现，春季升温迅速且多变少雨，秋季降温迅速且阴雨绵绵。宝鸡市位于陕西、甘肃、宁夏、四川四省的交汇处，是中国境内亚欧大陆桥上第三个大十字枢纽。便利 的交通促进了以宝鸡石油机械为龙头的石油钻采、传输产业集群和汽车制造业、运输业的发展，“十二五”以来宝鸡市不仅工业的规模不断扩大，而且旅游业的发展也逐步完善。

1.2 样品采集与分析

本研究利用雨量器对硫、磷沉降样品收集和测量。雨量器主要由内筒和外筒组成，外筒筒口用坚硬铜质做成内直外斜的刀刃状，起固定作用；
内筒放一个储水瓶用来收集雨水。雨量器口一直处于敞开状态，不仅收集到湿沉降，也会收集到部分大气中因重力作用而自然沉降的粉尘(属于干沉降的一少部分)。每次降水后进行人工采样，取样时将雨水摇匀，用雨量杯对降水量进行计量，后取50 ml样品装入提前用去离子水清洗过的塑料瓶，在实验室中用 0.45 μm 滤膜过滤后于4℃冷藏保存待测。采样后，需用去离子水对雨量器进行清洗。样品分析时在实验室用0.45 μm 滤膜过滤后再用 ICP-AES 测定硫、磷含量。

1.3 数据分析与制图

样品中硫、磷的浓度可直接用ICP-AES测定得到。

沉降通量可表示为：

F=Pr×ρ/100

(1)

式中：F表示湿沉降通量(kg/hm2)，Pr表示降水量(mm)，ρ表示硫或者磷的浓度(mg/L)。

根据气象法将3-5月划为春季，6-8月划为夏季，9-11月划为秋季，12月至次年2月划为冬季。本研究监测期为2017年1-12月，因此再做季节分析时将2017年1、2和12月归为冬季。

采用Excel 2016和GraphPad-8.0作图软件处理数据并制图。

2.1 大气硫磷沉降浓度的月动态变化特征

观测位点的月降雨量变化如图 1所示。宝鸡市降雨量季节性分布不均，降雨量主要集中在夏秋季。本监测年内，降雨量最大值出现在7月份高达 196.6 mm,夏秋两季降雨量分别为124.13 mm、22.50 mm。在冬季降雨量最少，且1、12月无降雨量。

监测期内，大气中硫、磷沉降月浓度总体来看变化幅度较大(图2、图3)，硫、磷的月平均浓度分别为2.59、0.27 mg/L。硫浓度从9 月开始增加，9、10、11湿沉降总硫浓度分别为4.7、4.53、14.09 mg/L，且明显高于其他月份；
2-8月的硫浓度变化幅度差异不明显。磷浓度在7月最大高达0.13 mg/L，5月次之。2、4、8、9、11月磷浓度较小且均小于0.05 mg/L，其他月份为0。据王丽霞[14]对陕西省各城市生态环境质量评价与差异分析中发现，宝鸡市自然条件优越，以高新产业为支柱具有强大的经济实力保护生态资源，城市绿化面积较大，可能因为宝鸡市为工业城市，因此工业产生的污染物较多，并且11月宝鸡市开始供暖，燃煤也是导致大气硫浓度升高的主要原因之一。

图1 监测期内每月降雨量分布图

图2 宝鸡市大气硫湿沉降浓度月动态变化

2.2 大气硫磷沉降浓度的季节变化特征

从图4和图5可以看出，硫浓度和磷浓度的季节变化特征较为明显。硫浓度呈现出秋季>春季>夏季>冬季的趋势，其中秋季高达7.77 mg/L，远高于其他季节，春夏季和冬季的硫浓度变化差异不明显。磷浓度季节变化趋势为夏季>春季>冬季>秋季，并且春夏季明显高于秋冬季，夏季磷浓度高达0.045 mg/L。一般来说，降雨次数越小，硫、磷在大气中的积聚时间越久，即使降雨量很小，雨水中硫、磷的浓度也会很高，而强度较大和次数较频繁的降水对空气中的硫、磷浓度有一定的稀释作用。冬季硫、磷浓度较低的原因主要是因为冬季降雨量少，而且宝鸡的冬天雾霾较为严重，大量的颗粒物悬浮在空气中，降雨量少导致无法测的湿沉降数据，由于雾霾天气导致的机动车车辆限行也会降低大气硫磷浓度 。

图3 宝鸡市大气磷湿沉降浓度月动态变化

图4 宝鸡市大气硫沉降浓度季节变化

图5 宝鸡市大气磷沉降浓度季节变化

2.3 大气硫磷沉降通量的月动态变化特征

监测期内，各月大气氮沉降中的硫、磷通量总体来看变化幅度较大(图6)，7-11月硫通量较大分别为1.59、1.26、1.04、1.70 kg/hm2且明显高于其他月份；
6、7月的磷通量值最大为0.009、0.014 kg/hm2，其他月份磷通量值没有明显差异(图7)。硫沉降量7-11月份通量较高，因为夏秋季降雨量大加速硫以湿沉降的形式沉降。并且宝鸡市是陕西省重点发展的旅游城市，春夏季适宜出行，可能是由于旅游季车流量的增多，使化石燃料的消耗也增加，客流量增加导致生活废水增多，因此大气磷通量也在4-8月份较高。

图6 宝鸡市大气硫沉降通量月动态变化

2.4 大气硫磷沉降通量的季节变化特征

从图8图9可以看出，硫通量和磷通量的季节变化特征较为明显。硫通量季节变化为秋季>夏季>春季>冬季，夏秋季硫通量明显高于春冬季节，秋季硫通量高达1.253 kg/hm2；
磷通量季节变化为夏季>春季>秋季=冬季，夏季磷通量为0.008 kg/hm2，明显高于春季。全球82%的大气磷为矿物气溶胶，大气磷主要以干沉降的形式沉降[15]。硫沉降量在夏季和秋季较大，而春冬两季农事活动较少，可能导致夏秋两季大气的硫通量较高。就宝鸡市区而言，在夏季、秋季会出现高温天气，同时郊区会对作物进行追肥和施肥，这会加速磷的挥发，而且夏季降雨量多将大气中含磷的矿物气溶胶以湿沉降的形式沉降下来，因此磷沉降量相对大于其他季节。伴随着夏、秋两季宝鸡市雨水较为充沛，夏季高温汽车尾气排放量增多，硫沉降量在夏季和秋季较大。

图7 宝鸡市大气磷沉降通量月动态变化

图8 宝鸡市大气硫沉降通量季节变化

图9 宝鸡市大气磷沉降通量季节变化

图10 宝鸡市降雨量与大气硫磷沉降通量的相关分析

2.5 降水量与大气硫磷沉降通量的关系

监测期内，宝鸡市区总降水量为500.20 mm，硫的总沉降通量为7.472 kg/hm2，磷的总沉降通量为0.029 kg/hm2。将逐月大气硫、磷沉降通量与降雨量进行相关分析(图10)，可见宝鸡市的大气硫、磷湿沉降通量与降雨量呈显著的线性正相关(P<0.05)，宝鸡市硫、磷沉降量总体上随降雨量的增加而增加。通过文献对比，宝鸡市磷沉降的年通量值与九寨沟的年通量值相似，但远远低于西安和重庆的观测值，高于黄石国家公园的观测值[16]。而硫的月平均通量值也远低于太原的观测值[17,18]。也说明宝鸡市虽然是工业城市，硫、磷沉降量较公园和农田系统高，但大气污染的排放量还是远低西安、重庆、太原这些大城市。

本研究对宝鸡市区2017年1月到12月的降水进行了收集和分析，主要结论如下：

(1) 监测期内，宝鸡市区大气硫、磷沉降中月浓度平均值分别为2.59、0.27 mg/L，其月变化波动均较大。硫浓度在秋季较高，磷浓度在春夏季较高。

(2)监测期内，宝鸡市区大气硫、磷沉降中月通量平均值分别为0.623、0.002 kg/hm2，月变化波动均较大。硫、磷通量均呈现出夏季较高的趋势。

(3)监测期内，宝鸡市区的降 水量为500.20 mm，硫、磷的总沉降通量为7.472、0.029 kg/hm2。并且大气硫、磷沉降量与降雨量之间呈正相关关系，且随降雨量的增加而增加。