上海市大氣濕沉降汞及其生態(tài)危害評價＊

張國玉 鄭祥民 周立旻 黃文丹 錢 鵬 王永杰

(華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室,上海,200062)

上海市大氣濕沉降汞及其生態(tài)危害評價＊

張國玉 鄭祥民＊＊周立旻 黃文丹 錢 鵬 王永杰

(華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室,上海,200062)

Hg0蒸氣壓高、水溶性低,主要以蒸氣態(tài)存在于空氣中,在大氣中滯留時間長達 1年,能隨大氣環(huán)流進行遠距離傳輸,在傳輸過程中可被大氣中的強氧化劑氧化成活性二價汞 (Hg2+).Hg2+水溶性高,能夠隨大氣沉降進入生態(tài)系統(tǒng),并通過食物鏈逐級富集,對人類的健康構成嚴重威脅.大氣沉降是水體和陸地表面汞的一個主要來源,其中濕沉降在大氣汞沉降中占主體地位.

本研究依托 2008年2月—2009年1月逐月連續(xù)采集的上海市區(qū)和郊區(qū)濕沉降樣品,分析上海市、郊濕沉降中各形態(tài)汞的季節(jié)分布特征,探討影響汞濕沉降的相關因素及大氣汞對城市生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)危害.

1 樣品的采集與處理

選擇華東師范大學為上海市市區(qū)采樣點,陳行海星村為郊區(qū)采樣點,逐月收集濕沉降樣品.濕沉降樣品使用酸雨自動采集器采集并用無色聚乙烯桶收集,每月采樣的同時記錄降雨量并現場測量 pH值,樣品帶回實驗室后,部分直接裝入聚乙烯采樣瓶保留用以測試總汞濃度,部分用 0.45μm的微孔濾膜過濾再裝入采樣瓶,用以測試溶解態(tài)汞濃度,總汞與溶解態(tài)汞濃度的差值即為顆粒態(tài)汞的濃度,所有樣品均保存在 3℃—5℃的冰箱中.

樣品采用王水-氯化溴水浴法消解、SnCl2還原,以QM201型冷原子熒光測汞儀進行汞濃度測定.在消解樣品的同時,進行標樣和空白樣品的同步操作.標樣采用華東國家計量測試中心汞標準溶液 GBW 08609,加標回收率在 94%—103%之間.文中計算的平均值均為體積加權平均值.

2 汞濃度的季節(jié)變化

不同季節(jié)各形態(tài)汞的平均濃度變化較大 (表1),市區(qū)顆粒態(tài)汞、溶解態(tài)汞濃度與總汞的季節(jié)變化趨勢較為一致,郊區(qū)具有一定差別.市區(qū)采樣點一年中總汞濃度變化范圍在 0.11—0.36μg·l-1,平均值為 0.30μg·l-1,總汞沉降通量為 304.74μg·m-2·y-1,其中顆粒態(tài)汞占總汞沉降量的 50%.郊區(qū)采樣點一年中總汞濃度變化范圍在 0.18—0.28 μg·l-1,平均值為 0.22μg·l-1,比市區(qū)低 0.08μg·l-1;總汞沉降通量為 205.50μg·m-2·y-1,比市區(qū)低 99.24 μg·m-2·y-1,其中顆粒態(tài)汞占總汞沉降量的 64%,比市區(qū)高 14%.

表1 市區(qū)與郊區(qū)四季汞濃度

市區(qū)汞濃度的季節(jié)變化特征為:總汞濃度秋季 >夏季 >冬季 >春季,秋季總汞、顆粒態(tài)汞和溶解態(tài)汞濃度的平均值分別是春季的 3.3,1.8和 10.0倍.顆粒態(tài)汞占總汞濃度比例為春季 (82%)>夏季 (51%)>秋季 (44%)>冬季(38%).總汞沉降通量與降水量成明顯的正相關關系(R2=0.93).郊區(qū)汞濃度的季節(jié)變化特征為:總汞濃度總體上變化不大,秋季 >冬季 >夏季 >春季;秋季總汞、顆粒態(tài)汞和溶解態(tài)汞濃度的平均值分別是春季的 1.6,1.3和 2.7倍.顆粒態(tài)汞占總汞濃度比例為春季 (83%)>秋季 (68%)>夏季 (55%)>冬季 (39%).總汞沉降通量與降水量成明顯的正相關關系(R2=0.92).

有研究發(fā)現大氣濕沉降中汞濃度和濕沉降通量都是夏天高而冬天低.天氣炎熱的夏季太陽輻射強,對流層中·OH自由基濃度明顯高于其它季節(jié),而且大氣中 O3濃度是其它季節(jié)的 3倍多,Hg0能夠被·OH自由基、O3等氧化成大氣汞干濕沉降的主要形態(tài)——Hg+和 Hg2+,所以夏季濕沉降中汞的濃度較高,最大的沖刷沉降也發(fā)生在夏季.上海市區(qū)和郊區(qū)濕沉降汞的濃度和濕沉降通量都是夏、秋季高而春、冬季低,與上述研究結果相似.市區(qū)與郊區(qū)濕沉降汞濃度的主要差別體現在春、秋兩季上,春季:郊區(qū)總汞濃度高于市區(qū),主要體現在郊區(qū)顆粒態(tài)汞的濃度高于市區(qū);秋季:郊區(qū)顆粒態(tài)汞濃度大于溶解態(tài)汞,市區(qū)相反.這可能是因為郊區(qū)采樣點距寶鋼工業(yè)園區(qū)核心區(qū)不足 10km,受到來自工業(yè)園區(qū)釋放顆粒物的影響較為明顯.

降水量對濕沉降汞濃度影響的研究表明,由于在濕沉降初期就清除了空氣中的水溶性氣態(tài)汞和顆粒態(tài)汞,導致濕沉降汞的濃度與降水量具有負相關性.上海市區(qū)和郊區(qū)濕沉降中汞的濃度與降水量均不具相關性,可能是因為濕沉降汞既有區(qū)域性污染又有大氣汞庫(或全球對流層汞庫)的來源.

上海市與日本、佛羅里達等地類似,總汞濕沉降通量與降水量具有很好的正相關性.由于汞在降水中以顆粒汞和活性二價汞的形式去除,人為活動釋放出大量的汞,增大了大氣汞的濃度,一般市區(qū)的汞濃度高于郊區(qū),大氣汞濃度的變化對濕沉降中汞的濃度具有影響.上海市區(qū)總汞的濕沉降通量是郊區(qū)的 1.48倍,與其它地區(qū)市區(qū)通量高于郊區(qū)的研究結果一致,說明上海市汞的濕沉降已經受到人為因素的干擾.

3 汞濃度及濕沉降通量與其它地區(qū)的比較

上海市市區(qū)與郊區(qū)大氣濕沉降中的總汞濃度與其它地區(qū)進行對比 (表2),發(fā)現該地區(qū)濕沉降中總汞的平均濃度較高,汞沉降通量遠高于其它地區(qū),說明上海市的大氣已經受到一定程度的汞污染.

Hg0在大氣中有O3和OH自由基等氧化劑存在的情況下可以被氧化成 Hg2+,隨雨水降到地面,結束大氣循環(huán).上海地處中國東部,位于東亞典型季風氣候區(qū)域,三面依水,處于海-陸風交互作用的海岸帶,同時也是高臭氧地帶,這種特殊的區(qū)位對汞的濕沉降具有重要的促進作用,導致該地區(qū)濕沉降汞的濃度與沉降通量都較高.

表2 上海市市、郊大氣濕沉降汞濃度和沉降量與其它地區(qū)的比較

4 對生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害

以我國地表水質標準 (GB3838-2002)對上海市濕沉降中汞污染特征進行評估,市區(qū)和郊區(qū)各季度濕沉降總汞平均濃度均未達到Ⅲ類標準 (標準極限 0.1μg·l-1).由于汞是具有生物累積性的重金屬元素,其生物放大作用顯著,所以高汞濃度濕沉降的生態(tài)后果嚴重而突出.利用對重金屬潛在生物危害指數法對濕沉降汞進行分析評價,污染系數式中為污染系數,為實測含量,為該元素評價標準;潛在生態(tài)危害系數其中為毒性系數,本文取 Hakanson給定值 40.以地表水Ⅲ類標準為評價標準,市區(qū)和郊區(qū)各季度汞的潛在生態(tài)危害系數及污染程度見表3,除春季為中等生態(tài)危害,其它季節(jié)均屬于強生態(tài)危害范圍,全年平均值的潛在生態(tài)危害系數分別為120和 88,屬于強生態(tài)危害范圍.

表3 濕沉降汞的潛在生態(tài)危害系數及污染程度

綜上所述,上海市區(qū)一年中總汞濃度變化范圍在 0.11—0.36μg·l-1,平均值 0.30μg·l-1,總汞沉降通量為304.74μg·m-2·y-1,其中顆粒態(tài)汞占總汞的 50%.郊區(qū)總汞濃度變化范圍在 0.18—0.28μg·l-1,平均值 0.22 μg·l-1;與市區(qū)相比,郊區(qū)總汞濃度低 0.08μg·l-1,總汞沉降通量低 99.24μg·m-2·y-1,顆粒態(tài)汞占總汞比例高14%.

各形態(tài)汞的濃度具有明顯的季節(jié)性變化.市區(qū)和郊區(qū)濕沉降汞的濃度和濕沉降通量都是夏、秋季高而春、冬季低,春季郊區(qū)總汞濃度高于市區(qū),秋季郊區(qū)顆粒態(tài)汞濃度大于溶解態(tài)汞,市區(qū)相反.

上海市濕沉降總汞的濃度較高,該區(qū)域大氣已經受到一定程度的汞污染;濕沉降汞濃度與降水量沒有負相關性,總汞沉降通量與降水量呈明顯的正相關關系.

2009年7月2日收稿.

＊國家自然科學基金 (40701195),上海市優(yōu)秀學科帶頭人項目 (07XD14010),中國博士后基金項目和中國博士后基金特別資助項目 (200801192)資助.＊＊通訊作者:zhengxm8@yahoo.com.cn