持續(xù)性降水氣象條件下土壤/大氣間汞通量特征

張 剛,王 寧*,艾建超,王占華,王 藝,許德玄

(1.東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,吉林 長春130024；2.國家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130024；3.吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長春 130118)

汞是唯一主要以氣相形式存在于大氣的重金屬元素[1],汞在大氣中主要以Hg0形態(tài)存在(占大氣總汞的 90%以上)[2],并在大氣中停留約 0.5～2a[3],因此,大氣在全球汞的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著極其重要的作用[4].大氣汞的自然來源復(fù)雜多樣,且受自然氣候條件控制較為顯著,導(dǎo)致目前對(duì)自然源汞釋放的精確估算尚存在一定難度.土壤是最重要的自然釋汞源[5-7],而目前我國關(guān)于地表汞釋放通量的研究還比較缺乏[8],研究方法一般應(yīng)用動(dòng)態(tài)通量箱法居多(DFC)[9-15].地表大氣間汞交換同時(shí)受到諸多環(huán)境和氣象因素共同作用,自然過程十分復(fù)雜;近年來大多數(shù)研究者發(fā)現(xiàn)降雨過程對(duì)土壤汞的釋放有一定的促進(jìn)作用[9,12,16],但野外實(shí)驗(yàn)過程中不可排除降水或徑流等干擾因素影響,研究結(jié)果尚未獲得足夠驗(yàn)證[16-17];而通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究土壤濕度和澆水對(duì)土/氣界面汞交換通量的影響能夠更好地揭示其規(guī)律[14],但與自然條件下的汞交換通量過程仍有一定差異.

本文選擇位于松花江上游的夾皮溝金礦開采區(qū)作為研究區(qū)域,在春季持續(xù)性降水間歇期研究了區(qū)域處于降水氣象條件控制下地表與大氣間汞交換通量特征,并分析了汞交換通量與大氣汞濃度及太陽輻射、大氣溫濕度等氣象條件間的關(guān)系,以期為深入掌握和認(rèn)知自然氣候條件控制下土壤大氣間汞遷移,提高自然源汞釋放的精確估算等工作提供參考.

圖1 研究區(qū)域地理位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites and location of study area

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

夾 皮 溝 金 礦 區(qū) (127°15′～127°30′E,42°41′～43°00′N)位于長白山的西北部,地勢(shì)東南部高,西北部低,為典型的低山丘陵區(qū),由東南逐漸向西北傾斜,地勢(shì)起伏,溝谷縱橫;礦區(qū)位于松花江三湖自然保護(hù)區(qū)內(nèi),區(qū)域受到三個(gè)湖泊(松花湖、紅石湖、白山湖)及森林(覆蓋率達(dá) 90%)等因素影響,兼具湖泊氣候、谷地氣候和森林氣候的復(fù)合特征.金礦區(qū)域內(nèi)林地資源和礦產(chǎn)資源豐富,耕地面積2260hm2,多為坡耕地;林地面積 106215hm2,多為人工與自然混交林.研究區(qū)域地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,氣溫年、日較差大.春季干燥多風(fēng),夏季溫?zé)岫嘤?秋季多晴涼爽,冬季氣候嚴(yán)寒.年均溫1.9～4.4℃,年降雨量 650～850mm;年均風(fēng)速 2.2m/s,春夏季受東亞季風(fēng)影響顯著.

夾皮溝金礦帶長 50km,寬 1～3km;1821年起金礦正式土法采金;據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),至今累計(jì)產(chǎn)黃金100余t.1940～2008年金礦區(qū)盛行混汞法提金工藝,混汞法提取黃金的汞用量約 20 kg/a,其中 50%～60%通過點(diǎn)源和非點(diǎn)源途徑進(jìn)入水、土壤和大氣環(huán)境中[17-18],從而導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境介質(zhì)中汞明顯升高.2008年全泥氰化法成為夾皮溝金礦混汞法替代工藝,先前作為汞匯的土壤等介質(zhì)當(dāng)前已經(jīng)成為重要的區(qū)域汞釋放源.

1.2 采樣及測定方法

研究區(qū)域內(nèi)地貌多為中(高)山、低(丘)山、崗(臺(tái))川類,山崗與谷川交替錯(cuò)落分布,面積比例大致為七山二崗一川.本研究采樣點(diǎn)位于夾皮溝金礦開采區(qū)內(nèi)老金廠,選擇低山坡耕農(nóng)田(127°21.167′E,42°54.932′N,373.0m) 和谷底溪流漫灘(127°21.229′E,42°54.928′N,350.2m)兩處作為采樣點(diǎn),前者土壤為東北林區(qū)典型暗棕壤,后者位于河流漫灘上,為新積沖積土,兩處采樣點(diǎn)代表了區(qū)域地形(表)和土壤狀況,具體位置見圖1.2012年4月22～25日于持續(xù)性降水間歇期間斷性連續(xù)測定了兩處樣地地表與大氣間汞交換通量.此外,測定了各采樣點(diǎn)近地面垂直方向上0,50,100和150cm大氣汞含量,并同步測定了太陽輻射強(qiáng)度和大氣溫濕度3類氣象因子.

土壤與大氣間汞交換通量采用DFC法(通量箱與Zeeman RA915+汞分析儀聯(lián)用)進(jìn)行測定,方法同文獻(xiàn)[12,14].大氣汞含量使用塞曼效應(yīng)汞分析儀(LUMEX Zeeman RA915+),垂向上每個(gè)層次連續(xù)測定5min,重復(fù)3次,取均值作為每次采樣各點(diǎn)各層次大氣汞濃度.使用輕便氣象綜合觀測儀(DZM2-1型)同步按1min分辨率測定太陽輻射強(qiáng)度和大氣溫濕度.

根據(jù)質(zhì)量守恒定律,汞釋放通量的計(jì)算公式為：F= (c0-ci)Q/A,式中：F為汞釋放通量,ng/(m2·h);c0為流出通量箱的氣態(tài)汞含量,ng/m3;ci為進(jìn)入通量箱的氣態(tài)汞含量,ng/m3;Q為通量箱內(nèi)的空氣流速,m3/h;A為通量箱的底面積,m2.取2個(gè)流出通量箱的氣態(tài)汞含量的平均值與其前后 4個(gè)進(jìn)入通量箱的氣態(tài)汞含量的平均值的差,用以計(jì)算汞釋放通量,以降低偶然性因素可能造成的計(jì)算誤差,詳細(xì)計(jì)算過程同文獻(xiàn)[12,14,16].

2 結(jié)果與討論

2.1 持續(xù)性降雨氣象條件下土/氣間汞交換通量特征

冬末春初,研究區(qū)域所在亞歐大陸東岸地區(qū)干燥多風(fēng),源于蒙古高原的沙塵暴頻頻過境,直至4月下旬,東亞溫帶季風(fēng)逐步盛行,云雨和天氣都發(fā)生明顯的變化,持續(xù)性降水過程逐漸居于主導(dǎo),區(qū)域逐漸進(jìn)入雨季.本研究期間前后持續(xù)發(fā)生 4次明顯降水過程,依次為4月21日22：30～4月22日 9：00,4 月 22 日 18：00～4 月 23 日 4：00,4 月 23日 17：00～4 月 24 日 05：30,4 月 25 日 13：00 以后;為排除降水過程和地表積水,徑流等干擾因素對(duì)DFC法影響[16-17],選擇在持續(xù)性降水過程間歇期進(jìn)行.坡耕農(nóng)田采樣點(diǎn)土壤大氣間汞交換通量依次為(-2.08±6.11)、(-6.16±33.57)、(-3.20±8.64)和(5.06±18.80)ng/(m2·h);谷底漫灘采樣點(diǎn)土壤大氣間汞交換通量依次為(-5.21±6.42)、(3.87±28.12)、(-11.87±14.10)和(-9.44±12.23)ng/(m2·h).大氣汞含量、土壤大氣間汞交換通量水平在春季持續(xù)性降水間歇期與相同季節(jié)晴好天氣條件下相比表現(xiàn)明顯不同[20-21].

4月21日22：30為研究區(qū)域當(dāng)年首次降水,次日 09：00雨停后,地表少量積水但無徑流,12：00前后,積水蒸發(fā)殆盡,大氣相對(duì)濕度達(dá)到 50%～ 56%,大氣溫度僅為14.3～15.4℃(表3),而經(jīng)過降水淋溶后,兩處采樣點(diǎn)近地面 0～150cm 范圍內(nèi)大氣汞濃度也明顯降低,僅在 1～4ng/m3范圍內(nèi)變動(dòng);降水能夠降低大氣汞濃度,但并不改變近地面大氣汞濃度的垂直分布[22].在圖2(a)和圖3(a)中,兩處采樣點(diǎn)土壤大氣間汞交換通量均表現(xiàn)為沉降與釋放過程交替出現(xiàn),且整體水平趨于沉降;此種日間峰谷交替連續(xù)出現(xiàn)的界面汞通量交換特征,與此前報(bào)道的日間單峰通量結(jié)構(gòu)明顯不同[12-13,23].分析原因發(fā)現(xiàn),降水使區(qū)域內(nèi)土壤水含量豐盈,但太陽輻射導(dǎo)致兩處采樣地表的裸地蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,隨土壤水分的蒸發(fā),汞交換通量過程由地表指向大氣趨于釋放,持續(xù)而強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用消耗了地表所獲得能量,并進(jìn)一步導(dǎo)致近地面大氣從地表所獲長波輻射能量收不抵支,大氣邊際層局部出現(xiàn)微弱的逆溫層結(jié)分布(表 3),逆溫層結(jié)使地表釋放到大氣中的汞難以隨氣流擴(kuò)散并發(fā)生累積,至一定濃度后,累積的大氣汞濃度梯度差迫使地表大氣間汞交換通量過程由釋放而逆轉(zhuǎn)為沉降趨勢(shì),故而出現(xiàn)了如圖 2(a)和圖 3(a)所示的地表與大氣間汞交換通量峰谷連續(xù)交替的特殊趨勢(shì)特征.

表1 各樣點(diǎn)土/氣間汞交換通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果 [ng/(m2·h)]Table 1 Statistic results of mercury exchange flux between soil and air in all sampling points [ng/(m2·h)]

表2 各采樣點(diǎn)近地面0～150cm各層次大氣汞濃度(ng/m3)Table 2 Atmospheric mercury concentration in every layer from 0cm to 150cm of all the sampling points (ng/m3)

表3 各采樣點(diǎn)近地面0～150cm各層次氣象要素Table 3 Meteorology factors in every layer from 0cm to 150cm of all the sampling points

4月22日夜間研究區(qū)域連續(xù)迎來第二場降水,4月 23日多云,氣溫較前一天顯著提高,大氣濕度則明顯降低(表3),近地面兩處采樣點(diǎn)近地面大氣汞濃度水平明顯提高(表2),地表與大氣間汞交換通量水平也逐漸提高(表 1).圖 2(b)中,坡耕農(nóng)田處界面間汞通量仍有多峰谷連續(xù)交替特征;圖 3(c)中,在谷底漫灘處,此種交替特征雖不甚明顯,但仍有類似趨勢(shì),尤其午后,汞通量釋放過程逐漸居于主導(dǎo),也使大氣汞由前一天的虧損轉(zhuǎn)為盈余.此外,兩處采樣點(diǎn)近地面大氣0cm層次大氣濕度明顯高于其他層次,也說明土壤水分蒸發(fā)作用仍較為強(qiáng)烈,而兩樣點(diǎn)垂直方向上大氣汞濃度梯度則具有明顯相反的分布趨勢(shì),這與兩處地表大氣間汞交換通量過程也截然相反的特征是一致的(表1),表明即使在如此狹小尺度的地域范圍內(nèi)(兩采樣點(diǎn)間距約為 40m),地表大氣間的汞交換通量過程也存在明顯的差異.

4月 23日傍晚研究區(qū)域發(fā)生第三場降水,4月24日天氣晴朗,太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到研究期間最強(qiáng),平均氣溫最高,而大氣濕度最低(表 3).坡耕農(nóng)田處地表大氣間汞通量峰谷交替特征更為明顯,而在溝底漫灘處汞由大氣向土壤強(qiáng)烈沉積,大氣汞密度較高的原因?qū)е麓髿夤呌谠诘屯萏幚鄯e,谷底漫灘處大氣汞濃度水平明顯高于坡耕農(nóng)田處,較高的近地面大氣汞濃度梯度作用在此時(shí)強(qiáng)于大氣邊界層垂向上的對(duì)流擴(kuò)散作用,使地表大氣間汞通量趨于沉降,同時(shí),界面汞沉降和垂向上對(duì)流稀釋共同導(dǎo)致近地面大氣汞在垂直方向上呈現(xiàn)逆態(tài)分布趨勢(shì),即0cm層次大氣汞濃度最低(表2).

圖2 坡耕農(nóng)田樣點(diǎn)土/氣間汞交換通量Fig.2 Mercury exchange flux between soil and air of the farmland on mountain slope

4月24日夜發(fā)生的第四場降水持續(xù)時(shí)間較長但強(qiáng)度較弱,至4月25日上午仍有零星降水,期間地表未形成明顯積水,午后降雨強(qiáng)度逐漸增大后逐漸有徑流產(chǎn)生. 由圖 2(d)和圖 3(d)可見,即使是在云層對(duì)太陽直射有遮蔽的情況下,兩處采樣點(diǎn)地表大氣間的汞交換通量過程仍有峰谷連續(xù)交替現(xiàn)象出現(xiàn),且地勢(shì)較高的坡耕農(nóng)田處地表大氣間汞交換通量水平以大氣盈余為主,地勢(shì)較低的谷底漫灘處以大氣虧損為主,這進(jìn)一步說明,在局地尺度地域范圍內(nèi),地形起伏影響著太陽輻射強(qiáng)度,大氣溫濕度以及土壤大氣間汞的交換通量水平,也說明地表與大氣間汞交換的自然過程十分復(fù)雜.持續(xù)性降水過程的連續(xù)淋溶作用,導(dǎo)致研究區(qū)域大氣汞濃度已與長白山地區(qū)大氣汞年均濃度水平接近[24],但待持續(xù)性降水期過后,土壤大氣間汞交換通量過程則明顯活躍,并使金礦區(qū)大氣汞濃度水平又顯著提升[20-21].

圖3 谷底漫灘樣點(diǎn)土/氣間汞交換通量Fig.3 Mercury exchange flux between soil and air of the washland in valley bottom

2.2 地表大氣間通量與影響因素間關(guān)系

表4 土壤大氣間汞交換通量與影響因素間Pearson相關(guān)系數(shù)*Table 4 Pearson,s correlation coefficient of mercury exchange flux between soil and atmosphere and the impact factors

分析可見,地表大氣間汞交換通量與太陽輻射強(qiáng)度和大氣濕度間具有較為明顯的正線性相關(guān)關(guān)系,與大氣汞濃度(取通量箱入口處大氣汞濃度)和大氣溫度之間沒有明顯的線性相關(guān)關(guān)系.在春季持續(xù)性降水過程控制期間,區(qū)域氣象條件相對(duì)較為穩(wěn)定;降水間歇期,在太陽輻射作用下,土壤水分蒸發(fā)作用顯著,影響地氣系統(tǒng)間能量收支,進(jìn)一步使近地面大氣溫濕度發(fā)生變化,在地形因子(地勢(shì)起伏等)和氣象條件(濕度增加和逆溫層結(jié)等)等因素作用下地表大氣間汞的交換通量過程也受到顯著影響,在上述過程中,太陽輻射能的輸入仍是氣流運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)因子,也是汞在地表大氣間遷移的主要影響因素,而其他環(huán)境和氣象因子對(duì)汞交換通量的作用則及表現(xiàn)出來的相關(guān)關(guān)系或許是一種間接作用的體現(xiàn).

3 結(jié)論

3.1 在持續(xù)性降雨條件控制下,地表大氣間的汞交換通量表現(xiàn)為沉降與釋放過程連續(xù)交替出現(xiàn)的特征,這與晴朗天氣條件下日型汞通量單峰結(jié)構(gòu)明顯不同.

3.2 研究期間降水間歇期土壤大氣間汞交換通量在坡耕農(nóng)田采樣點(diǎn)依次為(-2.08±6.11),(-6.16±33.57),(-3.20±8.64),(5.06±18.80)ng/(m2·h);在谷底漫灘采樣點(diǎn)依次為(-5.21±6.42),(3.87±28.12),(-11.87±14.10),(-9.44±12.23)ng/(m2·h).

3.3在局地范圍內(nèi)的兩處采樣點(diǎn),地形條件差異影響地表和近地面大氣系統(tǒng)能量收支,并使近地面大氣汞和氣象因子發(fā)生變化,進(jìn)而影響地表大氣間汞交換通量過程和水平.

3.4 持續(xù)性降水條件下,地表和大氣間汞交換通量與太陽輻射強(qiáng)度和大氣濕度間具有較為明顯的正線性相關(guān)關(guān)系,與大氣汞濃度和大氣溫度間無明顯線性相關(guān)關(guān)系.

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