基于博斯騰湖沉積物的大氣污染歷史重建背景研究

曲鴿

摘??要：近年來，隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)大氣污染日益嚴(yán)重，受到了人們的廣泛關(guān)注。長(zhǎng)時(shí)間序列的大氣污染記錄有助于提升我們認(rèn)識(shí)現(xiàn)代人類活動(dòng)對(duì)大氣的影響程度、評(píng)估區(qū)域大氣污染的演化過程、及制定有效的大氣防治措施，重建近現(xiàn)代大氣污染歷史記錄具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。本研究設(shè)想將選自西北內(nèi)陸地處相對(duì)偏遠(yuǎn)的博斯騰湖流域，試采得湖心深水區(qū)受水流擾動(dòng)和人為干擾影響較小的柱狀沉積巖芯樣品，對(duì)沉積剖面中的粒度、金屬元素和多環(huán)芳烴（PAHs）含量進(jìn)行溯源分析，結(jié)合現(xiàn)有的大氣污染器測(cè)數(shù)據(jù)和人類污染事件記錄，識(shí)別對(duì)大氣顆粒物、大氣金屬元素沉降、PAHs燃燒源等污染敏感的環(huán)境特性指標(biāo)，探究各自的垂直分布規(guī)律，結(jié)合210Pb、137Cs定年結(jié)果，解析大氣顆粒物污染、大氣金屬元素污染及PAHs燃燒源污染變化的歷史過程與累積特征，通過多環(huán)境代用指標(biāo)高分辨率理論重建博斯騰湖流域近350年來長(zhǎng)時(shí)間尺度的大氣污染歷史進(jìn)行可行性研究。

關(guān)鍵詞：歷史重建;湖泊沉積物;背景研究;博斯騰湖

Historical?reconstruction?of?air?pollution?based?on?the?sediments?of?Bosten?Lake

Qu?Ge

Heilongjiang?Province?Key?Laboratory?of?Geographical?Environment?Monitoring?and?Spatial?Information?Service?in?Cold?Regions，Harbin?Normal?University??HeilongjiangHarbin???150025

Abstract：?In?recent?years，?with?the?accelerating?process?of?urbanization?and?industrialization，?air?pollution?in?China?is?becoming?more?and?more?serious，?which?has?been?widely?concerned?by?people.Long-term?air?pollution?records?are?of?great?scientific?and?practical?significance?for?us?to?understand?the?impact?of?modern?human?activities?on?the?atmosphere，?to?evaluate?the?evolution?of?regional?air?pollution，?and?to?develop?effective?air?control?measures.Ideas?will?be?selected?from?this?study?is?located?in?the?northwest?inland?relatively?remote?characters?basin，?warmed?by?picked?the?deepwater?area?affected?by?the?flow?turbulence?and?human?disturbance?of?the?smaller?columnar?sediment?core?samples，?the?granularity?in?sedimentary?section，?the?metal?elements?and?polycyclic?aromatic?hydrocarbons?（PAHs）?content?in?back?analysis，?combined?with?the?existing?of?air?pollution?and?human?pollution?incident?record?the?data，?the?identification?of?atmospheric?particle?metal?elements，?atmospheric?sedimentation，?PAHs?combustion?source?pollution?environment?characteristics?of?sensitive?indexes?such?as，?explore?their?vertical?distribution，?combined?with??pb210，Cs137?years?as?a?result，The?historical?process?and?accumulation?characteristics?of?atmospheric?particulate?matter?pollution，?atmospheric?metal?element?pollution?and?PAHs?combustion?source?pollution?were?analyzed，?and?the?feasibility?study?was?conducted?to?reconstruct?the?history?of?atmospheric?pollution?at?a?long?time?scale?in?the?Bosten?Lake?Basin?in?the?last?350?years?based?on?the?high-resolution?theory?of?multiple?environmental?proxy?indicators.

Keywords：?Historical?reconstruction;Lake?sediments;Background?research;effluents

1?理論研究的國(guó)內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)

大氣環(huán)境問題是關(guān)系到人民健康的重大民生問題，也是限制區(qū)域經(jīng)濟(jì)升級(jí)、社會(huì)發(fā)展的瓶頸問題（Liet?al.，2019）。從人類生存生活角度，大氣污染對(duì)人類身體健康危害極大，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展角度，國(guó)家每年投入在大氣環(huán)境治理上的直接經(jīng)費(fèi)和由于大氣環(huán)境所導(dǎo)致的間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。2013年以來，國(guó)家先后頒布了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》和《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》等政策文件，使大氣環(huán)境的科學(xué)評(píng)估和有效治理刻不容緩。目前學(xué)術(shù)界對(duì)大氣環(huán)境問題的研究大多集中在對(duì)于空氣污染物的組分分析（劉葳，2007;梅凡民等，2012）、擴(kuò)散趨勢(shì)（Edwards?et?al.，2017）、對(duì)經(jīng)濟(jì)和健康的影響（封亞青等，2017;李欣等，2017;邵帥等，2019）等幾個(gè)方面。通過不同方法分析了大氣污染物的化學(xué)組成、物理擴(kuò)散規(guī)律、與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系和對(duì)人類健康問題的影響。但是，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)大氣污染歷史過程研究還不夠深入。

湖泊在生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，湖泊柱狀沉積巖芯因剖面保存完整、連續(xù)性好、沉積速率快、時(shí)間分辨率高等特點(diǎn)，是記錄湖區(qū)人類活動(dòng)和環(huán)境變化的“重要?dú)v史檔案”（Sun?et?al.，2010;王小雷等，2011）。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于湖泊沉積物記錄人類活動(dòng)向環(huán)境排放的污染物變化過程的研究主要集中于確定污染物的含量、研究其分布特征、解析其污染來源，評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及健康風(fēng)險(xiǎn)等方面，多用來指示大環(huán)境下的污染演變過程（郭建陽等，2010;Seegar?et?al.，2015;宋世博等，2019）。但基于湖泊沉積物柱狀巖芯剖面污染物特征反演單一大氣污染沉降歷史的研究較少，且僅局限于特定環(huán)境下的高山湖泊研究（Fernandez?et?al.，2003;劉國(guó)卿等，2007;梁夢(mèng)瑤等，2019）。

基于環(huán)境中不同來源大氣污染物釋放后的存在途徑和湖泊沉積物入湖前的行為過程，已有研究表明，湖泊沉積物在記錄的人類活動(dòng)影響下污染物遷移演變規(guī)律過程中，沉積剖面中的粒度、重金屬、PAHs等指標(biāo)溯源后的特定組分在一定程度上對(duì)大氣顆粒物、大氣金屬元素和PAHs燃燒源污染物的大氣遷移過程反應(yīng)敏感，為重建長(zhǎng)時(shí)間序列的大氣污染記錄提供了可能（Elmquist?et?al.，2007;Sun?et?al.，2013;Han?et?al.，2016;Lin?et?al.，2017）。

2?理論研究的應(yīng)用前景、學(xué)術(shù)價(jià)值

作為我國(guó)西北干旱地區(qū)最大的淡水湖泊，博斯騰湖位于世界第二大沙漠邊緣，是典型的綠洲-沙漠交錯(cuò)帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，同時(shí)博斯騰湖也是國(guó)家5A級(jí)旅游景區(qū)，自古以來是絲綢之路上的重要節(jié)點(diǎn)。作為新疆南疆地區(qū)最重要的生態(tài)系統(tǒng)，博斯騰湖的環(huán)境安全對(duì)整個(gè)南疆的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人民生活的改善和發(fā)展均有突出的意義。不同于我國(guó)中東部地區(qū)的氣候條件，西北地區(qū)總懸浮顆粒物及降塵污染比較嚴(yán)重，懸浮細(xì)小顆粒物極易成為大氣中各類污染物的有效載體，對(duì)博斯騰湖流域的生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境問題構(gòu)成潛在威脅。在構(gòu)建藍(lán)天白云環(huán)境政策的驅(qū)動(dòng)下，如何識(shí)別湖泊沉積巖芯中對(duì)大氣污染的敏感因子，探討大氣中顆粒物、金屬元素、PAHs污染的遷移傳輸過程，量化人類活動(dòng)脅迫下的流域歷史環(huán)境污染水平和污染源，評(píng)價(jià)流域內(nèi)大氣污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，有效合理的進(jìn)行大氣污染過程監(jiān)測(cè)和修復(fù)，這對(duì)理論上研究人類活動(dòng)對(duì)湖泊沉積環(huán)境的影響、實(shí)踐中解決污染物檢測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題、污染物修復(fù)治理，促進(jìn)人與自然關(guān)系和諧具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

3?理論研究的主要研究?jī)?nèi)容、目標(biāo)

3.1?沉積物粒度的大氣顆粒物污染歷史反演

測(cè)定與分析沉積物巖芯剖面中不同深度的粒度機(jī)械組成和頻率分布曲線，通過主成分因子分析法和粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差法綜合識(shí)別有關(guān)大氣顆粒物沉降的環(huán)境敏感組分，結(jié)合其相應(yīng)的變化趨勢(shì)對(duì)大氣顆粒物污染歷史進(jìn)行反演。

3.2?沉積物金屬元素污染大氣沉降歷史反演

通過沉積物重金屬元素含量分析，采用Ti作為參比進(jìn)行沉積物質(zhì)地變化矯正，運(yùn)用富集系數(shù)（EF）方法進(jìn)行重金屬元素的自然與人為來源區(qū)分，定性識(shí)別大氣重金屬沉降含量，研究大氣重金屬污染變化過程與累積特征。

3.3?沉積物PAHs燃燒源大氣沉降歷史反演

基于環(huán)境中不同來源PAHs釋放后存在途徑和湖泊沉積物入湖前的行為過程，結(jié)合沉積物中TOC含量對(duì)PAHs含量進(jìn)行矯正，運(yùn)用PAHs單體穩(wěn)定同位素技術(shù)、特征化物比值法和主成分分析等多種污染源判定方法，定性定量的提取PAHs燃燒源沉積通量并解析其時(shí)間變化特征，揭示人類活動(dòng)導(dǎo)致的PAHs燃燒源污染特征變化，進(jìn)而對(duì)PAHs燃燒源的大氣沉降歷史進(jìn)行重建。

3.4?博斯騰湖沉積物多指標(biāo)大氣污染歷史重建

基于Pearson相關(guān)分析，分析博斯騰湖沉積物中大氣顆粒物敏感粒級(jí)組分貢獻(xiàn)值、大氣沉降Ci/Ti金屬元素沉積通量和PAHs燃燒源沉積通量之間的耦合關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)有的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)建立環(huán)境代用指標(biāo)的關(guān)系模型，以求相互印證下對(duì)流域內(nèi)大氣污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，反演大氣污染歷史過程。

4?可行性主要研究方法及技術(shù)路線

4.1?可行性研究方法

樣品采樣：試于新疆博斯騰湖湖中心應(yīng)用活塞式柱狀采樣器采得平行柱狀沉積巖芯2根，野外按照1cm間隔進(jìn)行切割分樣。

實(shí)驗(yàn)分析：將樣品凍干，后過篩，分別采用低本底高純褚γ能譜儀測(cè)定樣品的年份，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）測(cè)定多環(huán)芳烴的含量、氣相色譜-燃燒系統(tǒng)-同位素比率質(zhì)譜系統(tǒng)（GC-C-IRMS）測(cè)得PAHs單體碳穩(wěn)定同位素含量、總有機(jī)碳分析儀器測(cè)定沉積物中總有機(jī)碳含量、電感耦合等離子質(zhì)譜儀測(cè)定重金屬含量以及激光粒度儀測(cè)定粒度含量。

數(shù)據(jù)分析：運(yùn)用Origin2019分析粒度、TOC、重金屬及PAHs的垂直分布特征，在IBM?SPSS?20.0軟件中結(jié)合測(cè)年數(shù)據(jù)對(duì)粒度、TOC、重金屬和PAHs進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

4.2?理論研究參考技術(shù)路線

湖泊沉積物對(duì)大氣污染歷史重建研究鮮有，結(jié)合單體穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)湖泊沉積巖芯垂直方向污染物溯源也較為少見。本研究基于博斯騰湖湖泊沉積巖芯剖面中粒度、金屬元素和PAHs的溯源分析，對(duì)其中大氣污染敏感組分指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，分析其垂直分布規(guī)律，探究人類活動(dòng)導(dǎo)致的大氣污染變化特征，重建博斯騰湖流域近350年來長(zhǎng)時(shí)間尺度大氣污染歷史，為認(rèn)識(shí)我國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)大氣環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)演變提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ma?Long，Abuduwaili?Jilili，Liu?Wen.?Environmentally?sensitive?grain-size?component?records?and?its?response?to?climatic?and?anthropogenic?influences?in?Bosten?Lake?region，?China.[J].Scientific?reports，2020，10（1）.

[2]Wen?Liu，Long?Ma，Jilili?Abuduwaili.?Anthropogenic?Influences?on?Environmental?Changes?of?Lake?Bosten，?the?Largest?Inland?Freshwater?Lake?in?China[J].MDPI，2020，12（2）.

[3]周剛平.西北地區(qū)尕海和博斯騰湖沉積記錄的晚全新世風(fēng)沙活動(dòng)[D].蘭州大學(xué)，2019.

[4]Wen?LIU，Jilili?ABUDUWAILI，Long?MA.Geochemistry?of?major?and?trace?elements?and?their?environmental?significances?in?core?sediments?from?Bosten?Lake，?arid?northwestern?China[J].Journal?of?Limnology，2019，78（2）.

[5]宋世杰，黃韜，趙留元，毛瀟萱，穆熙，高宏，馬建民.博斯騰湖流域大氣多環(huán)芳烴污染特征、干沉降通量及來源[J].環(huán)境科學(xué)，2019，40（02）：558-566.

[6]蒲佳，馬龍，吉力力·阿不都外力，劉文，葛擁曉.新疆博斯騰湖表層沉積物粒度空間分布特征[J].干旱區(qū)研究，2018，35（02）：477-485.

[7]陳圣乾，王鑫，陳建徽，劉建寶，王宗禮，強(qiáng)明瑞，陳發(fā)虎.山西公海湖泊沉積物記錄的大氣粉塵現(xiàn)代過程[J].中國(guó)沙漠，2017，37（02）：228-236.

[8]石艷潔.典型地區(qū)湖泊中210Pb、137Cs和Pu的剖面分布特征及其環(huán)境意義[D].貴州大學(xué)，2015.

[9]Li?Sun，Shuying?Zang，Relationship?between?polycyclic?aromatic?hydrocarbons?（PAHs）?and?particle?size?in?dated?core?sediments?in?Lake?Lianhuan，?Northeast?China.[J].Science?of?the?Total?Environment，2013，461-462：180-187.

[10]蘇丹，臧淑英，葉華香，孫麗，賈曉丹，李苗.扎龍濕地南山湖沉積巖芯重金屬污染特征及來源判別[J].環(huán)境科學(xué)，2012，33（06）：1816-1822.