西北荒漠煤礦區(qū)降水降塵中鹽基離子沉降特征及其效應(yīng)研究

李春環(huán)，王攀，余海龍，李冰，黃菊瑩*

1. 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021；2. 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021；4. 寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，寧夏 銀川 750021；5. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021

大氣沉降中K+、Ca2+、Na+、Mg2+等鹽基離子在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。這些離子一方面可以為植物生長(zhǎng)提供必要的養(yǎng)分（葉片截獲或地下部分吸收），另一方面能夠?qū)Υ髿馑嵝猿两滴锲鸬街泻妥饔?，從而削弱酸沉降?duì)土壤的酸化作用（Lei et al.，2011；Wang et al.，2012；廖柏寒等，2001）。早在上世紀(jì)80年代，歐美學(xué)者就開(kāi)始對(duì)鹽基離子沉降開(kāi)展了系統(tǒng)的觀測(cè)研究。相關(guān)結(jié)果表明，隨著大氣污染物限排措施的實(shí)施和社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，許多歐美發(fā)達(dá)國(guó)家 S、N、鹽基離子沉降均呈下降趨勢(shì)（Dana et al.，1987；Erik，1988）。在中國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和能源需求的日益增加，學(xué)者們?cè)诖髿獬两祷瘜W(xué)組成方面亦積累了豐富的研究成果，但相關(guān)研究多集中于S、N化合物等方面，針對(duì)鹽基離子的工作還略顯不足，尤其工業(yè)排放源周邊（朱劍興等，2019）。開(kāi)展于中國(guó)西北荒漠煤礦區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，雖然燃煤電廠等企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了超低排放，但其SO2和 NOx排放在全國(guó)總排放率的占比逐年增加，是區(qū)域空氣S、N的主要來(lái)源（Shen et al.，2016；薛文博等，2016；王金相，2018；伯鑫等，2019；梁曉雪，2019）。鑒于鹽基離子在中和酸沉降方面發(fā)揮的重要作用，探明西北荒漠煤礦區(qū)鹽基離子沉降狀況將有助于科學(xué)評(píng)估區(qū)域酸沉降風(fēng)險(xiǎn)。

大氣沉降的化學(xué)成分十分復(fù)雜，包括 SO42?、NO3?、Cl?、F?、H+、NH4+、K+、Ca+、Na+、Mg2+等。這些離子綜合作用影響著沉降酸度。其中，鹽基離子作為堿性物質(zhì)，是決定酸沉降量的重要因素（Lee et al.，1999；安俊嶺等，2000）。研究表明，近 20年來(lái)中國(guó)鹽基離子濕沉降量呈先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)，平均約 16.70 kg·hm?2·season?1（Zhang et al.，2020），與濕沉降中SO42?和NO3?之和相當(dāng)，在調(diào)節(jié)降水酸度、維持土壤養(yǎng)分等方面發(fā)揮著重要作用。據(jù)估算，中國(guó)大氣沙塵中鹽基離子可以使降水pH平均上升2個(gè)單位（Wang et al.，2002）。此外，鹽基離子沉降是土壤鹽基離子的重要來(lái)源之一。在長(zhǎng)期酸沉降的影響下，土壤中交換性鹽基離子逐漸被淋溶、消耗（Yu et al.，2020），土壤主要依賴(lài)于大氣沉降對(duì)鹽基離子進(jìn)行補(bǔ)充（Zhang et al.，2020）。例如針對(duì)中國(guó)亞熱帶森林的研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+沉降不斷補(bǔ)充著土壤Ca2+，使得兩者的含量大致相同（Larssen et al.，2011）。另外，大氣鹽基離子沉降至土壤后，與碳酸鹽等物質(zhì)共同作用使土壤pH顯著升高（Zhang et al.，2020）。堿性土壤廣泛分布于西北荒漠區(qū)。鹽基離子沉降能夠有效緩解土壤酸化已在酸性土壤中得到了驗(yàn)證（Zhu et al.，2016），但在堿性土壤尚缺乏系統(tǒng)的分析，尤其是中、重度堿性土壤（pH>8.5）。

西北荒漠區(qū)位于國(guó)家生態(tài)安全格局“兩屏三帶”的北方防沙帶。國(guó)家規(guī)劃的14億噸級(jí)煤炭基地中的寧東能源化工基地（以下簡(jiǎn)稱(chēng)寧東基地）位于該區(qū)域，距黃河僅35 km，其快速發(fā)展對(duì)礦區(qū)周邊乃至黃河流域的生態(tài)環(huán)境造成壓力（趙廷寧等，2018）。與酸沉降相比，中國(guó)在鹽基離子沉降特征效應(yīng)方面的研究起步較晚，但也已逐步建立了全國(guó)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（朱劍興等，2019）。然而，受網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)覆蓋范圍和研究手段的限制，監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)雖然包含了工業(yè)污染源，但主要為混合污染源，缺乏對(duì)單一排放源的監(jiān)測(cè)；涉及了主要生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，但集中在遠(yuǎn)離主要排放源的農(nóng)田和森林，缺乏對(duì)工業(yè)排放源周邊荒漠的監(jiān)測(cè)。那么，在中國(guó)西北荒漠煤礦區(qū)，鹽基離子沉降是否有助于中和大氣酸度，鹽基離子沉降是否會(huì)促進(jìn)土壤鹽基離子積累、調(diào)節(jié)土壤pH等問(wèn)題都值得深入探討。為此，本研究以寧東基地 3個(gè)燃煤電廠為采樣點(diǎn)，依據(jù)研究區(qū)降水稀少、風(fēng)沙天氣頻發(fā)的氣候特點(diǎn)，采用手動(dòng)采樣器結(jié)合替代面法收集了降水降塵混合沉降樣品，深入研究了2019年混合沉降中鹽基離子沉降特征和來(lái)源，初步分析了鹽基離子沉降效應(yīng)，以期為科學(xué)評(píng)估西北荒漠煤礦區(qū)酸沉降風(fēng)險(xiǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

寧東基地位于寧夏中東部，距離首府銀川約40 km，位于鄂爾多斯盆地西南緣（圖1），是中國(guó)能源化工“金三角”的核心區(qū)域?；乇编徝珵跛厣车?，南至寧南黃土丘陵，呈南北條帶狀分布，規(guī)劃范圍主要涉及靈武市（臨河鎮(zhèn)、寧東鎮(zhèn)、馬家灘鎮(zhèn)、白土崗鄉(xiāng)）、鹽池縣（惠安堡鎮(zhèn)、馮記溝鄉(xiāng)）、同心縣（韋州鎮(zhèn)、下馬關(guān)鎮(zhèn)）、紅寺堡區(qū)（太陽(yáng)山鎮(zhèn)）的9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積約3483.7 km2（王金相，2018）。氣候類(lèi)型為中溫帶干旱氣候，具有干燥、少雨、蒸發(fā)量大等特點(diǎn)。土壤類(lèi)型主要為灰鈣土、風(fēng)沙土及少量鹽堿土。天然植被稀少且分布不均勻，植物組成以豬毛蒿（Artemisia scoparia）、豬毛菜（Salsola collina）、蒺藜（Tribulus terrestris）、臭蒿（Artemisia hedinii）、狗尾草（Setaria viridis）、針茅（Stipa capillata）、白草（Pennisetum centrasiaticum）、甘草（Glycyrrhiza uralensis）、草木樨狀黃芪（Astragalus melilotoides）、披針葉黃華（Thermopsis schischkinii）、沙棗（Ziziphus jujube）等一年或多年生草本、旱生或超旱生灌木和半灌木為主。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)位置圖Figure 1 Location of the sampling points in the studied area

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇和采樣點(diǎn)設(shè)置

以寧夏發(fā)電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蓮臺(tái)電廠（機(jī)組規(guī)模為2×330 MW）、寧夏煤電有限公司鴛鴦湖電廠（機(jī)組規(guī)模為2×660+2×1100 MW）和寧夏靈武發(fā)電有限公司靈武電廠（機(jī)組規(guī)模為 2×600+2×1000 MW）等3個(gè)典型燃煤電廠為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為避免其他污染源及人為活動(dòng)的干擾，將取樣點(diǎn)統(tǒng)一設(shè)在電廠圍墻外主風(fēng)向偏北遠(yuǎn)離其他企業(yè)、村莊、農(nóng)田、牧場(chǎng)和道路的扇形區(qū)域內(nèi)。相關(guān)研究表明，寧東基地燃煤電廠大氣污染物最大落地濃度在距廠界 1000—1300 m處（羅成科等，2018）；大氣硫化物濃度在空間上隨著距離的增大呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，并在距燃煤電廠約2000 m處達(dá)到最大值（李志雄等，2017）；土壤硫化物濃度在距燃煤電廠下風(fēng)向約2000 m處達(dá)到最大值（佟海，2016）。因而，依據(jù) 3個(gè)電廠周邊實(shí)際情況，本研究分別以每個(gè)電廠煙囪為中心，沿所選方向2000 m范圍內(nèi)設(shè)3—5個(gè)取樣點(diǎn)。每個(gè)取樣點(diǎn)各設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)（間距>10 m）。采樣點(diǎn)均設(shè)置在地勢(shì)平坦、植被分布均勻、無(wú)高大樹(shù)木的地段。其中，馬蓮臺(tái)電廠共布設(shè)了 3個(gè)取樣點(diǎn)（100、300、500 m），計(jì)9個(gè)采樣點(diǎn)；鴛鴦湖電廠共布設(shè)了4個(gè)取樣點(diǎn)（100、300、500、1000 m），計(jì)12個(gè)采樣點(diǎn)；靈武電廠共布設(shè)了5個(gè)取樣點(diǎn)（100、300、500、1000、2000 m），計(jì)15個(gè)采樣點(diǎn)。3個(gè)電廠共布設(shè)了12個(gè)取樣點(diǎn)，總計(jì)36個(gè)采樣點(diǎn)。

1.3 降水降塵混合沉降樣品收集與分析

參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《酸沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 165—2004）和《環(huán)境空氣降塵標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 15265—1994），于2019年3—11月采用手動(dòng)采樣器結(jié)合替代面法收集降水降塵混合沉降樣品。具體操作步驟參照項(xiàng)目組前期研究（王攀等，2020）。雖然替代面法僅能收集到直徑>2 μm的顆粒物沉降，但獲得的降塵化學(xué)組成對(duì)于評(píng)價(jià)大氣沉降狀況仍具有積極意義（邢建偉等，2017；吳玉鳳等，2019）。鑒于其成本低、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，該方法在中國(guó)北方多沙塵地區(qū)的相關(guān)研究中有較多應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將每個(gè)采樣點(diǎn)每月采集到的混合沉降樣品按季節(jié)合并為一個(gè)樣品，以獲得春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）樣品；采用0.45 μm有機(jī)微孔濾膜抽濾后，根據(jù)離子色譜法原理（牟世芬，2000），利用美國(guó) ThermoFisher公司生產(chǎn)的 ICS-900離子色譜儀進(jìn)行鹽基離子的測(cè)定；pH和電導(dǎo)率分別采用梅特勒S220多參數(shù)測(cè)試儀和S230電導(dǎo)率儀測(cè)定；SO42?和NO3?的測(cè)定方法見(jiàn)項(xiàng)目組前期研究（王攀等，2020）。

1.4 土壤樣品收集與分析

于2019年7月下旬，在每個(gè)采樣點(diǎn)用內(nèi)徑為5 cm的土鉆隨機(jī)取三鉆0—20 cm表層土壤，混勻作為1個(gè)樣品裝入封口袋中，保存于保溫箱內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤指標(biāo)的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，封口袋中土樣過(guò)2 mm篩后于4 ℃下冷藏，盡可能在一周內(nèi)完成pH（梅特勒S220多參數(shù)測(cè)試儀）和電導(dǎo)率（S230電導(dǎo)率儀）的測(cè)定；Ca2+和Mg2+采用原子吸收法。在土壤浸出液中加入50 g·L?1的LaCl3，定容后分別在原子吸收分光光度計(jì)422.7 nm和285.2 nm波長(zhǎng)處測(cè)定土壤浸出液的吸收值，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)；K+和Na+采用火焰光度法。在土壤浸出液中加入Al2(SO4)3溶液，在火焰光度計(jì)記錄檢流計(jì)讀數(shù)并計(jì)算二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)（鮑士旦，2000）。土壤各指標(biāo)的變化特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)土壤性質(zhì)的變化Table 1 Variations of soil properties in the studied area

1.5 氣團(tuán)后向軌跡模型

利用HYSPLIT-4對(duì)研究區(qū)2019年3月1日—11月31日24 h氣團(tuán)后向軌跡進(jìn)行了模擬，并利用TrajStat軟件中Euclidean Distance算法按季進(jìn)行聚類(lèi)得到不同類(lèi)型輸送軌跡（Wang et al.，2009）。氣團(tuán)后向軌跡資料使用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心提供的全球再分析資料以及全球資料同化系統(tǒng)氣象要素?cái)?shù)據(jù)（ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1）。

1.6 降水降塵混合沉降輸入酸度和鹽基離子中和因子

大氣酸度是由酸前體物與中和離子的濃度綜合決定的。SO42?和 NO3?是最主要的酸前體物。已有研究將APi定義為輸入酸度，表示由SO42?和NO3?作用產(chǎn)生的大氣沉降最大酸度（汪少勇等，2019）。APi的計(jì)算公式為：

式中：

中和因子（Neutralization Factor，F(xiàn)N）是量化大氣沉降中堿性離子中和能力的重要參數(shù)，其計(jì)算公式為（Possanzini et al.，1988）：

式中：

Xi——大氣沉降中鹽基離子濃度（eq·L?1）；

1.7 統(tǒng)計(jì)方法

應(yīng)用Arc map 10.4進(jìn)行研究區(qū)地理位置圖的繪制；Excel 2007計(jì)算各指標(biāo)的變異系數(shù)（各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差與其平均值的比值）；SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：Origin 2021進(jìn)行圖形繪制，圖中數(shù)據(jù)為平均值+標(biāo)準(zhǔn)誤。表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。采用Pearson相關(guān)性分析分析混合沉降性質(zhì)和土壤性質(zhì)的關(guān)系；采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）比較電廠間和季節(jié)間各指標(biāo)的差異。分析前，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)。若方差為齊性，選用最小顯著性差異法（LSD），否則選用Tamhine’s T2法。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水降塵混合沉降中鹽基離子沉降特征

除pH外，研究區(qū)混合沉降中各指標(biāo)變異系數(shù)總體較高（圖2）。整體上，K+、Ca2+、Na+和Mg2+季沉降量均存在較大變異，變化范圍分別為0.01—10.04、0.25—27.85、0.36—9.05、0.27—2.62 kg·hm?2·season?1；相比 pH（6.01—7.93），電導(dǎo)率存在較大變異，變化范圍為 5.13—285.00 μS·cm?1。

圖2 研究區(qū)混合沉降中鹽基離子季沉降量、pH和電導(dǎo)率的變化Figure 2 Variations of seasonal deposition of base cation, pH, and electrical conductivity in bulk deposition in the studied area

3個(gè)電廠間（圖2），馬蓮臺(tái)電廠K+季沉降量顯著低于靈武電廠（P<0.05），Ca2+季沉降量顯著高于靈武電廠（P<0.05），電導(dǎo)率顯著高于其他兩個(gè)電廠（P<0.05）。相比之下，Na+和Mg2+季沉降量在3個(gè)電廠間差異較小（P>0.05）。

3個(gè)季節(jié)間（圖3），鹽基離子季沉降量整體呈現(xiàn)出夏季多、春秋兩季少的特點(diǎn)，pH和電導(dǎo)率則無(wú)明顯的季節(jié)規(guī)律。馬蓮臺(tái)電廠夏季 Ca2+、Mg2+沉降量顯著高于春、秋兩季（P<0.05），秋季 pH顯著高于夏季（P<0.05）。鴛鴦湖電廠夏季 K+沉降量顯著高于春季（P<0.05），夏季Ca2+、Na+、Mg2+沉降量顯著高于春、秋兩季（P<0.05），夏、秋兩季pH顯著高于春季（P<0.05），秋季電導(dǎo)率顯著高于春季（P<0.05）。靈武電廠夏季 K+、Ca2+、Mg2+沉降量顯著高于春、秋兩季（P<0.05）。

圖3 研究區(qū)混合沉降中鹽基離子季沉降量、pH和電導(dǎo)率的季節(jié)差異Figure 3 Differences of seasonal deposition of base cation, pH, and electrical conductivity in the bulk deposition among the three seasons in the studied area

2.2 氣團(tuán)后向軌跡聚類(lèi)分析

研究區(qū)春季氣團(tuán)來(lái)源主要為北偏西方向的內(nèi)蒙古阿拉善盟、正北方向的內(nèi)蒙古烏海市、正東方向的陜西榆林市、正南方向的甘肅慶陽(yáng)市、西南方向的甘肅白銀市。其中，來(lái)自北偏西方向阿拉善盟的氣團(tuán)占比最大（圖4A）。

圖4 研究區(qū)春（A）、夏（B）、秋季（C）氣團(tuán)后向軌跡聚類(lèi)結(jié)果Figure 4 Clustering results of backward trajectories of air masses in spring (A), summer (B), and autumn (C)in the studied area

研究區(qū)夏季氣團(tuán)來(lái)源主要為東南方向的寧夏吳忠市、東南方向的甘肅省慶陽(yáng)市、正西方向的內(nèi)蒙古阿拉善盟、東北方向的蒙古國(guó)東南部經(jīng)陰山山脈—庫(kù)布其沙漠—毛烏素沙地。其中，來(lái)自于東南方向吳忠市的氣團(tuán)占比最大（圖4B）。

研究區(qū)秋季氣團(tuán)來(lái)源主要為東南方向的甘肅慶陽(yáng)市、東南方向的陜西寶雞市、東南方向的陜西延安市、東北方向的內(nèi)蒙古鄂爾多斯市、西北方向的內(nèi)蒙古阿拉善盟、西北方向的蒙古國(guó)西南部經(jīng)內(nèi)蒙古中央隔壁—巴丹吉林沙漠—騰格里沙漠。其中，來(lái)自東南方向慶陽(yáng)市的氣團(tuán)占比最大（圖4C）。

2.3 降水降塵混合沉降中鹽基離子沉降量與pH和電導(dǎo)率的關(guān)系

研究區(qū)混合沉降輸入酸度低于其平均pH，Ca2+和Na+中和因子較高，Mg2+、K+中和因子較低（表2）。具體而言，鴛鴦湖電廠混合沉降pH較低，其他兩個(gè)電廠混合沉降 pH較高；3個(gè)電廠混合沉降PAi相近，且均低于其平均pH；3個(gè)電廠混合沉降鹽基離子中和因子均表現(xiàn)為Ca2+最高、K+最低。

圖5中，研究區(qū)混合沉降中K+季沉降量與pH存在顯著負(fù)的線(xiàn)性關(guān)系（P<0.05）；Ca2+和Mg2+季沉降量均與電導(dǎo)率存在極顯著正的線(xiàn)性關(guān)系（P<0.01）。

圖5 研究區(qū)混合沉降中鹽基離子季沉降量與pH和電導(dǎo)率（EC）的關(guān)系Figure 5 Relationships of seasonal deposition of base cation with pH and electrical conductivity (EC)in bulk deposition in the studied area

表2 研究區(qū)混合沉降輸入酸度和中和因子Table 2 Input acidity and neutralization factors of bulk deposition in the studied area

2.4 降水降塵混合沉降性質(zhì)與土壤性質(zhì)的關(guān)系

如圖6所示，K+季沉降量與土壤K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Mg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)及電導(dǎo)率顯著正相關(guān)（P<0.05）；Ca2+季沉降量與土壤Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)（P<0.05）；Mg2+季沉降量與土壤 Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)（P<0.05）；混合沉降pH與土壤K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），與土壤pH顯著正相關(guān)（P<0.05）；混合沉降電導(dǎo)率與土壤 Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)（P<0.05）。

圖6 研究區(qū)混合沉降性質(zhì)與土壤性質(zhì)的相關(guān)性Figure 6 Correlations between bulk deposition properties and soil properties in the studied area

3 討論

3.1 降水降塵混合沉降中鹽基離子沉降特征

以往研究發(fā)現(xiàn)，在大氣鹽基離子沉降的自然源和人為源中，Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于其他鹽基離子（Zhang et al.，2012），從而使得 Ca2+主導(dǎo)著鹽基營(yíng)養(yǎng)沉降通量（Du et al.，2018；Vet et al.，2018）。本研究中，3個(gè)電廠鹽基離子沉降量的高低順序均為 Ca2+(6.12±0.42) kg·hm?2·season?1>Na+(2.78±0.13) kg·hm?2·season?1>K+(2.12±0.22 kg·hm?2·season?1)>Mg2+(1.01±0.05) kg·hm?2·season?1，平均值與中國(guó)西北地區(qū)平均水平接近（Zhao et al.，2021），但低于中國(guó)34個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的觀測(cè)值（Du et al.，2018）。一方面，本研究采用替代面法收集了降水降塵混合沉降。該方法僅能收集到直徑>2 μm的顆粒物干沉降，即本研究收集到的混合沉降為全部濕沉降與部分干沉降之和，可能低估了大氣鹽基離子總沉降量（邢建偉等，2017；吳玉鳳等，2019）。另一方面，針對(duì)中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的研究站點(diǎn)主要集中在東部和南部（Du et al.，2018）。這些區(qū)域高度的城市化和工業(yè)化增加了鹽基離子沉降的人為排放量（Zhang et al.，2015）。此外，近年來(lái)隨著中國(guó)西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)（植被恢復(fù)、風(fēng)速降低、土壤侵蝕減緩等）和大氣顆粒物排放措施實(shí)施，干旱半干旱區(qū)風(fēng)塵源引起的鹽基離子沉降減少。例如，基于多層次歐拉模型的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中國(guó)鹽基離子沉降在1985—2005年間增加了16%，而在2005—2015年間降低了33%（Zhao et al.，2021）。季節(jié)分配上，研究發(fā)現(xiàn)夏季高溫更有利于大氣中塵埃的懸?。↘ang et al.，2016）。由于本研究區(qū)夏季降水相較春、夏兩季多，懸浮于大氣中的鹽基離子更易隨著降水沉降至地表，固整體上呈現(xiàn)出夏季多、春季和秋季少的特點(diǎn)（圖3），與以往的研究結(jié)果一致（Du et al.，2018）。

3.2 降水降塵混合沉降中鹽基離子來(lái)源分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的鹽基離子沉降來(lái)源于地表（Li et al.，2019）。近年來(lái)，在中國(guó)嚴(yán)格控制能源產(chǎn)業(yè)污染排放的背景下，各區(qū)域鹽基離子工業(yè)源污染大幅減少、自然源占據(jù)主導(dǎo)地位（Zhang et al.，2015）。本研究中，鴛鴦湖電廠和靈武電廠機(jī)組規(guī)模高于馬蓮臺(tái)電廠，二者 K+沉降量高于后者，但Ca2+沉降量低于后者、Na+和 Mg2+沉降量與后者差異不大（圖2），一定程度上表明研究區(qū)鹽基離子沉降的本地源可能為揚(yáng)塵而非工業(yè)排放。此外，排放至大氣的污染物在大氣多尺度環(huán)流的作用下混合、擴(kuò)散，造成污染物跨區(qū)域的遠(yuǎn)距離輸送（邢建偉等，2017；梁曉雪，2019）。寧東基地地處西北地區(qū)東部，當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)格局及自然環(huán)境決定了其大氣降塵來(lái)源復(fù)雜，不僅有源自本地的鈣質(zhì)土壤揚(yáng)塵和工業(yè)降塵污染，還有源自周邊沙漠的沙塵。氣團(tuán)后向軌跡聚類(lèi)結(jié)果表明，研究區(qū)春季氣團(tuán)的最主要來(lái)源為西北方向的阿拉善盟（圖4A）。這主要是因?yàn)閷帠|基地位于毛烏素沙地南緣，且附近還有騰格里和巴丹吉林沙漠，從西北風(fēng)向上為其輸送了充足的沙塵。由于春季沙塵天氣頻繁，且沙塵中含有大量Ca2+（陳思宇等，2017），從而使Ca2+沉降量明顯高于其他鹽基離子（圖2）。研究區(qū)夏季和秋季氣團(tuán)的最主要來(lái)源均為東南方向（圖4B和4C）。近距離上，該方向的吳忠市和慶陽(yáng)市屬于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)地區(qū)。夏、秋兩季頻繁的農(nóng)業(yè)作業(yè)使得區(qū)域地表土層更易受到風(fēng)力侵蝕，且秋季秸稈焚燒造成大量富含 K+等鹽基離子的氣溶膠排放（Zhang et al.，2019；唐喜斌，2014）。遠(yuǎn)距離上，東部和南部發(fā)達(dá)城市較高的鹽基離子排放（Du et al.，2018），可能通過(guò)長(zhǎng)距離輸送為寧東基地鹽基離子沉降提供了來(lái)源，但還需結(jié)合兩個(gè)季節(jié)的風(fēng)向進(jìn)行深入分析。

3.3 降水降塵混合沉降中鹽基離子沉降效應(yīng)分析

研究表明，鹽基離子能夠中和約76%的酸性沉降（Du et al.，2018）。本研究中，3個(gè)電廠混合沉降PAi值（5.26—5.33）均低于其平均pH值（7.09—7.24）（表2）。這說(shuō)明降水降塵混合沉降的輸入酸度高，但其實(shí)際的酸度低，即鹽基離子在一定程度上中和了混合沉降酸度（汪少勇等，2019）。為進(jìn)一步量化混合沉降中各鹽基離子中和作用的強(qiáng)度，本文利用公式（2）計(jì)算了 K+、Ca2+、Na+和Mg2+等4種離子的中和因子（NF）。結(jié)果顯示，3個(gè)電廠混合沉降中Ca2+（NF：1.63—2.51）和Na+（NF：1.56—1.93）的中和因子大于1，而K+（NF：0.22）和Mg2+（NF：0.51—0.61）的中和因子小于1。這說(shuō)明 Ca2+和 Na+具有較強(qiáng)的中和能力（尤其Ca2+），K+和Mg2+的中和能力相對(duì)較弱（尤其K+），與以往研究結(jié)果類(lèi)似（Wang et al.，2012；Du et al.，2018；安俊嶺等，2000；廖柏寒等，2001）。線(xiàn)性擬合結(jié)果顯示（圖5），K+季沉降量與混合沉降pH負(fù)相關(guān)，與以往研究結(jié)果相反（Wang et al.，2002），有待通過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究進(jìn)行深入探討。此外，Ca2+、Mg2+季沉降量與混合沉降電導(dǎo)率極顯著正相關(guān)（P<0.01），表明研究區(qū)大氣中堿性鹽基離子與其電導(dǎo)率存在密切的聯(lián)系，與開(kāi)展于祁連山東段的研究結(jié)果相似（賈文雄等，2016）。

在長(zhǎng)期酸沉降的影響下，土壤中鹽基離子會(huì)逐漸被淋溶、耗損（Hynicka et al.，2016；Yu et al.，2020），此時(shí)土壤鹽基營(yíng)養(yǎng)在一定程度上依賴(lài)于大氣鹽基離子輸入（Larssen et al.，2011；Zhang et al.，2020）。本研究中，K+季沉降量與土壤K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Ca2+季沉降量與土壤Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈正相關(guān)（圖6），證實(shí)酸沉降下荒漠煤礦區(qū)大氣鹽基離子是土壤鹽基營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源之一。K+季沉降量亦與土壤 Na+和Mg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)正相關(guān)，這可能是由于 K+沉降量增加打破了原始土壤交換性和水溶性鹽基離子的動(dòng)態(tài)平衡，從而提高了土壤交換性鹽基離子濃度（賈潤(rùn)語(yǔ)，2019）。但也有研究表明土壤膠體中 K+與Mg2+等為互補(bǔ)離子，K+含量的增加降低了交換性Mg2+在鹽基離子總量中的占比（姜勇等，2005）。全國(guó)尺度的研究表明，大氣中鹽基離子隨降水進(jìn)入土壤后，與碳酸鹽等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)使土壤pH升高（Zhang et al.，2020）。本研究中，4種鹽基離子沉降量均與土壤pH無(wú)相關(guān)性。受地理位置和氣候條件等因素影響，研究區(qū)土壤具有pH高（部分區(qū)域甚至超過(guò) 9.0）、碳酸鹽含量豐富的特點(diǎn)（寧夏農(nóng)業(yè)勘查設(shè)計(jì)院，1990）。因而，中重度堿性土壤環(huán)境使其pH較難受到大氣鹽基離子沉降的影響；混合沉降pH與土壤pH正相關(guān)、與土壤K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)負(fù)相關(guān)（圖6），證實(shí)酸沉降會(huì)降低土壤pH（Yu et al.，2020），從而有助于促進(jìn)堿性土壤磷酸鹽溶解、提高K+等離子的移動(dòng)性（姜勇等，2019）。

4 結(jié)論

本研究區(qū)降水降塵中鹽基離子沉降量與中國(guó)西北地區(qū)平均水平相當(dāng)，但低于東部和南部等區(qū)域的測(cè)定值；夏季鹽基離子沉降量較高，主要來(lái)源為東南方向。春季和秋季沉降量較低，主要來(lái)源分別為西北和東南方向；鹽基離子中和了降水降塵輸入酸度，其中Ca2+占主導(dǎo)作用。降水降塵中K+和Ca2+沉降促進(jìn)了土壤K+和Ca2+積累。此外，堿性土壤環(huán)境下，鹽基離子沉降較難改變土壤 pH，但降水降塵輸入有助于降低土壤pH、提高土壤K+移動(dòng)性，有待通過(guò)長(zhǎng)期定位觀測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。