酸雨的硫源及其硫同位素示踪综述

酸雨是目前人类所面临的主要环境问题之一。世界大部分地区为硫酸型酸雨,硫同位素的示踪研究对于探讨酸雨的来源与酸雨的治理具有重要的意义。本文论述了酸雨的不同硫源(人工成因硫、生物成因硫、远距离硫)的硫同位素组成特征;从煤的硫同位素组成、大气降水的硫同位素组成和小麦等植物的硫同位素组成等三方面来论述了酸雨来源的硫同位素示踪意义。     

华南地区酸沉降的硫同位素组成及其环境意义

为探讨华南珠江三角洲和湘桂走廊及其周边地区的酸沉降硫源,分别对大气降水、大气SO₂、气溶胶和工业用煤、重油及其燃烧产物进行了硫同位素组成测定.研究结果表明,珠江三角洲和湘桂走廊地区的大气降水硫同位素组成有明显的差异,其大气降水δ³⁴S值的变化范围分别为1.9‰～10.3‰和-4.8‰～-0.1‰.湘桂走廊地区大气降水明显的富集轻硫同位素(32S),而珠江三角洲地区则富集重硫同位素(34S).在煤、重油燃烧过程中硫同位素分馏效应研究基础上,将该地区酸雨硫源区分为4种类型,即人为成因硫、天然生物硫、海雾硫和远距离传输硫.在定量计算不同硫源对酸雨贡献的基础上.提出人为成因硫是珠江三角洲和湘桂走廊地区最强的污染硫源,而生物硫在夏季贡献突出,其贡献率分别为47%和52%.传输硫在冬季贡献率可达49%.上述结果,对研究治理华南地区的酸雨具有重要意义.     

南昌市雨水和湖水硫同位素特征的研究

为探讨南昌市酸雨的硫源,研究了2006年南昌市区雨水、湖水的pH值、硫酸根离子浓度和硫同位素组成,并对市区用煤的δ34S值进行了测定。结果表明,雨水硫同位素组成的变化范围在-3.5‰~5.5‰之间,且具有夏季轻,冬、春季重的特点。湖泊水、赣江水的δ34S值变化范围在4.3‰~10.3‰之间。2006年南昌市酸雨污染较严重,冬春季时雨水的酸度较大。雨水中硫的来源是由生物成因硫、人为成因硫和海源硫综合贡献的,夏季生物硫贡献比重大,冬春季人为硫是主要贡献者,海源硫贡献可能很小。     

降水对颗粒物的冲刷作用及其对雨水化学的影响

为研究湿沉降冲刷过程中大气颗粒物对雨水化学组成和酸度的影响,2008年6月至2009年6月,在中国酸雨污染最严重地区之一的杭州市进行了降水前、中、后的大气颗粒物样品采集,同时采集了降水样品,分析了颗粒物样品和雨水样品中的主要水溶性离子组分,使用统计学方法探讨了大气颗粒物的浓度及化学特征在雨水冲刷过程中的变化规律,并使用主成分分析方法分析了雨水中主要离子成分的来源.结果表明:杭州市TSP和PM10的酸缓冲能力分别为1.95和1.02,具有一定的酸缓冲能力;从颗粒物浓度、酸缓冲能力A值以及颗粒物化学组成在降水前、中、后过程中的变化看,雨水对颗粒物中的碱性组分具有显著冲刷作用;结合雨水主成分分析,颗粒物对雨水中Ca2+、Na+的贡献较为显著,对Mg2+、K+的贡献有待进一步验证,对NH4+、SO42-和NO3-的贡献较小,而F-和部分Cl-则可能主要来自云内雨除过程或者对气态化合物的云下冲刷作用.     

关中平原降水氢氧稳定同位素特征及其水汽来源

为探究关中平原降水氢氧稳定同位素特征及其水汽来源,本研究选取关中腹地的杨凌站点次降水为研究对象,利用当地2015～2018年间的98场次降水样品及同期气象资料,分析该地区降水氢氧稳定同位素(δ~2H、δ~(18)O和δ~(17)O)组成特征及其影响因素,建立当地大气降水线和三氧同位素大气降水线方程,并利用δ~(18)O、d-excess和~(17)O-excess指标尝试探讨当地可能存在的降水水汽来源,定量描述海洋和内陆源水汽对区域降水的贡献.结果表明,杨凌地区降水氢氧稳定同位素存在明显的季节性变化,同位素组成雨季(5～10月)贫化,旱季(11月～次年4月)富集;当地大气降水线的斜率和截距分别为7.7和9.1,说明研究区降水受到一定程度的蒸发分馏影响;三氧同位素大气降水线斜率为0.528,介于海水平衡分馏斜率(0.529)与水汽扩散斜率(0.518)之间,表明研究区处于海洋气团向内陆干旱区迁移的路径上.综合分析δ~(18)O、d-excess和~(17)O-excess,发现研究区降水受到来自东南季风的暖湿气团和来自西风的干冷气团的共同贡献,其中约有55%～79%的降水水汽来源于海洋,主要集中于6～8月; 21%～45%的水汽来源于内陆和局地蒸发,主要集中于10月～次年4月. 5月和9月降水水汽来源复杂,可能受海洋水汽和内陆水汽的共同补给.     

拉萨河夏季氢氧同位素空间分布特征及分析

稳定同位素示踪技术是河流水文过程研究的重要方式,可以用来判定河流补给的来源、研究河流与其它水体相互作用、示踪水文循环过程等。本文采用TC/EA-IRMS分析法对拉萨河水体的氢氧同位素进行测定,分析了δD和δ~(18)O的含量及空间分布特征,并分析了拉萨河的同位素效应,包括与大气降水氢氧同位素的关系、氢氧同位素的沿程变化特征、氘过量参数沿程变化、高程效应及大陆效应等。结果表明:拉萨河水体受补给来源、大陆效应、高程效应等因素影响,其水体氢氧同位素也呈现出不同的特征。整体而言,拉萨河水体δD和δ~(18)O随沿程距离增大而下降;δD和δ~(18)O均分布在全球大气降水线和青藏高原东部大气降水线附近,表明大气降水是拉萨河流域主要的补给来源;拉萨河水体的氘过剩参数均大于10‰,且远超全球大气降水线对应的氘过剩参数,说明拉萨河可能存在接受氢氧同位素较贫化的冰雪融水补给。     

中国雨水化学组成及其来源的研究进展

对近年来我国雨水的化学组成、同位素组成、pH值等数据进行了搜集,总结了我国酸雨的地理分布情况,并通过数理统计学和化学计量学对搜集的数据进行了对比分析,从而对雨水的离子来源进行了解析。最后,就全面认识我国酸雨特征提出了建议。     

西南喀斯特农业区大气降水化学及硫同位素组成特征

西南酸雨区属于中国重要的酸雨区,为了理解其中喀斯特农业区酸雨成因及其变化趋势,本研究于2016年5月至2017年9月在中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站进行了大气降水采集(n=147),分析了其水化学成分和硫酸盐硫同位素组成(δ~(34)S-SO_4~(2-))。结果表明,研究区内710%的降水为非酸性雨水(pH56),降水中SO_4~(2-)和Ca~(2+)为主要离子,分别占总阴、阳离子浓度的781%和566%。与研究区2008年降水中硫酸盐浓度(加权平均浓度为1406μmol/L)相比,本次采样期间降水中SO_4~(2-)浓度(加权平均浓度为989μmol/L)显著降低。在研究期间,降水δ~(34)S-SO_4~(2-)为-65‰～212‰,加权平均值为13‰±62‰,与贵阳2008～2009年降水δ~(34)S-SO_4~(2-)(平均值-28‰±14‰)相比有所升高,说明研究区降水硫酸盐中来自工业燃煤排放的贡献降低。研究区降水化学组分和δ34S-SO_4~(2-)均受到降雨量的影响,随着降水量减小,SO_4~(2-)浓度升高,δ~(34)S-SO_4~(2-)则下降,工业燃煤对雨水中硫酸盐的贡献也增加。西南喀斯特农业区大气硫酸盐沉降介于城市和森林之间,季节变化明显,受控于工业燃煤排放和生物成因硫释放。该研究表明优化产业结构,降低工业燃煤,可进一步优化大气环境。     

长江源区降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源

基于长江源区冬克玛底流域2014年5～10月连续采集的73个降水同位素数据,结合相关气象资料,分析了降水中δD、δ~(18)O及氘盈余(d-excess)变化特征,讨论了δ~(18)O与气温、降水量的关系,利用HYSPLIT模型追踪流域降水的水汽来源并估算不同水汽来源对降水量的贡献比例.结果表明:研究区降水中δ~(18)O和δD变化范围分别为-26.5‰～1.9‰和-195.2‰～34.0‰,且δ~(18)O和δD值随时间变化波动较大,与不同来源水汽输送有直接的关系;区域降水线的斜率和截距均大于全球大气降水线,与青藏高原北侧地区的降水线相近;不同降水类型中的δ~(18)O和δD的关系差异显著,主要与水汽来源和形成降水时的气象条件有关;由于受局地蒸发水汽及水汽输送过程影响,流域大气降水d-excess值整体上相对偏大;研究区的降水同位素存在显著的降水量效应,但不存在温度效应,表明降水量对大气降水中稳定同位素含量的控制作用更强;水汽来源轨迹表明,研究区大气降水水汽来源主要有西南季风携带的海洋性水汽、局地蒸发水汽及西风输送水汽,对降水量的贡献比例分别为43%、36%和21%.该研究结果有助于进一步了解长江源头区冬克玛底流域的大气环流特征及水循环过程.     

上海地区大气水汽氢氧同位素特征及其环境意义

大气水汽作为降水的前体物质,对降水同位素有直接的影响,且水汽同位素研究相对于降水有其独特的优势,因此研究大气水汽的同位素组成对分析本地水汽来源及本地蒸发贡献具有重要的意义.本研究使用低温冷阱法,采集了上海地区2019年冬、春、夏三季的大气水汽,并对水汽氢氧同位素进行测试,分析了D、18O和17O的分布特征,并探讨了环境因素与同位素值的关系.结果表明:上海地区大气水汽氢氧同位素值的季节变化小于降水氢氧同位素;水汽同位素值在冬、春季节与绝对湿度的相关性较好,而在夏季不明显;水汽同位素中δ18O和δD拟合曲线斜率与截距,依次为冬季<春季<夏季,水汽氘盈余(d)值明显高于降水d值,且与相对湿度负相关,相关性冬高夏低;δ18O和δ17O基本符合质量分馏效应,但在冬季略有异常;δD实测值与平衡分馏理论值的差异不大,δ18O的实测值小于理论值,d值实测值明显大于理论值且二者差值与相对湿度有一定的负相关关系.上海地区冬季水汽来源以本地蒸发为主,而夏季受东南及西南季风影响,水汽主要来自海洋输送.     

Characterization of precipitation in the background of atmospheric pollutants reduction in Guilin: Temporal variation and source apportionment

Rainfall samples were collected from three observation sites in Guilin from 2013 to 2017, and the chemical composition characteristics of precipitation and the contribution made by different ion sources were analyzed when atmospheric pollutants levels were reduced. The results showed that acid gas emissions and atmospheric pollutant concentrations continued to decline during the study period. However, the change in the volume-weighted mean pH at the three sites suggested that acid rain pollution was not alleviated and began to deteriorate after 2015. The continuing downward trend for alkaline neutralizing ions (Ca²⁺, NH₄⁺) in precipitation indicated that the reduction in alkaline neutralizing substances in the atmosphere was an important factor that led to the deterioration in acid rain across Guilin. The principal component analysis and spearman correlation analysis indicated five sources of ions in precipitation. Quantitative assessment of these five sources indicated that fossil fuel combustion contributed the most ions concentration in precipitation at the three sites, followed by agriculture, terrestrial (crustal) sources, marine sources, and biomass burning. Long-distance airflow might affect the acidity, the electrical conductivity (EC), and ion concentrations in precipitation across Guilin. The airflow trajectory from the west and southeast directions corresponded to higher acidity and ion concentrations. According to the current air pollution control strategy planned by Guilin, reducing atmospheric coarse particles and NH₃ at the same time may potentially lead to further deteriorations in acid rain contents. Therefore, Guilin needs to develop more reasonable pollution prevention measures that synergistically control atmospheric pollutants and acid rain pollution.     

Acid deposition and its effects in China: an overview

Acid rain is an increasing environmental problem in China. At present SO₂ emission is about 20–22 million tons. However with a growing number of large power plants the long-range transport of air pollutants is expected to increase. The highest acid deposition is near the emission sources. Wind-blown, alkaline soil dust is important in neutralizing the acidity of the emissions, especially in large parts of northern China. In the south, where alkaline soil dust contributes less to acid neutralization, the annual pH in precipitation was below 4.5 at monitoring stations in several provinces and as low as 4.1 in some urban areas. Total sulfur deposition has been estimated to be about 10 g S m−² year⁻¹ in heavily exposed areas. Negative effects on forests, including die-back, have been reported for relatively small areas near large cities. Since large, regional surveys have not been carried out, there are large uncertainties about effects on a regional level. The high concentrations of gaseous pollutants, especially within and near the cities, are likely to have severe effects on human health as well as on materials and vegetation. Several field and laboratory studies, as well as computer simulations, indicate that acidification of soil and soil water has occurred in the past few decades. This has probably caused elevated concentrations of toxic aluminum in soil water. At present, the toxic effect of Al is likely to be counteracted by high concentrations of calcium at many places. The Chinese authorities have recognized air pollution and acid rain as serious environmental problems, however, there are difficulties in implementing effective measures to reduce the problems. With respect to ecological effects we lack a comprehensive regional overview of the extent of the acid deposition problem in China. Such information is necessary before effective countermeasures can be developed.     

以降水相关数据分析克拉玛依大气环境污染程度

根据对2006-2010年降水监测数据pH、化学成分、降水量、降尘等的分析,得出如下结论：克拉玛依的降水pH历年都大于酸雨临界值5．6,因此克拉玛依未曾出现过酸雨;降水的pH值与降水量呈正相关性;降水的离子总和与降尘也呈相关;克拉玛依的大气环境污染较轻。     

中国西南酸雨区降水化学特征研究进展

西南酸雨区为我国主要酸雨沉降区,且是全球三大喀斯特集中分布区之一.本文将该区9个地点的降雨资料进行了总结、整理和分析,数据包括pH值和主离子成分(Cl~-、SO_4~(2-)、NO_3~-、Ca~(2+)、NH_4~+、Mg~(2+)、K~+、Na~+).该地区降雨中的主要阴离子为SO_4~(2-)和NO_3~-,主要阳离子为Ca~(2+)和NH_4~+.与我国其它地区相比,其酸性离子、碱性离子和总离子浓度均普遍高于东南地区、而低于我国北方地区.西南酸雨区主要以pH值为4.5~5.6的弱酸性降雨为主,占总降雨频次的58%左右.根据酸、碱性离子的相关性、中和因子等分析结果,该区雨水中的酸性物质可能受到了碱性离子的中和作用,其中起主要中和作用的离子为Ca~(2+)和NH_4~+.将该区雨水pH值和酸、碱性离子浓度与我国其它地区进行对比研究发现,西南酸雨区降雨受到的中和作用要强于东南地区,但弱于北方地区的降雨.通过对西南酸雨区降雨中主要离子来源的分析和估算,降雨中的酸性离子SO_4~(2-)和NO_3~-主要来自于人为污染;99.7%的Ca~(2+)和84.0%的Mg~(2+)为陆源贡献,这可能与西南地区碳酸盐岩广泛分布有关.     

基于δ15N和δ18O的农业区地下河硝酸盐污染来源

为研究岩溶区农业活动为主导的地下河流域硝酸盐污染来源,于2017年5~10月每24 d左右对重庆青木关流域6个采样点进行监测,利用~(15)N和~(18)O同位素技术对示踪硝酸盐来源进行解译,应用IsoSource模型计算出不同端元硝酸盐的贡献率.结果表明:(1)青木关农业区地下河系统存在较大的硝酸盐污染风险,大部分采样点出现不同程度NO_3~--N浓度超标现象.(2)空间上,青木关地下河中NO_3~--N浓度整体呈现由上游向下游升高的趋势.时间上,上游鱼塘和岩口落水洞以及下游姜家泉样点NO_3~--N浓度在5~6月因受农业施肥的影响,均呈上升趋势,6~9月受降水影响而出现不同程度升高或降低,9月之后随着农业活动减少而逐渐降低;中游土壤点NO_3~--N浓度保持较高值;中下游大鹿池NO_3~--N浓度较低且变幅不大.(3)通过硝酸盐~(15)N和~(18)O同位素分析,表明上游鱼塘和岩口落水洞的硝酸盐源于土壤有机氮、动物粪便及污废水混合;中游土壤点硝酸盐源于土壤有机氮、降水和肥料中NH_4~+;中下游大鹿池中硝酸盐来源于动物粪便及污废水、土壤有机氮、降水和肥料中NH_4~+的混合作用.地下河出口处姜家泉硝酸盐污染严重,其源于土壤有机氮、降水和肥料中NH_4~+、动物粪便及污废水、大气沉降的综合作用.(4)基于IsoSource模型对地下河出口处硝酸盐来源进行定量分析,发现动物粪便及污废水贡献率占46.4%,土壤有机氮占32.6%,降水与肥料中NH_4~+占18.6%,大气沉降仅占2.4%.     

我国酸雨现状特点及对策刍议

本文简要介绍目前国外酸沉降控制对策和我国酸雨现状基本特点,针对大气颗粒物对降水组分和酸度的不同影响,提出致酸物来源、主控制因子确定和酸沉降控制环境目标选择等研究中应注意的问题,依据目前这类问题的研究水平,提出我国现阶段酸沉降控制的研究方法和原则性对策。     

浙江宁波天童地区酸性降水化学特征研究

为了解浙江宁波天童地区降水的化学特征、离子来源及酸性降水的成因,于2010年3月—2011年2月在该地区采集了90个降水样品,并运用离子色谱法分析其化学组分.结果显示,天童地区降水的酸化频率和酸化程度非常高,酸雨频率为97%,雨量加权pH平均值为4.37,离子浓度的大小顺序为SO24->NH4+>NO3->Ca2+>Cl->Na+>Mg2+>K+>F-,降水较清洁;降水pH值和各离子含量存在明显的季节变化,总体表现为冬、春季污染程度高于夏、秋季;SO24-/NO3-的浓度比值为1.9,表明该地区酸雨类型为硫酸和硝酸复合型;SO24-、NO3-、NH4+和部分Ca2+主要来自人为污染源,Na+、Cl-和大部分Mg2+主要来自海洋源,K+和大部分Ca2+则主要来自地壳源,海洋对天童地区降水离子组分影响较大,但对降水酸度影响并不显著;NH4+与SO42-(r=0.90)、NO3-(r=0.88)的相关性分别大于Ca2+与SO24-(r=0.67)、NO3-(r=0.73)的相关性,且NH4+/Ca2+的浓度比值为1.47,说明NH4+对降水酸性的中和作用大于Ca2+,与我国其他城市降水相比,天童地区降水中的碱性离子,尤其是Ca2+浓度较低,从而导致降水酸度高于北方地区和西南其他地区.     

湖南省酸性降水的研究

根据1993年春季在京广线湖南段区域的观测结果,对酸性降水的污染状况、特征、成因及其来源进行了分析和探讨。结果表明:湖南地区春季降雨是“严重污染的硫酸型酸雨";形成的机制与华南地区基本相同,污染物浓度是局地源贡献和外地源输送的叠加。      

酸雨对两广地区农作物的经济损失研究

本研究通过模拟试验和现场调查,确立两广地区主要农作物对酸性降水、SO₂单一污染,酸性降水与SO₂复合污染的产量反应生态基准值。根据酸性降水年均pH和SO₂年日均浓度等值线,农作物的空间分布,采用市场价格法,估算了酸雨引起两广地区农作物经济损失值。