厦门湾大气氨污染特征与来源及氮沉降通量研究

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近年来,人类活动排放在大气环境中的活性氮(Nr,主要为NOx、NH3)显著增加,造成大气颗粒物污染,过量活性氮沉降会影响生态系统的稳定和服务。厦门湾较大的人口密度和较高的城市化发展水平使得来自城市居民生活、化石燃料燃烧(燃煤和机动车尾气)以及废物处理等生产、生活过程中的大量活性氮排放到大气环境中,这不仅造成厦门湾城市区域大气污染风险,也影响到海洋生态环境的稳定。为此,本研究通过对厦门湾无机氮的污染水平、来源解析以及大气沉降通量研究,评估大气氮沉降对厦门湾海域的氮负荷贡献及生态环境效应,主要内容和结论如下:(1)通过对厦门湾5个采样点从2015年6月到2018年5月连续3年的大气NH3监测,得到厦门湾NH3浓度平均值为7.8±3.8μg.m-3。厦门湾大气NH3呈现显著的区域污染特征和季节性特征,夏季NH3浓度是冬季的1.5倍,温度是导致厦门湾大气NH3发生季节性变化的原因。(2)采样期间,厦门湾城区和郊区NH4+占PM2.5质量浓度分别为5.5±3.0%、5.4±3.2%%‰。PM2.5与NH4+、NO3-、SO42-呈现显著正相关,说明二次无机离子对厦门湾两地PM2.5均有显著影响。由于NH3过剩,使得NH3和NH4+的气粒相转化过程处于完全平衡状态。(3)厦门湾城区和郊区PM2.5样品中δ15N-NH4+范围分别为5.29~26.13%‰、1.52~27.03‰,通过t检验发现两地δ15N-NH4+值无显著性差异。夏季的δ15N-NH4+高于其他季节,温度与δ15N-NH4+呈现显著正相关,是厦门湾δ15N-NH4+出现季节性波动最主要因素。借助同位素混合模型源解析得到厦门湾城郊化石燃料燃烧源NH3(包括燃煤和机动车尾气)是厦门湾城郊NH4+的主要贡献源,贡献率分别为50%、63%。近年来随着机动车数量的稳增长趋势以及城市化进程,在厦门湾区域进行交通运输和燃煤的管控对于改善本地区空气质量已经变得越来越重要。(4)通过在郊区采样点连续1年的干沉降污染特征监测,四种含氮化合物年平均浓度大小关系是NH3-N>HN03-N>NH4+-N>NO3--N,还原态氮摩尔浓度在四季均高于氧化态氮,两者年均比值为1.29,说明还原态氮对本地氮循环的影响重大。(5)2016~2017年厦门湾郊区湿沉降通量为13.47 kg N·ha-1,2017~2018年湿沉降通量为5.56 kg N.ha-1,降雨量和降雨频率深刻影响湿沉降通量。湿沉降中w-NO3-占主要成分,w-NH4+、w-NO3-沉降量与降水量均是线性正相关关系。(6)2017~2018年总沉降通量为36.34 kg N·ha-1,其中干沉降量占比85.9%,各组分年均沉降量贡献率大小顺序为NH3>HN03>p-NO3->p-NH4+>w-NO3->w-NH4+。在夏、秋季还原态氮是氮沉降的主要成分,而在冬、春季氮沉降主要成分是氧化态氮。结合同位素源解析结果,本地化石燃料燃烧排放到大气中的含氮物质是氮沉降污染物的主要来源,包括燃煤和机动车尾气。(7)2017~2018年厦门湾海域无机氮沉降输入量为4681 t,占整个厦门湾海域氮负荷(陆源和大气氮沉降)的10.2%,仅次于九龙江河口输入量,同时估算到大气氮沉降的氮营养盐输入新增的初级生产力占厦门湾初级生产力的17.2%(基于台湾海峡初级生产力)。厦门湾区域不断的城市化和工业化进程,将导致Nr排放密度持续增加,因此,需要长期监测厦门湾大气氮沉降对海洋生态系统的累积效应。
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