干旱區氣候條件對道路灰塵及土壤 Pd、Rh累積的影響

劉玉燕 ,王玉杰 (1.昌吉學院化學與應用化學系,新疆 昌吉 831100；2.北京林業大學水土保持學院,北京100083)

干旱區氣候條件對道路灰塵及土壤 Pd、Rh累積的影響

劉玉燕1,2,王玉杰2*(1.昌吉學院化學與應用化學系,新疆 昌吉 831100；2.北京林業大學水土保持學院,北京100083)

以烏魯木齊市為研究區,選取河灘路、友好南路、溫泉西路、烏奎高速公路及七道灣路等5條典型道路,對道路灰塵與土壤中Pd、Rh季節變化特征進行研究.結果表明,春、夏、秋、冬的灰塵中Pd含量分別為74.61(31.59～126.3),134.26(54.59～332.51),100.49(20.935～244.9), 83.43(47.97～125.40)ng/g;灰塵中Rh含量分別為8.41(4.56～14.63),18.48(11.62～31.56),10.27(3.83～19.1),9.20(5.34～16.68)ng/g;土壤中Pd含量分別為44.42(13.59～109.40),30.47(13.24～70.87),30.01(21.55～49.19),26.28(14.85～44.83)ng/g;土壤Rh含量分別為8.47(5.93～13.40), 8.11(4.65～13.45),3.81(1.67～8.02),3.22(2.56～4.26)ng/g. Pd、Rh含量均表現出明顯的季節變化,其中,灰塵中Pd、Rh含量在夏秋季高,冬春季低;土壤中Pd、Rh含量在春夏季高,冬季最低,秋季為中間水平,地域氣候條件是PGEs季節變化的主要影響因素.冬、春季節的降雪、掃雪及積雪堆積習慣使烏魯木齊道路環境中灰塵與土壤的季節變化并沒有完全相同. 濕潤區與干旱區城市PGEs的季節變化明顯不同,兩類地區的氣候特征不同是造成這種差異存在的根本原因.

Pd；Rh；干旱區；氣候條件；累積

由于特殊的接觸反應性能,鉑族元素(PGEs)被作為催化劑廣泛用于汽車尾氣催化轉化器(VECs)裝置,從而進行汽車尾氣污染的治理.但近幾年的研究發現,PGEs及其化合物是一類高發生率的致敏物,部分 PGEs化合物還具有致癌效應[1-3].在凈化尾氣的同時,PGEs顆粒物又隨尾氣排放出來,累積于道路環境,成為一種新的環境污染物[2,4-6].目前,機動車 PGEs排放帶來的環境問題已成為國際環境問題研究熱點之一[4,6-18].

氣候、氣象條件對污染物的遷移、轉化及累積具有深刻的影響,干旱區氣象、氣候條件特殊,與濕潤區相比,環境生態系統更加脆弱,對污染物響應更為敏感.但現有的研究中,有關干旱區城市環境 PGEs的研究鮮有報道[5-11,13-19].截止 2010年10月,烏魯木齊機動車保有量已突破30萬輛,相比2009年,機動車增長速度達到17.4%.烏魯木齊深處內陸干旱區,機動車排放是大氣污染主要污染來源之一;三面環山的地形不利于烏魯木齊市區廢氣擴散,廢氣中的 PGEs及其他交通污染物更易沉降、累積于道路環境;2000年后,國際上汽車 VECs的類型由 Pt-Rh型轉變為富 Pd型,VECs排放的PGEs轉變為以Pd、Rh為主[9].鑒于此,本文選擇烏魯木齊為典型研究區,以干旱區氣候條件對道路環境Pd、Rh累積的影響因素及其作用機制為內容進行研究,以期對了解干旱區環境地球化學研究內容、深化該區域PGEs循環過程與機制提供參考.

1 實驗部分

1.1 樣品采集

依據研究區基礎資料分析結果,結合野外調查,基于道路功能、車輛行駛特征差異,在全市道路中篩選出快速路、主干道、次干道、高速公路、郊區公路各 1條;在每條道路上各選取 1段長1.5～1.6km左右的典型路段,包括河灘路(人民路立交橋～西大橋)、友好南路(西虹西路～光明路)、溫泉西路(外環路～南四巷路)、烏奎高速公路(頭屯河收費站向西南1.6km處)及七道灣路(蘇州東路～七道灣西路).在上述 5條路段上各篩選 1個采樣點,除烏奎高速公路采樣點設在收費口以外,其他采樣點均遠離十字路口100m以上;其中,東西走向的道路采樣點設在路南側,南北走向的道路采樣點設在路東側.同步采集道路灰塵及路邊土壤.采樣工具(包括毛刷及聚乙烯鏟等)經稀硝酸清洗后再用于采樣.以每個采樣點為中心,用毛刷收集沿道路邊0.5m以內的灰塵;土壤采集距地面0～10cm的部分.在連續保持3d以上干燥天氣后,根據不同路段清掃規律,分別于清掃前采樣.采集時間分別為2009年10月、2010年1月、2010年4月、2010年7月.各采集灰塵、土壤樣品20個,共計40個樣品.采樣點基本情況見表1.

表1 采樣點基本情況Table 1 Basic situation of sampling points

1.2 樣品分析

1.2.1 主要儀器和試劑 Agilent ICP-MS 7500C型電感耦合等離子體質譜儀;Milli-Q超純水系統.內標由 Re標準儲備液配制;調諧溶液由鋰、鈷、釔、鈰、鉈混合標準溶液配制(Agilent,Part#5184-3566).

1.2.2 實驗方法 將道路灰塵、土壤樣品風干后置于烘箱內烘至恒重(85℃,4h)[10],過200目篩.過篩后的樣品于聚乙烯袋中干燥保存.稱取5g樣品于100mL的錐形瓶中,加入20mL新配置的王水(HCl∶HNO3=3∶1),靜置過夜后先低溫加熱,然后升溫趕酸至近干時再加入 20mL新配置的王水,繼續加熱至5mL時加入少許水使溶液分散,待溶液冷卻后將樣品和殘渣轉移至 50mL容量瓶,用水稀釋至刻度,搖勻后靜置2～3d,稀釋50倍后用ICP-MS測定[6,10,19].測定前對ICP-MS進行最佳條件選擇,使用標準模式.儀器主要工作參數為:射頻功率 1450W, 冷卻氣 15.0L/min,輔助氣1.0L/min,載氣1.06L/min.元素測定中所選用的同位素為:108Pd,103Rh.由于王水消解產生的干擾較小,只需采用數學校正法扣除 Cd對 Pd 的干擾[6,10].

上述實驗標準溶液系列均由標準儲備液逐級稀釋配得,介質為 5%硝酸;所用試劑均為優級純,水為超純水.實驗全過程均在空氣清潔度為1000級的清潔實驗室進行.Pd、Rh的檢出限分別為 0.47,0.05ng/g,回收率為 87.1%～98.6%,相對標準偏差低于2.5%.

2 結果與分析

2.1 灰塵PGEs含量變化特征

Pd含量為春季74.61(31.59～126.3)ng/g、夏季134.26(54.59～332.51)ng/g、秋季 100.49(20.94～244.9)ng/g、冬季83.43(47.97～125.40)ng/g;Rh含量為春季 8.41(4.56～14.63)ng/g、夏季 18.48(11.62～31.56)ng/g、秋季10.27(3.83～19.1)ng/g、冬季9.20 (5.34～16.68)ng/g.灰塵中 Rh、Pd含量均表現為夏秋季含量高,冬春季含量低.就每個采樣點來看,絕大多數樣點Rh、Pd含量表現為夏秋季含量高,冬春季含量低(表2).

2.2 土壤含量變化特征

Pd含量為:春季 44.42(13.59～109.40)ng/g、夏 季 30.47(13.24～70.87)ng/g、 秋 季 30.01 (21.55～49.19)ng/g、冬季26.28(14.85～ 44.83)ng/g; Rh含量為:春季 8.47 (5.93～13.40)ng/g、夏季8.11(4.65～13.45)ng/g、秋季3.81(1.67～ 8.02)ng/g、冬季3.22(2.56～4.26)ng/g.土壤Pd、Rh含量均表現為春夏季含量高,冬季含量最低.就每個采樣點來看,絕大多數樣點Pd、Rh含量同樣表現為春夏季含量高,冬季含量最低,均表現出明顯的季節變化(表2).

表2 灰塵及土壤Rh、Pd含量季節變化(ng/g)Table 2 Seasonal variability of Rh, Pd levels in dust and soil (ng/g)

澳大利亞的珀斯、中國的上海等濕潤區城市研究表明,道路灰塵PGEs具有明顯的季節變化,且季節變化特征均表現為少雨季節PGEs含量高,多雨季節PGEs含量低[7-8].而烏魯木齊道路灰塵及土壤Pd、Rh卻表現為多雨季節PGEs含量高、少雨季節含量低(圖1、圖2).

3 討論

烏魯木齊市干旱少雨,其年均降水量僅為250mm左右,且降水季節分配不均,春夏兩季降水相對較多,集中了年降水量的60%以上,其次是秋季,而冬季降水最少,僅占10%左右.

圖2 土壤Pd、Rh含量與降水量的關系Fig.2 Relationship between concentration of Pd, Rh in roadside soil and rainfall

3.1 灰塵Pd、Rh含量變化的影響因素

雪會吸附大氣及灰塵中的污染物,頻繁的降雪攔截了大氣向灰塵及土壤輸送 Pd、Rh,同時,清掃積雪時,路面灰塵連同積雪被徹底清掃,降雪及掃雪過程使灰塵Pd、Rh累積量減少.新疆冬季降水形式為降雪,雖然總降水量及每場次降水量很小,但降雪場次多,且烏魯木齊城市街道積雪清掃很及時.春季時,新疆降水有所增多,但因春季氣溫偏低,有時降水類型仍以降雪為主,尤其是2010年4月,烏魯木齊降雪不斷.降雪及掃雪過程使灰塵 Pd、Rh不易積累,故烏魯木齊道路灰塵Pd、Rh冬春季含量降低.

持續時間長、強度大的降雨對道路灰塵及其污染物的去除作用明顯,而小雨則會起到相反作用.這是因為小雨既阻止了灰塵中的小粒徑部分及其污染物再懸浮進入大氣環境,又未能形成徑流使灰塵中的污染物發生遷移,最終使灰塵及其污染物總量有所增長[20].新疆夏秋兩季降水類型以小雨居多(據國家氣象局頒布的降水強度等級劃分標準),持續時間長、強度大的降雨較少.因此,在夏秋多雨季節,烏魯木齊道路灰塵Pd、Rh含量反而有所增高.可見,干旱區氣候條件是烏魯木齊灰塵Pd、Rh呈現季節變化的主要原因.

3.2 土壤Pd、Rh含量變化的影響因素

冬季降雪后,烏魯木齊道路上的降雪被及時清掃,而積雪則被堆積在路邊土壤上,厚厚的積雪覆蓋了土壤,徹底隔絕了汽車VECs向土壤中輸送Pd、Rh,使冬季路邊土壤 Pd、Rh含量相對降低.覆蓋在土壤之上的積雪主要源自道路清掃,降雪及清掃過程已使雪中積累一定量的 Pd、Rh,經歷了一個寒冬后,這些積雪又吸收了一定量Pd、Rh,春季來臨,氣溫升高使土壤之上的積雪逐漸消融,雪中Pd、Rh在相對較短的時間內全部遷移至土壤中,使春季土壤 Pd、Rh含量迅速升高.夏季,降水相對增多,但小雨同樣既阻止了土壤中的小粒徑部分及其Pd、Rh再懸浮進入大氣環境,又未能形成徑流,最終使土壤Pd、Rh總量有所增長[20].

干旱區氣候條件是烏魯木齊道路環境土壤Pd、Rh呈現春夏季高,冬季最低,秋季持中間水平的主要原因.

3.3 Pd、Rh季節變化存在地域差異的影響因素

珀斯年均降雨量為850mm左右,5至9月平均各月降雨量都在100mm以上,且這5個月的總降雨量約占全年總量的 80%.上海年均降雨量在1200mm 左右,4至 9月平均各月降雨量都在100mm以上,且這6個月的總降雨量約占全年總量的70%.烏魯木齊年均降水量僅為250 mm左右,4至10月相對較多,這7個月集中了年降水量的75%以上,5月和6月是2個明顯的多雨月份,月降雨量僅達到35mm以上.珀斯與上海均位于濕潤氣候區,降水豐沛且降水季節變化非常明顯.烏魯木齊位于干旱氣候區,雖然降水季節變化也較明顯,但降水量很少.相比較烏魯木齊而言,在多雨季節,珀斯與上海的降雨場次多且以強度較大的降雨類型為主,易形成強烈的降雨徑流,徑流沖刷把道路灰塵及土壤中的PGEs不斷遷移至水環境,使道路灰塵及土壤中的 PGEs累積量相對減少;少雨季節時,降雨相對減少,PGEs被遷移至水環境的量明顯減少,道路灰塵及土壤中 PGEs累積量相對增加.烏魯木齊的干旱造成其既使在多雨季節,降水類型仍以小雨為主且降水場次少,小雨不僅沒有形成徑流沖刷使 PGEs外遷,而且將大氣中 PGEs淋洗至道路灰塵及土壤中,導致烏魯木齊多雨季節 Pd、Rh含量反而相對升高.可見,氣候條件對城市道路灰塵及土壤 PGEs含量季節變化影響顯著.盡管道路灰塵及土壤PGEs含量及累積程度可能受到如車流量、車輛驅動狀態、路表地形等的影響,但四季內,車流量變化相對較小,車輛驅動狀態、路表地形等相對穩定,唯有氣候條件變化明顯,這再次證實,道路灰塵及土壤PGEs的季節變化主要是地域氣候特征造成的.另外,珀斯、上海灰塵與土壤的季節變化完全相同[7-8],但烏魯木齊灰塵與土壤的季節變化存在差異,烏魯木齊冬、春季節的降雪、掃雪及積雪堆積習慣是主要致因.

4 結論

4.1 烏魯木齊道路灰塵和土壤中 Pd、Rh含量均表現出明顯的季節變化:灰塵中Pd、Rh在夏秋季含量高,冬春季含量低;土壤中Pd、Rh在春夏季含量高,冬季含量最低,秋季含量持中間水平.

4.2 氣候條件是城市道路灰塵及土壤中Pd、Rh含量存在季節變化的主要影響因素.濕潤區與干旱區城市 PGEs的季節變化明顯不同,地域氣候特征不同是造成這種差異存在的根本原因.

4.3 濕潤區灰塵與土壤的季節變化完全相同,而冬、春季節的降雪、掃雪及積雪堆積習慣使干旱區灰塵與土壤的季節變化并未完全相同.

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Effect of climate conditions in arid area on accumulation of Pd , Rh in dust and soil from road environment.

LIU Yu-yan1,2, WANG Yu-jie2*(1.Department of Chemistry and Applied Chemistry, Changji College, Changji 831100, China；2.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China). China Environmental Science, 2011,31(9)：1528～1532

Seasonal variation characteristics of Pd and Rh (PGEs) in dust/soil collected from 5 typical urban roads including Hetan Road, South Youhao Road, West Wenquan Road, Wukui Expressway, and Qidaowan Road in Urumchi were analyzed. There was a significant seasonal variation in the average concentrations of PGEs. In Spring, Summer, Autumn and Winter, the concentrations of Pd in dust were 74.61(31.59～126.3)ng/g,134.26(54.59～332.51)ng/g, 100.49 (20.935～244.9)ng/g and 83.43(47.97～125.40)ng/g respectively (presented as means with minimum ～ maximum values in parenthesizes); values of Rh in dust were 8.41 (4.56～14.63)ng/g, 18.48(11.62～31.56)ng/g, 10.27(3.83～19.1)ng/g and 9.20(5.34～16.68)ng/g, respectively; Pd concentrations in soil were 44.42(13.59～109.40)ng/g, 30.47(13.24～70.87)ng/g, 30.01(21.55～49.19)ng/g, and 26.28(14.85～44.83)ng/g; Rh values in soil were 8.47 (5.93～13.40)ng/g, 8.11(4.65～13.45)ng/g, 3.81(1.67～8.02)ng/g and 3.22(2.56～4.26)ng/g seasonally. The concentrations of PGEs in dust were higher in summer and autumn, lower in spring and winter, which were disagreed with those in soil. These differences could be caused by snowfall, snow sweeping, and snow accumulation in Urumchi. Seasonal variations of PGEs in arid area were different from humid area which were mainly caused by differences of climate conditions.

Pd；Rh；arid area；climate conditions；accumulation

X502

A

1000-6923(2011)09-1528-05

2011-01-10

新疆自治區教育廳項目(XJEDU2009I39);中國博士后基金項目(20100480213)

* 責任作者, 教授, wyujie@bjfu.edu.cn

致謝：研究工作得到了昌吉學院化學與應用化學系B06(2)班的王備、齊艷杰、熊哲、劉文;B07(2)班馬玲、王申、宋健等同學的支持與幫助,在此表示感謝！

劉玉燕(1971-),女,新疆昌吉人,副教授,博士,主要從事環境地球化學與污染生態研究.發表論文30余篇.