我國東北地區城鄉連續空間大氣汞分布特征研究

陳 燕

（大連金州新區環境監測站，遼寧 大連 116600）

0 引言

汞主要以元素態存在于大氣中，占大氣總汞的90%以上，可停留長至2a［1－2］，故大氣介質是重要的汞貯存庫，也是汞進行遷移和轉化的重要渠道之一.據EPA的統計，有50%～70%的人為源釋汞是由化石燃料燃燒所致，這其中又有超過50%的量來自于中國、印度等亞洲發展中國家［3－4］.亞洲東部地區排放的汞，可由極地西風攜帶，一直輸送到北美地區并沉降，因此汞已經被認為是全球性的污染物［3，5］.中國一度被認為是全球主要的釋汞源區，有研究顯示約有1／3的全球總汞釋放量來自于中國的人為源［6］，其依據是中國為全球第一煤炭消費大國，且煤炭的平均汞含量（0.15～0.20μg／g）稍高于全球煤炭的平均汞含量（0.13μg／g）［6－7］；此外，中國對燃煤釋汞的控制一直較弱［8］.

目前，大氣汞污染物的研究主要集中在建立汞排放源清單、估算排放因子、汞形態分布及測定、高汞區汞時空分布等方面［9］.如萬奇報道了長白山地區大氣總汞含量的季節分布特征［10］；方鳳滿報道了長春市大氣顆粒汞及其干沉降通量規律［11］；王起超報道了燃煤型城市長春市地氣界面汞的交換通量特征［12］；張剛報道了吉林省域范圍內城鄉連續空間大氣汞分布特征［13］；王寧報道了松花江流域土法冶金礦區大氣汞的時空分布特征［14］等.上述的研究也表明，較大尺度空間大氣汞濃度的時空分布特征方面報道尚少.本研究使用車載高分辨率測汞儀，在我國東北地區，由哈爾濱市，沿哈大線至大連市，測定了范圍內連續空間大氣環境中的汞含量，在近地面層次在較短時間內（較小氣象要素變異）掌握了大氣環境中汞的時空分布特征，以為研究汞在中尺度空間內環境地球化學過程提供基礎數據，同時也為我國人為源的汞污染及其控制等問題的解決提供參考.

1 區域概況與研究方法

1.1 研究區域概況

我國東北三省位于山海關東北方向，包括遼寧、吉林、黑龍江三省，是中國的老工業基地和糧食主產區，具有綜合的工業體系、完備的基礎設施、豐富的農產品資源、優良的生態環境和雄厚的科教人力資源，土地總面積78.73萬km2，占全國的8.2%，人口10715.4萬人，占全國的8.4%.遼寧省是東北地區唯一的既沿海又沿邊省份，地勢為北高南低，從陸地向海洋傾斜；山地丘陵分列于東西兩側，向中部平原傾斜；地貌劃分為三大區：東部山地丘陵區、中部平原區、西部山地丘陵區；全省屬于溫帶大陸性季風氣候，是東北地區降水量最多的省份，年降水量600～1100mm，從西向東逐漸減少.吉林省東南部高、西北部低，由東南向西北沉降，依次形成了“山地—丘陵—平原”三大地貌類型；全省分為四個區域：東部長白山區、東部低山丘陵區，中部沖積、洪積臺地平原區，西部沙丘覆蓋的沖積平原區；全省屬溫帶大陸性季風氣候，全年降水量從東南向西北依次遞減，平均為400～900mm.黑龍江省西北部、北部和東南部較高，東北部、西南部較低，主要由山地、臺地、平原和水面構成；西北部為東北—西南走向的大興安嶺山地，北部為西北—東南走向的小興安嶺山地，東南部為東北—西南走向的張廣才嶺、老爺嶺、完達山脈；區域氣候為溫帶大陸性季風氣候，全省年降水量400～650mm，中部山區較多，東部次之，西、北部較少.

1.2 采樣及測定方法

2012年10月3日，由哈爾濱市出發，沿“哈爾濱市—雙城市—扶余市—德惠市—長春市區—公主嶺市—四平市—開原市—鐵嶺市—沈陽市區—燈塔市—遼陽市—鞍山市—海城市—大石橋市—蓋州市—瓦房店市—普蘭店市—大連市”一線，利用車載高分辨率測汞儀進行采樣.車載高分辨率測汞儀（LUMEX Zeeman RA915＋）時間分辨率為1s，最小量度1ng／m3.連續行車同步測定沿途大氣汞質量濃度，平均行車速度約80km／h，累計行車12h.采樣時將測汞儀采樣頭探出汽車右側窗，距地面1.5m，連續記錄每10s內大氣汞質量濃度的平均值，共獲數據4320組.使用合眾思壯GARMIN：GPS76記錄途徑區域的地理信息.

2 結果與討論

2.1 研究區域內大氣介質的汞含量

研究區域大氣氣態總汞質量濃度范圍為1～44ng／m3，均值為（9.1±5.4）ng／m3，見表1.其中，最高值44ng／m3出現在沈陽市區，最低值1ng／m3分別出現在扶余市、公主嶺市和蓋州市等規模較小的縣級市轄區內的偏遠鄉村.哈爾濱市、長春市和沈陽市作為東北三省的區域中心城市，其大氣汞質量濃度明顯高于其他各地級城市，各地級市一般又明顯高于縣級市.開原市區大氣汞質量濃度略高于鐵嶺市，這可能與開原市近年來城鎮化過程迅速有關.分析結果表明，研究區域大氣汞質量濃度分布呈現明顯的以大規模區域中心城市為圓心，逐步向規模稍小的城市（鎮）及鄉村地區輻射遞減的空間分布格局.

東北地區范圍內各城市均屬典型的燃煤型能源結構，對于以燃煤為主要能源的城市，燃煤釋汞是主要的汞輸出源，城市規模與經濟發展一般和能源消耗成正比.據《中國統計年鑒（2009）》、《中國2010年第六次全國人口普查主要數據公報》和《2010年中國城市競爭力藍皮書：中國城市競爭力報告》，按照城市綜合競爭力、轄區人口密度以及GDP等指標進行的比較（見表2）表明，城市規模和實力較強的城市一般為區域中心城市，包括哈爾濱市、長春市、四平市、沈陽市、鞍山市、大連市，該類城市一般表現為經濟發達、城市規模宏大、人口密度高、綜合實力強，故其資源與能源消耗強度相對較高，大氣汞含量分布特征為：哈爾濱市區（20.4±12.1）ng／m3、長春市區（12±11）ng／m3、四平市（14.4±7）ng／m3、沈陽市（17.2±11.5）ng／m3、鞍山市（15.1±10）ng／m3、大連市區（15.2±8.8）ng／m3，明顯高于其他地縣級小規模城市.

有研究表明，化石燃料的燃燒是重要的人為汞釋放源［15－16］.吉林省區域中心城市長春市年耗煤量約為707.6×104t，煤中含汞量為626.8kg，其中排入大氣中的汞量為425.6kg／a［12］，進入大氣中的汞又以多種形式參與區域乃至全球大氣汞的循環.此外，城市生活垃圾中經常摻雜一些高汞固體廢棄物，如電池、熒光燈管等，這些物質在垃圾站或垃圾填埋場堆放后，可逐漸釋放出揮發性汞化合物，從而造成區域的環境汞污染問題.馮新斌的研究表明，垃圾填埋場既是大氣汞源，又是大氣中甲基汞的重要來源；垃圾填埋場向大氣的排汞過程是通過兩種途徑發生的，一是從填埋場的排氣筒與垃圾廢氣同時排放到環境空氣中，另外還通過垃圾填埋場的上覆土層間接排向大氣［17］.相對于規模較大的城市區域，能源消耗少和經濟實力弱的小規模城市，其工業企業和人類活動十分分散，人為源所致大氣汞含量較低，空間變異程度弱，一般大氣汞質量濃度最低值在1～5ng／m3間變動，最大值則分布于7～30ng／m3，其中燈塔市和普蘭店市最大值為8ng／m3，而蓋州市最大值僅為7ng／m3.

表1 研究區域大氣汞含量統計

各個城市的大氣汞含量空間分布特征（見圖1），呈現以大規模城市為中心，向小規模城市（鎮）逐次遞減的變化趨勢，即大氣汞含量與所在地區經濟發展及城市規模呈現一定的同向關系.

圖1 研究區域沿線大氣汞含量分布趨勢

表2 研究區域內各地級城市規模與綜合實力分析表

2.2 研究區域自北向南大氣汞含量空間分布特征

2.2.1 黑龍江省大氣汞含量空間分布

黑龍江省是國家重要的能源工業基地，同時也是主要的燃煤大省之一；此外，電力和燃氣行業也占有重要地位.研究結果表明，區域大氣汞含量（按研究路線哈爾濱—雙城計）均值為（12.6±7.2）ng／m3，其中哈爾濱市為（20.4±12.1）ng／m3，明顯高于所監測的其他城市，雙城大氣汞含量均值為4.7ng／m3.由圖2可見，黑龍江省大氣汞含量在哈爾濱市區出現峰值，明顯高于其他地縣級小規模城市.

圖2 哈爾濱—雙城沿線大氣總汞含量分布

圖3 扶余—德惠—長春沿線大氣總汞含量分布

2.2.2 吉林省大氣汞含量空間分布

吉林省是中國重要的工業基地和商品糧生產基地，加工制造業比較發達，汽車、石化、農產品加工為三大支柱產業；同時吉林省生態環境優越，是國家生態建設試點省.研究結果表明，吉林省地域大氣汞含量均值為（8.3±5.4）ng／m3，其中長春市區（（12±11）ng／m3）和四平市（（14.4±7）ng／m3）明顯高于公主嶺市（（5.6±3.9）ng／m3），較大城市的大氣汞含量明顯高于規模較小、經濟發展緩慢的小城市（見圖3和圖4）.研究數據表明，長春市和四平市大氣汞含量明顯高于我國西南的重慶市主城區大氣汞含量均值（（6.45±0.03）ng／m3）［18］，也略高于我國南方的典型城市廈門地區的大氣汞含量均值（11.037ng／m3）［19］，但明顯低于吉林省東部山區以土法冶金著稱的夾皮溝金礦（129ng／m3）［14］.

圖4 公主嶺—四平—開原沿線大氣總汞含量分布

圖5 鐵嶺—沈陽—燈塔沿線大氣總汞含量分布

2.2.3 遼寧省大氣汞含量空間分布

遼寧是我國重要的老工業基地之一，裝備制造業和原材料工業比較發達，冶金礦山、輸變電、石化通用、金屬機床等重大裝備類產品和鋼鐵、石油化學工業在全國占有重要位置.研究結果表明，遼寧省大氣汞含量均值為（8.8±8.6）ng／m3，其中沈陽市（（17.2±11.5）ng／m3）、鞍山市（（15.1±10）ng／m3）、大連市區（（15.2±8.8）ng／m3）是遼寧省內大氣汞含量較高的幾個城市，明顯高于其毗鄰的小規模地縣級城市（鎮），遼寧省的大氣汞含量由北向南相繼出現了3次高峰值，詳見圖5、圖6和圖7.這與鄭冬梅所報道的遼西工業重鎮葫蘆島市（市區大氣氣態汞質量濃度為35～3300ng／m3，平均為1200ng／m3）［20］相比，研究區域大氣汞污染水平相對較低.人為汞釋放是城市大氣汞空間分布特征的重要影響因素，其釋放速率受工業發展、能源燃燒等諸多因素的影響.

圖6 遼陽—鞍山—海城—大石橋沿線大氣總汞含量分布

圖7 蓋州—瓦房店—普蘭店—大連沿線大氣總汞含量分布

3 結論

（1）研究區域大氣汞含量均值為（9.1±5.4）ng／m3，介于1～44ng／m3之間；最高值出現在沈陽市區，最低值出現在扶余市、公主嶺市、蓋州市，均明顯高于北半球大氣汞背景值（1.5～2ng／m3）.

（2）研究區域大氣汞含量空間分布特征為：大氣汞含量以大規模城市（哈爾濱、長春、四平、沈陽、鞍山、大連等）為中心，向小規模城市、鄉村地區呈現逐漸輻射遞減的趨勢，規模大的城鎮區域明顯高于規模小的城鎮區域，說明經濟發展及能源消耗是決定大氣汞含量的主要原因.

（3）大氣汞含量較高的幾個區域中心城鎮區為哈爾濱市（（20.3±12.1）ng／m3）、長春市（（12±11）ng／m3）、四平市（（14.4±7）ng／m3）、沈陽市（（19.7±12.5）ng／m3）、鞍山市（（15.6±10）ng／m3）、大連市（（15.2±8.8）ng／m3），大氣汞含量均值最低為蓋州市（（3.3±1.7）ng／m3）.

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