敦化大橋泥炭記錄的積累人為大氣鉛沉降

張思鵬，衛江偉，楊倩楠，趙紅艷

(東北師范大學泥炭沼澤研究所，國家環境保護濕地生態與植被恢復重點實驗室，植被生態科學教育部重點實驗室，吉林 長春 130024)

敦化大橋泥炭記錄的積累人為大氣鉛沉降

張思鵬，衛江偉，楊倩楠，趙紅艷

(東北師范大學泥炭沼澤研究所，國家環境保護濕地生態與植被恢復重點實驗室，植被生態科學教育部重點實驗室，吉林 長春 130024)

[摘要]分析了敦化大橋泥炭地裕家剖面自2 120 a(B.P.)以來泥炭中的鉛、鋯元素含量，計算了該剖面鉛的富集因子、沉降速率，以及巖石鉛和人為鉛的含量.結果表明，大橋泥炭地該時期總鉛含量變化在1.81～7.35 μg/g，平均值為4.24 μg/g.富集因子揭示剖面上部60 cm，相當于1 300 a(B.P.)以來有外來的鉛富集，其下幾乎無富集.裕家剖面鉛沉降速率為0.54～4.97 mg/(m2·a)，呈現隨深度加深而增加的變化趨勢.鉛沉降速率與大氣灰塵沉降速率呈明顯的正相關(r=0.948，n=14，P<0.01)，表明鉛主要來自于大氣灰塵.鉛沉降速率與巖石鉛含量也呈明顯的正相關(r=0.784，n=14，P<0.01)，意味著大氣沉降的鉛主要來自于巖石風化后的自然產物，而人類活動造成的人為鉛污染較少.大橋泥炭地積累的人為鉛總量為0.729 3 g/m2.

[關鍵詞]富營養泥炭；大氣鉛沉降；環境變化；鉛污染

當燃煤取暖、開礦冶煉、燃燒含鉛汽油等人類活動造成的鉛含量超過自然水平時，就可能導致大氣、水體和土壤的鉛污染.為做到防微杜漸，減少威脅東北糧食安全的潛在因素，有必要對東北地區的重金屬進行系統研究，以為相關管理政策的制定提供基礎數據.

泥炭沼澤是記錄重金屬鉛污染的良好載體，尤其是貧營養泥炭類型[1-3].富營養泥炭沼澤在水-沉積物相互作用較弱的情況下，也可以揭示歷史時期的鉛沉降.即使富營養泥炭中的鉛存在沉積后再移動的現象，積累的人為大氣鉛沉降也可以作為鉛污染的評價指標，因為鉛在垂向上的移動對它不產生任何影響[4].長白山區作為人類活動較少的地區，其重金屬記錄具有提供背景值的作用，尤其是進行剖面研究，在長時間尺度下探討重金屬的變化可以更深刻地認識當前的重金屬污染.

重金屬的主要來源可分為原地巖石風化和大氣沉降，后者是造成土壤污染的重要原因，而鉛是唯一列入國家大氣環境質量標準的重金屬.有關以泥炭沼澤為載體的鉛濃度、沉降速率及其與大氣沉降的關系最有代表性的研究是20世紀90年代Shotyk及其團隊在瑞士JURA山脈開展的一系列工作[5].此后，類似的工作在歐洲大陸內部，包括西班牙、德國、法國、瑞典、比利時[6-10]和北美[11-12]等地區迅速開展，通過研究鉛的富集因子、206Pb與207Pb的比值和同一剖面間隔20年的210Pb年代序列變化等情況，揭示了貧營養泥炭記錄的鉛在剖面上基本不再遷移，并以此重建了當時的大氣沉降規律，通過鉛的4種穩定同位素(204Pb，206Pb，207Pb和208Pb)豐度組成對比確定了重金屬鉛的來源.

我國目前已經開展的涉及泥炭記錄的剖面鉛沉降研究主要針對大/小興安嶺[13-14]、長白山地區[15]和青藏高原地區[16]的貧營養泥炭，對富營養泥炭記錄的鉛沉降研究相對較少[17].因此，本文對東北泥炭地集中分布區之一的敦化盆地泥炭記錄的晚全新世以來的鉛含量、沉降速率和富集因子，以及該地區由土壤巖石風化而來的巖石鉛、大氣沉降的大氣鉛和剖面積累的人為鉛的變化情況進行了研究.

1研究區概況

圖1　大橋泥炭沼澤位置圖

長白山區位于溫帶濕潤半濕潤針闊葉混交林東部地區，受東亞季風影響，雨熱同季.年均溫2℃～6℃，年降水量700～900 mm.大橋泥炭地位于長白山區的敦化盆地內，行政上隸屬于敦化市東南10 km的大橋鄉裕家村，地理坐標為43°17′N～43°20′N，128°22′E～128°24′E(見圖1)，海拔350～400 m，地表已被開墾為耕地，周圍丘陵高500～600 m.泥炭地呈掌狀，泥炭層邊緣薄、中心厚，平均厚1.2 m，最厚達1.4 m.泥炭地總面積257.25 hm2，儲量870.534 kt.礦體已被一沖溝切開，溝內季節性流水，地下水位在3 m以上.

2樣品采集及研究方法

2.1樣品采集和處理

2000年6月份采用剖面法取樣，采樣地點位于大橋泥炭地的沖溝旁.用于測量鉛元素的樣品從地表下2.5 cm處開始取樣，間隔為5 cm，共得到28個泥炭樣品.樣品自然風干后，粉碎、過0.18 mm的細篩.之后，用HNO3-HF-HCIO3在200℃電熱盤上進行完全消解，然后轉移到25 mL 的試管中定容.總鉛含量利用原子吸收光譜儀(ZEEMAN AAS)進行分析、測定，同步測試使用土壤標準參考樣GSS-3(國家標準物質GBW-07403)，已知標樣的鉛質量分數為(26±3)μg/g，實際測得的數值是(25.7±1.7)μg/g，滿足質量控制要求.鋯含量采用電感耦合等離子體-原子發射光譜儀(PLASMA SPEC(Ⅰ)ICP-AES)進行測定，標準差為1.10 μg/mL.樣品的測量工作由東北師范大學分析測試中心完成.

2.2年代測定

樣品采用常規14C法進行定年.年代校正采用華盛頓大學提供的年代校正軟件，版本為4.1.2和4.3.

2.3鉛的富集因子、沉降速率，巖石鉛、人為鉛沉降的計算方法

鉛元素富集因子的計算公式為

fA=A/b.

式中：fA為泥炭樣品中鉛的富集因子；A為泥炭樣品中鉛和鋯的質量分數之比；b為地殼中鉛和鋯的質量分數之比.由于地殼中鉛和鋯的質量分數分別為14.8和203μg/g[18]，故b等于0.073.

計算鉛沉降速率時，本文參考Marion使用的方法[16]，即：鉛沉降速率(mg/(m2·a))=鉛的質量分數(μg/g)×樣品厚度速率(cm/a)×容重(g/cm3)×10.

使用無明顯人為來源的元素鋯作為參考，通過巖石風化提供給泥炭的巖石鉛的質量分數為[4]

C=D×b.

式中：C是巖石鉛，即巖石風化后進入泥炭樣品中的鉛的質量分數；D是泥炭樣品中鋯的質量分數；b來自于地殼的鉛和鋯的質量分數之比，即0.073.一旦巖石鉛確定，外來的人為鉛可用下式計算得出：

E=f-C.

式中：E為外來的人為鉛的質量分數；f是泥炭樣品中總鉛的質量分數；C為巖石鉛的質量分數.

計算整個泥炭剖面內一定體積的泥炭樣品外來人為鉛的數量，可采用下式

g=E×ρ×v.

式中：g為一定體積外來人為鉛的質量(μg)；E是外來人為鉛的質量分數(μg/g)；ρ為泥炭的干容重(g/cm3)；v為樣品的體積(cm3).

由于本剖面水分運動以下滲為主，大氣沉降占據絕對優勢，外來人為鉛即相當于大氣鉛，因此，本文使用Shotyk提出的公式[4]計算大橋裕家剖面從底部到頂部積累的人為的大氣鉛含量，即

式中：h是積累的人為的大氣鉛含量；g為外來的人為鉛含量；i為第i層泥炭；n是總的泥炭層數.

3結果及分析

3.1年代

大橋泥炭地基底即140 cm處沉降物的14C年齡為2 195 a(B.P.)，校正后的年齡為2 120 a(B.P.)；60 cm處的泥炭年齡是1 410 a(B.P.)，校正后的年齡為1 290 a(B.P.).本文使用的是校正后的年代，年齡深度模型的建立采用分段線性內插法.

3.2總鉛和鉛的富集因子、沉降速率

大橋泥炭裕家剖面總鉛含量為1.81～7.35 μg/g，平均值為4.24 μg/g.剖面變化總的趨勢為底層和表層高，中間低(見圖2).

裕家剖面鉛的富集因子為0.8～3.7，平均值為1.4，在60 cm以下無富集，其上有不同程度的富集，尤其是亞表層20～25 cm間富集最高(見圖2).

大橋裕家剖面總鉛的沉降速率為0.54～4.97 mg/(m2·a)，變化范圍較大，基本趨勢是隨著深度的增加而增大，120～160 cm處的沉降速率為0～120 cm層的2倍多.

圖2　大橋泥炭地裕家剖面鉛沉降

3.3巖石鉛、外來人為鉛和積累的人為大氣鉛

大橋泥炭地裕家剖面的巖石鉛含量為1.0～6.0 μg/g，平均值為2.71 μg/g，剖面的變化趨勢是底部高，沿剖面向上變小，到表層略有增高，但遠小于底部的含量.外來人為鉛的含量為0.01～4.9 μg/g，平均為1.38 μg/g，變化規律與巖石鉛相反，表層25 cm以上含量偏高.通過計算得出，大橋泥炭地積累的人為大氣鉛含量為0.729 3 g/m2.

4討論

大橋泥炭地裕家剖面的總鉛含量與該區其他泥炭地相比，要略小一些，但基本處于一個水平上[15]，這種情況可能與樣品的測量偏差有關.富集因子揭示，裕家樣品在60 cm以上有富集，而其下無富集，說明鉛在剖面上的移動較弱.

為了評價大橋裕家剖面鉛的來源，本文參考了Ferrat使用的方法[19]，計算了大橋泥炭地大氣土壤灰塵輸入速率的歷史變化情況，計算公式為

I=(J/K)×ρ×L/100.

式中：I為大氣土壤灰塵輸入速率(g/(m2·A))；J是樣品中鈦的質量分數(μg/g)；K是地殼中鈦的質量分數，即4 010μg/g；ρ是泥炭密度(g/cm3)；L是泥炭累積速率(cm/A).

計算結果顯示，大橋裕家剖面鉛沉降速率變化趨勢與大氣土壤灰塵輸入速率的發展趨勢一致，相關分析表明，鉛沉降速率與大氣灰塵輸入速率呈明顯的正相關(r=0.948，n=14，P<0.01)，表明鉛主要來自于大氣灰塵輸入，也就是說，外來人為鉛主要是大氣鉛.而鉛的沉降速率與土壤風化得來的巖石鉛也呈明顯的正相關(r=0.784，n=28，P<0.01)，即剖面鉛沉降速率與土壤氣溶膠輸入速率顯著相關.由此可以看出鉛的沉降速率主要受大氣土壤灰塵沉降影響，而人類活動造成的鉛污染相對較小.

將本文得到的積累的人為的大氣鉛同瑞士8個泥炭沼澤鉆孔的鉛含量(1.0～9.7 g/m2)[4]進行對比后，發現大橋裕家剖面積累的人為的大氣鉛含量偏低(見表1)，這也進一步表明本區受到的人為的鉛污染較弱，可以作為現代鉛污染的環境背景參考值.

表1　中國長白山區泥炭與瑞士泥炭中積累的人為的大氣鉛含量比較

大橋泥炭地裕家剖面鉛的富集因子表明大約1 300 a(B.P.)以來都有所富集，特別是在530 a(B.P.)以來富集最重.因裕家剖面的鉛沉降與當時的大氣土壤灰塵輸入速率呈正相關，據此推測，15世紀鉛富集可能與小冰期時干冷的氣候背景下灰塵較多有關，而20世紀以來的鉛富集主要是人為活動的結果.

5結論

通過對長白山區敦化盆地大橋泥炭地裕家泥炭剖面樣品的鉛、鋯含量的測試，發現大橋裕家剖面泥炭記錄的晚全新世以來鉛含量、沉降速率與該地其他剖面在一個水平上.大橋裕家剖面鉛沉降和富集主要來自于大氣土壤灰塵等自然變化.富集因子顯示小冰期較多的鉛沉降主要體現干冷的氣候帶來較多的灰塵；近年來的鉛富集可能是人為活動造成的.大橋裕家剖面記錄的積累的人為的大氣鉛含量低于瑞士泥炭，這說明本區鉛污染相對較弱.

[參考文獻]

[1]SHORYT W，CHEBURKIN A K，APPLEBY P G，et al.Two thousand years of atmospheric arsenic，antimony，and lead deposition recorded in an ombrotrophic peat bog profile，Jura Mountains，Switzerland[J].Earth and Planetary Science Letters，1996：145(1-4)：1-7.

[2]WEISS D，SHOTYK W，KRAMERS J D，et al.Sphagnum mosses as archives of recent and past atmospheric lead deposition in Switzerland[J].Atmospheric Environment，1999，33(23)，3751-3763.

[3]CORTIZA A M，GARCIA-RODEJA E，POMBAL X P，et al.Atmospheric Pb deposition in Spain during the last 4600 years recorded by two ombrotrophic peat bogs and implications for the use of peat as archive[J].The Science of the Total Environment，2002，292(1/2)：33-44.

[4]SHOTYK W，BLASER P，GRUNIG A，et al.A new approach for quantifying cumulative，anthropogenic，atmospheric lead deposition using peat cores from bogs：Pb in eight Swiss peat bogs profiles[J].The Science of the Total Environment，2000，249：281-295.

[5]SHOTYK W，NORTON S A，FARMER J G.Summary of the workshop on peat bog archives of atmospheric metal deposition[J].Water，Air，and Soil Pollution，1997，100(3/4)：213-219.

[6]GALLEGO J R，ORTIZ J E，SIERRA C，et al.Multivariate study of trace element distribution in the geological record of Roanzas Peat Bog (Asturias，N.Spain).Paleoenvironmental evolution and human activities over the last 8000 calyr B P [J].Science of the Total Environment，2013，454/455：16-29.

[7]ROUX G L，AUBERT D，STILLE P，et al.Recent atmospheric Pb deposition at a rural site in southern Germany assessed using a peat core and snowpack，and comparison with other archives[J].Atmospheric Environment，2005，39(36)：6790-6801.

[8]CATINON M，AYRAULT S，BOUDOUMA O，et al.Are coarse particles unexpected common reservoirs for some atmospheric anthropogenic trace elements：a case study[J].Atmospheric Environment，2013，74：217-226.

[9]KYLANDER M E，BINDLER R，CORTIZAS A M，et al.A novel geochemical approach to paleorecords of dust deposition and effective humidity：8500 years of peat accumulation at Store Mosse (the “Great Bog”)，Sweden[J].Quaternary Science Reviews，2013，69：69-82.

[10]ALLAN M，ROUX G L，VLEESCHOUWER F D，et al.High-resolution reconstruction of atmospheric deposition of trace metals and metalloids since AD 1400 recorded by ombrotrophic peat cores in Hautes-Fagnes，Belgium[J].Environmental Pollution，2013，178：381-394.

[11]WEISS D，SHOTYK W，BOYLE E A，et al.Comparative study of the temporal evolution of atmospheric lead deposition in Scotland and eastern Canada using blanket peat bogs[J].The Science of Total Environment，2002，292(1/2)：7-18.

[12]PRATTE S，MUCCI A，GARNEAU M.Historical records of atmospheric metal deposition along the St.Lawrence Valley (Eastern Canada)based on peat bog cores[J].Atmospheric Environment，2013，79：831-840.

[13]BAO K，XIA W，LU X.et al.Recent atmospheric lead deposition recorded in an ombrotrophic peat bog of Great Hinggan Mountains，Northeast China，from210Pb and137Cs dating[J].Journal of Environmental Radioactivity，2010，101(9)：773-779.

[14]湯順林，許軍苗，王濤，等.小興安嶺雨養型泥炭記錄的大氣鉛沉降及與氣候變化的響應研究[J].河南理工大學學報(自然科學版)，2010，29(3)：406-410.

[15]BAO K，SHEN J，WANG G.et al.Anthropogenic，detritic and atmospheric soil-derived sources of lead in an alpine poor fen in northeast China [J].Journal of Mountain Science，2016，13(2)：255-264.

[16]FERRAT M，WEISS D J，DONG S，et al.Lead atmospheric deposition rates and isotopic trends in Asian dust during the last 9.5 kyr recorded in an ombrotrophic peat bog on the eastern Qinghai-Tibetan Plateau[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2012，82：4-22.

[17]趙紅艷，楊倩楠，王愛霞，等.泥炭記錄的晚全新世大氣鉛沉降及其環境意義[J].地理科學，2015，35(8)：1014-1020.

[18]WEDEPOHL K H.The composition of the continental crust[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，1995，59(7)：1217-1232.

[19]FERRAT M，WEISS D J，SPIRO B，et al.The inorganic geochemistry of a peat deposit on the eastern Qinghai-Tibetan plateau and insights into changing atmospheric circulation in central Asia during the Holocene[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2012，91：7-31.

(責任編輯：方林)

Cumulative，anthropogenic，atmospheric lead deposition recorded in Daqiao mire，Dunhua Basin，Changbai Mountains

ZHANG Si-peng，WEI Jiang-wei，YANG Qian-nan，ZHAO Hong-yan

(Institute for Peat and Mire Research，State Environmental Protection Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration，Key Laboratory of Vegetation Ecology，Ministry of Education，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

Abstract:The concentrations of lead，zirconium in the Yujia profile of Daqiao mire in Dunhua Basin were analyzed，the enrichment factor，accumulation rates，lithogenic and anthropogenic lead were calculated in this paper.The results show that the total contents of Pb within Yujia profile at Daqiao mire are 1.81～7.35 μg/g，and average value is 4.24 μg/g.The enrichment factors in the upper section of the profile (0～60 cm，correspond to 0～1 300 a (B.P.))are more than 1，while less than 1 in the bottom section of the profile.It seems to indicate a weak lead move in profile.The range of the lead accumulation rates in Yujia profile is from 0.54 mg/(m2·a)to 4.97 mg/(m2·a)，and it becomes smaller with the depth decreasing.The lead accumulation rates and atmospheric dust accumulation rates show a significant positive correlation(r=0.948，n=14， P<0.01).It means Pb mainly comes from the atmospheric dust.The lead accumulation rates and lithogenic lead concentrations also show a significant positive correlation(r=0.784，n=14， P<0.01)，indicating less lead contamination caused by human activity.The total accumulative，anthropogenic lead in Daqiao mires is 0.729 3 g/m2.The enrichment factors of lead in the Yujia profile reveal the most enrichment occured since 530 a(B.P.).

Keywords:minerotrophic mires；atmospheric Pb deposition；environmental change；Pb pollution

[文章編號]1000-1832(2016)02-0122-05

[收稿日期]2014-10-10

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(41471165，41371103，40971036)；吉林省自然科學基金資助項目(20130101081JC)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201510200053).

[作者簡介]張思鵬(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者：趙紅艷(1969—)，女，博士，副教授，主要從事自然地理與濕地生態研究.

[中圖分類號]P 531[學科代碼]170·5037

[文獻標志碼]A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.02.026