寧夏燃煤電廠周圍降水降塵中硫氮沉降特征研究

王攀 ，朱灣灣 ，樊瑾 ，許藝馨 ，余海龍，王斌，黃菊瑩*

1.寧夏大學資源環境學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學環境工程研究院，寧夏 銀川 750021；3.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江 富陽 311400

工業革命以來，由于化石燃料燃燒等人類活動產生了大量酸前體物（主要為SO2和NOx），導致大氣酸沉降增加。近年來隨著大氣污染物限排措施的實施和社會經濟結構的轉變，S、N沉降速率在歐美等發達國家有所下降（Du，2016；Engardt et al.，2017），但在發展中國家仍呈增加趨勢（Vet et al.，2014）。對中國酸沉降時空格局的分析表明，近幾十年來全國水平上S沉降有所減緩、N沉降趨于平穩，但呈現明顯的區域分異特征（Zheng et al.，2018；Yu et al.，2019）。如有研究發現，隨著經濟社會的快速發展，西北地區S、N沉降速率均呈逐年增加的趨勢（顧峰雪等，2016；Zhang et al.，2018）。就寧夏而言，盡管估測的酸沉降量低于南方等地區，但較低的N沉降臨界負荷（段雷等，2002）以及N、S沉降的耦合關系（Gao et al.，2018），使得區域酸沉降狀況同樣不容忽視。燃煤電廠是SO2和NOx的主要工業排放源之一（伯鑫等，2019）。在寧夏燃煤電廠周圍開展酸沉降研究，可為合理評價區域大氣污染物控制措施的實施效果提供科學依據。

國外對大氣酸沉降的監測工作起步較早，目前已形成了區域監測網絡。在中國，自上個世紀九十年代末開始，國家環保部和中國氣象局陸續建立了酸雨監測網絡。至2010年，中國農業大學不斷完善了一個涵蓋43個監測點的全國N沉降監測網絡，為長期監測N沉降提供了可能。然而，受網絡化監測覆蓋范圍和研究手段的限制，監測網中的監測點和其他零散研究的觀測點主要集中在華北、東北、東南和西南等區域，且多為濕沉降研究，缺乏對西北地區酸沉降尤其是干沉降的監測（Liu et al.，2010；許穩，2016）。在寧夏，煤炭行業快速發展和汽車保有量持續增加導致的酸沉降增加已逐漸引起了研究人員的關注，但相關研究主要為模型估測（程念亮等，2016；顧峰雪等，2016；王金相，2018），尚缺乏實地觀測數據。此外，雖然寧夏酸沉降估測值低于南方高酸沉降區域，但高于西北地區平均水平。因此，在寧夏典型區域開展 S、N沉降的實測工作，有助于豐富中國酸沉降時空數據庫。

寧東能源化工基地（以下簡稱寧東基地）地處寧夏中部，區域植被群落結構簡單，生態系統十分脆弱（羅成科等，2018）。作為國家 14個億噸級大型煤炭生產基地之一，寧東基地將于 2020年建設成為世界級的煤化工基地、國家“西電東送”火電基地和循環經濟示范園區。近年來，隨著經濟的快速發展，寧東基地燃煤電廠裝機容量亦呈倍速增加。盡管各個電廠已按照國家排放標準安裝了專門的脫硫脫硝裝置，但全國以煤炭為主的能源結構特征，使得寧東基地酸沉降效應值得關注。據報道，2016年寧東基地SO2和NOx排放量為9.47×104t和3.35×104t，區域污染物排放占比分別為 23.34%和65.67%（伯鑫等，2019）。那么，現行排放措施下，寧東基地燃煤電廠周圍S、N沉降是否超過了區域可接受沉降量？為此，本文以寧東基地3個典型燃煤電廠為監測點，初步探討了電廠周圍降水降塵S、N沉降組成特征，研究結果對于促進區域經濟社會與生態的協調發展具有重要的現實意義。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

寧東基地位于寧夏中東部毛烏素沙地西南緣，范圍覆蓋靈武市、鹽池縣、同心縣和紅寺堡開發區等4個縣市（區）。研究區平均海拔在1150—1512 m之間，具有干燥少雨（＜300 mm）、蒸發量強、溫差大和日照長等中溫帶干旱氣候特征。土壤類型主要為灰鈣土、風沙土及少量鹽堿土。土層較薄且可溶鹽濃度高，有機質含量低。天然植被稀少且分布不均勻，植物組成以一年或多年生草本、旱生或超旱生灌木和半灌木為主（羅成科等，2018）。

1.2 監測點選擇和采樣點設置

本研究以寧夏發電集團有限責任公司馬蓮臺電廠、寧夏煤電有限公司鴛鴦湖電廠和寧夏靈武發電有限公司靈武電廠等3個燃煤電廠為監測點（圖1）。其中，馬蓮臺電廠地理位置為 38.17°N，106.57°E，海拔為1258 m，北偏靈武市24 km，西距銀川市38 km，是寧東基地第一個開工建設投產的重大工程和大型企業。電廠設計機組規模為2×330 MW+2×600 MW+2×1000 MW，一期工程于2004年6月1日開工建設，#1、#2機組分別于2005年12月27日和2006年5月25日并網發電；鴛鴦湖電廠地理位置為 38.06°N，106.70°E，海拔為1279.6 m，西距靈武市約34 km，西北距銀川市約64.5 km。一期和二期機組規模分別為2×660 MW和2×1000 MW（核心工程已基本建成），全部建成投運后將成為寧東基地最大的火電廠；靈武電廠地理位置為38.17°N，106.35°E，海拔為1272.5 m，南距靈武市6 km，西北距銀川市中心45 km，一期和二期機組規模分別為2×600 MW和2×1000 MW，是“十一五”期間寧東基地“一號工程”。

圖1 3個電廠地理位置Fig.1 Geographical locations of the three power plants

2018年實地調查時，項目組發現3個電廠部分風向上存在人為干擾。為保證所選取樣點無其他S、N排放源干擾，本研究將取樣點統一設在電廠圍墻外主導風向下風向（東南方向）遠離村莊、農田、牧場和道路等無人為活動的扇形區域內。依據3個電廠實際情況，按照不同的取樣距離收集降水降塵混合樣品。在每個電廠每個取樣距離處，選擇地勢平坦、開闊、多草且100 m內沒有高大樹木的區域作為采樣點。每個取樣距離上隨機設置3個采樣點，每個采樣點面積約10 m×10 m。

1.3 降水降塵混合樣品收集與分析

于2019年1—6月，參考國家環境保護總局發布的《酸沉降監測技術規范》（HJ/T 165—2004），采用手動采樣器結合替代面法收集降水降塵混合樣品（陳能旺等，2006；邢建偉，2017）。采樣器為一個直徑為15 cm的聚乙烯桶；桶上罩一層網眼為1 mm的紗布，以防其他物質污染；桶底用錫箔包裹，以防樣品蒸發；桶內加入乙二醇溶液（70 mL乙二醇+100 mL超純水），以抑制藻類及微生物生長、防止降塵隨風飄出以及冬季結冰。聚乙烯桶置于離地面高度約為1.5 m的支架上。由于3個監測點降水稀少，考慮到野外試驗的可操作性，有降水時降水結束后立即采集樣品，無降水時7—10 d采集一次。采樣期間，每日密切關注天氣預報和桶內水位的變化，以便及時收集樣品以及添加適量的超純水。收集時，用超純水多次清洗桶內壁，最后將桶中的混合沉降和乙二醇溶液轉入300 mL聚乙烯瓶中帶回實驗室。

實驗室內，將每個采樣點上每月采集到的混合樣品合并為一個樣品，采用0.45 μm有機微孔濾膜抽濾后，在連續流動分析儀上（Auto Analyzer 3，SEAL Analytical GmbH，Hanau，Germany）測定SO42-、NO3-和NH4+濃度，依據聚乙烯桶面積計算SO42-、NO3-、NH4+和無機 N（NO3-+NH4+）月沉降量，依據 SO42-、NO3-和 NH4+沉降量計算SO42-/NO3-和 NO3-/NH4+。

1.4 統計方法

采用Excel 2007計算各指標的變異系數（各指標標準差與對應指標平均值的比值，CV）。采用Sigmaplot 12.5進行圖的繪制。采用SPSS 13.0進行數據的統計分析：采用One-way ANOVA進行各指標的單因素方差分析，采用最小顯著性差異法（LSD）進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 3個電廠周圍S、N沉降量的變化特征

研究區SO42-月沉降量、NO3-月沉降量、NH4+月沉降量、無機 N月沉降量、SO42-/NO3-和NO3-/NH4+的變異系數均較大，各指標的變化范圍分別為 0.19—5.80、0.16—3.24、0.10—0.63、0.29—3.61 kg·hm-2·month-1、0.17—19.15 和 0.94—16.10，平均值分別為 (2.51±0.07)、(1.17±0.05)、(0.23±0.01) 、 (1.40±0.05) kg·hm-2·month-1、(3.82±0.26)和(5.34±0.21)（圖 2）。

就每個電廠而言，靈武電廠各指標的變異系數相對較高，馬蓮臺電廠各指標的變異系數相對較低：馬蓮臺電廠各指標平均值分別為 (2.69±0.12)、(1.19±0.08)、(0.25±0.02)、(1.44±0.10) kg·hm-2·month-1、(3.62±0.16)和(4.97±0.16)；鴛鴦湖電廠各指標的平均值分別為 (2.06±0.09)、(1.30±0.09)、(0.21±0.01)、(1.51±0.10) kg·hm-2·month-1、 (2.91±0.16) 和(6.47±0.25)；靈武電廠各指標的平均值分別為(2.78±0.13)、(1.06±0.07)、(0.23±0.01)、(1.29±0.08)kg·hm-2·month-1、(4.66±0.22) 和 (4.66±0.18)。

2.2 3個電廠間S、N沉降量的差異

研究區S、N沉降量在電廠間存在差異（圖3）：鴛鴦湖電廠 SO42-月平均沉降量顯著低于其他兩個電廠；鴛鴦湖電廠 NO3-月平均沉降量顯著高于靈武電廠；馬蓮臺電廠 NH4+月平均沉降量顯著高于鴛鴦湖電廠；無機N月平均沉降量在3個電廠間差異不顯著；鴛鴦湖電廠具有較低的SO42-/NO3-和較高的NO3-/NH4+。總的來說，馬蓮臺電廠和靈武電廠具有較高的 SO42-月平均沉降量、NH4+月平均沉降量和 SO42-/NO3-，鴛鴦湖電廠具有較高的 NO3-月平均沉降量、無機N月平均沉降量和NO3-/NH4+。

2.3 3個電廠不同月份間S、N沉降量的差異

3個電廠S、N沉降量均在月份間存在差異（圖4）：馬蓮臺電廠2月、5月和6月SO42-沉降量顯著高于其他3個月份，4月的測定值最低。5月和6月NO3-、NH4+和無機N沉降量顯著高于其他4個月份，2月NO3-和無機N沉降量最低，4月NH4+沉降量最低。2月SO42-/NO3-顯著高于其他幾個月份。4月 NO3-/NH4+顯著高于其他幾個月份；鴛鴦湖電廠3月SO42-沉降量最高，4月的測定值最低。5月、6月NO3-和無機N沉降量顯著高于其他4個月份，2月各測定值顯著低于其他5個月份。3月NH4+沉降量較高，2月的測定值較低。2月SO42-/NO3-顯著高于其他幾個月份。5月NO3-/NH4+顯著高于其他幾個月份；靈武電廠1月和5月SO42-沉降量顯著高于其他4個月份，4月的測定值顯著低于其他幾個月份。5月NO3-和無機N沉降量顯著高于其他5個月份，1月和2月的測定值則顯著低于其他4個月份。3月、5月和6月NH4+沉降量顯著高于其他3個月份。2月SO42-/NO3-顯著高于其他幾個月份。5月 NO3-/NH4+顯著高于其他幾個月份。總的來說，3個電廠 SO42-、NO3-、NH4+和無機N沉降量均在5月時較高，SO42-/NO3-在2月時較高，NO3-/NH4+在4月和5月時較高。

將每個月份3個電廠S、N沉降量數據進行了整合，分析了不同月份間研究區S、N沉降量及其比值的差異（表1）：5月SO42-沉降量、NO3-沉降量、NH4+沉降量、無機N沉降量和NO3-/NH4+較高，SO42-/NO3-較低；2月SO42-/NO3-較高，SO42-沉降量、NO3-沉降量、NH4+沉降量、無機 N沉降量和SO42-/NO3-較低。

2.4 3個電廠不同取樣距離間S、N沉降量的差異

取樣距離間，3個電廠SO42-月平均沉降量差異較大，NO3-月平均沉降量、NH4+月平均沉降量、無機N月平均沉降量、SO42-/NO3-以及NO3-/NH4+差異較小，尤其NH4+月平均沉降量（圖5）。

3 討論

圖2 研究區S、N月沉降量及其比值的變化范圍Fig.2 The variation ranges of monthly S and N deposition and their ratios in the studied area

大氣沉降主要分為干沉降和濕沉降。濕沉降可以利用雨量筒進行人工收集。干沉降收集方法較為復雜，且測定結果具有很大的不確定性，常見的方法有替代面法、穿透水法、離子樹脂交換法、苔蘚S同位素示蹤、推算法和遙感數據分析等。其中，替代面法雖僅能收集到直徑＞2 μm 的顆粒物沉降（吳玉鳳等，2019），但獲得的降塵化學組成對于評價酸沉降狀況仍具有積極意義（邢建偉等，2017）。本研究采用手動采樣器結合替代面法收集降水降塵混合樣品，發現研究區SO42-月沉降量變化范圍為 0.19—5.80 kg·hm-2·month-1，平均值為(2.51±0.07) kg·hm-2·month-1，與 1990s—2010s 亞洲水平（Gao et al.，2018）和全國水平（Yu et al.，2017）以及酸沉降較為嚴重的中國南方 S沉降水平相當，如重慶市近郊（何瑞亮等，2019）、江西千煙洲和湖南會同兩個典型森林生態系統（程正霖等，2017），但高于中國華北、內蒙古、東北和青藏高原等生態區的平均水平（Yu et al.，2017）。降水降塵中 SO42-/NO3-可以反映大氣 S來源：SO42-/NO3-＞1時，說明燃煤等固定污染源占主導；反之，說明汽車尾氣排放等移動污染源占主導（Yao et al.，2002）。研究區 SO42-/NO3-的變化范圍為0.17—19.15，平均值為 (3.82±0.26)，體現了 S沉降來源以燃煤為主導的特點。段雷等（2002）采用穩定法確定了中國土壤S沉降臨界負荷，認為研究區普遍可接受的 S沉降大于 6.4 g·m-2·a-1。因此，雖然研究區S沉降量處于較高水平，但尚未超過土壤 S沉降臨界負荷。然而，考慮到S沉降的時間累積性及其與N沉降的耦合效應（Gao et al.，2018），3個電廠S排放的控制工作依然不容忽視。

圖3 3個電廠間月平均S、N沉降量的差異Fig.3 The differences of monthly mean S and N deposition among the three power plants

表1 研究區不同月份間月S、N沉降量的差異Table 1 The differences of monthly S and N deposition among the sampling months in the studied area

與SO42-沉降量的變化趨勢不同，1999s—2010s全國 NO3-沉降量由 4.44 kg·hm-2·a-1上升至 7.73 kg·hm-2·a-1（Yu et al.，2017）。本研究中，研究區NO3-月沉降量的變化范圍為 0.16—3.24 kg·hm-2·month-1，平均值為(1.17±0.05)kg·hm-2·month-1，與華南生態區的觀測值相當，高于全國平均值；3個電廠NH4+月平均沉降量的變化范圍為 0.10—0.63 kg·hm-2·month-1，平均值為(0.23±0.01) kg·hm-2·month-1，低于全國大部分生態區的觀測值，但遠高于青藏高原各市縣的報道結果（王偉等，2018）。一般認為，NO3-主要來源于工業N排放（Boyer et al.，2002），如電廠煤炭燃燒和汽車尾氣排放等；NH4+主要來自農業氨釋放（Huang et al.，2012；Qiao et al.，2015），如農田 N肥揮發、禽畜養殖以及土壤微生物活動等。因此，NO3-/NH4+可以表征N沉降的來源：其值＞1時，N沉降主要來自工業排放，反之則為農業源（何瑞亮等，2019）。本研究中，NO3-/NH4+的變化區間為0.94—16.10，平均值為 (5.34±0.21)，表明3個電廠N沉降以NO3-形式為主。與其他工業活動較少的區域相比，如北京市石匣流域（王煥曉等，2018）、西寧市近郊（許穩等，2017）、黑龍江省涼水國家級自然保護區（宋蕾等，2018）以及湖南省亞熱帶農田和林地（朱瀟等，2018），3個電廠具有較高的 NO3-沉降量、較低的 NH4+沉降量，體現了研究區N排放以工業源為主導的特點。依據段雷等（2002）針對研究區N沉降臨界負荷閾值的界定（1—2 g·m-2·a-1），本結果意味著研究區 N沉降量超過了土壤可接受范圍，其生態效應值得密切關注。

圖4 3個電廠周圍不同月份間月S、N沉降量的差異Fig.4 The differences of monthly S and N deposition among the sampling months near the three power plants

燃煤機組規模、氣象條件、污染物遠距離傳輸以及其他排放源干擾等因素共同決定了燃煤電廠周圍S、N沉降特征。本研究中，鴛鴦湖電廠機組規模小于其他兩個電廠。盡管3個電廠都已按國家標準進行了脫硫脫硝處理（排放濃度限值 SO2＜35 mg·m-3、NOx＜40 mg·m-3），但長期較大規模的低 S、N排放可能導致了馬蓮臺電廠和靈武電廠較高的SO42-和 NH4+沉降量（圖 3）。空間分布上，排放至大氣的污染物在大氣多尺度環流的作用下混合、擴散，造成污染物跨區域的遠距離輸送及遷移（Ferm，1998；邢建偉等，2017）。燃煤電廠煙塵在經過除塵處理后，其直接排出的顆粒物濃度和粒徑較小，亦具有遠距離擴散的特點（梁曉雪，2019）。為避免其他排放源干擾，3個電廠最大取樣距離分別設在圍墻外 500、1000、2000 m處。較短的取樣距離可能導致了NO3-、NH4+和無機N月平均沉降量在距離間無顯著差異，尤其NH4+（圖5），反映了燃煤電廠高架源排放的污染物濃度在主風向上的排放特點（佟海，2016）。時間尺度上，降水量和降塵量季節分配格局與大氣污染物沉降量存在密切聯系（劉平等，2010；裴旭倩，2015）。本研究發現3個電廠SO42-、NO3-、NH4+和無機N沉降量均在5月時較高。其可能原因在于5月研究區具有降水事件增多、大風天氣頻發等氣候特征，使得降水降塵中S、N輸入量增加。此外，5月也是農業播種和作物生長期。N肥施用量增加以及高溫下畜禽糞便氨揮發增多等可能也導致了非工業源S、N的長距離輸入增加。

圖5 3個電廠不同取樣距離間月平均S、N沉降量的差異Fig.5 The differences of monthly mean S and N deposition among the sampling distances in the three power plants

4 結論

綜合以上分析，研究區 SO42-月沉降量的變化范圍為 0.19—5.80 kg·hm-2·month-1，平均值為(2.51±0.07) kg·hm-2·month-1，與全國水平相當，但低于區域土壤S沉降臨界負荷；研究區NO3-和NH4+月沉降量的變化范圍分別為 0.16—3.24 kg·hm-2·month-1和 0.10—0.63 kg·hm-2·month-1，平均 值 分 別 為 (1.17±0.05) kg·hm-2·month-1和(0.23±0.01) kg·hm-2·month-1。無機 N 沉降總量高于中國西北地區平均值，且超過了區域土壤可接受的N沉降水平；本研究收集的大氣沉降為濕沉降加部分干沉降，未包括氣態沉降和直徑≤2 μm的顆粒物沉降，故可能導致S、N沉降測定值低于實際總沉降量。考慮到S、N沉降的時間累積性以及二者的耦合效應，寧夏燃煤電廠S、N限排工作依然十分必要，二者的生態效應亦不容忽視，尤其N沉降；此外，本研究僅收集了燃煤電廠主導風向下風向2 km范圍內的降水降塵樣品。由于大氣污染物具有遠距離傳輸和遷移的特征，今后進行燃煤電廠酸沉降狀況評估時，需加大降水降塵取樣距離。