基于博斯騰湖沉積物的大氣污染歷史重建背景研究

曲鴿

摘??要：近年來，隨著城市化、工業(yè)化進程的不斷加快，我國大氣污染日益嚴重，受到了人們的廣泛關注。長時間序列的大氣污染記錄有助于提升我們認識現(xiàn)代人類活動對大氣的影響程度、評估區(qū)域大氣污染的演化過程、及制定有效的大氣防治措施，重建近現(xiàn)代大氣污染歷史記錄具有重要的科學和現(xiàn)實意義。本研究設想將選自西北內陸地處相對偏遠的博斯騰湖流域，試采得湖心深水區(qū)受水流擾動和人為干擾影響較小的柱狀沉積巖芯樣品，對沉積剖面中的粒度、金屬元素和多環(huán)芳烴（PAHs）含量進行溯源分析，結合現(xiàn)有的大氣污染器測數據和人類污染事件記錄，識別對大氣顆粒物、大氣金屬元素沉降、PAHs燃燒源等污染敏感的環(huán)境特性指標，探究各自的垂直分布規(guī)律，結合210Pb、137Cs定年結果，解析大氣顆粒物污染、大氣金屬元素污染及PAHs燃燒源污染變化的歷史過程與累積特征，通過多環(huán)境代用指標高分辨率理論重建博斯騰湖流域近350年來長時間尺度的大氣污染歷史進行可行性研究。

關鍵詞：歷史重建;湖泊沉積物;背景研究;博斯騰湖

Historical?reconstruction?of?air?pollution?based?on?the?sediments?of?Bosten?Lake

Qu?Ge

Heilongjiang?Province?Key?Laboratory?of?Geographical?Environment?Monitoring?and?Spatial?Information?Service?in?Cold?Regions，Harbin?Normal?University??HeilongjiangHarbin???150025

Abstract：?In?recent?years，?with?the?accelerating?process?of?urbanization?and?industrialization，?air?pollution?in?China?is?becoming?more?and?more?serious，?which?has?been?widely?concerned?by?people.Long-term?air?pollution?records?are?of?great?scientific?and?practical?significance?for?us?to?understand?the?impact?of?modern?human?activities?on?the?atmosphere，?to?evaluate?the?evolution?of?regional?air?pollution，?and?to?develop?effective?air?control?measures.Ideas?will?be?selected?from?this?study?is?located?in?the?northwest?inland?relatively?remote?characters?basin，?warmed?by?picked?the?deepwater?area?affected?by?the?flow?turbulence?and?human?disturbance?of?the?smaller?columnar?sediment?core?samples，?the?granularity?in?sedimentary?section，?the?metal?elements?and?polycyclic?aromatic?hydrocarbons?（PAHs）?content?in?back?analysis，?combined?with?the?existing?of?air?pollution?and?human?pollution?incident?record?the?data，?the?identification?of?atmospheric?particle?metal?elements，?atmospheric?sedimentation，?PAHs?combustion?source?pollution?environment?characteristics?of?sensitive?indexes?such?as，?explore?their?vertical?distribution，?combined?with??pb210，Cs137?years?as?a?result，The?historical?process?and?accumulation?characteristics?of?atmospheric?particulate?matter?pollution，?atmospheric?metal?element?pollution?and?PAHs?combustion?source?pollution?were?analyzed，?and?the?feasibility?study?was?conducted?to?reconstruct?the?history?of?atmospheric?pollution?at?a?long?time?scale?in?the?Bosten?Lake?Basin?in?the?last?350?years?based?on?the?high-resolution?theory?of?multiple?environmental?proxy?indicators.

Keywords：?Historical?reconstruction;Lake?sediments;Background?research;effluents

1?理論研究的國內外研究概況、水平和發(fā)展趨勢

大氣環(huán)境問題是關系到人民健康的重大民生問題，也是限制區(qū)域經濟升級、社會發(fā)展的瓶頸問題（Liet?al.，2019）。從人類生存生活角度，大氣污染對人類身體健康危害極大，從社會經濟發(fā)展角度，國家每年投入在大氣環(huán)境治理上的直接經費和由于大氣環(huán)境所導致的間接經濟損失巨大。2013年以來，國家先后頒布了《大氣污染防治行動計劃》、《關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》和《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》等政策文件，使大氣環(huán)境的科學評估和有效治理刻不容緩。目前學術界對大氣環(huán)境問題的研究大多集中在對于空氣污染物的組分分析（劉葳，2007;梅凡民等，2012）、擴散趨勢（Edwards?et?al.，2017）、對經濟和健康的影響（封亞青等，2017;李欣等，2017;邵帥等，2019）等幾個方面。通過不同方法分析了大氣污染物的化學組成、物理擴散規(guī)律、與經濟發(fā)展的關系和對人類健康問題的影響。但是，目前國內外對大氣污染歷史過程研究還不夠深入。

湖泊在生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，湖泊柱狀沉積巖芯因剖面保存完整、連續(xù)性好、沉積速率快、時間分辨率高等特點，是記錄湖區(qū)人類活動和環(huán)境變化的“重要歷史檔案”（Sun?et?al.，2010;王小雷等，2011）。近年來，國內外學者對于湖泊沉積物記錄人類活動向環(huán)境排放的污染物變化過程的研究主要集中于確定污染物的含量、研究其分布特征、解析其污染來源，評估生態(tài)風險及健康風險等方面，多用來指示大環(huán)境下的污染演變過程（郭建陽等，2010;Seegar?et?al.，2015;宋世博等，2019）。但基于湖泊沉積物柱狀巖芯剖面污染物特征反演單一大氣污染沉降歷史的研究較少，且僅局限于特定環(huán)境下的高山湖泊研究（Fernandez?et?al.，2003;劉國卿等，2007;梁夢瑤等，2019）。

基于環(huán)境中不同來源大氣污染物釋放后的存在途徑和湖泊沉積物入湖前的行為過程，已有研究表明，湖泊沉積物在記錄的人類活動影響下污染物遷移演變規(guī)律過程中，沉積剖面中的粒度、重金屬、PAHs等指標溯源后的特定組分在一定程度上對大氣顆粒物、大氣金屬元素和PAHs燃燒源污染物的大氣遷移過程反應敏感，為重建長時間序列的大氣污染記錄提供了可能（Elmquist?et?al.，2007;Sun?et?al.，2013;Han?et?al.，2016;Lin?et?al.，2017）。

2?理論研究的應用前景、學術價值

作為我國西北干旱地區(qū)最大的淡水湖泊，博斯騰湖位于世界第二大沙漠邊緣，是典型的綠洲-沙漠交錯帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，同時博斯騰湖也是國家5A級旅游景區(qū)，自古以來是絲綢之路上的重要節(jié)點。作為新疆南疆地區(qū)最重要的生態(tài)系統(tǒng)，博斯騰湖的環(huán)境安全對整個南疆的生態(tài)、社會、經濟和人民生活的改善和發(fā)展均有突出的意義。不同于我國中東部地區(qū)的氣候條件，西北地區(qū)總懸浮顆粒物及降塵污染比較嚴重，懸浮細小顆粒物極易成為大氣中各類污染物的有效載體，對博斯騰湖流域的生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境問題構成潛在威脅。在構建藍天白云環(huán)境政策的驅動下，如何識別湖泊沉積巖芯中對大氣污染的敏感因子，探討大氣中顆粒物、金屬元素、PAHs污染的遷移傳輸過程，量化人類活動脅迫下的流域歷史環(huán)境污染水平和污染源，評價流域內大氣污染的環(huán)境風險，有效合理的進行大氣污染過程監(jiān)測和修復，這對理論上研究人類活動對湖泊沉積環(huán)境的影響、實踐中解決污染物檢測和風險評估問題、污染物修復治理，促進人與自然關系和諧具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

3?理論研究的主要研究內容、目標

3.1?沉積物粒度的大氣顆粒物污染歷史反演

測定與分析沉積物巖芯剖面中不同深度的粒度機械組成和頻率分布曲線，通過主成分因子分析法和粒級-標準偏差法綜合識別有關大氣顆粒物沉降的環(huán)境敏感組分，結合其相應的變化趨勢對大氣顆粒物污染歷史進行反演。

3.2?沉積物金屬元素污染大氣沉降歷史反演

通過沉積物重金屬元素含量分析，采用Ti作為參比進行沉積物質地變化矯正，運用富集系數（EF）方法進行重金屬元素的自然與人為來源區(qū)分，定性識別大氣重金屬沉降含量，研究大氣重金屬污染變化過程與累積特征。

3.3?沉積物PAHs燃燒源大氣沉降歷史反演

基于環(huán)境中不同來源PAHs釋放后存在途徑和湖泊沉積物入湖前的行為過程，結合沉積物中TOC含量對PAHs含量進行矯正，運用PAHs單體穩(wěn)定同位素技術、特征化物比值法和主成分分析等多種污染源判定方法，定性定量的提取PAHs燃燒源沉積通量并解析其時間變化特征，揭示人類活動導致的PAHs燃燒源污染特征變化，進而對PAHs燃燒源的大氣沉降歷史進行重建。

3.4?博斯騰湖沉積物多指標大氣污染歷史重建

基于Pearson相關分析，分析博斯騰湖沉積物中大氣顆粒物敏感粒級組分貢獻值、大氣沉降Ci/Ti金屬元素沉積通量和PAHs燃燒源沉積通量之間的耦合關系，結合現(xiàn)有的空氣質量數據建立環(huán)境代用指標的關系模型，以求相互印證下對流域內大氣污染狀況進行綜合評價，反演大氣污染歷史過程。

4?可行性主要研究方法及技術路線

4.1?可行性研究方法

樣品采樣：試于新疆博斯騰湖湖中心應用活塞式柱狀采樣器采得平行柱狀沉積巖芯2根，野外按照1cm間隔進行切割分樣。

實驗分析：將樣品凍干，后過篩，分別采用低本底高純褚γ能譜儀測定樣品的年份，氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GC-MS）測定多環(huán)芳烴的含量、氣相色譜-燃燒系統(tǒng)-同位素比率質譜系統(tǒng)（GC-C-IRMS）測得PAHs單體碳穩(wěn)定同位素含量、總有機碳分析儀器測定沉積物中總有機碳含量、電感耦合等離子質譜儀測定重金屬含量以及激光粒度儀測定粒度含量。

數據分析：運用Origin2019分析粒度、TOC、重金屬及PAHs的垂直分布特征，在IBM?SPSS?20.0軟件中結合測年數據對粒度、TOC、重金屬和PAHs進行相關性分析、主成分分析及數據統(tǒng)計檢驗。

4.2?理論研究參考技術路線

湖泊沉積物對大氣污染歷史重建研究鮮有，結合單體穩(wěn)定同位素技術對湖泊沉積巖芯垂直方向污染物溯源也較為少見。本研究基于博斯騰湖湖泊沉積巖芯剖面中粒度、金屬元素和PAHs的溯源分析，對其中大氣污染敏感組分指標進行識別，分析其垂直分布規(guī)律，探究人類活動導致的大氣污染變化特征，重建博斯騰湖流域近350年來長時間尺度大氣污染歷史，為認識我國西北內陸地區(qū)大氣環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)演變提供科學依據。

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