了解酸雨的來(lái)源和季節變化

在“Influence of anthropogenic emissions on wet deposition of pollutants and rainwater acidity in Guwahati, a UNESCO heritage city in Northeast India”一文中，印度和中國科學(xué)家在印度東北部古瓦哈蒂走廊（被聯(lián)合國教科文組織列為世界遺產(chǎn)）收集了一年的降雨，并分析了其化學(xué)組成和來(lái)源。

酸雨是指pH值小于5.6的降雨，會(huì )對生態(tài)系統造成不利的影響。是由人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化硫和氮氧化合物與大氣中的水分子反應生成酸而形成的。以前的研究認為在印度東北部，酸性物質(zhì)中硫（SO₄^2-）和 氮（NO₃^-）的較高的水平對當地的自然生態(tài)系統造成很大的威脅。古瓦哈蒂地區土壤肥沃且富含礦物質(zhì)，但其土壤結皮具有酸性，無(wú)法中和酸雨的干濕沉降。2016.6-2017.6，在季風(fēng)和非季風(fēng)季節，酸雨的發(fā)生頻率分別為64%和87%，科學(xué)家們在此期間研究了當地雨水的化學(xué)組成和來(lái)源（同位素法）。

涉及酸雨濕沉降和干沉降的過(guò)程（在酸雨中SO₂和 NO_X起主要作用）

1.試驗方法

用清洗過(guò)的硼硅酸鹽瓶收集樣品，并配置有聚乙烯漏斗，放置于屋頂上。開(kāi)始下雨后立即放置收集器，雨停后收回。首先檢測每個(gè)樣品的pH，然后將其轉移到干凈的聚乙烯小瓶中，使用原子吸收光譜法分析其金屬和總有機碳。利用離子色譜法分析測量每個(gè)樣品已過(guò)濾的等分試樣中的陰離子和陽(yáng)離子。利用LGR-ICOS加強型水同位素分析儀GLA431-TIWA（TIWA-45-EP）對剩余的未過(guò)濾（防止蒸發(fā)損失）10mL試樣進(jìn)行同位素分析。

LGR-ICOS加強型水同位素分析儀GLA431-TIWA

2.?結果

2.1同位素分析-大氣降水線(xiàn)

為了確認雨水的來(lái)源，計算了痕量金屬相對于地殼元素的富集因子（EF），即分析樣品中金屬的平均濃度與沿海地殼中的平均濃度之比。檢測一些元素是受人為來(lái)源影響而不是自然來(lái)源。鉛，鋅，鈷，銅的EF值＞5表示明顯富集，并證實(shí)了該區域以人為來(lái)源為主導。LGR-ICOS分析儀確定研究期間采集樣品的δD和δ¹⁸O，得到當地的大氣降水線(xiàn)：δD（‰）=8.4δ¹⁸O+12.01。

2016.6-2017.6收集樣品的同位素分析（δD和δ¹⁸O）（a）當地大氣降水線(xiàn)（b）降水同位素組成的季節性影響（Garaga.et al.)

當地大氣降水線(xiàn)的斜率和截距與全球大氣降水線(xiàn)（GMWL)相似，這表明印度東北部熱帶季風(fēng)雨林地區雨滴形成不受蒸發(fā)影響。季風(fēng)季節（-4.11‰和-23.41‰）δ¹⁸O和δD值小于非季風(fēng)季節（-0.80‰和5.60‰），表明非季風(fēng)季節，雨水的同位素富集。

2.2?同位素分析-氘盈余

氘盈余是確定水分來(lái)源的一個(gè)重要因子。氘盈余觀(guān)測值＞10‰，表明非季風(fēng)季節水分來(lái)源于大陸（內陸水域）。相反地，季風(fēng)季節氘盈余＜10‰，表明通過(guò)蒸散作用的海洋對水分來(lái)源貢獻率大。使用內部實(shí)驗室標準進(jìn)行3年的定期測量，得出與氘盈余相關(guān)的誤差值。作者發(fā)現氘盈余的誤差值是0.75‰，顯著(zhù)低于以往研究中質(zhì)譜儀的結果。他們認為LGR-ICOS技術(shù)在穩定同位素分析中具有很高的精度。

為了理解降水同位素組成的季節性影響，將δ¹⁸O和氘盈余的關(guān)系進(jìn)行作圖。分布圖顯示兩組不同數據點(diǎn)具有不同的趨勢線(xiàn)，分別表示季風(fēng)和非季風(fēng)季節的樣本。非季風(fēng)季節δ¹⁸O和氘盈余的關(guān)系圖中的斜率較高，表示雨滴受到強烈蒸發(fā)。季風(fēng)季節，斜率減小表明由于濕度增加導致蒸發(fā)降低。

2.3來(lái)源貢獻確定

作者利用同位素分析確定來(lái)源的同時(shí)，利用美國國家環(huán)境保護局（U.S.EPA)的正矩陣因數分解模型（PMF)v5.0。該模型技術(shù)不需要來(lái)源特征的先驗知識，輸入不同來(lái)源的各種污染物的濃度值即可。U.S.EPA PMF5.0模型的應用表明季風(fēng)季節海洋來(lái)源的貢獻較大（40%），非季風(fēng)季節工業(yè)來(lái)源的貢獻較大（28%)，這支持同位素分析的結果。EF分析確定了人為來(lái)源的Pb和Zn的富集貢獻，證實(shí)了該地區需要實(shí)施科學(xué)嚴格的控制策略，在區域和全球范圍內調節導致嚴重酸雨的人為活動(dòng)。

?使用美國EPA的PMF模型v5.0綜合識別降雨來(lái)源貢獻

3.?結論

當前的研究是在印度增長(cháng)最快的城市之一的古瓦哈蒂進(jìn)行的，該地區幾十年來(lái)發(fā)展不受控制，人類(lèi)活動(dòng)增多，導致空氣質(zhì)量下降。因此，分析后的PM濕沉降揭示了該地區長(cháng)達一年的酸雨事件（pH＜5.6）。雨水樣品中一些主要離子，痕量金屬以及TOC的測量表明地殼物種的濃度低，酸性物質(zhì)的緩沖能力可忽略不計。同位素分析和反向軌跡分析表明非季風(fēng)期，雨水主要來(lái)源于內陸水域，而季風(fēng)期水分從海洋輸送而來(lái)。非季風(fēng)季節，降水同位素富集（氘盈余為9.47‰），季風(fēng)季節，降水同位素貧化（氘盈余為12.14‰）。這些結果支持了美國國家環(huán)境保護局（U.S.EPA)的正矩陣因數分解模型（PMF)v5.0分析得出的結論，即季風(fēng)季節海洋來(lái)源的貢獻最高，非季風(fēng)季節工業(yè)來(lái)源的貢獻最高。此外，EF分析確定了來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng)的鉛和鋅的豐富貢獻，表明該地區需要實(shí)施科學(xué)的控制策略以調節導致嚴重酸雨的人類(lèi)活動(dòng)。

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