了解酸雨的來源和季節(jié)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)組成和來源。

酸雨是指pH值小于5.6的降雨，會對生態(tài)系統(tǒng)造成不利的影響。是由人類活動產(chǎn)生的二氧化硫和氮氧化合物與大氣中的水分子反應(yīng)生成酸而形成的。以前的研究認(rèn)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(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)造成很大的威脅。古瓦哈蒂地區(qū)土壤肥沃且富含礦物質(zhì)，但其土壤結(jié)皮具有酸性，無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(jié)，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(dāng)?shù)赜晁幕瘜W(xué)組成和來源（同位素法）。

涉及酸雨濕沉降和干沉降的過程（在酸雨中SO₂和 NO_X起主要作用）

1.試驗(yàn)方法

用清洗過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(zhuǎn)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(jī)碳。利用離子色譜法分析測量每個(gè)樣品已過濾的等分試樣中的陰離子和陽離子。利用LGR-ICOS加強(qiáng)型水同位素分析儀GLA431-TIWA（TIWA-45-EP）對剩余的未過濾（防止蒸發(fā)損失）10mL試樣進(jìn)行同位素分析。

LGR-ICOS加強(qiáng)型水同位素分析儀GLA431-TIWA

2.?結(jié)果

2.1同位素分析-大氣降水線

為了確認(rèn)雨水的來源，計(jì)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源影響而不是自然來源。鉛，鋅，鈷，銅的EF值＞5表示明顯富集，并證實(shí)了該區(qū)域以人為來源為主導(dǎo)。LGR-ICOS分析儀確定研究期間采集樣品的δD和δ¹⁸O，得到當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓€：δD（‰）=8.4δ¹⁸O+12.01。

2016.6-2017.6收集樣品的同位素分析（δD和δ¹⁸O）（a）當(dāng)?shù)卮髿饨邓€（b）降水同位素組成的季節(jié)性影響（Garaga.et al.)

當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的斜率和截距與全球大氣降水線（GMWL)相似，這表明印度東北部熱帶季風(fēng)雨林地區(qū)雨滴形成不受蒸發(fā)影響。季風(fēng)季節(jié)（-4.11‰和-23.41‰）δ¹⁸O和δD值小于非季風(fēng)季節(jié)（-0.80‰和5.60‰），表明非季風(fēng)季節(jié)，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源的一個(gè)重要因子。氘盈余觀測值＞10‰，表明非季風(fēng)季節(jié)水分來源于大陸（內(nèi)陸水域）。相反地，季風(fēng)季節(jié)氘盈余＜10‰，表明通過蒸散作用的海洋對水分來源貢獻(xiàn)率大。使用內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)氘盈余的誤差值是0.75‰，顯著低于以往研究中質(zhì)譜儀的結(jié)果。他們認(rèn)為LGR-ICOS技術(shù)在穩(wěn)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(jié)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(shù)據(jù)點(diǎn)具有不同的趨勢線，分別表示季風(fēng)和非季風(fēng)季節(jié)的樣本。非季風(fēng)季節(jié)δ¹⁸O和氘盈余的關(guān)系圖中的斜率較高，表示雨滴受到強(qiáng)烈蒸發(fā)。季風(fēng)季節(jié)，斜率減小表明由于濕度增加導(dǎo)致蒸發(fā)降低。

2.3來源貢獻(xiàn)確定

作者利用同位素分析確定來源的同時(shí)，利用美國國家環(huán)境保護(hù)局（U.S.EPA)的正矩陣因數(shù)分解模型（PMF)v5.0。該模型技術(shù)不需要來源特征的先驗(yàn)知識，輸入不同來源的各種污染物的濃度值即可。U.S.EPA PMF5.0模型的應(yīng)用表明季風(fēng)季節(jié)海洋來源的貢獻(xiàn)較大（40%），非季風(fēng)季節(jié)工業(yè)來源的貢獻(xiàn)較大（28%)，這支持同位素分析的結(jié)果。EF分析確定了人為來源的Pb和Zn的富集貢獻(xiàn)，證實(shí)了該地區(qū)需要實(shí)施科學(xué)嚴(yán)格的控制策略，在區(qū)域和全球范圍內(nèi)調(diào)節(jié)導(dǎo)致嚴(yán)重酸雨的人為活動。

?使用美國EPA的PMF模型v5.0綜合識別降雨來源貢獻(xiàn)

3.?結(jié)論

當(dāng)前的研究是在印度增長最快的城市之一的古瓦哈蒂進(jìn)行的，該地區(qū)幾十年來發(fā)展不受控制，人類活動增多，導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。因此，分析后的PM濕沉降揭示了該地區(qū)長達(dá)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(jì)。同位素分析和反向軌跡分析表明非季風(fēng)期，雨水主要來源于內(nèi)陸水域，而季風(fēng)期水分從海洋輸送而來。非季風(fēng)季節(jié)，降水同位素富集（氘盈余為9.47‰），季風(fēng)季節(jié)，降水同位素貧化（氘盈余為12.14‰）。這些結(jié)果支持了美國國家環(huán)境保護(hù)局（U.S.EPA)的正矩陣因數(shù)分解模型（PMF)v5.0分析得出的結(jié)論，即季風(fēng)季節(jié)海洋來源的貢獻(xiàn)最高，非季風(fēng)季節(jié)工業(yè)來源的貢獻(xiàn)最高。此外，EF分析確定了來源于人類活動的鉛和鋅的豐富貢獻(xiàn)，表明該地區(qū)需要實(shí)施科學(xué)的控制策略以調(diào)節(jié)導(dǎo)致嚴(yán)重酸雨的人類活動。

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