（环境工程专业论文）大气氮沉降对杭州北里湖的影响.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o uu n i v e r s i 够o f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys c l e n c ea n c ile c n n o l 0 2 v e f f e c t so f a t m o s p h e r i cn i t r o g e nd e p o s i t i o n o nb e i l il a k ei nh a n g z h o u m a s t e rc a n d i d a t e ：l it a i q i a n s u d e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i a of e n 2s u d e r v l s 0 r ：a s s o c l a t er r 0 i jl a 0 量ie n 2 m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u z h o uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e p a r t m e n to f e n v i r o 珈m e n t a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 1 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：虚荜吼型年上月日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆、中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数 据库等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复印件和电子文档，允许论 文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保存、使用学位论文的规定， 即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷 本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存汇编学位论文：同意学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不 同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 指导教师签名： 座雌日期：丛年上月巫日 算h 柔日期：印止年善月丐日 苏州科技学院硕十学付论文 摘要 摘要 为研究外源对城市景观湖泊的污染状况，本论文就大气氮沉降对杭州西湖中的北 里湖的影响进行了研究。本论文主要内容是研究大气氮元素的影响因素和各月氮沉降 的变化规律，并进一步分析各月大气氮沉降对北里湖的贡献。 研究结果表明，北里湖周围不同位置的n o x 浓度存在较大差异，主要是机动车 局部污染造成。风向也影响北里湖周围大气的n o 。浓度，从城区吹来的风会提高大 气n o 、浓度。降水对n o 。的冲刷与降水量和降水时间有关。杭州市周围的农田在各 个风向上都会影响北里湖周围的n h 4 + - n 浓度，由于北里湖在市区南部，因此南风对 北里湖的n h 4 + n 影响更大。市区吹向北里湖的风中的t s p 平均浓度高于山区风中的 浓度。 2 0 1 0 年杭州市降水除四月、五月和十一月外，其他各月都很丰富。湿沉降t n 中 有9 5 5 是t d n 。湿沉降t n 浓度与降水量呈负相关性，而t n 沉降通量与降水量呈 正相关性。湿沉降中n h 4 + n 的浓度和通量都远高于n 0 3 n 。干沉降t n 中有8 2 是 t d n 。t n 的干沉降通量主要受风向及不同风向的大气中氮元素的种类和浓度的影响。 干沉降中n h 4 + n 通量都远高于n 0 3 n 。总沉降中t d n 在t n 中的平均含量为9 0 1 ， 湿沉降是t n 主要的沉降方式。总沉降主要影响因素是降水，n h 4 + - n 是t n 中最主 要的成分。 沉降n h 4 + n 浓度对湖水n h 4 + n 浓度的贡献比较大，在5 0 以上。沉降n 0 3 - n 浓度在夏季占湖水n 0 3 。n 浓度的1 0 以上。沉降t n 浓度变化规律与湖水t n 浓度 变化规律相反，大气沉降对北里湖水t n 浓度的贡献可以达到1 0 以上。因此大气氮 沉降在夏季是北里湖t n 的一个重要来源。 关键词：干沉降，湿沉降，氮沉降，北里湖 m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt b c h n 0 1 0 9 y a b s t r a c t a b s t r a c t t bs t u d yt h ep o i i u t i o ns i t u a t i o no fu r b a ni a n d s c a p el a k e ，t h i sa r t i c l es t u d i e dt h ea f f e c t s o fa t m o s p h e r i cn i t r o g e nd e p o s i t i o nt ot h eb e 1 il a k eo fw e s tl a k ei nh a n g z h o u t h em a i n c o n t e n t so ft h i sa r t i c l ea r et os t u d yt h ef a c t o r so fa t m o s p h e r i cn i t r o g e nd e p o s i t i o na n dt h e r e g u l a rp a t t e mo ft h ec h a n g e so fn i t r o g e nd e p o s i t i o ne v e 叫m o n t h ，a n dt oa n a l y s i st h e n i t r o g e nd e p o s i t i o nc o n t r i b u t i o nt ot h eb e i l il a k e t h es t u d ys h o w e dt h a tt h en o 。d e n s i t yd i f f e r e dal o ti nd i f f i e r e n tp o s i t i o na r o u dt h e b e i l il a k e ，i tw a sc a u s e db yl o c a lp o l l u t i o no fa u t o m o b i l e w i n dd i r e c t i o na l s oi n f l u e n c e d t h en o xd e n s i t y ，t h ew i n df r o mu r b a na r e ac o u l dr a i s en o xd e n s i t y t h en o xw a s h o u to f r a i n f a l lr e l a t e dt 0t h eq u a n t i t ya n dd u r a n c eo fr a i n f a l l t h ef a r m f e i i da r o u dh a n g z h o uc i t y i n f l u e n c e dt h en h 4 + nd e n s i t ya r o u n dt h eb e i l il a k ef r o ma l ld i r e c t i o n s t h eb e “il a k ei s i nt h es o u t ho fh a n g z h o uc i t y ，s ot h ei n f l u e n c eo fs o u t h e mw i n dt ot h en h 4 叶。j nd e n s i t ) ， a r o u dt h eb e i l il a k ew a s m u c hg r e a t e r t h et s pd e n s i t yi nt h ew i n df b mu r b a na r e aw a s h i g h e rt h a nt h a to f t h ew i n df 1 0 mh i l la r e a t h er a i n f a l lw a ss u 踊c i e n ti n2 0loe x c e p ta p r i l ，m a ya n dn o v e m b e r i nw e t d e p o s i t i o n ，9 5 5 o ft nw a st d n a n dt nd e n s i t yh a dan e g a t i v ec o n r e l a t i o nw i t ht h e q u a n t i t yo fr a i n f a l l ，w h i l et nd e p o s i t i o nf l u xh a da c o r r e l a t i o nw i t ht h eq u a n t i 妙o fr a i n f a l l i nw e td e p o s i t i o nt h ed e n s i t ya n df l u xo fn h 4 + - nw e r eh i g h e rt h a nt h o s eo fn 0 3 n i nc i 呵 d e p o s i t i o n ，8 2 o f7 i nw a st d n t h em a i nf a c t o r so ft nd e p o s i t i o nf l u xi nd r yd e p o s i t i o n w e r ew i n dd i r e c t i o na sw e l la st h et y p e sa n dd e n s i t yo fni nd i 何b r e n td i r e c t i o n so fw i n d i n t o t a ld e p o s i t i o n ，9 0 1 o ft nw a st d n w e td e p o s i t i o nw a st h em a i nd e p o s i t i o nm o d e t h em a i nf a c t o ro ft o t a ld e p o s i t i o nw a sr a i n f a l l n h 4 + nw a st h em a i nc o m p o n e n to ft n n h 4 + no fd e p o s i t i o nh a dag r e a tc o n t r b u t i o nt ob e i l l a k e ，a ta b o u tm o r et h a n5 0 o ft h a to fl a k e 1 ns u m m e r ，n 0 3 。- no fd e p o s i t i o na c c o u n t e df o rm o r et h a nl0 i nn 0 3 。- n o fl a k e t h ec h a n g ep a t t e mo ft no fd e p o s i t i o no p p o s e dt ot h a to ft no fl a k e a t m o s p h e r i cd e p o s i t i o nc o n t r b u t e d l0 o ft nt ot h ei a k e i naw o r d ，i ns u m m e r ， a t m o s p h e r i cd e p o s i t i o nw a s a ni m p o r t a n ts o u r c eo f t ni nb e i l il a k e k e yw o r d s ：d 拶d e p o s i t i o n ，w e td e p o s i t i o n ，n i t r o g e nd e p o s i t i o n ，b e i i il a k e i i 苏州科技学院硕十学仲论文目录 目录 摘要：。：。i ab s t r a c t 。：1 i 第一章绪论：l 1 1 引言_ 1 1 2 大气氮沉降。1 1 2 1 大气中氮的存在形态及来源。l 1 2 2 大气中的氮沉降2 1 2 3 国内外研究进展3 1 2 4 大气中氮元素对生态环境的影响4 1 2 5 城市大气中的氮元素5 1 3 北里湖介绍6 1 4 本论文的研究目的和意义7 第二章采样和分析8 2 1 分析仪器和试剂8 2 1 1 实验仪器8 2 1 2 实验试剂8 2 1 3 其他8 2 2 采样点和采样方法9 2 2 1n o 。的采集9 2 2 2t s p 的采集1 0 2 2 3 大气干湿沉降的采集l l 2 3 样品处理与检测方法1 1 2 3 1n 0 2 的检测方法1 l 2 3 2t s p 的检测方法1 2 2 3 3 干湿沉降的检测方法1 2 2 3 4 干湿沉降通量和总沉降通量的计算。1 3 第三章氮沉降影响因素分析1 4 3 1 大气中的n o x 分析1 4 3 1 1 各采样点的大气n o 。浓度1 4 3 1 2 风向对大气n o x 浓度的影响1 6 3 1 3 降雨对大气n o x 浓度的影响。2 0 3 2 大气中的n h 4 + n 分析2 2 3 3 大气中的t s p 分析2 4 第四章大气干湿沉降对北里湖的影响。2 8 4 1 北里湖降雨量变化。2 8 4 2 湿沉降中氮元素变化2 8 4 2 。l 湿沉降中t n 、t d n 的变化2 8 4 2 2 湿沉降中n h 4 + n 、n 0 3 n 的变化_ 3 2 4 3 干沉降氮元素变化3 5 4 3 1 干沉降中1 n 、t d n 通量的变化3 5 4 3 2 干沉降中n h 4 + n 、n 0 3 。n 通量的变化3 6 4 4 总沉降氮元素变化3 7 4 4 1 总沉降中t n 、t d n 通量的变化3 7 4 4 2 总沉降中n h 4 + - n 、n 0 3 - n 通量的变化3 9 4 5 氮沉降对北里湖的影响4 l 4 6 小结4 3 第五章结论与建议4 5 5 1 结论4 5 5 2 建议4 6 参考文献4 7 致谢二5 3 作者简历毋 苏州科技学院硕十学伊论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 氮是生物生长所必须的重要营养元素，也是控制生态系统结构功能和生物多样性 的关键元素。大气氮沉降是大气科学、环境科学和生物地球化学循环研究的重要内容 之一，对陆地和水生生态系统有着极其重要的作用，在物质循环中扮演着重要角色。 大气氮输入很大程度上决定着地表生物圈的分布。中国已是世界三大氮沉降区之一， 而且随着经济迅速发展，氮沉降必然会呈不断增加的趋势，因此，在我国开展氮沉降 及其对生态系统的影响的研究成为当务之急。 1 2 大气氮沉降 1 2 1 大气中氮的存在形态及来源 大气中主要含氮化合物分为无机氮和有机氮，主要有n 2 0 、n o 、n 0 2 、n h 3 、 h n 0 2 、h n 0 3 、亚硝酸酯、硝酸酯、亚硝酸盐、硝酸盐和铵盐，其中以无机氮居多。 n 2 0 是无色无味的气体，是清洁空气的组分，是底层大气中含量最高的含氮化合 物，它主要来自天然源，即环境中的含氮化合物在微生物作用下分解产生。n 2 0 的惰 性很大，在对流层中十分稳定，几乎不参与任何化学反应。在平流层中会吸收太阳光 中的紫外线分解产生n o ，破坏臭氧层。 无色无味的n o 和刺激性气味的n 0 2 均是大气中重要的污染物，就是环境学中 所说的氮氧化物，用n o 。来表示。它们的天然源主要是有机体腐败过程中微牛物将 有机氮分解为n o ，n o 继续被氧化为n 0 2 。另外，有机体中的氨基酸分解产生的氨 也可以被h o 氧化成n o 。n o 。的人为源主要是矿物燃料的燃烧，燃烧过程中所排放 的n o 。可对环境造成严重污染。城市大气中的n o 。主要来自于汽车尾气和一些固定 排放源。矿物燃料燃烧中所产生的n o 。以n o 为主，通常占9 0 以上，其余为n 0 2 。 n o 和n 0 2 在空气中与n 2 0 反应生成h n 0 2 和h n 0 3 。h n 0 2 和h n 0 3 再与空气 中的金属离子生成硝酸盐和硝酸盐，或者硝酸盐经过氧化形成硝酸盐。 n h 3 是除n 2 、n 2 0 之外大气中含量最高的无机氮，天然源主要是细菌分解生物 遗体。人为源主要包括畜禽养殖、化肥焦化等工业生产、氨肥的使用和逸散。目前人 为源的排放景已经超过天然源，而月排放景还在增加。 g r a e d e l 等人总结并列出了将近4 0 0 种大气中的有机氮化合物，并分为三类：有 机硝酸盐、还原态有机氮和生物有机氮【2 】。 苏州科技学院硕十学伊论文第一章绪论 有机硝酸盐是由天然源和人为源向大气中排放的碳氢化合物和氮氧化物在大气 层中发生光化学反应的产物，因此有机硝酸盐既存在于受污染的大气环境中，也存在 于受人类活动干扰比较小的大气环境中。有机硝酸盐中的过氧硝酸乙酰酯( p a n ) 是 一种可以发生远距离输送的化合物，低温有利于其在大气中长时间存活【3 j 。目前对 p a n 以外的其他有机硝酸盐了解相对较少。 大气中的还原态有机氮主要包括尿素、氨基酸和甲基化胺等。它们的来源有海洋 挥发、农业生产和生物质燃烧，但当前人们对还原态有机氮的产生、挥发机理和全球 传输形式掌握的较少。有研究表明在畜禽养殖场附近的大气中甲胺、二甲胺、三甲胺 浓度很高，有时甚至超出氨的浓度。还原态有机氮在大气中和其他化合物反应很迅速， 不易远距离输送，而是近距离沉降。 生物有机氮主要包括细菌、花粉以及昆虫。这些物质来源于陆地生物系统，目前 还不了解这类有机氮对大气氮沉降的贡献1 4 】。 1 2 2 大气中的氮沉降 人类活动产生的氮元素进入到大气中，通过大气转换和大气环流，6 0 8 0 又 沉降到广阔的陆地与海洋生态环境中。国外从2 0 世界5 0 年代就开始关于氮沉降的研 究，而我国从2 0 世界7 0 年代才开始【5 j 。氮沉降有一定的迁移性，从全球范围来看， 大气氮沉降每年沉降到各类生物群系的活性氮达4 3 4 7 t g 【6 】，沉降到海洋表面的活性 氮达2 7t g 【7 j ，每年向农田生态系统输入氮6t g ，相当于我国年均施氮量的2 5 。大 气氮沉降给陆地及水生生态系统带来严重的影响，因而成为各国研究者和公众广泛关 注的话题。大气中n o 。的来源主要有两方面。一方面是内自然界中的固氮菌、雷电 等自然过程所产生，每年约生成5 1 0 8 t ，另一方面是由人类活动所产生，每年全球的 产生最多于5 1 0 7 t 。人类活动所产生的n o 。多集中于城市、工业区等人口稠密地区， 因而危害较大。在人为产生的n o 。中，由燃料高温燃烧产生的占9 0 以上，其次是 化工生产中的硝酸生产、硝化过程、炸药生产和金属表面硝酸处理等。从燃烧系统中 排出的氮氧化物9 5 以上是n o ，其余的主要为n 0 2 。由于在环境中n o 最终将转化 为n 0 2 ，因此，估算氮氧化物的排放时都按n 0 2 计。根据美国1 9 9 9 年统汁，人类活 动排放的n o 。约5 5 5 来自交通运输，约3 9 5 来自固定燃烧源，3 7 来自工业过 程，约1 3 来自其他源。各国产生的氮污染不仅给本国带来影响，而且污染物质还 能经过数千里的迁移输送到其他国家。n o 。在大气层中的滞留时间大约是1 4 天，平 均迁移距离在几百公里到3 0 0 0 公里之间惮j 。 农业生产活动是大气n h 4 + n 污染的重要来源，氨挥发是氮肥损失的主要途径， 氮肥的氨挥发损失率为1 4 2 3 。农田中挥发出的氨在大气中滞留时间短，在大气 2 苏州科技学院硕十学位论文 第一章绪论 中迁移距离较小，小于1 0 0 公里，不可能与大气充分混合而远离排放源，从而易随大 气沉降而返还排放源与周边地区，其沉降量受本地氨的排放影响较大。为此大气氮沉 降与农田氨挥发有密切关系。苏成国等研究发现：稻田氨挥发与氮湿沉降中n h 4 + n 平均浓度与总量有密切相关【9 1 。氨在云雨等有水的条件下极易溶于水发生湿去除，但 氨的干沉降是一条非常重要的去除途径，黎云等人测定氨的干沉降速率约为0 6 2 c m s 【10 1 。 1 2 3 国内外研究进展 近两个世纪来，全球氮沉降通量变化巨大，人类活动起着决定性的作用。1 9 世 界6 0 年代，全球范围内沉降到陆地和海洋生态系统中的氮元素仅有3 1 6t a ，而到 2 0 世纪9 0 年代中期，氮沉降总量达到1 0 3t g a ，预计到2 0 5 0 年，全球氮沉降通量将 达到1 9 5t g a 【1 1 】。z h e n g 等人曾估算了亚洲的氮沉降通量，他们的研究表明1 8 6 1 年 全亚洲的氮沉降通量只有6t g a ，到2 0 0 0 年已经达到2 2 5t g a ，增长近3 倍，预计 到2 0 3 0 年亚洲地区氮沉降通量将达到3 7 8t g a 【1 2 j 。根据h o l l a n d 等人的研究，近15 0 年来氮沉降的分布有了实质性的变化，工业化以前主要分布在热带地区，主要由土壤 排放、生物燃烧、雷电引起，而现在主要分布在北半球温带生态系统，氮沉降通量增 加4 倍，其中农田和森林接受的氮沉降增加了1 6 倍【1 3 】。o h a r a 等人指出交通、工业、 交通和畜禽养殖是亚洲n o 。排放最主要的原因，并计算得出全亚洲n o 。排放量从1 9 8 0 年的1 0 7m t 增长到2 0 0 3 年的2 9 5m t ，增长2 8 倍，其中中国增长3 8 倍1 1 4 j 。p i n e d a r o i a s 等人在研究布宜诺艾利斯市对旁边的拉普拉塔河的环境影响时发现，每年市区 向河流输送3 5 6 0 0 k 的氮元素，其中通过干沉降输送的为湿沉降的四倍多i l 引。m o r a l e s 等人在调查委内瑞拉的马拉开波湖时发现大气沉降中氮磷元素对该湖的贡献竟然高 于周围排放的污水【1 6 j 。p a e r l 和w h i t a l l 对北美和西欧近海水体的研究表明大约有 2 0 4 0 的输入到海水的氮来自于大气。美围塔霍湖年氮沉降量为2 9 1 1 5k h m 2 ， 近5 0 年水质下降，被认为是大气氮沉降所致【1 7 】。由于人为排放n o 。，美国马萨诸塞 州科德角半岛的总氮沉降了以每十年0 2 6 k h a 。1 的速度增长，1 9 1 0 年至1 9 9 7 年增加 了2 3 【18 1 。 根据中国环境规划院的研究预测，n o 、排放量将从1 9 9 5 年的1 0 6 5 5 1 0 7 t 增加 到2 0 l o 年的2 5 1 0 7t ，2 0 1 0 年后的排放量更大【旧】。遣超普等人通过估算得出，从 1 9 8 0 2 0 0 7 年里，整个大陆区域湿沉降通量从4 9 6t g 增加到1 1 8 0 t g ，增加了1 3 7 ， 其中仅来自于化石燃料燃烧排放的n o x n 就从1 9 8 0 年的1 1t g 增长到2 0 0 0 年的3 4 t g ，n h 4 + n 从1 9 8 0 年的5 5t g 增长到2 0 0 5 年的1 3 4t g 。氮肥的使用、燃料燃烧和 畜禽养殖规模的扩大是氮湿沉降增加的丰要原因【2 0 1 。汤大纲等人在1 9 9 6 年对闽南地 3 苏州科技学院硕十学付论文第一章绪论 区的酸雨进行了研究，指出n o 。是酸沉降主要的致酸前体物之一，而酸沉降中的n 0 3 。 主要来自于当地的源排放【2 1 1 。宋玉芝等人的研究表明，太湖流域大气降水已呈富营养 化水质的特征，大气降水直接向太湖输入的t n 污染总量占总入湖量的1 3 6 ，据香 港合作的同期研究报告表明氮的干沉降通量是湿沉降通量的2 倍1 22 1 。翟水晶等人指出 太湖大气n 沉降量已经远超过太湖湖泊生态系统理论允许值，极易造成太湖n 污染、 改变太湖水质及生态服务功能【2 3 1 。杨龙元等人的研究表明太湖水体由湿沉降途径带入 t p2 0 3 讹。占t p 干湿沉降总量的2 8 4 ，干沉降是湖泊水体受纳大气t p 污染负荷的 主要形式【2 4 1 。王小治等人提出降雨中氮浓度均已超过水体富营养化的阈值1 2 5 1 。袁玲 等人在重庆的研究也表明随着降雨到达地面的氮沉降量较高，远远超过水体负荷的临 界值。同时，n h 4 + - n 对氮沉降量的贡献最大，降水中各种含氮化合物与降雨量无显 著相关性，但氮沉降量与降雨量显著正相关【2 引。张国森等人在长江口的调查显示大气 湿沉降中营养盐月平均浓度之间的差别比较大，与风向即不同的污染物来源和降水量 等因素有关，氮元素的构成以n h 4 + n 为主叨。c h u n g 等的研究显示，对黄海，n h 4 + n 的大气输入量超过河流输入量，而n 0 3 n 的大气输入量小于河流输入量【2 引。 1 2 4 大气中氦元素对生态环境的影响 氮沉降加速土壤酸化，土壤酸化涉及了包括植被、土壤溶液和土壤矿物在内的氮 迁移过程。目前欧洲和北美森林的生长速度比2 0 世纪早期要快，其中大气氮沉降的 施肥效应是很重要的一个原因【2 9 3 0 1 ，但过量氮沉降或者施氮却对树木生长有害。 m a r t i nk o c h y 研究认为，相对来说森林中的树木受大气氮沉降影响较少，林叶下层的 植被可能受大气氮沉降影响更大，因为氮沉降会引起的富营养作用、土壤酸化以及喜 氮植物会因氮沉降而提高群落中的竞争能力，从而改变植物群落生态p 。b o b b i n k 小 组的研究证实了上述假说，他们观察以草本植物和小灌木为主体的草地，发现大气氮 沉降对草地植被组成有明显的影响i 强j 。 茵根真菌是普遍存在的微生物，多数菌类能很好地利用铵态氮却难以利用硝态 氮，大气氮沉降的主要成分若存在较大差异就必然会对土壤菌类产生不同影响。 y o s h i d a 等人在南加利福尼亚州的研究表明当地大气氮沉降以n 0 3 。n 为主，不利于从 丛植菌根的生长【3 3 1 ：而在荷兰以n h 4 + n 为主要成分的氮沉降却有利于菌根的生长 【3 4 】。c a r r e i r 0 等人的研究发现，大气氮沉降抑制木质素分解菌的活性，降低分解木质 素的微生物的群体数量【3 5 】。f o r e s t 等人的研究结果表明n 0 3 n 沉降不仅减少木质素 分解菌的数量，而且会减少所有微生物的生物量，但不会影响细菌、放射菌、真菌的 相对丰度【3 6 1 。 c h e s t e r 等人对北海的研究指出，大气干湿沉降对北海南部的氮输入贡献大致相 4 苏州科技学院硕十学付论文第一章绪论 当，当北海的初级生产力经常受营养元素限制时，在离岸分层的地区大气可能是最重 要的氮源，在欧洲向大气释放的n h 3 和n o 。增加时更是如此p7 1 。w i n c h e s t e r 等人的 研究表明，大气干湿沉降对北佛罗里达1 2 处海域来说，是重要的氮源，河水中总溶 解氮通量与大气氮沉降通量相近【3 8 】。张经等人的研究指出，大气沉降可能成为黄海营 养元素的主要来源，尤其在向上输入很小的真光带，局部的降雨可能导致表层海水暂 时富营养化，从而导致西北太平洋大陆架区的有害赤潮发生【3 ”0 1 。d u c e 等人在黄海 西部的研究数据( 表1 ) 说明，通过大气输入的氮元素超过河流的输入，对海洋生产 力的影响非常显著。 表1 1氮元素通过大气、河流向黄海西部的输送( 10 9m o l a ) 1 2 5 城市大气中的氦元素 城市大气中的氮元素主要是n o x ，首要来源就是燃料燃烧，包括汽车尾气和工业 生产，另外还有郊区农田施肥。n o 。已成为大城市空气中的首要污染物1 4 2 1 ，而机动车 是大气中n o x 的主要污染源【4 引。城市不利于污染物的扩散，因此大气中n o 。浓度较 高。氮氧化物与碳氢化合物在氧化剂和日光作用下形成光化学烟雾。王德宣等人在北 京市区进行氮沉降的研究，发现北京市区n h 4 + - n 分布比n 0 3 n 均匀，n 0 3 - n 的沉 降随着与道路距离增加而降低，说明大气n 0 3 n 主要来自于机动车【4 4 】。陈建华对 北京交通路口大气细颗粒物中c ( n 0 3 。) 的研究证明了机动车排放时影响交通路口空 气质量的重要因素【4 5 】。王长科等人发现北京大气n 2 0 浓度无明显季节波动，但从1 9 9 3 年到2 0 0 0 年，n 2 0 浓度年平均增长率为o 9 ，比n 2 0 浓度全球平均增长率高3 7 倍 【4 6 】。赵凤琴等人研究了长春市大气中的n o 。污染状况，发现n o 。日浓度变化趋势与 车流量变化趋势基本一致，呈现“双峰”结构，由于污染物扩散需要时间，因此n o 。 浓度峰值略滞后于车流量峰值【47 1 。机动车对乌鲁木齐市中心区的贡献率达到 5 4 6 9 【4 引。据徐仁扣报道，在2 0 世纪8 0 年代我国部分城市降水中的n h 4 + n 浓度高 于欧美国家几倍到几十倍，n h 4 + n 浓度北方城市高于南方，主要来自于农田系统中 的n h 3 挥发，8 4 进入湿沉降，1 5 进入干沉刚4 引。张欣对重庆、西安、厦门和珠海 四城市的研究发现，这四个城市城区降水中n h 4 + n 浓度分别是n 0 3 n 浓度的3 6 倍、5 2 倍、2 4 倍和0 7 倍【5 0 1 。邓君俊等研究了南京城郊大气，发现有机氮浓度水平 较高，而无机氮浓度水平较低【5 1 】。宋宇然研究青岛市的大气湿沉降时发现，n 0 3 n 浓度与降水量表现出良好的相关性，说明其受降水晕影响较大；n h 4 + n 浓度也与降 5 苏州科技学院硕+ 学位论文第一章绪论 水量有明显的相关性，但相关性较n 0 3 。n 弱，说明n h 4 + - n 浓度除降水量外，还受 气候条件、人类活动等其他因素影响【5 2 1 。于丽敏在青岛采集到的湿沉降样品中， n h 4 + n 是无机氮中最重要的贡献者，n 0 3 。n 次之【5 3 1 。 1 3 北里湖介绍 杭州西湖在2 0 0 7 年5 月8 日经国家旅游局正式批准为国家5 a 级旅游区，被白 堤、苏堤分为北里湖、西里湖、岳湖、小南湖和外湖五部分。北里湖( 1 2 0 1 4 e ，3 0 2 5 n ) 位于西湖西北角，面积0 6 平方公里，周围被北山路、孤山路和白堤所环绕，旅游景 点众多，有断桥残雪、宝石流霞、平湖秋月等美景，又有西泠印社、岳王庙、秋瑾墓、 苏小小墓、武松墓、放鹤亭、保傲塔等名胜古迹，非常具有旅游价值( 如图1 2 ) ，北 里湖的水质状况直接影响西湖景区的观赏效果。北里湖又通过西泠桥、锦带桥和断桥 与西湖主体相通，因此北里湖的水质也反映了整个西湖的水质，所以把北里湖作为研 究对象。西湖水质近年来已经呈富营养化状态，根据2 0 0 6 2 0 0 9 年国家环保部每年度 公布的中国环境状况公报，杭州西湖都为劣v 类水质，呈轻度富营养状态，主要 污染指标是t n 、t p ，水质没有任何改善。 图1 1 西湖在杭州市的位置 6 苏州科技学院硕+ 学何论文第一章绪论 图1 2 北里湖在西湖的位置 1 4 本论文的研究目的和意义 近年来，大中城市附近的湖泊河流等生态系统的资源潜力和生态功能被严重削 弱，有些湖泊生态系统的水质净化功能已基本丧失。而随着工业化程度的不断提高， 矿物燃料的大量使用，排放到大气中的氮元素不断增加，造成大气干湿沉降中的氮含 量不断增加。大气沉降中的n h 4 + n 、n 0 3 n 日益成为湖泊水体营养物质的重要来源， 使水体氮含量增加，水体富营养化加重，进而整个湖泊生态系统的物质循环和能量流 动被打破，严重影响湖泊生态系统的稳定性。目前有关湖泊水体氮元素的研究比较多， 普遍认为河流径流的输入以及沉积物的释放是湖泊营养盐的主要来源，事实上大气也 成为湖泊水体营养物质的重要来源，只是这一来源普遍被人们忽视。目前研究大气沉 降，大家对于重金属沉降比较感兴趣，研究大气沉降对森林及海洋生态系统的影响也 较为普遍，但氮磷等营养元素经大气传输途径进人湖泊水体生态系统的重要性还未引 起国内有关部门和学术界的足够重视。城市大气中的氮元素组成和氮的干湿沉降对城 市内的具有旅游价值的的景观湖泊的研究开展的还不多。所以本课题具有比较好的创 新性，可以为其他城市内景观湖泊的污染治理研究提供依据和参考。 7 苏州科技学院硕十学何论文 第_ 辛实验材芈q 与方法 第二章采样和分析 2 1 分析仪器和试剂 2 1 1 分析仪器 大气干湿沉降：u v 2 4 5 0 紫外分光光度计( 日本岛津) ； t s p ：采样器、滤膜、镊子、滤膜保存盒、电子天平、恒温恒湿箱； 氮氧化物：便携式空气采样器、吸收瓶、氧化瓶、分光光度计； t n 、t d n ：气相分子吸收光谱仪、镉空心阴极灯、圆形不锈钢加热架、恒温水 浴、气液分离装置、比色管、滤纸； n h 4 + n ：分光光度计、滴瓶、n h 4 + n 蒸馏装置； n 0 3 n ：气相分子吸收光谱仪、镉空心阴极灯、圆形不锈钢加热架、恒温水浴、 气液分离装置。 2 1 2 实验试剂 氮氧化物：n ( 1 萘基) 乙二胺盐酸盐、对氨基苯磺酸、冰醋酸、亚硝酸钠、浓 硫酸、高锰酸钾、盐酸羟胺； t n 、t d n ：过硫酸钾、氢氧化钠、盐酸、三氯化钛、无水高氯酸镁、硝酸钠； n h 。+ - n ：乙醇、浓硫酸、氧化镁、氢氧化钠、水杨酸、酒石酸钾钠、次氯酸钠、 亚硝基铁氰化钠、溴百里酚蓝指示剂、氯化铵； n 0 3 n ：盐酸、氨基磺酸溶液、三氯化钛、无水高氯酸镁、细颗粒活性炭、硝酸 钠。 2 1 3 其他 容量瓶( 5 0 0 m l 、l o o o m l ) 烧杯、移液管、吸球、比色肌、烧瓶、自制干湿沉 降采样罐等。 8 苏州科技学院硕十学付论文第章实验材料与方法 量量舅量量薯量皇量量量邕量量量置量一 2 2 采样点和采样方法 2 2 1n o x 的采集 图2 1n o x 采样点分布 在北里湖周围选取8 个点，分别分布在北里湖的各个方向，采样时根据未来一天 的天气预报中的主导风向来确定采样地点，每天采两个或三个点。采样点选取的原则 是要位于北里湖的周围，并且各点特点鲜明。a 点为白堤，在西湖中央，无车流影响， 且游人比苏堤少，便于采样：b 点为北山路，在北里湖北部且背靠葛岭：c 点为学士 路与东坡路交叉口，在北里湖东边，为西湖与市区的交界处；d 点为浙江工商大学， 为城市内部，空气质量较差：e 点为柳莺宾馆，北里湖东南方，与市区有绿化带相隔： f 点为灵隐寺，山区林区内部，空气质量较好；g 点为虎玉路西湖监测站内；h 点在 杨公堤，北里湖西南方，西湖和林区交界，且杨公堤上车辆多。采样器周围空阔，离 公路距离大于5m ，避免车辆尾气的局部污染影响。每次采样lh ，气体流量设定为 5 0l m i n 。同时还在雨前和雨后采集n o 。，目的是分析下雨前后大气中n o 。的浓度变 化，采样点在白堤和浙江工商大学。采样结束后立即带回实验室分析。采样时间为 2 0 1 0 年6 月2 0 1 0 年1 0 月。 9 图2 2t s p 采样点 因t s p 采样器需要用交流电，所以采样点设在西湖内三潭印月的西湖救援中心。 目的也是了解风速风向对空气中t s p 浓度的影响。将滤膜放在干燥器中2 4 小时以后 称重三次，取其平均值，用滤膜保存盒带至采样点。采样器附近无局部污染源和高大 建筑物，每次采样为4h 。采完样后，滤膜带回实验室放在干燥器2 4 小时以后称重三 次，取其平均值。采样期间可能会有风向的变化，根据各风向持续时间取其主要风向。 采样时间从2 0 lo 年7 月2 0 l o 年l o 月。 1 0 图2 3 干湿沉降采样点 样品分为湿沉降和总沉降。北里湖北部宽广区域有游船，湖中间有为保护南部狭 长区域鸟类生存而设置的隔栏。为防止游人干扰，总沉降采样点设置在南部狭长区域 ( 点a ) ，采样时由西湖水域管理处提供船只。采样架包括高2 5m 的不锈钢支柱和 1 8 0 咖1 5 0i 衄不锈钢托盘，支柱插入湖中竹桩中，托盘离水面1 5m 。托盘上放置 直径1 5 l 蚴，高2 0 0 衄的有机玻璃采样罐，采集总沉降。首先将采样罐用去离子 水洗净，加入去离子水做收集液，以吸附大气中的干沉降，去离子水高度视气温及天 气干燥状况而定，保证采样罐内始终有适量体积的溶液覆盖底部。总沉降每周取一次， 包含一周内的干沉降和期间雨雪天气的湿沉降。 湿沉降采样罐放在与总沉降采样罐直线距离约4 0 0m 的西湖美术馆屋顶上( 点 b ) 。屋顶高7m ，可有效防止游人和近地面灰尘的干扰。每次降水开始前，将同样经 过去离子水洗净的，直径1 5 1 衄，高2 0 0n u n 的有机玻璃罐放上，采集湿沉降。取 每次降水的全过程样( 降水开始至结束) 。检测结果总沉降中氮的总量减去湿沉降即 为干沉降氮的总量【5 4 】。 大气干湿沉降采样时间从2 0 1 0 年2 月1 1 月。 2 3 样品处理与检测方法 2 3 1n 0 2 的检测方法 根据g b l 5 4 3 6 1 9 9 5 盐酸萘乙二胺比色法的原理：空气中的n o 被氧化管氧化成 n 0 2 ，然后所有n 0 2 被串联的第二支吸收瓶中的吸收液吸收，生成亚硝酸，与对氨基 1 l 苏州科技学院硕十学伊论文 第_ 章实验材料与方法 苯磺酸起重氮反应，再与盐酸萘乙二胺偶合，生成玫瑰红色的偶氮化合物。在波长 5 4 0n m 处测定吸光度，比色定量。根据标准曲线的回归方程求出浓度。 取6 支1 0m l 比色管，分别放入0 、o 4 0 、0 8 0 、1 2 0 、1 6 0 、2 0 0 亚硝酸盐标准 溶液( 2 5 0m g n 0 2 。- n l ) ，分别加水至2 o ol ，加人对氨摹苯磺酸显色液8 o om l 。 混匀后于暗