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有机氯农药是环境优控污染物中最为典型的一类有机污染物,具有持久性、迁移性、生物累积性以及明显的生物毒性。在国内外的研究中都属于研究热门。其在环境中能持久的存在,而在有机氯农药中HCHs和DDTs又是有机氯农药中表现最为突出的两种污染物质。我国曾经大面积使用过这两种农药。根据研究报道在不同的环境介质中其检出率一直处于较高范围。
大气与水一样也是一种流体,具有流体的一切物理特性,地球上空到处充满了这种流体,环绕着地球进行运动。也就是地球大气对太阳辐射相应的综合结果,即大气环流就是大范围的大气运动状态。研究大气环流的重要意义就在于大气环流是地气系统进行热量、水分等的交换和能量转衡和转换的重要机制,又是对全球各种物质的输送、平衡和转换的重要途径。
青藏高原是世界的屋脊,是我国最大的高原,世界平均海拔最高的高原,也是全球环境的背景值点,在世界上有着举足轻重的地位。本论文在青藏高原东缘与四川盆地西缘之间建立研究剖面,讨论剖面上有机氯农药在土壤、水体、干湿沉降和大气中的含量特征以及空间分布。并针对不同点位之间结合高程和季节变化,探讨有机氯农药在剖面上的季节变化特征,通过大气环流流场图揭示盆地到高原有机氯农药的传输模式,增进对有机氯农药在大气环流背景下的传输行为的理解。
第一部分研究了剖面上各种介质中有机氯农药的含量及其分布。剖面土壤中有机氯农药的检出率为100%,但是从不同的同分异构体上看部分点位上有少量的β-HCH、γ-HCH和p,p-DDT未检出。HCHs各个异构体的含量分别为:0.12-2.74ng/g、N.D.-5.06ng/g、N.D.-1.68ng/g、0.26-4.96ng/g。DDTs含量要远远高于HCHs,最高值为110.53ng/g。有机氯农药总体含量上DDTs占据了主要部分,占总有机氯的69%,只在10号点位上DDTs的含量没有超过HCHs为12%。
从季节上来看,大气中有机氯的含量的高低与其本身的性质和大气温度的高低相吻合。研究剖面上大气中有机氯含量明显呈现出夏季>春季>秋季>冬季。大气中最低含量出现在11号点位上为0.21ng,最高含量出现在夏季的6号点位上为510.31ng。夏季高含量占到整个研究点位的64%,只在4、7、11号点位上没有占到主体含量,但是同时也发现这几个点位秋季含量明显增高。原因是该点位的大气中的含量因为受到地形的影响所导致的。
大气湿沉降中OCPs的检出率为100%,从整体含量上得出HCHs明显高于DDTs,只有在6号点例外。HCHs含量范围为51.91-119.38ng,最高值出现在3号点位;DDTs含量范围为4.53-539.17ng,最高值出现6号点位。整个剖面上HCHs的分布较为均一化,整个剖面上分布曲线较为平直,波动较小。而DDTs因6号点含量异常高,导致有明显的起伏。剖面上有机氯农药的分布趋势是相同的,虽然HCHs与DDTs之间的含量不同,但他们之间的变化规律是相一致的。大气干沉降中OCPs的检出率是100%,HCH类污染物总体含量最高的是β-HCH,各同分异构体的含量范围分别为α-HCH(3.25-20.19ng),β-HCH(24.74-14.60rig),γ-HCH(5.15-54.26ng),δ-HCH(2.16-25.30ng)。DDTs类化合物总体含量最高的是p,p-DDT,其次是o,p’-DDT,DDD与DDE的含量则较为接近。各化合物的含量范围分别为o,p-DDT(0.56-79.90ng),p,p-DDT(2.28-162.98ng),p,p-DDD(0.29-19.16ng),p,p’-DDE(0.14-1.97ng)。
水体中HCHs的含量比较低,含量范围在2.23-13.20ng/L之间,HCHs中δ-HCH含量最高;DDTs的含量范围27.23-32.48ng/L,含量最高的是o,p-DDT,说明此时研究区还存在三氯杀螨醇的使用。从整个水样的含量分布上看山顶水样含量最少,高原地区的水体比盆地区域的水体的含量要低。说明了高原区受到的污染程度没有盆地区高。但比较各个同分异构体可以看出,各个异构体之间的含量变化趋势较为一致,含量变化不是很明显,变化主要集中在点位上,依旧是o,p-DDT的含量最高。
从剖面上的土气交换逸度上看,在整个采样年度上,各化合物fs>fa比例分别为α-HCH占73%,β-HCH占64%,γ-HCH占55%,δ-HCH占64%,o,p-DDT占73%,p,p-DDT占82%,p,p-DDD和p,p-DDE则都是占100%。研究剖面上总体情况,土壤的逸度值明显高于大气。在大部分点位上都是从土壤中挥发到大气中,只有少数点位上是从大气进入土壤的。充分说明此时研究区的土壤属于有机氯农药的源。这和其采样前后的OCPs的含量差异保持一致。可以证明研究区的有机氯农药正在从土壤中进入大气中。从不同种类农药之间可以看出由于HCH类比DDT类更加容易挥发,有着较高的蒸汽压,大气中含有HCH类农药的比例也相应的较高。在土气交换之间HCH类农药更加的频繁,经常在两种介质之间相互转移。因此DDT类土气交换基本上是土壤在向大气挥发,方向单一性较高。大气中DDTs的含量在时间跨度上都小于土壤的含量,这正好与DDTs的特性相吻合。从不同点位上来看,土气交换频繁的点位集中在盆地与高原的分界线上,在6号点位上HCHs的沉降明显。充分说明了在该点位上,土壤受到大气远程传输而来的HCHs的污染十分明显。
第二部分分析了在大气环流的影响下有机氯农药的远程传输。从大气环流图上逐月分析,12月,大气流向与研究剖面之间的夹角总体上有所减小。此时在整个剖面上风流经的方向不一致。剖面1号点位距离风力中心较近,而远离1号点位的其他点位,随着高程的增加而远离风力中心。1月份我国大陆为冷高压控制,在该月份高原地区的大气环流态势依然是流经该区域,而在盆地区,来自不同方向的两股气流交汇于该地区,形成高压脊。因此在盆地区的气流相会,造成明显的天气变化,可能有大量的环境交换行为发生在该区域。2月,在整个研究年份中冬季OCPs的含量是最低的,大气中HCHs含量极少,只有1号点含量较高,同时1号点位在大气平均流场图中,经常位于风的交汇处。3月剖面上风向发生局部变化,整个剖面上的点位于风向的方向基本上都是呈现90°夹角,研究区风压变小,风速减缓。4月整个剖面上除了处于盆地中的1号点略微受到了来自其他方向的气流的影响,剖面上其他各点都被来自印度洋的单一气流所控制。5月大气流场图在研究区发生了明显的变化。气流的方向开始偏向剖面的设置方向,气流的流动方向开始转变。6月的气流流场的流向更加趋近于剖面的方向,相交点向前移动,交汇处进一步靠近高海拔地区。7月,变化较小,研究区长时期的处于同种环流的控制下,此时这种情形有利于OCPs的远程传输。8月大尺度上的环流状态发生了改变,有比较明显的气流通过了四川盆地后,吹向了研究剖面。9月在大尺度上受到高低气压的同时影响,来自太平洋的气流离开了研究区域。10月由于亚洲高压的加强,气流与剖面的交点更多的偏向于垂直方向,并且气流的走向发生了变化,导致有机物传输的方向也发生了变化,上月份的汇区转变成为了源区。11月研究剖面上各点之间含量影响较小,可以看出在高原区大气的流动基本属于流经该地区,向着黄土高原汇集。
通过大气流场图判断有机氯农药的来源,在研究区上11到4月的主导风向为西南风,研究区处于冬春季节;5到10月份的主导风向是东南风,研究区处于夏秋季节。在整个自然年中研究剖面的方向与主导风向方向都是处于相交的模式下。但在以东南风为主导风向的月份里,主导风向与研究剖面交角较小,有利于此时的有机氯农药从盆地到高原的远程传输。在不考虑微地形的情况下,大气环流的运动对研究剖面上点位之间的有机氯农药的传输有直接推动的作用时间长达6个月。此时研究区的季节也更加有利于有机氯农药的传输。在5-10月期间研究剖面上为一年中最好的时节,温度和天气条件更加有利于有机氯农药的挥发和沉降的。因此推断在东南风为主导风向的月份里,研究剖面上的有机氯农药更加容易被大气环流的运动输送到其他地区,同时来源于其他地区的有机氯农药也更加容易沉降到研究剖面。10到4月份青藏高原属于源区,大气传输的方向是向外传输的,5到9月份,青藏高原属于汇区,大气传输的方向是向青藏高原汇集的。在5个月份内青藏高原地区拥有低气压区,气流在青藏高原有明显的汇集。
从整体上分析研究剖面上大气环流所来源的方向,大多都源自与印度地区,在高海拔地区显现的尤为明显,而来自盆地区域的次之且主要集中在低海拔地区。从整个盆地到山区,在不考虑微地形的影响下有机氯农药的来源主要属于通过大气环流长距离从印度迁移到研究剖面上。剖面点位之间的影响,由于通过大气环流影响的月份相对较少,因此不很显著。从大气环流的尺度上所得到的结果是直接由盆地向高原地区传输相对较少,大多来至于其他地区。并且由于气流方向始终与剖面相交,因而可以携带剖面上的有机氯农药迁移到其他地区。通过研究区前后土壤含量的对比,也应证了在研究剖面上是有机氯农药的源区,受到大气环流的影响,把该地区的有机氯农药迁移到了其他地区。
HCHs类农药在山地区的含量占据绝大多数,其次是高原区,最少是盆地区。在山地区,大气对流活动明显,HCHs较易溶于水,能被大量的雨水带到海拔较高的地区,通过高山冷凝效应,沉降到山地区。盆地中含量最少说明在HCHs被禁用以来,过去由于盆地区是HCHs大量使用的地区,现在的含量居然下降到了最低,其原因在于盆地中的HCHs从土壤中挥发出来,随着大气环流的运动传输到了其他区域,因此使原地残留的HCHs的含量逐渐减少,也进一步说明了在盆地区没有新的HCH类的农药的使用。
总体含量上看盆地区的DDTs所占的比例最高,其次是山地区,最少是高原区。分布明显是随着高程的增加含量在逐步的减少。说明了DDTs正在缓慢的向其他的地区迁移。只是迁移的速率没有HCHs的快。另有一种可能的原因就是在盆地区依旧存在三氯杀螨醇的使用,造成盆地区含量依旧很高。只比较山地区和高原区之间的关系,DDTs和HCHs有着相同的分布,山地区要远远高于高原区。
在研究区不同地形下,因受到的大气环流的来源,气流的方向,以及数量的不同。对剖面上OCPs的分布有着明显的影响,在盆地区有着独立的气流控制,其有机氯的传输被限制在盆地区域内均一化分布。在山地区,因其受到两股气流的影响,其气流都来源于有机氯农药高残留区域,因此对研究剖面上山地区的含量有明显的影响。在高原区,虽然受到的气流来源不定,但其一直处于高原清洁区,因此受到的影响较小,导致高原地区有机氯的含量没有明显的增加。充分说明在大气环流的背景下充分考虑到地形的区别,可以准确的区分出有机氯农药的不同来源。但同时也要考虑到不同月份之间大气环流的差异所造成的传输方向的改变。