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酸雨是目前人类所面临的主要环境问题之一,近些年我国已成为继欧洲和北美之后的世界上第三大酸雨区。现阶段我国受酸雨影响的地区约占总国土面积的30%,并呈现出加重和蔓延的趋势,给我国的经济建设和人民生活造成了巨大的损失,严重影响了我国经济、社会的可持续发展。大气降水化学组成、物质来源及其贡献是酸沉降研究的重要内容,可以为研究酸雨成因、发展趋势和制定相应政策提供依据。 近年来,学者们对全国各地大气降水中雨水的酸度、基本化学组成和酸沉降量进行了大量的研究。但是对于降水中碱性离子含量、沉降通量及其中和能力的相关研究报道较少,对于降水中碱性物质的来源、贡献比例等方面研究就更为缺乏,使得我们在酸雨研究工作中缺乏大气中碱性物质减少所带来的连锁反应方面的相关数据和研究基础。同时,硫(δ34S)和锶(87Sr/86Sr)稳定同位素地球化学理论和方法为我们更好的理解和阐明降水中硫和钙的来源及其物质贡献量提供了重要的技术手段,但目前为止,我国关于大气降水中锶同位素组成特征的研究十分薄弱,缺乏大尺度长时间的研究,也缺乏锶和硫同位素联合应用的研究。 本研究选取兰州、北京、天津、池州、贵阳和杭州六个典型城市作为研究对象,进行了为期一年的降水采样,测定了降水样品的酸度、主微量元素含量和δ34S、87Sr/86Sr值,以此来了解我国典型城市的降水化学和硫、锶同位素组成特征,运用相关性分析、富集系数、气流后向轨迹模拟和同位素示踪等方法对各研究区降水中物质的来源及其相对贡献进行辨识和定量评估,在对降水的酸度与其酸、碱性离子的相关关系进行分析的基础上,对各研究区降水中碱性离子的中和作用进行评估和对比研究,得出如下认识和结论: (1)我国南、北方城市降水的酸度和化学组成特征呈现出明显的区域差异,北方城市降水的pH值和离子浓度要明显高于南方城市。由于各地不同的污染物排放源和气候条件,各研究区降水的酸度呈现出不同的季节性变化趋势。各研究区降水中的主离子组成具有相似性,Ca2+和NH4+是主要阳离子,SO42-是主要阴离子,表明目前我国降水仍然以硫酸型污染为主。 (2)兰州、北京的酸沉降有加重趋势,无论是酸度还是酸雨频率都逐年增加,这不仅与硫排放量的增加有关,还可能与当地实施各项环保措施导致大气中碱性颗粒物大量减少有关。而贵阳地区,由于近年来实施的SO2减排措施,降雨酸度有所减弱,酸雨频率有所降低。杭州降水的酸度虽然没有明显增强,但是离子浓度水平有所升高,大气污染问题同样不容忽视。 (3)北京、天津、池州、贵阳和杭州大气降水的硫同位素(值)组成存在明显差异,各地区降水的硫同位素组成与当地使用的燃煤有关。各地降水的δ34S值均表现出冬季高夏季低的波动现象,其中北京和天津降水的这种季节性变化特征可能与冬季燃煤排放污染物增多以及同位素平衡分馏的温度效应有关,池州、贵阳和杭州降水的这种季节性变化特征则可能是由夏季生物成因硫的大量释放和同位素平衡分馏的温度效应导致的。 (4)由于所处区域地质岩性、气候条件和人为活动等情况各不相同,各研究区降水的锶同位素组成特征和季节性变化存在明显差异。兰州和贵阳降水的锶同位素(87Sr/86Sr)组成分别与当地的黄土和碳酸盐岩接近,且不具有明显的季节性变化趋势;北京和天津降水的锶同位素组成在春季受到了来自北方黄土、沙漠沙尘的影响,具有较高的87Sr/86Sr值;池州和杭州降水中的锶受到人为活动的显著影响,其87Sr/86Sr值均不具有规律性的的季节变化。 (5)根据离子化学组分特征判定了降水中物质的来源,各研究区降水中绝大部分SO42-和NO3-来自人为源输入,与自化石燃料的燃烧密切相关;几乎全部的K+、Ca2+、Mg2+都为陆相来源,主要来自岩石和土壤风化;NH4+则主要来自农业活动、生物质燃烧和动物粪便等。利用硫同位素数据进一步计算得出人为来源硫在北京、天津、池州、贵阳和杭州降水中的平均贡献率分别为92%、86%、74%、72%和77%。降水的锶同位素组成特征和化学组分数据表明,兰州降水中的锶主要来自周围黄土沙尘,同时西北和北部沙漠沙尘也有一定贡献;贵阳降水中的锶主要受碳酸盐岩控制,同时人为活动输入也有一定贡献;北京和天津降水中的锶受海洋、北部沙漠和黄土沙尘以及人为活动排放的共同影响;杭州降水中的锶主要来自海水和人为排放;池州降水中的锶则主要为人为活动输入。 (6)各研究区降水中的酸性物质均受到了碱性离子不同程度的中和作用,各地降水中的主要中和离子是Ca2+,其次是NH4+,它们对兰州、北京、天津和贵阳降水中酸的中和比例分别为88.0%、86.8%、86.3%和83.4%,要明显高于池州和杭州降水中的比例。