芜湖市区地表灰尘中黑碳含量分布特征

邓正伟, 方凤满,2*, 江培龙, 张杰琼, 林跃胜

(1.安徽师范大学 国土资源与旅游学院,安徽 芜湖 241003;2.安徽自然灾害过程与防治研究省级实验室,安徽 芜湖 241003)

芜湖市区地表灰尘中黑碳含量分布特征

邓正伟1, 方凤满1,2*, 江培龙1, 张杰琼1, 林跃胜1

(1.安徽师范大学 国土资源与旅游学院,安徽 芜湖 241003;2.安徽自然灾害过程与防治研究省级实验室,安徽 芜湖 241003)

以芜湖市区为对象,分析其地表灰尘中有机碳(OC)和黑碳(BC)含量,了解人为活动对其积累的影响.研究发现,芜湖城市地表灰尘中有机碳含量范围为7.81-38.71g/kg,平均值为22.49g/kg,黑碳含量范围为1.75-31.36g/kg,平均值为10.77g/kg,二者含量均高于一般的土壤，但低于大气粒子中黑碳含量.三个区域BC/OC的平均值大小顺序为中心城区>经济技术开发区>高新技术开发;相关分析表明,地表灰尘中BC含量与有机碳积累呈正比,指示BC的可能来源.城市地表灰尘中BC的来源是矿物燃料燃烧,其分布状况受机动车辆化石燃料燃烧排放的颗粒物质影响.利用Kriging最优插值法制得的黑碳、有机碳空间分布图,呈现出芜湖市区地表灰尘中黑碳含量离工业区、交通繁忙区的距离越近,含量越高,空间分布的差异主要由于区域功能差异造成,与地表灰尘中有机碳的空间分布研究规律相似.

地表灰尘;黑碳;有机碳;空间分布

黑碳(black carbon,BC)是生物质和矿物燃料(煤、石油等)不完全燃烧过程中形成的一类含碳混合物残体,广泛分布在四大圈层中，极地和高山的冰盖中也存在黑碳[1].按照来源可将黑碳分为自然源和人为源2种[2].它们主要形成于生物质材料或化石燃料的不完全燃烧、或者由岩石圈中含碳矿物风化而来.人为活动显著地改变了全球碳循环,尤其是城市化过程中,机动车燃料燃烧、垃圾焚烧过程中都会产生大量CO2和黑碳[3].BC是土壤惰性碳库的重要组成部分, 黑碳的难熔特性和它只产生于火的燃烧过程的特点, 其在沉积物中的记录提供了可靠的天然火历史记录,使得黑碳成为大火事件的指示物,因此在土壤碳循环中占有十分重要的地位,并对土壤有机污染物和重金属吸附有重要影响,已成为全球变化研究的重要领域之一[4].中国的黑碳排放量约占全球排放量的1/4,其中80%是居民燃煤和薪柴燃烧产生的.中国2000年黑碳排放量为149.94万t,主要由燃煤和燃烧生物质所致,其中工业污染、发电厂、交通居民生活、田间生物质燃烧排放分别占36.3%、0.5%、1.8%、54.5%、6.9%[5].沉积物和土壤中黑碳含量一般占总有机碳的9%和4%左右,而在受火灾影响的土壤中,这一比值极高,可达到20%-45%[6].BC含量以及BC/OC值都能较好地反映不同功能区土壤分布情况及质量,其中主要交通干线路边土壤显著区别于其他功能区,说明城市化过程中,交通污染对土壤黑碳含量有显著影响[3].本文以芜湖市区为例,研究了高新技术开发区、中心城区、经济技术开发区共76个地表灰尘样品中黑碳的含量水平与空间分布特征,旨在为评价人为活动对地表灰尘黑碳积累的影响提供科学依据.

1 材料与方法

1.1研究区概况

芜湖市地处长江下游南岸, 位于安徽省东南部, 市区辖镜湖、弋江、鸠江、三山四个区,市区人口105.58万.芜湖市通过加速调整产业结构, 大力实施外向带动战略,经济得到大力发展,现已成为安徽现代工业的发祥地和长江流域经济中心之一.本文为更好地研究人类活动与地表灰尘中黑碳分布特征关系，根据芜湖市产业布局、交通流量、人类活动等特点,将研究区划分为高新技术开发区(新建区,以高新技术产业和高校园区为主导)、中心城区(人类活动频繁、交通密集区)、经济技术开发区(工业密集区)(图1).高新技术开发区的土地利用类型主要以耕作的水稻田为主,但现在大部分已转变为科教与建筑用地,该区南部与繁昌的水泥产业集群的距离比较近;中心城区是城市的建成区,人口居住密集，同时也是交通、娱乐和商业办公主要地区;经济技术开发区是新建立的国家级开发区,主要分布有电子电器、汽车等支柱产业.

图1 研究区样点分布图Fig.1 The dust sample

1.2样品采集与处理

采用近似网格布点, 为使样点具有较好的代表性，采用近似网格法(1km×1km)布点,具体根据污染源的位置、交通干道的分布以及区域内土地利用方式等不同加密或稀疏.地表灰尘在降雨冲刷48h后分布和累积量恢复到正常水平后,用塑料簸箕和塑料毛刷在每个网格中心采集多个灰尘样品,装入自封袋密封保存.共采集样品76个,其中高新技术开发区22个,中心城区38个,经济技术开发区16个.用不锈钢镊子去除杂物,低温35℃下烘干过20目(<0.85mm)尼龙网筛,用玛瑙研钵研磨过100目(<0.15mm)尼龙网筛用于有机碳、黑碳的测定.

1.3实验方法

考虑到地表灰尘的化学组成与土壤相似,本文采用与土壤相同的方法:重铬酸钾氧化法[7]测定城市地表灰尘中的有机碳.采用Song等[2]介绍的方法测定黑碳含量，其测定过程为:(1)称取3g左右过100目的干燥灰尘样品加入离心管;(2)加入15ml 3mol/L HCl除去碳酸盐反应24h,4000r/min离心6min后倒出上清液,加入约5ml去离子水后用橡胶棒搅匀,冲洗橡胶棒,同时控制离心管中溶液低于30ml,以免离心过程中溅出,将离心管置于超声波清洗器中清洗5min,再次离心,此过程重复四次;(3)加入15 ml 10mol L/1 HF:1mol/L HCl除去硅酸盐反应24 h,离心6min后倒出上清液,加入约5ml去离子水后用橡胶棒搅匀,冲洗橡胶棒,同时控制离心管中溶液低于30ml,清洗5min后再次离心,重复四次;(4)加入15 ml 10mol/L HCl反应24 h,除去可能生成的CaF2,离心6min后倒出上清液,加入约5ml去离子水后用橡胶棒搅匀,冲洗橡胶棒,清洗5min后再次离心,重复至第四次去除上清液; (5)加入15ml 0.1mol/L K2Cr2O7：2 mol/L H2SO4,置于55℃恒温振荡器中除去有机碳,振荡反应60 h,过程中离心管液体减少时加入去离子水保持溶液总量;(6)得到的剩余物即为黑碳样品,离心、烘干后用重铬酸钾氧化法测其黑碳含量,在换算成样品处理前黑碳含量.

2 结果与分析

2.1芜湖市区地表灰尘中黑碳含量水平

芜湖市区地表灰尘中OC含量中心城区(24.32g/kg)>经济技术开发区(22.96g/kg)>高新技术开发区(20.20g/kg).芜湖市区地表灰尘中BC含量范围为1.75-31.36g/kg,平均值为10.77g/kg,比浙江内多数城市(9.24g/kg)的地表灰尘中黑碳平均含量高.地表灰尘中BC平均含量由高至低依次为:经济技术开发区(11.73g/kg)>中心城区(11.63g/kg)>高新技术开发区(8.95g/kg),经济技术开发区和中心城区BC含量较高,主要是因汽车尾气排放强度较大,而高新技术开发区尚处于发展阶段,为新建区和高校园区,车流量没有中心城区和经济技术开发区大,可见,在区域(如芜湖市区)尺度内,车流量对黑碳的分布差异产生影响.另外,还与经济技术开发区燃煤的农居点、芜湖发电厂及汽车工厂等大量燃料燃烧有关,目前该区对灰尘控制措施力度仍不够.

BC的地域分布差异性特征反应其所受人为活动影响,城市地表灰尘中BC含量更多地受化石燃料燃烧来源的影响,尤其是我国人口数量庞大，交通道路状况仍需改善，燃油机动车保养维修和日常检查系统不完善,机动车排放的污染物比国际水平高出数十倍[3].一些燃油不完全燃烧所释放的含黑碳物质的颗粒物,最终会落入城市地表灰尘或进入土壤中,地表灰尘中黑碳含量的异常正是这种污染的重要标志.

表1 芜湖市区地表灰尘有机碳、黑碳含量统计Table 1 Statistical analysis of organic carbon, black carbon contents in the surface dusts

2.2芜湖市区地表灰尘中的黑碳含量频率分布

将地表灰尘中黑碳含量分为<1、1-5、5-10、10-15、15-20和>20g/kg 6级来研究其分布频率(图2).结果表明,研究区灰尘中BC含量主要集中分布在5-10g/kg之间,占样品数的42.11%;其次为10-15g/kg之间,占样品总数的23.68%;其他黑碳含量等级的样品相对较少.何跃等[8]将土壤黑碳划分为五级,依次为(g/kg):<1、1-5、5-10、10-15、>15,发现土壤黑碳含量频率在<1g/kg级含量最多,占总样本的50.5%.本文研究结果为地表灰尘中黑碳含量>1g/kg的频率分布均小于其它频率分布.地表灰尘黑碳含量水平高于土壤,说明地表灰尘中黑碳的地域分布特征和土壤所受人为活动的影响不同.

2.3地表灰尘中黑碳占有机碳的比例

图2 地表灰尘中不同等级黑碳含量频率分布Fig 2 Frequency distribution of the proportion of black C in the surface dusts

图3 地表灰尘中黑碳占有机碳比例频率分布Fig 3 Frequency distribution of the proportionof BC in organic C in the surface dusts

土壤中黑碳占有机碳的比例在不同地区有明显差异.刘兆云,章明奎[4]报道浙江省几种人为土壤中BC/OC的比例在0%-53.20%之间,刘兆云等[9]报道浙江林地表土层(0-10cm)和亚表层(10-20cm)黑碳含量分别占有机碳总量的11.87%-21.40%和31.3l%-27.13%.张履勤等[10]报道不同土地利用方式红壤和黄壤中黑碳占有机碳的比例在8%-26%之间.黄佳鸣等[11]报道浙江省地表灰尘中BC/OC的比例在14.35%-63.47%之间.在城市大气气溶胶里,如果BC/OC值在0.11±0.03之间则认为黑碳的主要来源是生物质的燃烧;如果在0.5左右,则认为黑碳的来源主要是化石燃料的燃烧[5,12].本研究中地表灰尘的BC/OC比值在15.66%-74.17%之间, 其中在30%-40%和40%-50%两个区间的分布频率最高(图3),分别达到23.68%和27.63%,二者共占总样品数的51.31%.芜湖市区地表灰尘中BC/OC比值略高于城市土壤中BC/OC的比值,说明灰尘中有机碳的来源与人类活动,尤其是交通因素影响有关.地球上人类活动如化石燃料与生物质燃料不完全燃烧,产生的排放物中含有大量黑碳,这些含有黑碳物质的颗粒物会直接进入大气和地表灰尘中,最终以向下迁移或径流方式进入土壤或水体.已有研究表明土壤BC/OC值的大小可能与人类污染活动强度有关,或者说反映了不同燃烧活动的物质来源[8,12],灰尘是这些燃料产物中黑碳扩散的媒介,地表灰尘中BC/OC比值异常正是人类活动造成污染的重要标志,其大小在一定程度上反映了土壤的污染程度[10],地表灰尘中的有机碳在很大程度上与地表生物过程有关,其积累主要为非黑碳态有机碳,是生物质矿化的结果.芜湖市区经济技术开发区、中心城区、高新技术开发区地表灰尘中BC/OC值分别为0.4538、0.4759、0.4517,与有机碳和黑碳的变化顺序一致,但中心城区BC/OC值最高,与中心城区的车流量高于经济技术开发区和高新技术开发区有关,直接受交通因素影响,说明化石燃料的燃烧是地表灰尘中黑碳的主要来源, 这与中心城区地表灰尘中BC含量高于经济技术开发区和高新开发区一致，说明在城市地表灰尘研究中,BC/OC值可以大致判断黑碳的主要来源.

2.4地表灰尘中黑碳含量与总有机碳的相关性分析

地表灰尘中OC和BC的含量之间具有显著的相关性(R2=0.6474,p<0.01)(图5).城市地表灰尘中BC含量较高以及与OC良好的相关性表明,城市地表灰尘中总有机碳的固定过程中黑碳可能扮演着重要作用,也可能与黑碳组分存在直接相关.城市地表灰尘中所表现出的黑碳含量的特征在自然土壤中很少出现,说明人类活动对直接接触的地表环境中黑碳含量影响显著.

图4 城市地表灰尘中OC和BC的相关性Fig. 4 Correlation of OC and BC contents in the urban surface dusts

2.5黑碳与有机碳的空间分布

图6为地表灰尘黑碳与有机碳的空间分布图.可见BC在中心城区、中心城区与经济技术开发区的交界处含量值较高,表明人类活动频繁,尤其交通比较密集,汽车尾气的排放是黑碳的主要来源;OC较高值主要集中分布在中心城区,与表2中的平均值较高一致.

3 结论

图5 城市地表灰尘中黑碳与有机碳的空间分布Fig 5 The distribution of BC and OC in the urban surface dusts

因城市不同功能区之间人为作用方式、强度不同,地表灰尘中有机碳和黑碳含量在城市不同功能区之间表现出差异性.芜湖市区地表灰尘中黑碳含量在1.75-31.36g/kg之间,平均为10.77g/kg,集中分布在5-10g/kg之间,占整体含量的42.11%.地表灰尘中BC平均含量由高到低依次为:经济技术开发区(11.73g/kg)>中心城区(11.63g/kg)>高新技术开发区(8.95g/kg);有机碳含量表现出同样的趋势. BC空间分布的差异主要由于区域功能差异造成.BC/OC比值为中心城区(0.4759)>经济技术开发区(0.4538)>高新技术开发区(0.4517),BC/OC比值能较好地反映各功能区地表灰尘的差异,说明城市交通污染对地表灰尘中黑碳含量有显著的影响,主要来源是矿物燃料燃烧,BC/OC值的大小能在一定程度上指示城市地表环境的污染程度.

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BlackCarbonConcentrationDistributionCharacteristicsinUrbanSurfaceDustofWuhuCity

DENG Zheng-wei1, FANG Feng-man1，2*, JIANG Pei-long1, ZHANG Jie-qiong1, LIN Yue-sheng1

(1.College of Territorial Resources and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241003，China; 2. Anhui Key Laboratory of Natural Disaster Process and Prevention, Wuhu 241003, China)

To understand the impact of human activities on the organic carbon(OC) and black carbon(BC) accumulation, organic carbon(OC) and black carbon(BC) content in urban surface dust of Wuhu were analyzed.Results found that organic carbon content in surface dust ranged from 7.81-38.71g/kg,with an average of 22.49g/kg.Black carbon content varied from 1.75-31.36g/kg, with an average of 10.77g/kg, whose levels are higher than that of general soil, but less than particle black carbon content in the atmosphere. Order of BC/OC average shows: central city area>economic and technological development area>new technology development area. Correlation analysis showed that the BC content and OC in surface dust is accumulated, suggesting that urban surface dust of BC is the source of fossil fuel burning, primarily from vehicle emissions of particulate matter. Optimal using Kriging interpolation method, spatial distribution show that their BC contents in urban surface dust correlated with the distance to industrial area, the traffic area and the spatial distribution difference mainly due to regional function difference. Results above suggest that the surface dusts can be a source of OC in environment.

surface dust; black carbon; organic carbon; spatial distribution

2013-07-04

国家自然科学基金(40901258)；高等学校博士学科点专项科研基金(20123424120003).

邓正伟(1987-),男,安徽马鞍山人,硕士研究生,主要从事土壤与环境研究.方凤满(1974-),女,安徽池州人,教授,博士生导师,主要从事表生环境中污染物的迁移与转化研究.

邓正伟，方凤满，江培龙，等.芜湖市区地表灰尘中黑碳含量分布特征[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2014，37(1)：58-62.

X50

1001-2443(2014)01-0058-05