敦化大桥泥炭记录的积累人为大气铅沉降

张思鹏，卫江伟，杨倩楠，赵红艳

(东北师范大学泥炭沼泽研究所，国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，植被生态科学教育部重点实验室，吉林 长春 130024)

敦化大桥泥炭记录的积累人为大气铅沉降

张思鹏，卫江伟，杨倩楠，赵红艳

(东北师范大学泥炭沼泽研究所，国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，植被生态科学教育部重点实验室，吉林 长春 130024)

[摘要]分析了敦化大桥泥炭地裕家剖面自2 120 a(B.P.)以来泥炭中的铅、锆元素含量，计算了该剖面铅的富集因子、沉降速率，以及岩石铅和人为铅的含量.结果表明，大桥泥炭地该时期总铅含量变化在1.81～7.35 μg/g，平均值为4.24 μg/g.富集因子揭示剖面上部60 cm，相当于1 300 a(B.P.)以来有外来的铅富集，其下几乎无富集.裕家剖面铅沉降速率为0.54～4.97 mg/(m2·a)，呈现随深度加深而增加的变化趋势.铅沉降速率与大气灰尘沉降速率呈明显的正相关(r=0.948，n=14，P<0.01)，表明铅主要来自于大气灰尘.铅沉降速率与岩石铅含量也呈明显的正相关(r=0.784，n=14，P<0.01)，意味着大气沉降的铅主要来自于岩石风化后的自然产物，而人类活动造成的人为铅污染较少.大桥泥炭地积累的人为铅总量为0.729 3 g/m2.

[关键词]富营养泥炭；大气铅沉降；环境变化；铅污染

当燃煤取暖、开矿冶炼、燃烧含铅汽油等人类活动造成的铅含量超过自然水平时，就可能导致大气、水体和土壤的铅污染.为做到防微杜渐，减少威胁东北粮食安全的潜在因素，有必要对东北地区的重金属进行系统研究，以为相关管理政策的制定提供基础数据.

泥炭沼泽是记录重金属铅污染的良好载体，尤其是贫营养泥炭类型[1-3].富营养泥炭沼泽在水-沉积物相互作用较弱的情况下，也可以揭示历史时期的铅沉降.即使富营养泥炭中的铅存在沉积后再移动的现象，积累的人为大气铅沉降也可以作为铅污染的评价指标，因为铅在垂向上的移动对它不产生任何影响[4].长白山区作为人类活动较少的地区，其重金属记录具有提供背景值的作用，尤其是进行剖面研究，在长时间尺度下探讨重金属的变化可以更深刻地认识当前的重金属污染.

重金属的主要来源可分为原地岩石风化和大气沉降，后者是造成土壤污染的重要原因，而铅是唯一列入国家大气环境质量标准的重金属.有关以泥炭沼泽为载体的铅浓度、沉降速率及其与大气沉降的关系最有代表性的研究是20世纪90年代Shotyk及其团队在瑞士JURA山脉开展的一系列工作[5].此后，类似的工作在欧洲大陆内部，包括西班牙、德国、法国、瑞典、比利时[6-10]和北美[11-12]等地区迅速开展，通过研究铅的富集因子、206Pb与207Pb的比值和同一剖面间隔20年的210Pb年代序列变化等情况，揭示了贫营养泥炭记录的铅在剖面上基本不再迁移，并以此重建了当时的大气沉降规律，通过铅的4种稳定同位素(204Pb，206Pb，207Pb和208Pb)丰度组成对比确定了重金属铅的来源.

我国目前已经开展的涉及泥炭记录的剖面铅沉降研究主要针对大/小兴安岭[13-14]、长白山地区[15]和青藏高原地区[16]的贫营养泥炭，对富营养泥炭记录的铅沉降研究相对较少[17].因此，本文对东北泥炭地集中分布区之一的敦化盆地泥炭记录的晚全新世以来的铅含量、沉降速率和富集因子，以及该地区由土壤岩石风化而来的岩石铅、大气沉降的大气铅和剖面积累的人为铅的变化情况进行了研究.

1研究区概况

图1　大桥泥炭沼泽位置图

长白山区位于温带湿润半湿润针阔叶混交林东部地区，受东亚季风影响，雨热同季.年均温2℃～6℃，年降水量700～900 mm.大桥泥炭地位于长白山区的敦化盆地内，行政上隶属于敦化市东南10 km的大桥乡裕家村，地理坐标为43°17′N～43°20′N，128°22′E～128°24′E(见图1)，海拔350～400 m，地表已被开垦为耕地，周围丘陵高500～600 m.泥炭地呈掌状，泥炭层边缘薄、中心厚，平均厚1.2 m，最厚达1.4 m.泥炭地总面积257.25 hm2，储量870.534 kt.矿体已被一冲沟切开，沟内季节性流水，地下水位在3 m以上.

2样品采集及研究方法

2.1样品采集和处理

2000年6月份采用剖面法取样，采样地点位于大桥泥炭地的冲沟旁.用于测量铅元素的样品从地表下2.5 cm处开始取样，间隔为5 cm，共得到28个泥炭样品.样品自然风干后，粉碎、过0.18 mm的细筛.之后，用HNO3-HF-HCIO3在200℃电热盘上进行完全消解，然后转移到25 mL 的试管中定容.总铅含量利用原子吸收光谱仪(ZEEMAN AAS)进行分析、测定，同步测试使用土壤标准参考样GSS-3(国家标准物质GBW-07403)，已知标样的铅质量分数为(26±3)μg/g，实际测得的数值是(25.7±1.7)μg/g，满足质量控制要求.锆含量采用电感耦合等离子体-原子发射光谱仪(PLASMA SPEC(Ⅰ)ICP-AES)进行测定，标准差为1.10 μg/mL.样品的测量工作由东北师范大学分析测试中心完成.

2.2年代测定

样品采用常规14C法进行定年.年代校正采用华盛顿大学提供的年代校正软件，版本为4.1.2和4.3.

2.3铅的富集因子、沉降速率，岩石铅、人为铅沉降的计算方法

铅元素富集因子的计算公式为

fA=A/b.

式中：fA为泥炭样品中铅的富集因子；A为泥炭样品中铅和锆的质量分数之比；b为地壳中铅和锆的质量分数之比.由于地壳中铅和锆的质量分数分别为14.8和203μg/g[18]，故b等于0.073.

计算铅沉降速率时，本文参考Marion使用的方法[16]，即：铅沉降速率(mg/(m2·a))=铅的质量分数(μg/g)×样品厚度速率(cm/a)×容重(g/cm3)×10.

使用无明显人为来源的元素锆作为参考，通过岩石风化提供给泥炭的岩石铅的质量分数为[4]

C=D×b.

式中：C是岩石铅，即岩石风化后进入泥炭样品中的铅的质量分数；D是泥炭样品中锆的质量分数；b来自于地壳的铅和锆的质量分数之比，即0.073.一旦岩石铅确定，外来的人为铅可用下式计算得出：

E=f-C.

式中：E为外来的人为铅的质量分数；f是泥炭样品中总铅的质量分数；C为岩石铅的质量分数.

计算整个泥炭剖面内一定体积的泥炭样品外来人为铅的数量，可采用下式

g=E×ρ×v.

式中：g为一定体积外来人为铅的质量(μg)；E是外来人为铅的质量分数(μg/g)；ρ为泥炭的干容重(g/cm3)；v为样品的体积(cm3).

由于本剖面水分运动以下渗为主，大气沉降占据绝对优势，外来人为铅即相当于大气铅，因此，本文使用Shotyk提出的公式[4]计算大桥裕家剖面从底部到顶部积累的人为的大气铅含量，即

式中：h是积累的人为的大气铅含量；g为外来的人为铅含量；i为第i层泥炭；n是总的泥炭层数.

3结果及分析

3.1年代

大桥泥炭地基底即140 cm处沉降物的14C年龄为2 195 a(B.P.)，校正后的年龄为2 120 a(B.P.)；60 cm处的泥炭年龄是1 410 a(B.P.)，校正后的年龄为1 290 a(B.P.).本文使用的是校正后的年代，年龄深度模型的建立采用分段线性内插法.

3.2总铅和铅的富集因子、沉降速率

大桥泥炭裕家剖面总铅含量为1.81～7.35 μg/g，平均值为4.24 μg/g.剖面变化总的趋势为底层和表层高，中间低(见图2).

裕家剖面铅的富集因子为0.8～3.7，平均值为1.4，在60 cm以下无富集，其上有不同程度的富集，尤其是亚表层20～25 cm间富集最高(见图2).

大桥裕家剖面总铅的沉降速率为0.54～4.97 mg/(m2·a)，变化范围较大，基本趋势是随着深度的增加而增大，120～160 cm处的沉降速率为0～120 cm层的2倍多.

图2　大桥泥炭地裕家剖面铅沉降

3.3岩石铅、外来人为铅和积累的人为大气铅

大桥泥炭地裕家剖面的岩石铅含量为1.0～6.0 μg/g，平均值为2.71 μg/g，剖面的变化趋势是底部高，沿剖面向上变小，到表层略有增高，但远小于底部的含量.外来人为铅的含量为0.01～4.9 μg/g，平均为1.38 μg/g，变化规律与岩石铅相反，表层25 cm以上含量偏高.通过计算得出，大桥泥炭地积累的人为大气铅含量为0.729 3 g/m2.

4讨论

大桥泥炭地裕家剖面的总铅含量与该区其他泥炭地相比，要略小一些，但基本处于一个水平上[15]，这种情况可能与样品的测量偏差有关.富集因子揭示，裕家样品在60 cm以上有富集，而其下无富集，说明铅在剖面上的移动较弱.

为了评价大桥裕家剖面铅的来源，本文参考了Ferrat使用的方法[19]，计算了大桥泥炭地大气土壤灰尘输入速率的历史变化情况，计算公式为

I=(J/K)×ρ×L/100.

式中：I为大气土壤灰尘输入速率(g/(m2·A))；J是样品中钛的质量分数(μg/g)；K是地壳中钛的质量分数，即4 010μg/g；ρ是泥炭密度(g/cm3)；L是泥炭累积速率(cm/A).

计算结果显示，大桥裕家剖面铅沉降速率变化趋势与大气土壤灰尘输入速率的发展趋势一致，相关分析表明，铅沉降速率与大气灰尘输入速率呈明显的正相关(r=0.948，n=14，P<0.01)，表明铅主要来自于大气灰尘输入，也就是说，外来人为铅主要是大气铅.而铅的沉降速率与土壤风化得来的岩石铅也呈明显的正相关(r=0.784，n=28，P<0.01)，即剖面铅沉降速率与土壤气溶胶输入速率显著相关.由此可以看出铅的沉降速率主要受大气土壤灰尘沉降影响，而人类活动造成的铅污染相对较小.

将本文得到的积累的人为的大气铅同瑞士8个泥炭沼泽钻孔的铅含量(1.0～9.7 g/m2)[4]进行对比后，发现大桥裕家剖面积累的人为的大气铅含量偏低(见表1)，这也进一步表明本区受到的人为的铅污染较弱，可以作为现代铅污染的环境背景参考值.

表1　中国长白山区泥炭与瑞士泥炭中积累的人为的大气铅含量比较

大桥泥炭地裕家剖面铅的富集因子表明大约1 300 a(B.P.)以来都有所富集，特别是在530 a(B.P.)以来富集最重.因裕家剖面的铅沉降与当时的大气土壤灰尘输入速率呈正相关，据此推测，15世纪铅富集可能与小冰期时干冷的气候背景下灰尘较多有关，而20世纪以来的铅富集主要是人为活动的结果.

5结论

通过对长白山区敦化盆地大桥泥炭地裕家泥炭剖面样品的铅、锆含量的测试，发现大桥裕家剖面泥炭记录的晚全新世以来铅含量、沉降速率与该地其他剖面在一个水平上.大桥裕家剖面铅沉降和富集主要来自于大气土壤灰尘等自然变化.富集因子显示小冰期较多的铅沉降主要体现干冷的气候带来较多的灰尘；近年来的铅富集可能是人为活动造成的.大桥裕家剖面记录的积累的人为的大气铅含量低于瑞士泥炭，这说明本区铅污染相对较弱.

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(责任编辑：方林)

Cumulative，anthropogenic，atmospheric lead deposition recorded in Daqiao mire，Dunhua Basin，Changbai Mountains

ZHANG Si-peng，WEI Jiang-wei，YANG Qian-nan，ZHAO Hong-yan

(Institute for Peat and Mire Research，State Environmental Protection Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration，Key Laboratory of Vegetation Ecology，Ministry of Education，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

Abstract:The concentrations of lead，zirconium in the Yujia profile of Daqiao mire in Dunhua Basin were analyzed，the enrichment factor，accumulation rates，lithogenic and anthropogenic lead were calculated in this paper.The results show that the total contents of Pb within Yujia profile at Daqiao mire are 1.81～7.35 μg/g，and average value is 4.24 μg/g.The enrichment factors in the upper section of the profile (0～60 cm，correspond to 0～1 300 a (B.P.))are more than 1，while less than 1 in the bottom section of the profile.It seems to indicate a weak lead move in profile.The range of the lead accumulation rates in Yujia profile is from 0.54 mg/(m2·a)to 4.97 mg/(m2·a)，and it becomes smaller with the depth decreasing.The lead accumulation rates and atmospheric dust accumulation rates show a significant positive correlation(r=0.948，n=14， P<0.01).It means Pb mainly comes from the atmospheric dust.The lead accumulation rates and lithogenic lead concentrations also show a significant positive correlation(r=0.784，n=14， P<0.01)，indicating less lead contamination caused by human activity.The total accumulative，anthropogenic lead in Daqiao mires is 0.729 3 g/m2.The enrichment factors of lead in the Yujia profile reveal the most enrichment occured since 530 a(B.P.).

Keywords:minerotrophic mires；atmospheric Pb deposition；environmental change；Pb pollution

[文章编号]1000-1832(2016)02-0122-05

[收稿日期]2014-10-10

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(41471165，41371103，40971036)；吉林省自然科学基金资助项目(20130101081JC)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201510200053).

[作者简介]张思鹏(1990—)，男，硕士研究生；通讯作者：赵红艳(1969—)，女，博士，副教授，主要从事自然地理与湿地生态研究.

[中图分类号]P 531[学科代码]170·5037

[文献标志码]A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.02.026