深圳市大气210Pb的活度浓度、沉降通量和沉积速率研究

吴家堡, 李 涌, 刘国卿*, 苏玲玲, 丁敏霞

深圳市大气210Pb的活度浓度、沉降通量和沉积速率研究

吴家堡1, 李 涌1, 刘国卿1*, 苏玲玲2, 丁敏霞3

(1. 深圳大学 物理与光电工程学院 核科学与技术系, 广东 深圳 518060; 2. 深圳技术大学 先进材料测试中心, 广东 深圳 518118; 3. 深圳市环境监测中心站, 广东 深圳 518049)

2017年1月至12月, 研究分析了深圳市大气气溶胶中210Pb的活度浓度、沉降通量和沉积速率。结果表明, 深圳市大气210Pb比活度范围为0.59～4.72 mBq/m3(平均值为1.58 mBq/m3); 沉降通量范围为0.45～ 1.31 Bq/(m2×d) (平均值为0.74 Bq/(m2×d)); 沉积速率范围为0.09～1.44 cm/s (平均值为0.71 cm/s)。研究发现, 深圳市大气210Pb比活度冬季高、夏季低, 其季节变化受气象条件和不同气团来源综合影响。大气210Pb的沉降通量和沉积速率均与降水量呈明显的正相关关系, 提示降雨是大气中210Pb去除的有效途径。

大气气溶胶;210Pb; 沉降通量; 沉积速率; 深圳

0 引 言

铅-210 (210Pb,1/2=22.3 a)是铀衰变系的产物, 来自于母体氡(222Rn,1/2=3.8 d)的衰变。作为颗粒活性核素, 大气中的210Pb一旦生成即被气溶胶粒子所吸附, 随后参与各种大气过程, 最终通过干湿沉降作用汇集于地表。研究表明, 大气中210Pb的活度浓度主要受地表Rn析出率、海拔高度和经度的影响, 其活度浓度在中亚热带和北半球温带大陆地区为最高[1]。

天然放射性核素210Pb 是研究大气物质迁移传输的良好示踪剂。大气210Pb因其半衰期较长, 在现代沉积物计年学中得到广泛应用[2]; 在222Rn源已知的情况下,210Pb的大气浓度数据可作为气溶胶沉降与清除过程的良好示踪剂[3–5]; 另外, 大气210Pb对于不同气团(如大陆性气团或海洋性气团)来源的判识亦提供了一种优良的示踪手段[5–6]。目前, 国内关于大气气溶胶中210Pb的研究较少, 并主要集中于高海拔地区[7–8]。深圳地处亚热带季风气候区, 是我国南方最为重要的海滨城市之一, 亦是我国天然辐射的高本底地区[9]。本工作以深圳市为研究靶区, 拟通过对大气气溶胶与大气沉降的同步观测, 分析大气210Pb的活度浓度与沉降通量, 研究其季节变化规律, 估算大气气溶胶沉积速率, 研究结果有助于认识区域大气物质的迁移传输过程, 为人体健康保护提供科学依据。

1 实验方法

1.1 样品采集

采样点选择在深圳大学实验楼楼顶(22.5°N, 113.9°E), 距地面高度约20 m, 采集时间从2017年1月至12月。大气气溶胶样品用大流量颗粒物采样器(武汉天虹仪表厂)采集, 采集流量为1.05 m3/min, 样品采集前先用无水乙醇擦拭干净, 用玻璃纤维滤膜(Whatman, GF/A, 20.3×25.4 cm)收集大气气溶胶样品, 样品每周采集1次, 每次采集24 h; 大气沉降样品用 FPS-2 型辐射环境干湿沉降自动采样器(长沙湘蓝科技有限公司)采集, 样品采集箱直径为0.55 cm, 高为0.6 m, 每次采样前, 依次用2%的HCl和去离子水清洗采集箱壁和箱底, 每个样品的采集周期约为1个月。

1.2 样品处理

大气气溶胶样品采集后将滤膜折叠成6 cm × 4 cm × 1 cm的小长方体, 封装于塑料盒中, 以便于每一张滤膜在探测器中都有相同的几何衰变条件, 直接置于高纯锗谱仪上进行分析测定。大气沉降样品的处理方法参考文献[10], 每次采样后, 依次用2%的HCl和去离子水清洗箱底和箱壁, 并将清洗液转移到大塑料桶中。用6 mol/L的HCl调节溶液的pH值, 使其小于2, 并按每升样品20 mg的Fe3+量加入FeCl3溶液, 搅拌均匀, 放置24 h。然后缓慢的加入氨水溶液, 调节溶液的pH值约为8.5, 快速搅拌3 min, 慢搅15 min, 放置24 h。最后通过虹吸、离心和干燥, 将样品转移至测量盒中待测。

1.3 样品分析

本实验所使用的探测器型号为 GEM5970, 美国 ORTEC公司生产。其晶体的直径为59 mm, 高度为70 mm,60Co点源1332 keV能量半峰宽不大于1.8 keV, 相对效率为38%。探测器对于210Pb的效率刻度采用中国计量科学研究院定值的气溶胶监测效率校准源(152Eu+137Cs), 根据各能量峰的探测效率进行效率曲线拟合, 获得全能峰效率曲线。气溶胶中210Pb的比活度依据210Pb所发射出的特征射线(能量为46.5 keV, 分支比为4.05%)进行定量分析, 根据式(1)进行计算[10]。

式中,为大气210Pb活度浓度, 单位为Bq/m3;s、b分别为样品峰和本底计数率, 单位为s−1;为特征峰效率;为射线衰变分支比(4.05%);为大气气溶胶采集体积, 单位为m3。

大气气溶胶中210Pb沉降通量按式(2)进行计算[9]。

式中,为大气210Pb总沉降通量, 单位为Bq/(m2×d);为放射性活度, 单位为Bq;为样品收集箱底面积, 单位为m2;为采样周期, 单位为d。由于210Pb的半衰期较长, 大气210Pb的活度浓度与沉降通量未进行时间衰变修正。

1.4 气象数据

样品采集点的气象资料由深圳市环境监测中心站提供, 采用了深圳市南山区华侨城自动观测站的日平均数据, 其中大气PM2.5含量通过环境空气质量自动监测系统(美国热电5030SHARP)自动获取。

2 结果与讨论

2.1 大气中210Pb的比活度

深圳市大气210Pb的比活度范围为0.59～ 4.72 mBq/m3, 平均值为1.58 mBq/m3。表1为不同地区大气210Pb含量比较, 深圳市大气210Pb的比活度与国内北方城市相当[11], 高于我国厦门地区[6]、日本熊本[13]、西班牙马拉加[15]和美国密歇根州的底特律地区[14]。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国, 原煤中通常含有一定的天然放射性核, 在煤炭燃烧的过程中,210Pb会以烟气或者灰飞的形式得以富集并扩散到空气中, 从而增加空气中210Pb的含量, 这可能是我国境内大气210Pb 含量较高的重要原因。深圳虽无燃煤工业, 但在秋、冬时节, 北方“富”210Pb气团往往可伴随东北季风的南下迁移; 另外, 深圳市是我国天然辐射高本底地区之一, 土壤中Rn含量是全国平均水平的7倍[16], 土壤中Rn的释放也可能是深圳市大气210Pb含量较高的重要原因之一。

深圳市大气210Pb的月均含量变化如图1所示, 大气210Pb的活度浓度呈现冬、春季高, 夏季低的特点, 其季节变化特征与我国瓦里关山[7]和杭州地区[11]相似。研究表明, 大气中210Pb的活度浓度主要受地表Rn析出率、海拔高度和气象因素的影响[1]。210Pb是颗粒活性核素, 主要吸附于亚微米级气溶胶粒子中, 大气颗粒物作为其参与各种大气过程的媒介, 亦是影响其近地面含量的重要因素。图2为大气210Pb与PM2.5含量相关关系分析, 两者呈明显的正相关关系(2=0.7), 体现了210Pb作为陆生颗粒活性核素的特点。深圳属于亚热带季风气候区, 雨热同期, 干冷咸至。在冬季, 深圳主要受大陆性气团影响, 大气颗粒物含量较高, 增加了大气210Pb赋存的媒介; 另一方面, 在东北季风驱使下, 北方“富”210Pb气团的南下(见图3, 后推气流轨迹分析)又可使近地面大气210Pb含量得以增加。相对应地, 在夏季期间, 深圳主要受海洋性气团影响, 一方面, 海洋性气团中210Pb含量低; 另一方面,210Pb是颗粒活性核素, 夏季雨水充沛, 大气中的210Pb可以被降雨有效清除; 此外, 雨季的地表透气率较旱季低, 作为大气中210Pb主要来源的母体222Rn, 其向大气中的释放率也表现出雨季比旱季低。综上, 深圳市大气210Pb的季节变化是气象条件和不同气团来源综合影响的结果。

表1 不同地区210Pb比活度对比

图1 深圳市大气210Pb活度的月时间变化

图2 大气210Pb含量与PM2.5的相关关系

图3 深圳市后向大气气流轨迹

2.2 大气中210Pb的沉降通量

深圳市大气210Pb的沉降通量和降水量变化如图4所示, 大气中210Pb的沉降通量范围为0.45～ 1.31 Bq/(m2×d), 平均值为0.74 Bq/(m2×d)。表2为不同地区210Pb大气沉降通量的比较, 由表2可见, 深圳市大气210Pb沉降通量与我国厦门、美国底特律以及日本长崎相近, 但明显低于上海。Du.[5]的研究表明, 上海市大气210Pb沉降通量的高值主要受到中国北方或者西北方沙尘暴的影响, 这也反映了大陆性气团对于大气210Pb沉降通量的影响。

由图4可见, 深圳市大气210Pb沉降通量呈明显的季节变化特点,210Pb的沉降通量最高值出现在8月, 最低值出现在11月和12月。大气中的210Pb主要由土壤中的222Rn衰变产生, 其沉降通量主要受到大气中222Rn含量水平及气象条件的影响。国内外众多研究表明[4, 6], 大气210Pb的沉降通量与降雨量呈显著的正相关关系。从图4可见, 深圳市3～7月降雨量变化显著, 但大气210Pb的沉降通量变化幅度不大。在此期间, 深圳市主要受海洋性气团控制, 大气210Pb的沉降主要受本地222Rn来源影响, 虽然降雨量差异大, 但大气210Pb的沉降通量相对平稳。在秋季期间(9～12月), 深圳市主要由大陆性气团控制, 大气210Pb的沉降通量与降雨量呈显著的正相关关系(2=0.99), 大气210Pb的沉降通量随降雨量的增加而增加明显。需要指出的是, 虽然2月份的降雨量不大(29.9 mm), 但大气210Pb沉降通量高达0.91 Bq/(m2×d), 究其原因, 这段时间是南北季风交互作用时段, 干沉降作用导致210Pb总沉降通量较高。

2.3 基于大气210Pb的气溶胶沉积速率

大气中的210Pb具有固定来源(222Rn的衰变), 又是颗粒活性核素, 其在大气中的赋存形态与其他污染物相类似, 因而可通过对大气210Pb的系统观测, 根据大气210Pb的沉积速率, 估算污染物沉降通量[10]。大气210Pb的沉积速率可由式(3)计算获得[14]。

式中,为大气210Pb总沉降通量, 单位为Bq/(m2×d);为大气210Pb活度浓度, 单位为Bq/m3。计算时取大气210Pb的月平均沉降通量与当月大气210Pb平均比活度, 大气210Pb的沉积速率结果见表3。

由表3可见, 在2017年1月至12月期间, 深圳市大气210Pb沉积速率范围为0.09～1.44 cm/s, 平均值为0.71 cm/s。通过对比发现(表4), 深圳市大气210Pb沉积速率与美国底特律地区[14]、德国纽贺堡地区[22]相当, 但明显低于西班牙马拉加地区[21]。另外, 相较于同期大气7Be沉积速率(平均0.96 cm/s, 未发表数据), 大气210Pb沉积速率略低。这两种核素沉积速率的差异主要缘于其来源的不同,7Be是宇生核素, 主要来自于高层大气; 而210Pb是陆生核素, 近地表大气210Pb比活度较高, 计算获得的沉积速率往往较低。研究表明, 大气颗粒物沉积速率与粒径大小、气象条件的变化密切相关。从表2可见, 深圳市大气210Pb沉积速率在夏季(6～8月)较高, 其值均大于1.0 cm/s, 而在冬季月份(11～1月)较低。为探讨降雨和降雨天数对大气沉积速率的影响, 对两者做了相关关系分析。从图5可见, 大气210Pb的沉积速率与降雨量、降雨天数均呈显著的正相关关系, 其相关系数2分别为0.72和0.77, 提示降雨的湿清除是大气中核素去除的主要途径, 降雨量的大小直接影响大气颗粒物沉积速率的大小。Koch.[25]的模型研究也表明, 降雨的湿清除是对流层中210Pb去除的主要途径, 约88%的210Pb在降水过程中被去除, 余下的12%主要通过干沉降方式被去除。

图4 深圳市大气210Pb的沉降通量和降水量

表2 不同地区大气210Pb沉降通量对比

表3 210Pb的大气气溶胶沉积速率

表4 不同地区210Pb大气气溶胶沉积速率对比

图5 大气210Pb沉积速率与降雨量、降雨天数的相关关系

3 结 论

(1) 深圳市2017年1～12月期间大气210Pb的比活度、210Pb沉降通量和沉积速率分别为0.59～ 4.72 mBq/m3、0.45～1.31 Bq/(m2×d)和0.09～1.44 cm/s, 平均值分别为1.58 mBq/m3、0.74 Bq/(m2×d)和0.71 cm/s。

(2) 深圳市大气210Pb比活度冬春季高、夏季低, 其季节变化特点是气象条件和不同气团来源综合影响的结果。

(3) 深圳市大气210Pb沉降通量、沉积速率与降雨量、降雨天数呈显著的正相关关系, 降雨的湿清除是大气中核素去除的重要途径。

感谢复旦大学陈颖军教授和中国科学院广州地球化学研究所李军研究员两位评审专家对本文提出的宝贵意见。

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Activity concentrations, depositional fluxes and deposition velocities of210Pb in atmospheric aerosols of Shenzhen

WU Jia-bao1, LI Yong1, LIU Guo-qing1*, SU Ling-ling2and DING Min-xia3

1. Department of Nuclear Science and Technology, College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;2. Center for Advanced Materials Diagnostic Technology, Shenzhen Technology University, Shenzhen 518118, China;3. Shenzhen Environmental Monitoring Center, Shenzhen 518049, China

In this study, the specific activity concentrations, depositional fluxes, and deposition velocities of210Pb in atmospheric aerosols of Shenzhen were studied from January to December 2017. Results indicated that the210Pb radioactivity activity concentrations ranged from 0.59–4.72 mBq/m3(with an average of 1.58 mBq/m3), depositional fluxes of210Pb ranged from 0.45–1.31 Bq/(m2×d) (with an average value of 0.74 Bq/(m2×d)), and deposition velocities of210Pb ranged from 0.09–1.44 cm/s (with an average value of 0.71 cm/s). The activity concentrations of210Pb were higher in winter than that in summer; the seasonal variation of210Pb was largely affected by meteorological conditions and air mass origin. The deposition fluxes and deposition velocities of210Pb showed a significant positive correlation with the amount of rainfall, suggesting that precipitation plays an important role in removing210Pb from the atmosphere.

atmospheric aerosol;210Pb; depositional fluxes; depositional velocities; Shenzhen

P593; X831

A

0379-1726(2021)02-0219-07

10.19700/j.0379-1726.2021.02.008

2019-04-20;

2019-07-20;

2019-08-01

广东省自然科学基金(2016A030313037); 深圳市科技研发资金(JCYJ20170818100556755)

吴家堡(1994–), 男, 硕士, 粒子物理与原子核物理专业。E-mail: 89068279@qq.com

LIU Guo-qing, E-mail: liugq@szu.edu.cn; Tel: +86-755-26536232