南昌前湖区域分段降水中化学组分的分布特征与成因分析

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2020年5月至9月,在南昌前湖区域利用APS-3A型降水自动采样仪对降水进行分段采集。研究期间观测了20个降水事件,收集了88个分段降水样品,分析了分段降水中碳组分(WIOC、EC)和离子组分(无机离子和有机酸根)的浓度分布特征和相关性,基于分段降水样品中化学组分的分布定量计算云水和云下冲刷对各组分的贡献,并分析区域降雨类型,解析降水中各组分的来源。主要结论如下:一、分段降水中碳组分及离子组成的分布特征(1)降水分段采集法比整场降水采集法更为细致地掌握降水进程中各化学组分的分布情况,更为科学客观地反映降水中污染物的来源。(2)分段降水样品中WIOC浓度0.2191~6.2235mg/L,平均0.2341mg/L,EC浓度0.0003~0.7702mg/L,平均0.1612mg/L。分段降水样品的离子组分中,Ca2+和NH4+占阳离子总浓度的85%;NO3-和SO42-占阴离子总浓度的89%;乙酸根、甲酸根和草酸根是主要有机酸根,占有机酸根总浓度的94%。(3)研究期间(5-9月份),区域降水样品中WIOC、EC浓度的月间变化趋势一致,5月最大,8月最小,在5至6月和7至8月降低最快,与区域风向和云下冲刷源有关;降水样品中无机离子的月均浓度在5、6月有较大幅度的降低;Ca2+、NO3-浓度在6月最低,7、8月离子浓度呈现上升的趋势,NH4+浓度在7月份最高,Ca2+、NO3-浓度在8月最高;K+、Mg2+、Na+、Cl-、NO2-浓度的月间无明显变化;降水样品中乙酸根在6-8月维持高浓度,9月下降;甲酸根和草酸根的月间变化幅度不大。(4)分段降水中化学组分随降水进程的分布特征WIOC、EC在降水进程中总体呈现渐减趋势,反映降水对空气中污染物的清除作用逐渐减弱;降水进程中WIOC、EC有时出现浓度波动,反映降雨强度、气象因素、污染物累积和云团等多种因素对分段降水样品中碳组分的影响;分段降水样品中无机离子和有机酸根在降水进程中的浓度变化趋势与WIOC、EC的变化趋势类似,其中NO3-、SO42-的整体变化趋势最相似。单个较长时间降水事件中,分段降水样品中有机酸根组分无明显峰值,有机酸根浓度随降雨强度增强而降低的趋势较其他组分更为明显,与降雨强度的关联紧密。分段降水样品中WIOC/EC比值主要集中在5左右,单个降雨事件后期该比值常出现陡升,前、中段降水样品中的WIOC、EC以云下冲刷颗粒物中OC、EC为主,而末段降水样品中的WIOC、EC浓度主要由云水决定,云水中EC浓度低,云水中OC/EC比值高;前、中段降水样品WIOC/EC比值与区域大气颗粒物中OC/EC比值的相近,反映其主要来源于云下冲刷大气颗粒物。二、云下冲刷和云水对碳组分及离子组分的贡献与成因分析(1)单个长时间降水事件中,云下冲刷对前3段降水样品中化学组分的贡献逐渐减小,降水前期云下冲刷是降水样品中各组分的主要来源,降水后期降水样品中各化学组分则主要以云水贡献为主。云下冲刷对降水样品中NH4+的贡献率在前3段没有呈现渐减规律,而是第1段云下冲刷贡献率稍小于第2段的,原因归于降水中NH4+受大气颗粒物和气体污染的共同影响。(2)前两段降水样品中WIOC、EC的相关性比后两段降水样品中两者相关性强(相关系数分别为0.558和0.245)。前两段WIOC、EC间的强相关性表明在降水前期降水样品中WIOC和EC具有同源性(主要来自云下冲刷大气颗粒物),随着降水持续,云下冲刷贡献减少,云水贡献增加,云水中OC是主要的云凝结核,云水中EC分布少,云水中WIOC、EC相关性较弱。(3)前两段降水样品中无机离子组分之间的相关性比后两段降水样品中无机离子间的相关性稍强,其中Mg2+和Ca2+在降雨前期、后期以及所有降雨样品中均显著相关,说明区域降水受陆地尘土源污染影响;在降雨前期、后期和所有降雨样品中,有机酸和其他无机离子的相关性较其他组分之间更弱,反映来源均有差异;随着降水持续,WIOC和水溶性离子间的相关性变弱,EC与Cl-、NO3-的相关性随降水持续更为明显。(4)Na+、Cl-间相关性弱,符合南昌地区远离海岸的情况,区域降水样品中Na+、Cl-来源有差异;SO42-与Ca2+、NO3-与Ca2+的强相关性表明降水中这些离子多以Ca SO4和Ca(NO3)2形式存在;K+和NH4+间具有明显的相关性,反映区域农业源的贡献;有机酸根间,甲酸根和草酸根的相关性强于乙酸根和草酸根的相关性,甲酸和乙酸的相关性弱;有机酸根和其他离子出现多组负相关,草酸根与无机离子的相关性较甲酸、乙酸更强。同时,降水中的有机酸根与阳离子的相关性相对较差。WIOC、EC与其他离子组分的相关系数≤0.5,且WIOC与其他离子的相关性较EC更弱,说明碳组分与离子组分的来源存在差异。(5)降水样品中SO42-/NO3-月均值为0.9548,表明降雨类型为混合型;而分段降水样品中SO42-/NO3-大部分在0.5~3之间,且大于3的情况多于小于0.5的情况,表明区域的降雨类型表现为混合型和硫酸型。降水样品中甲酸与乙酸的比值(F/A)的月均值为0.2652~3.4454,平均1.1205,F/A值的月间差异较大,降水样品中有机酸根受多因素综合影响。分段降水样品中F/A值大部分在1左右,低于1的情况多于比值高于1的情况,表明降水中的有机酸主要来源于人类活动排放或有机质燃烧,少数情况来源于不饱和碳氢化合物的光化学氧化。
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