我国典型污灌区土壤气态汞的排放特征、影响因素及全国通量估算

Mercury (Hg) emission from Hg-polluted region has an important contribution to the atmospheric Hg pool. Sewage irrigation region is one of the typical areas for Hg pollution after long-term irrigation with Hg-polluted sewage. China has the largest area of sewage irrigation in the world. Because of the limitation of technology, management and cost, Hg pollution in the soil of sewage irrigation is very serious in China. Hg emission from this region potentially influences the regional Hg cycle. However, few studies have been carried out to address this issue. In this project, we will conduct field measurements to investigate the Hg emission from sewage irrigated soil using dynamic flux chamber. Meanwhile, we will perform the laboratory simulations to explore the key factors influencing the Hg emissiion and further to develop a parameterization of Hg emission for the sewage irrigated soil. Finally, we will use this parameterization together with field survey, data collection and geographic information system (GIS) to estimate the Hg emission flux from sewage irrigation soil in China. This study will significantly promote the understanding of the role of the sewage irrigation region in the regional and global Hg cycle.

来自汞污染场地气态汞的排放是全球大气汞重要的源。许多污水灌溉区的土壤长期受到含汞污水的影响，是一种典型的汞污染场地。我国拥有世界上面积最大的污灌区。由于受技术、管理和成本等方面的制约，我国污灌区土壤汞污染情况非常严重，来自我国污灌区土壤的汞排放可能影响区域汞循环。但目前针对我国污灌区土壤气态汞排放研究还几乎为空白。本项目拟在我国典型污灌区利用动态通量箱，开展污灌区土壤气态排放的现场观测研究，认识污灌区土壤气态汞的排放通量和变化特征。结合实验室模拟研究，认识影响污灌区土壤气态汞排放的重要因子，进一步构建一个适用于污灌区土壤气态汞排放的参数化方案。最终，在上述参数化方案的基础上，结合现场调查、数据收集和地理信息系统，初步评估我国污灌区土壤气态汞的排放通量及其时空变化特征，为深入认识污灌区在区域乃至全球汞循环中的作用提供科学依据。

农田土壤汞的排放是大气汞的重要来源之一，然而目前对我国污灌区农田汞的排放特征、规律和通量的认识还存在很大的不足。本研究选择我国北方典型污灌区土壤作为研究对象，通过通量箱法对不同污染程度的土壤进行了汞排放通量的观测，在此基础上获得了一个针对污灌区土壤汞排放通量的参数化方案。结果表明：五个采样点（西安、石家庄、天津、栾城和太原）土壤总汞浓度分别为：1256.1±36.9、898.2±23.4、79.8±1.4、66.9±1.7、42.8±3.1 ng g-1，其对应的土壤汞排放速率分别为：100.6±144.2、44.5±79.5、9.6±27.1、8.5±27.4和2.9±22.3 ng m-2 h-1。各采样点汞排放通量的均值都为正，表明农田土壤汞排放是大气汞的一个源。然而，在寒冷的季节，较高的大气汞浓度（GEM）会导致大气Hg0向土壤中迁移，但高光照强度和土壤温度会促进土壤汞排放。在整个观测期间，作物冠层下GEM的平均浓度为5.06 ± 3.72 ng m-3，明显高于北半球平均值。在玉米和小麦生长季，土-气汞交换的大气汞浓度补偿点不同，分别为9.82和3.33 ng m-3。此外，在植物冠层发育完全后，土-气汞交换通量的日变化波动幅度减弱，这是因为作物冠层可以遮挡到达地表的光照强度，从而造成农田土壤汞的排放速率减小。此外，我们对我国北方污灌区土壤进行了调查，然后利用上述参数化方案，结合现场调查及各采样点的气象数据估算了我国北方污灌区土壤汞的排放通量，认识了其时空分布特征。结果表明：表层土壤总汞的平均浓度为117.2 ng g-1（15.8~701.7 ng g-1），明显高于我国土壤汞的背景值；在土壤汞的垂直分布方面，所有采样点表层总汞浓度都高于下部其它层；土壤中TOC的分布与总汞的分布相一致；土壤污染指数表明我国北方污灌区土壤大部分处在中度污染水平之上；土壤汞的排放速率表现出明显的季节变化特征，夏季最高，冬季最低，土壤汞平均排放速率为14.3 ng m-2 h-1，年均排放速率为86.4 g m-2 yr-1，根据我国北方污灌区农田的面积，估算得到我国北方污灌农田汞的排放通量为3.13 tons yr-1，这占全球农田土壤汞排放量的0.65%，表明我国北方污灌区农田是大气汞的重要再排放源。