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黑碳(BC)是生物质或化石燃料(煤、石油等)不完全燃烧所形成的一类含碳混合物残体,普遍存在于大气、土壤、沉积物、水体和冰、雪等环境中。环境中的BC形成后,能够由大气传输、沉降和河流运输等作用,在土壤、河流、湖泊和海洋等环境中沉积下来。土壤和沉积物是环境变化的历史记录体,BC是土壤和沉积物碳库中惰性部分的重要组成部分。对地球表层土壤和水体沉积物中BC的研究,能够反映出土壤和沉积物中BC的储量大小,能够记录较大规模火灾历史事件,对于准确评价BC在全球碳循环中的重要性具有深远的意义。
本研究以黄河河南段、淮河河南段和新乡市地表水体沉积物为研究对象,分析探讨了这些水体沉积物中BC含量以及分布特征,同时分析了BC和沉积物理化性质如粒径、TOC之间的相关性,揭示影响沉积物中BC含量和分布的重要因素;对沉积物中BC和PAHs之间的相关性以及对PAHs来源的分析,初步判断沉积物中BC的可能来源;为环境监测部门开展沉积物中BC的分析、监测提供了实际经验,为开展区域环境水体沉积物中BC的研究奠定了基础,并提供了相关的科学依据。研究结果表明:
(1)黄河河南段水体沉积物中BC含量的范围为0.011~0.582%,平均含量为0.151%:干流BC含量沿途有逐渐增大的趋势,支流沉积物中BC的含量明显高于干流的含量;沉积物中BC的含量与粘土和TOC之间具有显著的相关性,沉积物中的粘土和TOC是影响沉积物中BC分布的重要因素;BC和PAHs的总含量之间表现出显著相关,影响着部分PAHs组分的含量和分布。
(2)淮河河南段水体沉积物中BC含量的范围为0.049~1.281%,平均含量为0.284%;支流沉积物中BC含量明显高于干流中的含量,干流自上而下沉积物中BC含量有逐渐增大的趋势;沉积物中BC的总含量与TOC之间具有明显的相关性,沉积物中的TOC在决定沉积物中BC的含量和分布上起着重要的作用;BC和PAHs的总含量之间表现出显著相关,沉积物中的BC影响着PAHs部分组分在沉积物中的含量和分布。
(3)新乡市地表水体沉积物各个采样点中BC的总含量范围为0.030%~2.580%,平均含量为0.812%,新乡市地表水体五条河流表层水体沉积物中BC中的含量整体表现为:共产主义渠>卫河>天然文岩渠>大沙河/柳青河>文明渠;BC和PAHs的总含量之间表现出显著相关,沉积物中的BC影响着PAHs部分组分在沉积物的含量和分布。
(4)沉积物中BC的含量由大到小的顺序依次为:新乡市地表水>淮河河南段>黄河河南段,和其它河流水域相比,黄河河南段沉积物中BC含量处于中等偏下水平,淮河河南段和新乡市地表沉积物中BC含量都处于相对较高的水平。
(5)黄河河南段、淮河河南段和新乡市地表水沉积物中BC的可能主要来源均为煤炭、木柴和石油产品(柴油、汽油等)的不完全燃烧过程,但沉积物中,BC来源的温度条件有所不同,黄河河南段和新乡市地表水沉积物中BC来源条件相似,主要是中低温度条件下的生成来源,而淮河河南段则来源于中高温度条件下。