根据比尔朗伯吸收定律,可计算不同水深处的各波段光照强度:
式中,I(X,Z)指X波段(UV-A、UV-B和PAR)光照在水深Z处的光强度(E ˙ m-2 ˙ d-1),I(X,0)指X波段光照在水面处的光强度(E ˙ m-2 ˙ d-1),kX指X波段光照在水中的衰减系数(m-1),其计算方法参照文献(Morris et al., 1995).根据文献(Li et al., 2010)可计算不同水深处MMHg的光化学降解速率:
式中,
为X波段光照在水深Z处所引起的MMHg光化学降解速率(d-1),V0X为X波段光照在水面处所引起的MMHg光化学降解速率(E-1 ˙ m2).因此,根据水面处每一波段的光照强度、在水中的衰减系数及表层水中该波段条件下的光化学降解速率,可以预测和模拟MMHg光化学降解反应在水中的垂直分布特征(图 4).由图 4可知,MMHg光化学降解反应随水深度的增加逐步衰减,其中,由UV-B引发的降解反应随水深度增加衰减较快,其次为UV-A,PAR引发的降解速率随水深度增加衰减较慢.该衰减的速率差异主要是由于UV(尤其是UV-B)的波长较短,在水中的穿透能力较弱,而PAR的波长较长,在水中的穿透能力相对较强,故不同波长所引发的MMHg光化学降解反应速率在水中的衰减速率不一致.在夏季(图 4a),光化学降解速率随水深增加的衰减速率要明显高于其它3个季节的(图 4b~d),这主要是由于夏季水中DOM的含量(8.1 mg ˙ L-1)高于其它3个季节(3.3~4.3 mg ˙ L-1),而DOM对水中的光具有较强的吸收能力,能加快光在水中的衰减速率(Vost et al., 2012),因此,夏季水体MMHg光化学降解反应随水深度的增加而快速衰减.
图4 各波段光照条件下MMHg光化学降解反应在水中垂直分布特征的预测和模拟
基于MMHg光化学降解反应在水中的垂直分布特征(图 4),对衰减曲线进行积分可得整个水体中由不同波段引发的MMHg光化学降解通量F(ng ˙ m-2 ˙ d-1):
式中,VZX为由X波段光谱在水深Z处引发的MMHg光化学降解反应速率(d-1),CMMHg为水中MMHg的浓度(ng ˙ L-1),t为光照时间(d),a为面积(m2).积分结果如图 5所示,夏、秋、冬和春4个季节的MMHg日光化学降解通量分别为7.2、0.73、1.1和5.9 ng ˙ m-2 ˙ d-1.在研究区域,夏、秋、冬和春4个季节大约分别持续90、60、95和120 d,结合每个季节的日光化学降解通量,该点MMHg年光化学降解通量估算为1.5 μg ˙ m-2 ˙ a-1,该光化学降解通量与Toolik Lake的光化学降解通量(1.3 μg ˙ m-2 ˙ a-1)(Hammerscht et al., 2006)相差甚小.对整个水体而言,PAR对MMHg光化学降解的贡献最大,为67%~77%,UV-A的贡献为25%~31%,UV-B的贡献为4.3%~8.1%.而在水体表层,UV(尤其是UV-A)的贡献最大,PAR的贡献较少.这种差异主要是由于UV光谱波长短、在水中的穿透能力弱、衰减速率快,而PAR光谱波长长、在水中的穿透能力相对较强、衰减速率慢于UV光谱,因此,对整个水体而言,MMHg光化学降解的主要驱动波段为PAR.
图5 MMHg光化学降解通量
4 结论
1)在光的作用下,长寿湖表层水体Hg没有表现出明显的净甲基化结果,净去甲基化反应占主导地位.该水体MMHg光化学降解具有明显的季节和水深剖面变化特征.夏季各波段条件下MMHg光化学降解速率最快,其次为春季,秋冬季节各波段条件下MMHg光化学降解速率较低.光化学降解速率随水深度的增加而逐渐下降,其中,UV-B条件下的MMHg光化学降解速率随水深度的增加而快速衰减,其次为UV-A,PAR可引发较深处发生光化学降解反应.
2)光强度对MMHg光化学降解具有重要影响,不同波长光谱对光化学降解过程的贡献也有较大差异.在水体表层,UV为MMHg光化学降解的主要驱动力,且UV-A是最主要的驱动力,PAR的贡献相对较小;对整个水体而言,PAR对MMHg光化学降解的贡献最大(67%~77%),UV-A的贡献次之(25%~31%),UV-B的贡献最小(4.3%~8.1%).该研究地点MMHg年光化学降解通量估算为1.5 μg ˙ m-2 ˙ a-1.
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