“雪气界面汞通量”转化为教学实验的探索

　　1、 研究背景

　　实验是科学探究的基础。研究性实验是指实验者在不知晓结果的前提下，通过实验、探索、分析、研究得出结论，形成科学概念的一种认知活动。提高研究性实验在本科实践教学中的比重，是实验教学改革的重心。

　　汞是全球性污染物，已被各国政府和国际卫生组织定义为环境中最有害的重金属元素之一。国际上测定地气间汞通量方法以动力学通量箱法最为广范。目前裸土向大气排汞的机理和影响因素已较清楚，雪气间汞交换过程和机理认识尚不清楚，但认识雪/气界面汞的交换、富集、化学反应等过程是雪冰汞现代过程研究的重要内容，是生物地球化学研究领域的前沿。本文对科研实验 “雪气界面汞通量”转化为教学实验进行探索，希望为本科生实践教改和创新提供借鉴。

　　2、 实验教学方案设计及实践

　　2． 1 方案材料与方法

　　研究区夹皮沟金矿区历史上曾长期使用混汞法提金，汞污染严重。区域 11 月初雪，地表雪封至次年 3月。选择夹皮沟镇区、五道岔、三道岔、二道岔、老金厂、二道沟研究大气汞空间分布; 在老金厂历史矿区对比研究室内外环境空气汞分布; 选择夹皮沟镇、二道岔、老金厂和二道沟研究雪/气间汞通量。于 2012年 12 月 1 －17 日对点按距地表 0cm、50cm、100cm 和150cm 4 层次监测大气汞浓度。大气汞用塞曼效应汞分析仪 (Zeeman RA915+) 测定; 通量用通量箱与汞分析仪联用测定; 气象参数用轻便综合观测仪 (DZM2 －1 型) 测量，地理信息及卫星授时用合众思壮 GPS76型接收机获取。

　　根据质量守恒定律，汞释放通量的计算公式为:F = (C0－ Ci) × Q ÷ A上式中，F 为汞释放通量，ng/ (m2·h) ; C0为流出通量箱气态汞含量，ng/m3; Ci为进入通量箱气态汞含量，ng/m3; Q 为通量箱内的空气流速，m3/ h; A 为通量箱的底面积，m2。取 2 个流出通量箱的气态汞含量的平均值与其前后 4 个进入通量箱的气态汞含量的平均值的差，用以计算汞释放通量，以降低偶然性因素可能造成的计算误差。

　　2． 2 结果与讨论

　　2． 2． 1 近地面大气汞的垂直分布

　　见表 1，垂向上由 0cm 至 150cm，即随高度层次增加，大气汞浓度逐渐减低。水平空间上自西向东，沿夹皮 沟 镇 (580m ) —五 道 岔 (494m ) —三 道 岔(441m) —二道岔 (425m) —老金厂 (341m) —二道沟(316m) ，各层次大气汞浓度随海拔高程降低而增高。

　　通常，近地面大气汞源于土壤挥发和植物蒸腾，二者使大气汞呈现一定垂直分布。研究区雪层厚约 10～ 40cm，地气间汞交换主要发生在雪 / 气界面。在太阳辐射和雪面强烈反射作用下，大气摩擦层对流显著，表现为大气汞自身平均重力沉降作用强于空气对流，即在 150cm 范围内，随高度增加，大气汞浓度递减;大气汞也呈现出由高处向低处汇集趋势。

　　2． 2． 2 冬季室内外环境空气汞浓度比

　　表 2 表明在居民住宅区，各层次大气汞浓度中午高于早晨和夜晚，且各时段均为大气汞浓度随高度增加而增加; 在宾馆居室内，大气汞浓度比户外高出 1 －2 个数量级。火炕采暖居室，各层次大气汞浓度中午高于早晨和晚间，早晨和晚间空气汞浓度随高度增加而增加。

　　研究区冬季采暖与生活多使用枯枝等生物质燃料，对采暖炉、炕洞及户外烟筒的实测表明生物质燃烧是区域大气汞主要来源。在住宅区，由于释汞源热影响，各时段各层次大气汞在垂直方向上均呈现出随高度增加而浓度增大趋势。在相对密闭居室空间，气汞浓度比户外高 1 －2 个数量级，系因冬季室内通风差所致。

　　2． 2． 3 土 / 气界面间通量变化特征

　　选择了夹皮沟镇、二道岔、老金厂和二道沟 4 处，连续测定了 7: 30 － 16: 30 时间段内各点雪/气界面间汞通量，见表 3，结果表明: 各样点大气汞向雪面沉降趋势明显，雪/气界面间通量依次为 － 1．8ng/ (m2·h) ， － 3． 3ng / (m2·h) 、 － 3． 6ng/ (m2·h) 和 － 4．2ng / (m2·h) 。

　　研究区域地表为积雪长期封盖，土壤微生物、太阳辐射和植被作用等释汞过程停止，区域内主要大气汞来源为本地村屯生物质与化石燃料燃烧释放，其浓度在近地面垂直方向上表现出随高度增加而降低特征，即近0cm 层次，大气汞浓度最高，高密度导致汞在大气底部累积，故底层大气汞相对高浓度特征成为大气汞明显向雪面沉降过程的主要驱动力。

　　2． 3 研究结论

　　研究区内冬季大气汞在垂直方向上呈现明显向低处汇集趋势，即在垂直方向上随高度增加，大气汞浓度逐渐降低，并且水平空间上大气汞浓度随海拔高度降低而逐渐增大。冬季室内大气中汞浓度比户外大气高出 1 －2 个数量级。研究区域内雪/气间汞通量呈现明显的由大气向雪面沉降的趋势特征，这是近地面大气汞浓度的垂直分布特征所决定。

　　3、 结 语

　　在明确的研究目标驱动下，由 “指导教师 + 本科生”组成的研究小组能够很好的完成研究计划，通过训练，学生能够独立实验。该种寓教于研的实验教学模式，等效研究生培养，教学效果显著。但应注意到，该种教学模式亦存在诸如执行成本较高，指导教师需求量大，仪器水平和备品消耗大等限制因素，尚需不断进行完善和优化。

　　总之，针对实验教学改革，只有通过不断实践和探索，逐步完善与优化其内容与形式，才能循序渐进的建立起成熟的系列实验，继而建立健全专业乃至学科层次的实验课程教学体系，为推动我国实践类课程教学改革的深入，为我国建设生态文明型社会的长期发展目标提供坚实的高素质人才基础保障。

　　参考文献:
　　［1］ 张 刚，盛连喜，崔 丹，等． 本科生实践类课程教学评价改进研究 ［J］． 实验技术与管理，2013，30 (1) : 180 －183．
　　［2］ 张 刚，王 宁，艾建超，等． 积融雪控制下土壤大气间汞交换通量特征 ［J］． 环境科学，2013，34 (2) : 468 －475．
　　［3］ 张 刚，艾建超，刘 娴，等． 从 “本科生科研立项”角度思考高校实验教学改革 ［J］． 高校实验室工作研究，2009，4: 13 －15．