【摘要】：城市土壤是城市環(huán)境系統(tǒng)中多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)重要的“源”和“匯”,尤其是作為作物生長(zhǎng)的主要場(chǎng)所,土壤環(huán)境質(zhì)量與人類健康更是息息相關(guān)、密不可分。目前國內(nèi)外對(duì)于土壤環(huán)境中PAHs的研究多聚焦在表層土壤,然而在徑流、下滲、生物擾動(dòng)等過程作用下,表層PAHs能夠不斷進(jìn)入深層土壤,此外,快速城市化進(jìn)程中大量城市建設(shè)活動(dòng)劇烈的改變了土壤結(jié)構(gòu),尤其對(duì)于深層土壤中PAHs的賦存和遷移產(chǎn)生了巨大的影響,因此,深入探究城市系統(tǒng)的土壤柱中PAHs賦存特征和分布遷移有助于完整還原城市土壤環(huán)境中的PAHs歸趨行為,以期為城市復(fù)雜環(huán)境中污染物的控制和風(fēng)險(xiǎn)管理以及人類健康的安全保障提供有利理論支撐。本研究利用土壤柱狀采樣器在上海市電廠、工業(yè)園區(qū)和環(huán)保公司三類高PAHs污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分別采集了9、8、7根一米深的土壤柱,采用加速溶劑萃取法和硅膠層析柱分別對(duì)PAHs進(jìn)行提取和凈化,對(duì)美國環(huán)境保護(hù)署優(yōu)先控制的16種PAHs的含量進(jìn)行測(cè)定,分析其在土壤柱中的賦存特征,結(jié)合PAHs理化性質(zhì)以及土壤環(huán)境重點(diǎn)探討了PAHs在垂向上分布遷移的影響因素,基于土地利用回歸(Land Use Regression,LUR)模型分析自然要素(距離海岸線距離、氣溫、相對(duì)濕度、降水量和風(fēng)速)和社會(huì)人文要素(土地利用類型面積、人口數(shù)和路網(wǎng)長(zhǎng)度)對(duì)于PAHs賦存的影響,通過對(duì)研究區(qū)域PAHs進(jìn)行來源解析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),為建設(shè)和諧城市和維護(hù)居民健康提供了科學(xué)依據(jù)。具體創(chuàng)新性成果及理論和實(shí)際意義如下:(1)研究區(qū)域土壤柱中美國環(huán)保署優(yōu)控的16種PAHs總濃度范圍為91.5~46834.5 ng/g,單因素方差分析結(jié)果表明,PAHs濃度在水平分布上呈現(xiàn)出平均濃度電廠工業(yè)園區(qū)環(huán)保公司的空間分異差異(p0.01),垂向分布上,在未受人為擾動(dòng)土壤柱中,隨著土壤層深度的增加,PAHs總濃度逐漸降低,低環(huán)PAHs(2環(huán)和3環(huán)PAHs)占總濃度比例上升,尤其以單體萘表現(xiàn)最為明顯,而中環(huán)(4環(huán))和高環(huán)(5環(huán)和6環(huán))PAHs比例顯著下降;(2)人為因素(包括土地利用類型和人為擾動(dòng))和土壤環(huán)境因素(包括黑炭(BC)和總有機(jī)碳(TOC)含量以及土壤機(jī)械組成)是控制城市土壤PAHs分布和遷移的重要因素。BC和TOC含量均與PAHs濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,尤其與高環(huán)PAHs濃度顯著正相關(guān),且PAHs與BC相關(guān)性均強(qiáng)于與TOC相關(guān)性,表明相對(duì)于TOC,BC是控制城市土壤柱中PAHs歸趨更重要的因素。PAHs和BC相關(guān)性以及PAHs和TOC相關(guān)性均表現(xiàn)為電廠強(qiáng)于工業(yè)園區(qū)和環(huán)保公司,表明高溫化石燃料燃燒,如電廠火力發(fā)電,不僅能夠產(chǎn)生高濃度的PAHs和BC,還使得PAH-BC和PAH-TOC表現(xiàn)出較強(qiáng)的聯(lián)系性。(3)利用指數(shù)衰減模型較好的擬合了PAHs在未受人為擾動(dòng)土壤柱中的垂向分布,不同單體的PAHs性質(zhì)是控制其垂向遷移能力的主要控制因子。當(dāng)PAHs向下垂向遷移到無窮深處時(shí),PAHs總濃度仍能達(dá)到表層/次表層土壤濃度的1/4,表明PAHs下滲深度是有限的,同時(shí),中環(huán)和高環(huán)PAHs更高的垂向遞減速率常數(shù)表明,與中環(huán)和高環(huán)PAHs相比,低環(huán)PAHs更易下滲到深層土壤中。當(dāng)達(dá)到初始濃度的30%和50%時(shí),低環(huán)PAHs下滲深度均大于中環(huán)和高環(huán)PAHs,表明中環(huán)和高環(huán)PAHs的垂向遷移能力要顯著弱于低環(huán)PAHs。(4)Spearman雙變量相關(guān)性結(jié)果表明,交通設(shè)施用地、公共管理與公共服務(wù)用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地以及人口數(shù)與PAHs濃度正相關(guān)而農(nóng)用地面積和距離城市快速路最短距離與PAHs濃度負(fù)相關(guān)。人口數(shù)與PAHs濃度相關(guān)性隨著緩沖區(qū)半徑的增加而增強(qiáng),并在緩沖區(qū)半徑為3000 m時(shí)達(dá)到最大,各土地利用類型面積與PAHs濃度在緩沖區(qū)半徑為2000 m時(shí)達(dá)到最大。LUR模型揭示了人口數(shù)和農(nóng)用地面積對(duì)4環(huán)和5環(huán)PAHs的顯著貢獻(xiàn),模型調(diào)整后r值分別為0.709和0.729(p0.01),留一交叉驗(yàn)證結(jié)果表明4環(huán)和5環(huán)PAHs的實(shí)測(cè)值和交叉驗(yàn)證值之間相關(guān)系數(shù)r分別為0.659和0.680(p0.01),均方根誤差(RMSE)分別為0.485和0.476,驗(yàn)證了構(gòu)建的LUR模型精確度。(5)基于特征比值法(MDR)和正定矩陣因子分解(PMF)模型對(duì)城市土壤柱中PAHs進(jìn)行來源解析,研究區(qū)域三類功能區(qū)土壤柱中PAHs均主要來自于煤炭燃燒和交通尾氣排放,但生物質(zhì)燃燒、煉焦、石油揮發(fā)和泄露以及天然氣體燃燒對(duì)于三類功能區(qū)PAHs來源的貢獻(xiàn)略有差異。基于MDR,PAHs的來源在垂向分布并無差異,在一定程度上表明,下層土壤中PAHs主要來自于上層土壤的遷移。(6)運(yùn)用苯并[a]芘毒性當(dāng)量法對(duì)PAHs進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),運(yùn)用終生致癌風(fēng)險(xiǎn)模型對(duì)PAHs進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),苯并[a]芘毒性當(dāng)量值和終生致癌風(fēng)險(xiǎn)值均呈現(xiàn)出電廠工業(yè)園區(qū)環(huán)保公司的趨勢(shì)。在大部分采樣點(diǎn),苯并[a]芘毒性當(dāng)量值低于加拿大土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的600 ng BaPeq g~(-1),工業(yè)園區(qū)和環(huán)保公司的終生致癌風(fēng)險(xiǎn)值處于可忽略級(jí)別,但電廠深層土壤中的皮膚接觸暴露途徑存在潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn),需要引起相關(guān)部門的重視。綜上,本文較好的完善了PAHs在土壤中垂向遷移的空白研究,結(jié)論明確了BC和TOC對(duì)于PAHs遷移轉(zhuǎn)化較強(qiáng)的預(yù)測(cè)作用,同時(shí),揭示了在城市環(huán)境管理過程中對(duì)于深層土壤開展土壤監(jiān)測(cè)和治理的重要性。
【圖文】：

圖 1.1 美國環(huán)境保護(hù)署（US EPA）優(yōu)先控制的 16 種 PAHs（結(jié)構(gòu)式引自 https://www.nist.gov）Fig.1.1 16 kinds of PAHs prior controlled by US EPA.Benzo[a]pyrene Dibenz[a,h]anthracene Indeno[1,2,3-cd]pyrene Benzo[g,h,i]perylene

8圖 1.2 PAHs 在環(huán)境多介質(zhì)間的遷移過程Fig.1.2 PAHs migration processes among multi-media in the environment.
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X53

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2619707