香溪河流域土壤多环芳烃分布、风险评价及植物修复研究

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三峡库区土壤作为水陆生态系统最重要的“汇”,自水利工程建成后,受到航运以及人类活动的频繁影响,近年来,库区多地调查发现不同程度的多环芳烃(PAHs)污染,但对香溪河流域土壤PAHs污染及其风险评价鲜见报道。本论文较系统地研究了三峡库区香溪河流域土壤中 PAHs的时空变化特征,分析了土壤主要理化性质对PAHs含量的影响,并采用多种源解析方法对香溪河流域土壤PAHs进行来源分析,运用生态与健康评价模型对土壤中PAHs进行风险评价。同时,通过室内PAHs胁迫种植试验,研究了向贫硒土壤施硒后,三叶鬼针草、青葙、苋与荔枝草对高浓度PAHs污染的富集和生理响应特征,旨在为重度PAHs污染流域环境保护和防治提供理论基础与技术支持。主要研究内容和基本结论为:  (1)香溪河流域土壤多环芳烃时空分布特征及相关性分析  于2015年11月至2016年9月对香溪河流域4条样带不同特征区域(上缘、消落带、沉积物)采样,测定了土壤中PAHs和基本理化指标(pH值、有机质、总氮、总磷、Cu、Pb、Cd、Cr等)的含量。结果表明:冬季PAHs总含量为1546-4945 ng/g,平均值为3308 ng/g;春季PAHs总含量为2197-4185 ng/g,平均值为2952.7 ng/g;夏季 PAHs总含量为1153.2-6871.2 ng/g,平均值为3090.2 ng/g;秋季 PAHs含量为634.6-5599.2 ng/g,平均值为3533.1 ng/g。香溪河流域土壤PAHs四季含量由大到小依次为冬季>夏季>春季>秋季,组分显示以2-4环PAHs为主。顺着香溪河,样带PAHs含量表现为“两头高中间低”,从海拔来看各季表现不一,但沉积物含量总体低于消落带与上缘。四季单体含量以芘、荧蒽与菲为主,7种致癌物表现为夏季>春季>秋季>冬季,其中苯并菲与二苯并[a,h]蒽贡献最大。相关性分析可知,PAHs与 pH呈显著正相关。  (2)香溪河流域土壤多环芳烃溯源及风险评价  运用相对丰度法与异构体比值法对流域土壤PAHs溯源进行了初步判断,发现其来源一致。香溪河夏秋冬三季土壤PAHs主要源于木柴以及石油类混合燃烧源,春季则以石油泄漏源为主。不同海拔土壤PAHs分析可知,上缘与消落带主要以混合燃烧源为主,沉积物则主要来自石油泄漏源。之后从生态与健康两方面对香溪河流域土壤进行风险评价,其中生态风险评价方法运用 Bap毒性当量模型分析可知,除了蒽的TEQBaP最大值为0.03,远小于荷兰土壤允许值(NHL)0.15,其他均大于NHL值,但均小于荷兰治理精度较高含量值(NML)与我国土壤环境质量标准值。安全阈值模型分析可知,大部分样点土壤处于偶然风险,个别样点最高风险值大于1处于高风险等级,主要贡献因子为苊、芴、菲和苯并菲。健康风险评价利用终身致癌风险模型(ILCR)进行评价,结果表明暴露途径致癌风险从大到小表现为:皮肤接触>土壤误食>呼吸,四季大部分土壤表现为 ILCR成人>ILCR儿童,且成人春夏两季上缘、消落带土壤以及沉积物通过皮肤接触均存在潜在风险。  (3)硒对多环芳烃污染下三峡库区适生植物三叶鬼针草生理生态响应  以三叶鬼针草为指示植物,采用盆栽试验,研究了在不同浓度柴油(0、0.5、2、8 g/kg)胁迫下施硒对叶片光合色素、光合参数和叶绿素荧光特性等的影响。结果显示:(1)柴油胁迫导致两组总叶绿素均呈下降趋势,且无硒植物组降幅大于加硒植物组,加硒植物组重度胁迫降幅减少最大为12.1%。(2)加硒植物组与无硒植物组的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)、天线转化效率(Fv'/Fm')、光化学淬灭系数(qP)、PSⅡ实际光化学效率(ФPSⅡ)随柴油胁迫浓度升高而降低,降幅表现为加硒植物组>无硒植物组,而非光化学淬灭系数(qN)呈上升趋势,两组胞间CO2浓度(Ci)、气孔限制值(Ls)变化趋势近似,均在轻度胁迫前Ci下降,Ls上升,中度胁迫后与之相反。研究结果表明,加硒植物组的光合色素、光合作用和叶绿素荧光特性受柴油胁迫影响小于无硒植物组。因此通过向低硒土壤添加硒素,可提高三叶鬼针草对重度柴油污染的耐受性,有利于库区生态恢复。  (4)四种香溪河消落区优势物种对菲、芘复合胁迫下土壤修复机理  针对香溪河流域单体菲与芘含量高的现状,通过土培萌发当地适生植物三叶鬼针草、青葙、苋以及荔枝草等,筛选两种优势物种进行盆栽试验,分析对比PAHs在土壤中降解情况以及对植物生长影响,同时探究施硒能否提高植物对重度PAHs污染的抗逆性。结果表明:(1)20天四种种子萌发后土壤菲降解率由大到小依次为三叶鬼针草>青葙>苋>荔枝草,硒处理后青葙降解率提高最大为16.14%,由发芽率与总根长可知,青葙最具优势;(2)高浓度菲与芘对青葙与三叶鬼针草表现明显光抑制,且均主要为气孔导度降低所致,同时发现施硒后,青葙通过提高叶绿素含量,三叶鬼针草增加气孔导度,来缓解光抑制;(3)青葙与三叶鬼针草富集系数分别为0.29-0.54,0.22-0.49,青葙富集效果较好,然而施硒后三叶鬼针草富集系数增加量大于青葙,同时发现非生物降解与微生物单独降解均不是PAHs降解主要途径。因此,青葙与三叶鬼针草对香溪河流域修复菲芘污染效果比较好。
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