我国农田土壤典型挥发性有机物的测定及其残留特征分析

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挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs),通常指沸点于50-260℃之间,具有相应挥发性的一类有机化合物。大量研究表明,VOCs是臭氧和二次有机气溶胶的重要前体物,对大气的化学组成有着非常重要的影响。此外,流行病学调查发现VOCs暴露与癌症风险的增加及不良的生殖结果间存在关联。在各类挥发性有机物中,苯系物(BTEXS)和卤代烃(Volatile Halogenated Hydrocarbons,VHCs)检出范围广,危害大,已成为国内外环境科学领域关注的重点问题。目前关于环境VOCs的研究多集中在大气和水体当中,但对中国区域内土壤VOCs的调查研究仍旧十分缺乏且分散。土壤是自然环境的重要组成要素,具有种植功能的农田土壤更是农业生产的基础。值得注意的是,土壤VOCs污染往往具有隐蔽性、挥发性、多样性、累积性和强毒害性等特征。因此,初步建立我国农田土壤典型VOCs的残留清单,全面评价该水平下可能产生的生态健康风险具有紧迫的现实意义。本文分别于2013和2016年于相近采样点进行了全国范围内农田土壤样品的采集,通过优化顶空-气相色谱质谱联用(Headspace-GC/MS,HS-GC/MS)测定土壤VOCs的方法,初步掌握我国农田土壤中典型VOCs(包括BTEXS和VHCs)的残留浓度范围,明确其空间分布特征,进一步探究其可能来源及影响因素,并在此基础上利用健康风险评价模型评估了暴露于农田土壤BTEXS与VHCs所产生的健康风险。得到的主要结果和结论如下:(1)BTEXS污染在两批土壤样品中均被普遍检出。2013年及2016年农田表层土壤中BTEXS残留总浓度的最高值分别为375和569 ng/g。农田表层土壤中残留的BTEXS在2013年至2016年之间并未发生明显积累或消散。BTEXS主要在我国的中部、东北部以及西南部地区残留较高。超过半数的土壤样品中,甲苯为含量最高的BTEXS污染物,我国东北部为甲苯分布的“热点”地区。我们发现,BTEXS空间分布趋势和几种典型有机氯农药十分吻合,这可能与BTEXS为部分农药的添加剂有关。(2)相关性分析表明BTEXS总浓度可能是影响土壤中单个化合物残留分布的重要因素。采样点的土壤有机质、温度、降水量和海拔在BTEXS残留分布中具有一定影响。相较于其他苯系物,苯的水溶性强、挥发性高,故在海拔低,温度高和降水量多的地区更易发生挥发扩散。(3)各BTEXS化合物的最高浓度均在表层土壤中检出。BTEXS总浓度沿土壤深度的增加呈指数降低。其中,甲苯、间,对-二甲苯和邻-二甲苯的浓度沿土壤表层、中层和底层呈现显著的下降趋势,这可能是由于物质较低的水溶性和较高的辛醇-水分配系数(log Kow)限制了其向更深的土层渗透。(4)利用健康风险评价模型评估我国农田土壤中BTEXS暴露对人体产生的非致癌风险和致癌风险。总体而言,各采样点非致癌风险的HI值均低于1,表明我国农田土壤中BTEXS残留并不会对人体产生非致癌风险。此外,苯对成人和儿童的平均致癌风险基本低于10-6,表明其对成人和儿童产生的致癌风险处于非常低的水平。(5)被调查的18种典型VHCs中,卤代烷烃为主要检出组分,共有13种VHCs在本次土壤样品中检出。检出率最高的五种物质依次为三氯甲烷(CF)(99.11%),1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)(71.43%),二氯甲烷(DCM)(65.18%),氯苯(CB)(37.50%)和1,4-二氯苯(1,4-DCB)(38.39%)。五种主要检出物质中,DCM,CF和1,2-DCA的分布情况相似,以华北和西南地区的污染最为严重,且主要集中在山西省和重庆市。中国东北部是1,4-DCB分布的“热点”地区,同时东北地区土壤中的CB含量也很高。(6)商业溶剂挥发释放及工业生产泄露是土壤卤代烷烃的主要来源。与氯代烷烃相比,土壤中氯苯类物质的残留量与农药使用量显著相关(P≤0.001),其中1,4-DCB与农药的相关性最好(R=0.693,P<0.001),其次为CB(R=0.607,P=0.001)。以上结果表明农药使用是中国农田土壤中VHCs,尤其是CB和1,4-DCB的来源之一。(7)总体而言,我国农田土壤中的典型VHCs不会对当地居民产生非致癌风险。VHCs的五种主要检出化合物中,CF对成人和儿童产生的非致癌风险最大。此外,农田土壤VHCs对人体产生的致癌风险均处于非常低的水平。本研究结果可为我们理解中国农田土壤中VOCs污染的来源及可能产生的后果提供数据支持,以期更有效地控制土壤污染。
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