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涨知识!近十年土壤污染物源解析

北极星环境修复网  来源:土壤通报  作者:李娇 吴劲 蒋进元 滕彦国 何立环 宋柳霆  2018/7/13 11:46:27  我要投稿  

北极星环境修复网讯:首次全国土壤污染状况调查结果显示,当前我国土壤环境质量总体不容乐观,部分地区土壤污染较重,造成土壤污染的主要污染物以无机型为主,有机型次之。改善土壤环境质量现状,降低土壤污染的风险,亟需对土壤中高浓度的污染物进行有效控制和治理,而利用科学的源解析手段来获取土壤中污染物的主要来源及其贡献是控制和治理的关键。我国政府高度重视土壤污染防治工作,于2016年5月由国务院印发《土壤污染防治行动计划》,又被称为“土十条”,其中提到要“加强污染源监管”以及“明确治理与修复主体”等内容,这些都会涉及到土壤污染物源解析的相关研究。因此,开展土壤污染物源解析研究将成为今后我国土壤污染防治工作的重要内容之一。

目前对源解析的认识存在两个层次,第一个层次只需定性判断出环境介质中主要污染物的来源类型,称为源识别(source identification);第二个层次是在源识别的基础上,定量计算出各类污染源的贡献大小,称为源解析(source apportionment),很多研究人员将两者统称为源解析。源解析的研究最初是针对大气环境中颗粒物来源开展的,现已逐步形成比较完整的大气污染源解析技术体系:污染源清单-空气质量扩散模型-受体模型。与大气污染不同,土壤污染的隐蔽性、累积性、地域性等复杂特征使得土壤污染物来源解析的研究受到较大的限制。近些年有不少学者开始研究土壤环境中污染物的来源解析工作,虽然相对于大气污染源解析研究而言仍有欠缺,但也取得了一定的研究成果。为便于更清楚全面的了解在土壤环境中源解析的研究现状,本文以“2006年1月1日至2016年1月1日”为期限,以“Source apportionment &Soil”作为英文关键词以及以“源解析&土壤”作为中文关键词,分别利用“Web of Science”数据库和“中国知网”数据库进行“主题”检索,共收集到相关文章134篇,在此基础上总结近十年来土壤污染物源解析的研究进展。需要指出的是,本文认为源识别(source identification)层次并非是真正意义上的源解析,因此只选择了“源解析(source apportionment)”作为检索关键词。本文的检索方式并不能检索出近十年间全部土壤源解析的论文,但作者认为所收集的论文基本能代表近十年间土壤源解析研究的主要成果。

文献调研显示,近十年来在多个国家均开展过土壤污染物源解析的研究,其中我国开展的相关研究最多,主要集中在我国东部沿海经济发达省市,例如,辽宁省、江苏省、上海市、浙江省、福建省、广东省等(图1)。可以看出,我国研究人员非常关注和重视人类活动频繁地区的土壤污染源解析研究工作。但就目前的研究成果来看,大多停留在定性地判定土壤中污染物来源类型上,定量计算各类源贡献的研究还比较少。源解析方法主要参考大气污染源解析方法中的受体模型法,通过分析土壤样品中有指示意义的示踪物来实现土壤污染物来源的定性识别和定量解析。本文在简要总结土壤污染源解析研究对象的基础上,以受体模型为核心,重点介绍各种源解析方法以及在应用上的优势和局限。

1 土壤污染物源解析研究对象

凡是影响土壤正常功能,降低农作物产量和品质,影响人体健康的物质,都可以称为土壤污染物。根据污染物的性质,土壤环境污染物大致分为无机、有机、生物和放射性污染物四大类。其中生物和放射性污染物具有特定的污染途径,其来源较单一,易识别。而重金属和部分有机污染物来源复杂多样,且具有毒性强、难降解、残留时间长、在环境中分布广等特性,一旦在土壤中积累,会持续威胁生态环境安全和人体健康,因此目前土壤污染源解析主要针对重金属和有机污染物的研究。

基于收集的134篇文献,对研究者们在解析土壤污染来源时针对的污染物种类进行统计,并依次计算出各污染物出现次数所占的比例,从而得到近十年国内外土壤污染物源解析研究对象出现频率(图2)。经统计发现,目前土壤污染物源解析研究中涉及的重金属或类金属元素的种类达到40种之多,包括铅、镉、锌、铜、铬、砷、镍、汞、锰、钴、铁、铝、钒、钾、钙、镁、锑、锶、钛、钡、钠、锡、硒、锂、钼、银、铋、镓、铀、铍、铈、铯、锗、铌、铂、铷、钪、钽、钍、钇等元素。研究最多的是铅(lead,Pb)、镉(cadmium,Cd)、锌(zinc,Zn)、铜(copper,Cu)、铬(omium,Cr)、砷(crsenic,As)、镍(nickel,Ni)、汞(mercury,Hg)等8种元素(图2a)。土壤污染物源解析研究中涉及的有机污染物主要是持久性有机污染物,主要包括:多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon,PAHs)及其含氧衍生物(oxygen-containing dervatives of polycyclic aromatic hydrocarbon,OPAHs)、滴滴涕(dichloro diphenyl trichloroethanes,DDTs)、六六六(Benzene hexa chlorides,BHCs)、二噁英/呋喃(poly chloroinated dibenzo-p-dioxins/furans,PCDD/Fs)、多溴联苯醚(poly brominated diphenyl ethers,PBDEs)、多氯联苯(poly chlorinated biphenyls,PCBs)、硫丹(Endosulfan)、氯丹(Chlordane)、多氯化萘(poly chlorinated naphthalenes,PCNs)、六氯苯(hexa chloro benzene,HCB)、艾氏剂(Aldrin)等。其中,PAHs是土壤源解析中研究最多的一类有机污染物,其次是DDTs、HCHs、PCDD/Fs等(图2b)。

土壤中重金属和有机物的来源十分复杂,土壤金属元素的来源可分为自然源和人为源。自然源主要包括成土母质、岩石风化、火山喷发等,人为源主要包括工业源(工业废物排放)、农业源(化肥、农药、畜禽粪便等)、生活源(城乡生活废水、农家肥等)、交通源以及其他污染源(废弃物焚烧等)等等。土壤有机物主要来源于人类活动,部分有机物可来源于自然源,如某些植物和微生物体内可以合成微量多环芳烃,火山活动和森林火灾也可以产生一定量的多环芳烃。表1列出了土壤中主要污染物的来源。这些污染源通过大气沉降、废水排放、农业施肥等途径进入土壤中,并在土壤中积累。

2 土壤污染物源解析方法及其应用

源解析研究通常采用三种方法:源清单法、扩散模型法和受体模型法。源清单法通过调查和统计不同源类的排放因子和活动水平,估算各类源的排放量,根据排放量来识别对受体有贡献的主要排放源。该方法结果简单清晰,但存在排放因子不确定性大、人类污染活动水平资料缺乏、各类源排放量难以准确统计等问题。扩散模型法是从污染源出发,根据污染源排放清单和污染物传输过程来评估不同源类对受体的贡献。应用扩散模型法不仅可以得到不同源类在三维空间的分布及贡献,而且还能区分出本地排放源和外来传输源。但由于所需源清单存在很大不确定性以及污染物复杂的迁移转化过程,使得污染源类与受体之间的关系难以建立,该方法的应用受到很大的局限性。为解决这两种方法存在的问题,出现了受体模型法,通过对土壤样品和排放源样品中对源有指示作用的示踪物进行分析,定性识别受体的源类,并定量确定各类源对受体的贡献。与源清单法和扩散模型法相比,受体模型不需要调查各源类的排放因子和活动水平,也不需要追踪排放因子的传输过程,直接对受体环境进行测定。受体模型法是当前土壤污染物源解析研究中最主要的技术手段。本文主要总结了受体模型法中最常用到的方法在土壤源解析研究中的应用情况,并比较了各种方法的异同。

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