基于时空视角的长江中下游地区湖泊沉积物多环芳烃的赋存、来源及影响因素研究

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多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是一种持久性有毒污染物,由于其“三致”作用,已被美国环保局(U.S.Environmental Protection Agency,USEPA)列为优先控制污染物。中国是世界上PAHs排放量最多的国家,PAHs污染问题已成为我国最突出的环境问题之一,尤其是在经济较发达的地区。长江中下游地区一直以来都是我国社会经济较发达的地区,且该区是中国淡水湖泊分布最集中的地区,湖泊环境问题与该区人民生产生活息息相关。湖泊沉积物不但是环境中PAHs重要的源和汇,还在重建过去环境变化方面有着不可比拟的优势。了解该区湖泊沉积物PAHs污染现状和污染历史,掌握空间尺度及时间尺度湖泊沉积物PAHs赋存的影响因素,并且对PAHs在湖泊内部系统中各相间的分配机制进行研究,为湖泊沉积物中PAHs的治理和控制提供有力的理论基础,并为区域环境政策的制定和检验提供科学依据。  本文在对长江中下游28个湖泊沉积物PAHs污染状况及空间分布规律全面调查的基础上,选择两个城市湖泊及两个农村湖泊作为典型湖泊,重建该区域城乡PAHs污染历史,并在此基础上进一步对PAHs在湖泊内部系统的分配机制进行初步研究。综合评估长江中下游地区PAHs区域污染状况,了解其历史变化规律,对PAHs在沉积物中赋存的影响因素进行探讨,并对沉积物中PAHs的赋存含量进行生态风险评估。主要研究结论如下:  (1)长江中下游地区湖泊表层沉积物PAHs含量变化范围为221.0~2418.8ng/g(dw),平均值为751.5±517.9 ng/g(dw)(n=84),与我国及世界其他湖泊及大河流域沉积物相比,研究区湖泊表层沉积物PAHs污染处于中等水平。在区域尺度上,湖泊表层沉积物PAHs有明显的空间分布规律,表现为下游地区高于中游地区,城市湖泊>郊区湖泊>农村湖泊,其中大城市湖泊表层沉积物PAHs含量是中小城市的1.6倍,是农村湖泊的2.2倍。将28个湖泊分为3大类,不同类型的湖泊PAHs来源差异显著,第一类湖泊以农村湖泊为主,其PAHs来源主要以生物质燃烧为主,贡献量为42.1%;第二类湖泊以安徽省湖泊为主,其PAHs来源主要以煤炭燃烧为主,贡献量为71.5%;第三类湖泊以大城市及城市郊区湖泊为主,PAHs来源主要以机动车尾气排放及煤炭燃烧为主,贡献量为61.8%;尽管三类湖泊PAHs来源各有不同,但煤炭燃烧是其共同的主要来源之一,这可能与我国的能源消费结构有关。对长江中下游湖泊沉积物PAHs空间分布特征的影响因素分析表明,在区域尺度上GDP和有机质含量(TOC)对PAHs的空间分布特征产生重要影响,并建立了多元线性回归模型。  (2)结合核素定年方法,重建了长江中下游城市和农村地区近百年来PAHs的污染历史及能源使用历史。长江中下游地区PAHs沉积记录的历史变化过程可以分为三个阶段:20世纪60年代之前,处于相对稳定的阶段;20世纪60年代~20世纪90年代PAHs含量急剧上升,并在20世纪90年代达到峰值;20世纪90年代以后,呈缓慢下降趋势。PAHs污染历史的变化反映了研究区社会经济的发展过程,峰值的出现与改革开放以来经济迅速发展,能源消费量急剧增加有关;而近年来PAHs的减少趋势主要与家庭用煤量和秸秆燃烧量的减少有关,反映了我国在控制家庭燃煤排放及禁止秸秆焚烧方面的政策已见成效。对城市和农村湖泊PAHs沉积记录的对比研究表明,20世纪60年代之前,研究区PAHs沉积记录并没有显著的城乡差异,20世纪60年代~90年代,出现明显的城乡差异。表明随着工业化和城市化的不断推进,城乡之间在PAHs环境污染程度、能源消费结构和能源调整进程方面出现差异。  (3)以南漪湖为例,对PAHs在湖泊各相间分配机制的研究表明,南漪湖总体污染水平不高,其中溶解态PAHs、颗粒态PAHs和沉积相中PAHs的含量分别为98.78~162.18 ng/L,149.43~325.02 ng/L和73.76~231.21 ng/g(dw)。溶解态PAHs、颗粒态PAHs和沉积相中PAHs在空间分布和组成上都有较大的差异。有机质是控制南漪湖水体、颗粒物及沉积物中PAHs行为和归宿的重要因素。其中沉积物TOC对PAHs的影响更加显著,而溶解性有机碳(DOC)、颗粒态有机碳(POC)与PAHs的关系相对比较复杂。溶解性有机质(DOM)不仅是中、高环化合物的重要储存库,还能够促进和积累低环的自由溶解态PAHs。在南漪湖湖泊环境中,PAHs在溶解相-颗粒相,及水相-沉积相的分配过程都受到有机质的影响。然而有机质并非PAHs在湖泊系统各相间分配的唯一主导因素,尤其是当有机质含量较低时,悬浮物浓度、黏土矿物质含量等都会对PAHs在各相间的赋存及分配产生影响。  (4)利用相平衡模型预测沉积物孔隙水暴露浓度,结合多种生态风险评价方法,对长江中下游地区湖泊表层沉积物及其孔隙水中的PAHs进行生态风险评价。结果表明,长江中下游表层沉积物中PAHs处于中等风险水平,且城市湖泊生态风险水平高于农村湖泊,有必要考虑控制和修复措施。孔隙水联合生态风险(msPAF)均小于5%,对水生生物产生负面效应的概率较小。几种生态风险评价方法均表明,在PAHs不同组分中,葸(Ant)和萘(Nap)对生态压力贡献较大,应当加以重视。
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