基于蒙特卡罗模拟的土壤环境健康风险评价:以PAHs为例

为获得更为合理的健康风险评价结果,并辨识对健康风险影响最大的因素,基于蒙特卡罗随机模拟,运用概率风险评价模型,定量评估了中国上海某居民区土壤中16种PAHs对居民的健康风险水平,并对各参数进行敏感性分析.结果表明,土壤中PAHs造成的健康风险服从对数正态分布,总的致癌风险为3.43×10~(-5)±2.63×10~(-5),最小值为8.10×10~(-7),最大值为2.39×10~(-4),超过10-6的概率为95%,超过10~(-5)的概率为75%,超过10~(-4)的概率小于5%;总的危害商为4.74×10~(-2)±3.42×10~(-2),不超过1,风险较小;在7种具有致癌效应的PAHs中,苯并(a)芘、二苯并(a,h)蒽和苯并(a)蒽是总致癌风险的主要贡献物质,贡献率分别占60.41%、26.84%和6.56%;3种暴露途径中,经口途径是造成致癌风险的主要途径,贡献率为73.22%;对于总致癌风险,人体暴露参数中每日土壤摄入量、暴露周期、暴露皮肤面积敏感度较大,分别为58.35%、50.21%和20.51%;体重具有负敏感性,敏感度为-11.66%.     

生态高负荷土地快速渗滤系统处理猪场废水的效能及微生态

以经过厌氧反应器处理后的猪场废水为研究对象,探讨了新型生态高负荷土地快速渗滤系统对废水中COD、氨氮及总氮的去除情况;同时分析了该系统中的微生物群落结构以及过氧化氢酶、脲酶、硝酸盐还原酶的含量.结果表明,在水力负荷为11 cm·d~(-1)、进水COD为700 mg·L~(-1)左右的条件下,一级土地渗滤柱与二级土地渗滤柱对COD的去除率分别为78.8%与63.0%,总去除率达到了92.6%;而当水力负荷增大到22 cm·d~(-1)时,总的COD去除率仍在90.0%以上;该系统对于氨氮的去除更为显著,去除率可达99%左右.一级土地快速渗滤系统中上、中、下部的过氧化氢酶含量分别为1.899、0.990、0.323 m L·g~(-1),表明猪场废水中的有机物主要在该系统的上部与中部得以去除;二级土地快速渗滤系统上、中、下部的硝酸盐还原酶含量分别是3.453、3.831、1.971 m L·g~(-1),表明脱氮作用主要发生二级土地快速渗滤系统的上部与中部.该土地快速渗滤系统中微生物以Gram Negative与Gram Positive为主,特别是在二级土地快速渗滤系统中,AM Fungi与Actinomycetes占有一定比例,为猪场废水中难降解有机物的去除提供了保障.     

锌冶炼区耕地土壤和农作物重金属污染状况及风险评价

对贵州省某典型锌冶炼区耕地土壤和主要谷类农作物(稻米、玉米和小麦)进行取样调查,测定了土壤和谷类农作物中重金属Pb、Cd、Zn和Cu的含量,采用单因子污染指数和综合污染指数法评价了土壤和作物籽粒中重金属的污染状况,并分别采用潜在生态风险指数(RI)和危险商(HQ)法评价了土壤重金属污染的潜在生态风险程度和作物中重金属对成人和儿童的健康风险.结果表明:(1)冶炼区耕地土壤受到了重金属不同程度的污染,污染程度排序:玉米地水稻田小麦地,且CdCuZnPb,内梅罗综合污染指数分析结果表明,玉米地污染程度为重污染,水稻田和小麦地为轻污染,且均以Cd对综合指数的贡献最大;(2)土壤Cd存在极强生态风险,4种重金属潜在生态危害大小顺序为:CdPbCuZn;生态风险指数(RI)研究结果表明,研究区处于轻微、中等、强的和很强的生态风险程度的采样点比例分别为1.41%、21.1%、35.2%和42.3%.(3)冶炼区农作物稻米中重金属Pb、Cd、Zn、Cu的平均含量分别为0.145、0.017、16.97和2.704 mg·kg~(-1);玉米中重金属Pb、Cd、Zn、Cu的平均含量分别为0.094、0.055、26.81和4.464 mg·kg~(-1);小麦中重金属Pb、Cd、Zn、Cu的平均含量分别为0.048、0.085、35.37和5.426 mg·kg~(-1).(4)研究区稻米、玉米和小麦均存在重金属超标现象,重金属污染程度为小麦最重,稻米和玉米的污染程度相当,稻米和玉米污染等级均为安全,小麦处于警戒线.(5)各重金属元素每日摄入量均低于美国环保署的参考暴露剂量,安全性较好,但食用该区域谷类农作物引起复合重金属污染对成人和儿童均存在健康风险.(6)耕地土壤重金属含量与谷类农作物可食部分重金属含量间无明显相关性.     

生物炭对土壤中重金属铅和锌的吸附特性

利用固定床热解实验装置在不同热解温度(300~700℃)下制备了3种生物炭[杨树枝炭(PBC)、水葫芦炭(WHC)和玉米秸秆炭(CSC)],以南京市铅锌银矿区周边的菜园土为对象,研究了生物炭种类、热解温度和生物炭添加量对土壤重金属(Pb和Zn)吸附特性的影响,并结合生物炭的孔隙度、XRD和FTIR等分析,初步探讨了生物炭对土壤重金属的吸附机制.结果表明,生物炭的添加均不同程度地降低了土壤中Zn和Pb的浸出含量,水葫芦炭对土壤重金属的吸附效果最佳,在热解温度为500℃和生物炭添加量为5%的条件下,水葫芦炭对土壤中Zn和Pb的吸附率分别为21.83%和44.57%,相应的单位吸附量分别为227.65μg·g~(-1)和363.76μg·g~(-1).随着热解温度的升高,生物炭对土壤中Zn和Pb的吸附率逐渐增大,且在热解温度为500℃和700℃下制备的水葫芦炭对土壤中Zn和Pb的吸附能力相差不大,这表明中等温度热解有利于水葫芦炭形成较好的理化特性.随着生物炭添加量的增加,水葫芦炭对土壤中Zn和Pb的吸附率逐渐增大,但单位吸附量却逐渐减小,当水葫芦炭添加量为10%时,其对土壤中Pb的吸附率可达93.93%.结合生物炭的理化结构和土壤重金属吸附实验的结果,可以推测离子交换和络合作用是水葫芦炭修复重金属污染土壤的主要作用机制.     

添加不同 N源条件下典型除草剂对土壤呼吸和 N2O排放的影响

通过室内土壤培养实验,采用间歇密闭培养-气相色谱法研究了添加不同N源条件下我国典型旱地除草剂对农田土壤呼吸和N2O排放的影响.结果表明,在添加（NH4）2SO4氮源条件下,莠去津和百草枯对土壤呼吸和N2O排放无显著影响（P〉0.05）.草甘膦显著抑制了土壤呼吸（P〈0.05）,是对照的78.5%,N2O的排放无显著影响（P〉0.05）,仅表现为均值降低了20.1%.苯磺隆显著促进了土壤呼吸（P〈0.05）,是对照的1.1倍,对N2O排放也无显著影响（P〉0.05）.乙草胺显著促进了土壤呼吸和N2O的排放（P〈0.05）,分别是对照的1.1和1.5倍.在添加尿素的条件下,莠去津和乙草胺对土壤呼吸和N2O排放无显著影响（P〉0.05）.百草枯显著促进了N2O的排放（P〈0.05）,是对照的1.4倍,却对土壤呼吸无显著影响（P〉0.05）.草甘膦显著抑制了土壤呼吸（P〈0.05）,仅为对照的82.5%,对N2O的排放却无显著影响（P〉0.05）.苯磺隆显著促进了土壤呼吸和N2O的排放（P〈0.05）,其分别是对照的1.3和1.6倍.鉴于不同除草剂对不同微生物生理代谢影响的复杂性,其对温室气体的作用和影响还需长期田间试验研究.     

石油污染土壤生物修复过程中氮循环功能基因的动态检测

氮循环相关功能微生物在土壤发挥其生态功能中起着重要的作用.为定量分析其中的固氮细菌、反硝化细菌和硝化细菌在石油污染土壤生物修复过程中的演变情况,采用了实时定量PCR技术对其相关功能基因nifH、narG和amoA的拷贝数进行检测.结果表明,污染土壤中nifH、narG和amoA基因拷贝数及其占总16S rRNA基因拷贝数的比例远低于正常土壤,修复后土壤中的同类分析结果与正常土壤接近.表明石油污染物破坏了氮循环相关菌落结构,而生物修复则使其得以恢复.进一步分析了不同修复方式下氮循环功能基因的恢复情况以及土壤中石油烃降解率.也表明同时添加秸秆和菌剂具有最好的修复效果,处理40 d后其nifH、narG和amoA基因拷贝数（以干土计）分别恢复到2.68×106、1.71×106和8.54×104g-1,石油烃降解率达到48%.投加真菌-细菌复合菌剂的效果优于只投加细菌菌剂的效果.本研究结果表明氮循环功能基因的动态监测可以从基因和物种水平上反映土壤修复的效果,为土壤修复的监控和效果评估提供参考.     

黄土丘陵区坡面水蚀对降雨和下垫面微观格局的响应

黄土高原严重的土壤侵蚀是降雨和复杂脆弱的下垫面共同作用的结果.以微型小区尺度上(1.2 m×1.2 m;2 m×1.2m)模拟降雨技术为基本研究手段,定量刻画了降雨量和降雨强度等基本降雨特征值对定西安家沟自然坡面上荒草、沙棘中位、沙棘下位、沙棘上位、结皮裸地和裸地等不同植株微观格局及其处理下的水蚀过程的影响.主要取得以下结果:①雨强和雨量对水蚀的发生均能产生显著影响,但以雨强的影响力更大;②前期土壤含水量与产流时间显著负相关,而与径流量和侵蚀量显著正相关.前期含水量相同时,不同植株微景观格局对产流时间发挥了关键作用;③不同植株及其微观格局遏制地表径流的能力迥异.在50～60 mm.h-1的大雨强作用下,有沙棘覆盖的小区径流系数仅为5%～8%,荒草地为25%,结皮裸地为45%,而裸地则高达63%;④有沙棘覆盖的小区中,沙棘在小区中所处的具体位置对于水土流失效应又极为重要,以沙棘下位的水土保持效果最好.     

北京市近郊区土壤砷累积特征

城市近郊区土地利用类型多元化,同时也承载着巨大环境压力,研究近郊区土壤污染特征对城市规划及发展有着重要意义.通过3 km×3 km网格布点,系统采样调查了北京市近郊区5～6环路之间167个样点的0～20 cm表层土壤样品中砷的含量,分析了城市近郊区土壤砷的累积特征.结果表明,北京市近郊区土壤砷含量为2.89～11.38 mg.kg-1,平均值为7.11mg.kg-1.平均值在90年代末的背景值调查数据的范围之内,但是各个分位数级别的值均小于80年代初的北京市土壤背景值调查数据.因子分析结果发现北京市近郊区土壤砷与来源于成土母质的Co、Mn和Ni元素一组.克里格插值得到的北京市近郊区土壤砷含量空间分布图表明,西北与东部及东南部分土壤砷含量较东北和西南部高,砷含量最高25%的土壤样点与点源污染有关,而砷含量最低25%的样点大多远离污染源.不同土地利用类型土壤砷的比较结果表明人类活动在一定程度上影响土壤中砷的累积,生活区与农田土壤砷含量相似且显著大于绿地和荒地.污染源对生活区和绿地与荒地土壤中砷的累积有显著影响,工厂区附近的土壤砷含量显著比远离工厂区和交通区的土壤高.因此,北京市近郊区土壤砷在整体空间分布上主要与成土母质有关,然而人类活动在一定程度上也显著增加了土壤砷的累积.     

黄河口湿地土壤中正构烷烃分子指标及物源指示意义

对黄河口湿地表层土壤中的总有机碳、正构烷烃等进行了分析,计算了正构烷烃分子指标,探讨了其物源指示意义,并对不同采样区域和采样时间的结果进行了比较.结果表明,黄河口湿地土壤中正构烷烃以高碳奇数烷烃(C25～C33)为主,说明土壤中有机质主要来自于陆地高等植物,而样品中未分离混合物的存在表明土壤可能受到了油类污染.土壤中总的正构烷烃含量有明显的时间和区域差异,总的变化范围在0.57～3.90μg.g-1.在2009年4月(枯水期)总的正构烷烃含量相对6月(调水调沙期间)要高,以黄河口湿地核心恢复区最高,其次是黄河入海前最后一个浮桥下方的黄河北岸,最后是黄河故道区域,而6月的变化趋势与此相反.这一变化趋势与总有机碳是一致的,而与中值粒径的变化趋势相反,反映了两个不同的采样时间水环境条件的差异.基于正构烷烃的分子指标,如平均链长ACL、奇偶优势度OEP、烷烃指数AI、碳优势指数CPI和陆海比TAR等表明黄河口湿地土壤的有机质的成熟度较低,有较强的陆源高等植物输入优势,且主要来自于草本植物.与其他指标相比,陆海比指标TAR更好地反映了水环境条件的变化.     

绿地再生水灌溉土壤微生物量碳及酶活性效应研究

再生水灌溉引起了土壤理化性质的变化,其对土壤生物活性的影响备受关注.以再生水利用较典型的北京为研究区,分层采集了不同再生水灌溉历史的城区公园绿地与城郊农田表层土壤样品,测定并分析了一些常规理化指标、土壤微生物量碳及5种土壤酶（脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、脱氢酶和过氧化氢酶）活性,探讨长期再生水灌溉下土壤微生物量碳和酶活性的变化.结果表明,再生水灌溉下公园绿地土壤微生物量碳和酶活性均高于其自来水对照灌区,农田上升不明显.与对照相比,公园绿地与农田再生水灌区0～20 cm土层土壤微生物量碳平均含量分别上升了60.1%和14.2%,公园绿地再生水灌区0～20 cm土层中土壤酶活性平均增幅为36.7%,而农田为7.4%.调查区土壤微生物量碳及酶活性均随土壤深度的增加而降低,其中公园绿地0～10 cm与10～20 cm土层间差异极显著.因此,北京地区城市绿地使用再生水长期灌溉有助于提高土壤生物活性.