楊凌蔬菜基地土壤多環(huán)芳烴的污染特征及其來源

李國秀， 崔利輝， 劉 偉， 劉小寧

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生物工程分院， 陜西 楊凌 712100)

0 引言

【研究意義】楊凌是我國第一個(gè)國家級農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)，蔬菜生產(chǎn)是其重要產(chǎn)業(yè)之一。多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是由2個(gè)或者2個(gè)以上苯環(huán)或者戊二烯通過不同方式聚合而成的一類有機(jī)污染物，是環(huán)境中普遍存在、可長距離傳輸，且可致癌、致畸以及誘導(dǎo)有機(jī)體突變的一類持久性有機(jī)污染物[1-3]。因PAHs的環(huán)境毒性及對人類健康的威脅較大，美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)把16種多環(huán)芳烴列入優(yōu)先控制的污染物名單[4-6]。因此，開展楊凌區(qū)蔬菜基地土壤中多環(huán)芳烴的污染特征和來源研究對當(dāng)?shù)厥卟说绒r(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)環(huán)境污染防控具有重要現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】PAHs的來源以石化燃料燃燒、廢物焚燒和化工燃料不完全燃燒產(chǎn)生的煙氣和工廠排出物為主，排放到環(huán)境中的PAHs 90%以上通過大氣沉降等途徑最終進(jìn)入土壤，使土壤成為PAHs最主要的儲(chǔ)存庫[7]。土壤中的PAHs會(huì)被蔬果等植物通過根系進(jìn)行吸收，并在植物體內(nèi)遷移和積累，進(jìn)而通過食物鏈危害人類健康[8]。PAHs在土壤中的分布具有明顯的地理分布特征，與區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平、氣候條件、人口密度和土壤性質(zhì)均有關(guān)[9-10]。【研究切入點(diǎn)】關(guān)于我國東部、南部、東北部地區(qū)的農(nóng)田土壤PAHs污染特征研究報(bào)道較多，而針對西北地區(qū)農(nóng)田土壤PAHs污染狀況及污染源研究則鮮有報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】以西北地區(qū)唯一的農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)楊凌區(qū)為研究對象，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法對楊凌區(qū)蔬菜基地土壤中16種多環(huán)芳烴化合物含量進(jìn)行檢測，依據(jù)土壤PAHs分級標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合分子標(biāo)記物特征比值法對其污染水平和污染來源進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)厥卟说绒r(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)環(huán)境污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 土樣 于2019年11—12月，采自楊凌區(qū)15個(gè)典型蔬菜基地。

1.1.2 試劑 萘(Nap)、苊烯(Acy)、苊(Ace)、芴(Flu)、菲(Phe)、蒽(Ant)、熒蒽(Fla)、芘(Pyr)、苯并(a)蒽(BaA)、屈(Chr)、苯并(b)熒蒽(BbF)、苯并(k)熒蒽(BkF)、苯并(a)芘(BaP)、茚并(1，2，3-c，d)芘(InP)、二苯并(a，h)蒽(DBA)及苯并(g，h，i)苝(BghiP)等16種PAHs有機(jī)物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，購自壇墨質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心，濃度為200 μg/mL；二氯甲烷和正己烷為色譜純，無水硫酸鈉為分析純；弗羅里硅土固相萃取凈化柱(1 000 mg，6 mL)，Agela公司生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。

1.1.3 儀器 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀GCMS-QP2010 Plus(日本島津公司)，OSJ-UP-V 超純水機(jī)(山東博科科學(xué)儀器有限公司)，RE-52C旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(鄭州市亞榮儀器有限公司)，水浴恒溫振蕩器(上海啟前電子科技有限公司)，MD-200氮吹儀(杭州奧盛儀器有限公司)，Mixplus旋渦混合器(合肥艾本森科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 土壤樣品采集和預(yù)處理 楊凌(107°59′～108°08′E，34°14′～34°20′N)位于關(guān)中平原中部，為陜西省咸陽市轄區(qū)，屬于半濕潤易旱區(qū)，溫帶季風(fēng)性氣候，總面積135 km2。研究選擇楊凌區(qū)15個(gè)蔬菜基地，采取多點(diǎn)采樣混合法，在每個(gè)基地采集6～8個(gè)點(diǎn)形成1個(gè)土壤混合樣，避開蔬菜基地邊緣、作物根部和剛施肥的地點(diǎn)。四分法留取約1 kg土樣，將土壤樣品平鋪在風(fēng)干盤上，去除其中的雜物，在通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干，研磨后過60目篩，裝于磨口棕色玻璃瓶中，置于冰箱中4℃以下冷藏，待測。

土壤中多環(huán)芳烴的提取和凈化參照文獻(xiàn)[6]的方法并略作改進(jìn)。稱取5.00 g土壤樣品(已測含水量)于50 mL離心管中，加入10.0 g無水硫酸鈉，用90.0 mL二氯甲烷分3次萃取，每次30.0 mL，超聲萃取30 min，5 000 r/min離心后合并萃取液，萃取液于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上40℃蒸發(fā)至近干，用3.00 mL正己烷超聲30 s溶解，待凈化。固相萃取凈化程序：用5 mL正己烷活化弗羅里硅土小柱，將3.00 mL樣品上樣，用12.00 mL洗脫液(二氯甲烷∶正己烷為2∶8，V/V)洗脫，洗脫液收集于氮吹管中，于40℃氮吹至近干，冷卻后加1 mL正己烷，渦旋2 min后，用0.22 μm有機(jī)濾膜過濾至棕色進(jìn)樣瓶中，待測。

1.2.2 土壤中PAHs化合物的含量測定 利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)進(jìn)行樣品分析。16種PAHs化合物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液用正己烷稀釋，配制成質(zhì)量濃度分別為2.0 μg/mL、5.0 μg/mL、10.0 μg/mL、20.0 μg/mL和40.0 μg/mL系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，繪制工作曲線，外標(biāo)法定量。氣相色譜條件：DB-5 MS石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；載氣為高純氦氣(純度大于99.999%)，載氣流量1.0 mL/min；進(jìn)樣方式為不分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量為1.0 μL；進(jìn)樣口溫度280℃；柱溫為程序升溫(初始柱溫120℃，保持2 min；以10℃/min升溫至280℃，保持20 min)。質(zhì)譜條件：電子轟擊電離源(EI)；電離能量70 eV；接口溫度280℃；離子源溫度230℃；監(jiān)測方式為選擇離子掃描(SIM)，16種PAHs化合物監(jiān)測離子(表1)的總離子流色譜圖見圖1。

表1 16種 PAHs化合物保留時(shí)間和監(jiān)測離子

圖1 16種 PAHs化合物的質(zhì)譜總離子流圖譜

1.2.3 土壤PAHs的污染水平評價(jià) 目前，國際上還沒有用于對土壤多環(huán)芳烴進(jìn)行污染評價(jià)和治理的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，我國也沒有制定土壤多環(huán)芳烴的治理標(biāo)準(zhǔn)，僅在《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)[11]中規(guī)定，苯并(a)芘的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值為0.55 mg/kg。研究參照波蘭MALISZEWSKA-KORDYBACH[12]提出的土壤多環(huán)芳烴污染等級評價(jià)方法對研究區(qū)蔬菜基地土壤的多環(huán)芳烴污染情況進(jìn)行評價(jià)，即依據(jù)土壤中PAHs含量將其污染程度分成4級：未受污染(小于200 μg/kg)、輕度污染(200～600 μg/kg)、中度污染(600～1 000 μg/kg)及重度污染(大于1 000 μg/kg)。

1.2.4 土壤中PAHs化合物的來源分析 分子標(biāo)記物特征比值法是一種比較成熟的PAHs來源解析方法，其原理是基于PAHs在不同來源中存在特定的比值從而判定其潛在污染來源，可定性地為PAHs污染提供潛在污染來源信息[13-14]。研究采用Fla/(Fla+Pyr)和Phe/(Phe+Ant) 2種特征比值判斷多環(huán)芳烴的來源：當(dāng)Fla/(Fla+Pyr)<0.4或Phe/(Phe+Ant)>0.98時(shí)，表示環(huán)境中PAHs主要來源于石油泄露；當(dāng)Fla/(Fla+Pyr)>0.5或Phe/(Phe+Ant)<0.77時(shí)，表示環(huán)境中PAHs主要來源于煤和生物質(zhì)的燃燒；當(dāng)0.4

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中 PAHs化合物的含量特征與評價(jià)

2.1.1 PAHs化合物的含量 從表2看出，土壤中多環(huán)芳烴總量為72.46～437.63 μg/kg，平均為228.57 μg/kg，中位值212.84 μg/kg。16種多環(huán)芳烴單體均有不同程度檢出，從多環(huán)芳烴單體含量看，污染以高環(huán)(4～6環(huán))多環(huán)芳烴為主，10種高環(huán)芳烴總量占所有多環(huán)芳烴總量的61.5%～80.4%，其中含量較高的有4環(huán)的熒蒽(Fla)、芘(Pyr)、屈(Chr)和5環(huán)的苯并(b)熒蒽(BbF)，而二苯并(a，h)蒽(DBA)、苯并(a)芘(BaP)、苯并(a)蒽(BaA)含量較低。低環(huán)(2～3環(huán))的多環(huán)芳烴總體含量較低，6種低環(huán)芳烴總量占所有多環(huán)芳烴總量的19.6%～38.5%，污染主要以菲(Phe)為主，其他低環(huán)多環(huán)芳烴單體含量均較低。

表2 土壤中16種 PAHs化合物的含量

2.1.2 土壤中PAHs的污染水平 對比MALISZEWSKA-KORDYBACH[12]提出的農(nóng)業(yè)土壤多環(huán)芳烴污染等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，15個(gè)蔬菜基地土壤中33%的采樣點(diǎn)為無污染(∑PAHs小于200 μg/kg)，67%的采樣點(diǎn)為輕度污染(∑PAHs為200～600 μg/kg)。所有采樣點(diǎn)的PAHs總量平均為228.57 μg/kg，在輕度污染標(biāo)準(zhǔn)范圍(∑PAHs為200～600 μg/kg)內(nèi)，因此，楊凌區(qū)蔬菜基地整體污染水平為輕度污染。土壤苯并(a)芘含量為ND～17.66 μg/kg DW，未超過我國《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[11]規(guī)定的污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(0.55 mg/kg)，表明土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低。與國內(nèi)其他地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中多環(huán)芳烴的含量(表3)相比，楊凌區(qū)蔬菜基地土壤多環(huán)芳烴的含量處于相對較低水平，與貴陽、佛山市順德區(qū)和杭州等地區(qū)接近。

表3 楊凌區(qū)蔬菜基地土壤與其他地區(qū)土壤中多環(huán)芳烴的含量

2.2 土壤中PAHs 化合物的來源

從圖2看出，在15個(gè)采樣基地的Fla/(Fla+Pyr)和Phe/(Phe+Ant) 2種特征比值中，有93%的采樣點(diǎn)Fla/(Fla+Pyr)>0.50，7%的采樣點(diǎn)Fla/(Fla+Pyr)在0.40～0.50；87%的采樣點(diǎn)Phe/(Phe+Ant)<0.77，13%的采樣點(diǎn)Phe/(Phe+Ant)在0.77～0.98。表明，多數(shù)采樣點(diǎn)的PAHs主要來源于生物質(zhì)和煤炭燃燒，少數(shù)采樣點(diǎn)主要來源于機(jī)動(dòng)車尾氣排放和石油燃燒。究其原因，楊凌區(qū)蔬菜基地土壤PAHs化合物主要來源為生物質(zhì)和煤炭燃燒，可能與采樣季節(jié)處于秋冬季，燃煤取暖頻繁有關(guān)；少數(shù)土樣PAHs化合物為機(jī)動(dòng)車排放，與采樣點(diǎn)靠近公路主干線有關(guān)。

圖2 土壤中 PAHs化合物來源的Phe/(Phe+Ant) 和Fla/(Fla+Pyr)

3 討論

張俊葉等[28]系統(tǒng)分析2000-2016年發(fā)表的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在中國主要地區(qū)表層土壤多環(huán)芳烴中，USEPA優(yōu)先控制的16種多環(huán)芳烴總量(∑ PAHs)的中值為515.70 ng/g，與其他國家相比處于中等水平；各組分中以菲(Phe)、熒蒽(Fla)和萘(Nap)的含量最高，苊烯(Acy)、苊(Ane)及茚苯并(1，2，3，-cd)芘(Inp)含量最低。ZHANG等[29]分析近100篇論文中6 000余個(gè)表層土壤樣品多環(huán)芳烴的含量及分布情況后認(rèn)為，我國表層土壤中16種多環(huán)芳烴總量的平均值為730 ng/g，且具有明顯的地理分布特征，多環(huán)芳烴總量的空間分布模式為東北>北>東>南>西，認(rèn)為，表層土壤中多環(huán)芳烴含量沿城鄉(xiāng)梯度下降，且其含量水平與經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、人口密度、氣候條件和土壤性質(zhì)均有關(guān)，其中區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平和氣候條件是造成多環(huán)芳烴在土壤中分布差異較大的主要原因。曹云者等[30]發(fā)現(xiàn)，我國表層土壤PAHs以4～6環(huán)為主，且∑PAHs平均含量分布趨勢為東北>華北>華東>華南>華中。該研究區(qū)的多環(huán)芳烴組分組成特征與上述文獻(xiàn)研究結(jié)果相似，多環(huán)芳烴總量中位值和平均值均顯著低于上述文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)的我國表層土壤多環(huán)芳烴總量，污染水平評價(jià)結(jié)果也表明該研究區(qū)蔬菜基地土壤多環(huán)芳烴污染程度較輕，可能與該研究區(qū)以發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主，工業(yè)企業(yè)相對較少有關(guān)。

環(huán)境中多環(huán)芳烴種類多，來源復(fù)雜，一般可分為自然源和人為源兩大類。自然源主要包括成巖作用、生物合成作用、火災(zāi)以及火山噴發(fā)等，該自然來源的多環(huán)芳烴構(gòu)成了環(huán)境中的天然本底值[8，31]。人為源則包括石油源(原油等在開采、運(yùn)輸以及使用等過程中的泄露以及排污等)和熱解源(煤、石油、天然氣等化石燃料及生物質(zhì)的燃燒)2個(gè)方面。自然源只是土壤中PAHs來源的小部分，土壤中PAHs的主要來源是人為源，主要是由人類活動(dòng)過程中化石燃料和生物質(zhì)的不完全燃燒以及工業(yè)活動(dòng)過程中產(chǎn)生的[32-33]。排放到大氣中的PAHs可通過干濕沉降進(jìn)入地表土壤[34]，并容易被土壤固體顆粒和土壤有機(jī)質(zhì)吸附并累積。識(shí)別土壤中多環(huán)芳烴污染的來源對于污染源頭管控有重要意義。PAHs的污染源解析方法主要有化合物特征比值法、輪廓圖或指紋圖譜法和特征化合物法3種。該研究采用的特征比值法原理和操作簡單，適用于對各種環(huán)境介質(zhì)中PAHs來源類型的初步診斷，已被廣泛用于識(shí)別土壤PAHs的潛在來源[35-36]。研究結(jié)果表明，蔬菜基地土壤PAHs主要來源于生物質(zhì)和煤炭燃燒，與人類日?；顒?dòng)和冬季采暖相關(guān)。

4 結(jié)論

楊凌區(qū)15個(gè)蔬菜基地土壤中，USEPA優(yōu)先控制的16種多環(huán)芳烴在土樣中均有不同程度檢出，以高環(huán)(4～6環(huán))多環(huán)芳烴中的熒蒽、芘、屈、苯并(b)熒蒽和三環(huán)芳烴中的菲為主，其他的多環(huán)芳烴單體含量均較低。各采樣點(diǎn)多環(huán)芳烴的總量為72.46～437.63 μg/kg，平均含量為228.57 μg/kg，中位值212.84 μg/kg。蔬菜基地土壤33%的采樣點(diǎn)為無污染，67%的采樣點(diǎn)為輕度污染，綜合所有采樣點(diǎn)PAHs總量的平均值判定楊凌區(qū)蔬菜基地整體污染水平為輕度污染。楊凌區(qū)蔬菜基地多環(huán)芳烴污染來源主要是生物質(zhì)和煤炭燃燒，少數(shù)點(diǎn)位PAHs主要來源于機(jī)動(dòng)車尾氣排放和石油燃燒。為了防控多環(huán)芳烴的進(jìn)一步污染，在人類生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)盡量使用清潔能源，且蔬菜基地在選址時(shí)要盡量遠(yuǎn)離公路主干道。