广州市典型森林土壤多环芳烃分布及其吸附性能研究

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多环芳烃(polycyclicaromatichydrocarbon,PAHs)是环境中重要的有机污染物(persistentorganicpollutants,POPs),对城市环境的影响较大。研究主要集中在市区环境,以及郊区农田和蔬菜用地等,但目前对PAHs在城市森林土壤中的分布、吸附和降解作用研究较少。本文以广州市帽峰山、白云山常绿阔叶林为对象,采用定位观测及对比试验和模拟实验方法,对两个林区土壤PAHs的含量及土壤SOC、pH、TN、SOM等进行分层测定,分析PAHs及其与SOC、pH、TN、SOM的空间变化特征和相关关系,并对土壤吸附和降解PAHs进行模拟实验。从而研究广州市森林土壤的PAHs含量及空间分布特征,以及森林土壤对PAHs的吸附过程和降解能力。论文的主要结果为:(1)帽峰山森林土壤中各个PAHs的浓度均表现为0-20cm高于20-60cm。萘的含量在表层(0-20cm)土壤和下层(20-60cm)土壤的含量高于其他PAHs,同时其在次层土壤中的含量也最高,占次层含量的30%左右。在白云山土壤中,土壤中的分布特征与帽峰山基本类似。表层的PAHs浓度高于下层的浓度。表层和下层中各个环数的PAHs所占的比例随苯环数的增加,也呈现减小的趋势。而且下层中低环PAHs所占的比例明显增加,5-,6-环的PAHs所占比例则大幅减少。帽峰山森林土壤中的PAHs含量高于白云山土壤。帽峰山、白云山的表层和次表层的PAHs总量分别为123.5、30.10、95.62和14.80μg·g-1。在帽峰山不同采样点森林土壤中,苯环数相同的PAH的浓度具有较强的相关性,4-6环的PAHs的相关系数R2在0.730.9之间(P<0.01)。(2)土壤中的PAHs含量与土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)存在正相关关系(P<0.01)。土壤阳离子交换量、粉粒含量、土壤脱氢酶与PAHs含量也存在显著的正相关关系(P<0.01)。而土壤砂粒、粘粒和多酚氧化酶与总的PAHs含量在回归方程上并没有显著的相关性。(3)吸附动力学试验表明3种PAHs达到吸附平衡需要的时间在48h左右,平衡后水相浓度基本不变。平衡时水相中的PAHs的浓度均显著减少,24h内的水相浓度下降较快。吸附过程用经典的吸附动力学模型拟合效果均较好。菲、蒽和苯并[a]芘的动力学模型拟合度(R2)的范围分别为0.316-0.936、0.603-0.858和0.532-0.898。总体来看,二级动力学模型对土壤吸附溶液中PAHs的过程拟合的最好,颗粒内扩散模型则好于一级动力学模型。二级动力学模型中,吸附速率常数K表现为苯并[a]芘>菲>蒽,与一级吸附动力学方程刚好相反。而在颗粒内扩散模型中,孔隙扩散速率K值则表现为菲>蒽>苯并[a]芘。(4)在各个PAHs的吸附等温线模型中,菲、蒽和苯并[a]芘的吸附系数KF分别为0.7952、1.4381和1.211。蒽具有较高的KF,因此土壤对其吸附能力比菲强。Freundlich吸附等温模型和Langmuir单分子层吸附模型与吸附数据拟合较好,相关系数R2在0.95以上。菲、蒽和苯并[a]芘的单层吸附量分别为6.15×10-4、3.53×10-6和0.25×10-7mmol·g-01。(5)在土壤培养基质中,森林土壤和所选取的6种微生物都存在降解PAHs的能力。土壤中菲、蒽、苯并[a]芘的浓度分别减少了9.6-32.6%、2.2-35.2%、0.6-19%。高环数的苯并[a]芘的降解率小于菲和蒽。降解率会因微生物的不同和底物PAHs的不同而有差异。
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