黄河口两岸土壤中多环芳烃分布及其生态风险
2022-11-01张希画郝迎东齐月赵一蕾
张希画，郝迎东*，齐月，赵一蕾
（1.山东黄河三角洲国家级自然保护区，山东 东营 257500；2.中国环境科学研究院生态研究所，北京 100012）
黄河三角洲为东北亚内陆和环西太平洋鸟类迁徙提供了重要的中转站和越冬栖息地，对于全球生物多样性保护具有重要意义。同时，黄河三角洲地下蕴藏着丰富的以油气为主的矿产资源，在过去的50年里，黄河三角洲是胜利油田的重要开采区，也是中国重要的石油工业基地。多环芳烃（PAHs）是一类可以在环境中持久存在的有机污染物，具有生物富集性和致癌、致畸、致基因突变的危害，已被多个国家列为优先控制污染物。石油的勘探开发活动增加了多环芳烃排放到环境中的风险，威胁着该地区的生态系统健康[1]。尽管近年来黄河三角洲国家级自然保护区内的油井在国家最新相关法律法规要求下逐步封闭退出，但是污染的自然恢复需要较长的时间。土壤作为环境中PAHs 的主要汇聚地，承担了90%以上的PAHs 负荷量且主要存储在表层土壤中[2]。因此，调查分析黄河三角洲国家级自然保护区内土壤中PAHs 的含量，有利于科学评估黄河三角洲国家级自然保护区的污染状况。
本研究以黄河三角洲国家级自然保护区内黄河口附近黄河两侧土壤中16 种优先控制的PAHs 为研究对象，分析其含量、组分和污染状况，并采用平均效应区间中值商法和毒性当量因子评价法对其生态风险进行评估，以期为黄河三角洲国家级自然保护区污染治理及风险预防提供科学依据。
1 研究地概况
黄河三角洲（118°07'—119°18'E，36°55'—38°12'N）位于渤海湾和莱州湾之间，是环渤海地区的重要组成部分，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，夏热冬寒，年平均气温约为11.7～12.8 ℃，年平均降水量约为530～630 mm。土壤类型主要为潮土和盐土，共占土壤总面积的95%。地形地貌主要受黄河流路的演变及形成所控制，是典型的扇形三角洲，以微斜平地、海滩地和浅平洼地类型为主。
2 材料与方法
2.1 野外采样
本研究采样区位于山东省黄河三角洲国家自然保护区黄河口附近，样品采集于2021年7月，选取远离农田、公路、受人类活动干扰较小且均为荒地的样地共7 个（图1，表1），位于黄河两岸；每个样地均选取3个采样点，每个采样点采用5 点采样法采集表层土壤（0—20 cm）并将其混合均匀四分法取样约1 kg，装入无菌自封袋，低温避光运回实验室，土样于冷冻（-20 ℃）保存，待测定。
图1 采样点示意图Figure 1 Location of sampling sites in the study area
表1 采样点经纬度Table 1 Latitude and longitude of the sampling sites
2.2 PAHs 分析
去除样品中根系、石子等杂质后称取20 g（精确至0.01 g），加入适量无水硫酸钠进行脱水，然后将样品研磨成细粒状并称取5 g 左右，采用索氏提取法，加入100 mL 丙酮-正己烷混合溶剂提取16～18 h，每小时回流4～6 次，使用平行浓缩仪将提取液浓缩至约2 mL，用40 mL 戊烷淋洗硅胶层析柱，速度控制在2 mL/min，在柱填料暴露于空气之前，关闭活塞，丢弃淋洗液。将浓缩液加入至层析柱后，加入环己烷分次清洗浓缩器，待洗液全部转入层析柱后，打开活塞，缓慢加入25 mL 戊烷后丢弃此部分溶液，加入25 mL 二氯甲烷-戊烷混合溶剂进行洗脱，收集洗脱液，将洗脱液再次浓缩后加入适量丙酮-正己烷混合溶剂，定容至1 mL，待测。
采用气相色谱质谱联用仪分析样品中的PAHs，色谱柱为DB-5MS 石英毛细管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 μm），载气为高纯氦气，不分流进样，16 种优先控制的PAHs 分别为萘（Nap）、苊烯（Acpy）、苊（Ace）、芴（Flu）、菲（Phe）、蒽（Ant）、荧蒽（Fla）、芘（Pyr）、苯并（a）蒽（BaA）、（Chr）、苯并（b）荧蒽（BbF）、苯并（k）荧蒽（BkF）、苯并（a）芘（BaP）、茚并（1,2,3）芘（IcdP）、二苯并（a,h）蒽（DahA）、苯并（g,h,i）苝（BghiP）。
为了保证数据的准确性与可靠性，整个实验过程中均进行了严格的质量控制。质控手段为每个样品中都加入邻氟联苯用于回收率检测，16 种PAHs 的加标回收率在40%～150%。空白实验与平行样测试每20 个样品进行1 次，平行样测试的相对标准偏差结果均在20%以内。采用外标法对PAHs 定量分析，标准曲线的相关系数均在0.995 以上。
2.3 PAHs 潜在生态风险评价
2.3.1 平均效应区间中值商法
平均效应区间中值商法（M-ERM-Q）是一种用于定量预测河口、海洋沉积物中复杂污染物联合毒性的方法，通过计算单组污染物的效应区间中值求出多组分的平均效应区间中值，可以定量预测多种污染物的综合生态毒性，计算公式如下：
式中，Ci是土壤样品中多环芳烃i 的实测浓度，ERMi是多环芳烃的效应区间中值（ERM）（表1），n 为多环芳烃的种类数[4,6,8]。
当M-ERM-Q<0.1 时表明PAHs 产生生态风险的可能性较低；0.1
2.3.2 毒性当量因子评价法
毒性当量因子评价法（TEQ）常用于评价土壤中多种PAHs 的综合生态风险，计算公式如下：
TEQA=ΣTEFA×CA
式中，CA表示沉积物样品中化合物A 的浓度；化合物A 的毒性当量因子以苯并（a）芘的毒性当量定为1，其它多环芳烃的毒性当量因子 （TEF） 以此为基础（表2）[12,13]。毒性当量因子越大，对应的PAHs 单体的毒性越大[9]。
表2 多环芳烃的毒性当量因子和效应区间中值Table 2 Toxicity equivalency Factors and ERM guideline values for PAHs（ng/g dw）
2.4 数据分析
采用T 检验分析黄河口两岸样地土壤中PAHs 含量差异(P<0.05)。采用Excel 软件整理数据，采用SPSS 20 进行数据分析，Origin 8.5 作图。
3 结果与分析
3.1 PAHs 含量及污染状况
通过T 检验分析黄河口南北两岸土壤中PAHs 含量可知（图2），黄河口南岸土壤中PAHs 含量高于黄河北岸。在黄河口黄河南岸3 个样点的表层土壤中PAHs 含量范围为126.24～264.91 ng/g，均值为173.31 ng/g；黄河口黄河北岸4 个样点的表层土壤中PAHs 含量范围为24.97～125.40 ng/g，均值为85.20ng/g；黄河两岸采集7 个样点的表层土壤中PAHs 含量范围为24.97～264.91 ng/g，均值为122.96 ng/g。
图2 黄河口南北岸土壤中PAHs 含量对比Figure 2 The PAHs content in the soil of the northern and southern banks of the Yellow River Estuary
根据Baumard 方法[3]将污染水平分为低污染（0～100 ng/g dw）、中等污染（100～1000 ng/g dw）、高污染（1000～5000 ng/g dw）和极高污染（>5000 ng/g dw），黄河南岸属于中等污染，黄河北岸属于低污染水平，黄河口两岸土壤中PAHs 污染属于中等污染水平。
3.2 PAHs 成分组成及来源分析
本研究所有土壤样品中共检测出16 种PAHs 中的5 种，分别为Nap，Flu，Pyr，Fla 和BaP。在黄河口两岸采集7 个样点的表层土壤中PAHs 中，所有样点中均含有Nap，且Nap 占ΣPAH16含量比例最大，为90.56%，黄河口南北岸土壤中PAHs 组成以2 环为主。对比黄河口南北两岸土壤中PAHs 组分差异（图3）可知，南北两岸土壤中PAHs 均以2 环PAHs 为主。北岸土壤中PAHs 中2 环比例为89.55%，5 环PAHs 比例次之，为7.11%；而南岸土壤中PAHs 中2 环比例为91.22%，4 环PAHs 比例次之，为4.69%。通常低分子量（2～3 环）PAHs 急性毒性较明显，但毒性相对较低，在环境中容易通过迁移转化而被降解；而高分子量（4～6 环）PAHs对生物产生慢性毒性，潜在的遗传毒性和致癌性增强，水溶性低，在环境中难以通过迁移转化被降解[7,11]，这表明黄河口两岸土壤中PAHs 以急性毒性为主，且易在环境中迁移转化，但是也不能忽视慢性毒性的影响。
PAHs 来源较为多样，往往与原油泄漏、工业排放、燃料燃烧等有关，了解其来源可以更为有效的从源头防控其污染。一般认为低环PAHs 主要与石油泄漏或化石燃料的自然挥发等有关，而高环PAHs 与石油、煤炭、草木等燃料的不完全燃烧和交通尾气的排放等有关[10]。根据PAHs 自身结构性质，黄河口两岸样地土壤中以低环PAHs 为主（图3），据此推断其污染来源以原油泄漏或化石燃料自然挥发有关，因此应加强自然保护区内石油开采区的管控。
图3 黄河口南北两岸土壤中PAHs 组成对比Figure 3 The PAHs composition in soil of the northern and southern banks of the Yellow River Estuary
3.3 PAHs 潜在生态风险评价
3.3.1 平均效应区间中值商法
黄河口两岸7 个样地表层土壤中ΣPAH15的M-ERM-Q 值排序为样地3＞样地1＞样地6＞样地2＞样地4＞样地5＞样地7（图4），分布于南岸的样地表层土壤中ΣPAH15的M-ERM-Q 值整体要高于北岸的样地表层土壤中的相应值。依据平均效应区间中值商法（M-ERM-Q）的生态风险等级，黄河口两岸不同样地的表层土壤中15 种PAHs 的M-ERM-Q 均低于0.1，表明其生态风险较低，产生毒性概率＜10%。
图4 黄河口两岸7 个样地土壤中的ΣPAH15 的m-ERM-Q 值Figure 4 The m-ERM-Q of ΣPAH15in the soil at 7 sample sites of the northern and southern banks of the Yellow River Estuary
3.3.2 毒性当量因子评价法
黄河口两岸不同样地表层土壤中ΣPAH16的毒性当量因子TEQ 值排序为样地4＞样地2＞样地5＞样地3＞样地1＞样地6＞样地7，所有样地表层土壤中ΣPAH16的TEQ 值均小于14 ng/g （图5）。TEQ 越大则土壤中PAHs 的综合生态风险越大。根据加拿大土壤指标标准，PAHs 对环境和人体健康的TEQ 安全值是低于600 ng/g（CCME,2010），因此黄河口两岸所有样地不同采样点的表层土壤中PAHs 的TEQ 均属于环境和人体健康的安全值范围内。综合分析黄河三角洲国家级自然保护区内黄河口两岸土壤中PAHs 的生态风险较低。
图5 黄河口两岸7 个样地土壤中的ΣPAH16 的TEQ 值Figure 5 The TEQ of ΣPAH16 in the soil at 7 sample sites of the northern and southern banks of the Yellow River Estuary
4 结论
4.1 黄河口黄河两岸采集7 个样点的表层土壤中PAHs 含量范围为24.97～264.91 ng/g，均值为122.96 ng/g，属于中等污染水平。黄河口北岸土壤中PAHs 含量均值为85.20 ng/g，属于低污染水平；而南岸土壤中PAHs 含量均值为173.31 ng/g，属于中等污染水平。黄河口南岸土壤中PAHs 含量高于北岸土壤中PAHs 含量。
4.2 土壤样品中共检测出16 种PAHs 中的5 种，分别为Nap，Flu，Pyr，Fla 和BaP。在黄河口两岸采集7 个样点的表层土壤中PAHs 中，所有样点均含有Nap，且Nap 占ΣPAH16含量的90.56%，黄河口两岸土壤中PAHs组成以2 环为主。根据PAHs 自身结构性质分析，黄河口两岸样地土壤中PAHs 污染来源以原油泄漏或化石燃料自然挥发为主。
4.3 依据平均效应区间中值商法（m-ERM-Q）分析，黄河口两岸7 个样点表层土壤中ΣPAH15均低于0.1，表明PAHs 生态风险较低，产生毒性概率＜10%。根据毒性当量因子评价法（TEQ）分析，黄河口两岸7 个样点表层土壤中ΣPAH16的TEQ 值均小于14 ng/g，属于环境和人体健康的安全值范围内。综合分析黄河三角洲国家级自然保护区内黄河口两岸土壤中PAHs 的生态风险较低。
