城市土壤中黑碳的特征與溯源及其環(huán)境意義.pdf

1、本論文以鞍山城市土壤為研究對(duì)象，對(duì)城市土壤中黑碳的濃度、空間分布以及溯源等進(jìn)行了研究。研究采集115個(gè)城市表土和4個(gè)土壤剖面樣本，利用化學(xué)氧化法測(cè)定城市土壤中的黑碳(BC)和總碳(TC)濃度，并分析了它們的空間分布規(guī)律和來(lái)源。結(jié)果表明鞍山城市表土中黑碳的濃度介于1.86～346.46 g/kg之間，平均濃度為33.86 g/kg，黑碳占土壤中總碳比例的平均值為75.73％。土壤剖面中BC和TC的濃度隨著深度的增加而減少，而BC/TC比值

2、隨剖面深度的變化不明顯。城市土壤BC濃度的空間分布圖表明，高濃度的黑碳區(qū)位于城市北部，系該市鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)分布區(qū)。表土中BC的富集系數(shù)(EF)介于0.28和37.23之間，平均值為5.11，表明城市表層土壤中BC呈中等或嚴(yán)重的累積。土壤顆粒中BC的粒級(jí)分布表明，BC的分布系數(shù)(DF)以1000-500μm粒級(jí)最高，50-2μm粒級(jí)最低。而250-50μm和50-2μm這兩級(jí)BC的質(zhì)量負(fù)荷系數(shù)(GSF)占76.2％，表明BC容易在這兩級(jí)土壤

3、粒級(jí)中累積。土壤中BC和重金屬負(fù)荷污染指數(shù)(PLI)之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，表明土壤中BC和重金屬具有相同的來(lái)源。土壤中BC/TC比在0.45～0.97之間，平均值為0.75。BC/TC的比值可以用來(lái)識(shí)別BC的來(lái)源。鋼鐵工業(yè)區(qū)采集的土壤樣品中，BC/TC比值的平均值為0.88，表明BC主要來(lái)源于煤炭的燃燒。土壤中BC濃度和BC/TC比值可以反映城市土壤中人類活動(dòng)的影響程度和污染源，可作為指示土壤中人為污染的指標(biāo)。
　　黑碳(BC)是

4、參與許多地質(zhì)和環(huán)境過(guò)程的一種關(guān)鍵碳。利用元素分析、掃描電子顯微鏡和能散x射線能譜(SEM/EDS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、熱重分析(TGA)、X射線衍射(XRD)和穩(wěn)定碳同位素(δ13C)等方法對(duì)城市土壤中BC的化學(xué)成分、形貌、分子結(jié)構(gòu)和碳穩(wěn)定同位素進(jìn)行了研究。元素分析結(jié)果表明，黑碳中碳元素含量平均超過(guò)70％，H/C和O/C摩爾原子比的平均值分別為0.73和0.18。BC顆粒的顯微圖像顯示了BC的不同形態(tài)，主要有多孔球形，不規(guī)

5、則多孔碎塊以及塊狀顆粒。其中，多孔球形BC顆粒的O/C摩爾原子比范圍在0.04和0.37之間，表明這些BC顆粒主要來(lái)源于煤炭的燃燒。BC的XRD結(jié)果顯示，BC結(jié)合的礦物主要有赤鐵礦(Fe2O3)，高嶺石(AI2Si2O5(OH)4)，石英(SiO2)和方解石(CaCO3)。傅里葉紅外光譜顯示BC的主要化學(xué)鍵為:3400cm-1的O-H鍵，2920 cm-1的C=H鍵，1600 cm-1的C=C鍵，1230 cm-1的C=O鍵以及1070

6、 cm-1的C=O鍵。BC的穩(wěn)定碳同位素(δ13C)值范圍為-24.48‰～-23.18‰，平均值為-23.79‰±0.39。BC中O/C摩爾原子比和碳同位素(δ13C)表明，它們主要來(lái)自化石燃料燃燒。因此，城市土壤中黑碳的濃度可以記錄大氣污染的歷史，可作為區(qū)分城市環(huán)境污染源指標(biāo)。
　　圍繞BC與重金屬的相關(guān)性，研究了城市土壤黑碳中的重金屬分布、遷移性和潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。以10個(gè)代表性土壤的黑碳顆粒為材料，按照顆粒大小將BC分為三級(jí)，

7、測(cè)定了重金屬(Cd、Cr、Cu、Pb、Zn和Ni)的濃度，并利用毒性淋溶試驗(yàn)(TCLP)和EDTA浸提法評(píng)價(jià)了黑碳中重金屬的生物有效性和淋溶性。結(jié)果表明，黑碳中重金屬的濃度隨著顆粒粒徑的減小而增加，尤其以＜50μm粒徑的BC中重金屬濃度最高，重金屬的富集系數(shù)(EFs)隨著黑碳粒級(jí)的減小而增大，尤其以Cd和Zn富集最為嚴(yán)重。表明細(xì)顆粒黑碳積累較多的重金屬，具有較大的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)粒黑碳顆粒中重金屬的分布系數(shù)(DFs)為Zn(3.22)

8、＞Cu(2.84)＞Pb(2.61)＞Cr(2.19)＞Cd(2.05)。同時(shí)，根據(jù)TCLP和EDTA的淋溶性測(cè)定表明Cd和Zn比其他重金屬有較高的淋溶性和生物有效性。根據(jù)上述研究，可以認(rèn)為細(xì)黑碳顆粒是潛在有毒金屬的重要來(lái)源，而不同粒級(jí)黑碳中重金屬含量的變化在環(huán)境評(píng)估中也應(yīng)該被考慮。
　　為了進(jìn)一步理解不同生物質(zhì)燃燒源BC的特性，采集了21種不同的生物質(zhì)原料，開(kāi)展了不同熱解溫度和時(shí)間條件下生物質(zhì)燃燒源BC特性的研究。生物質(zhì)燃燒源B

9、C特性的表征包括元素分析(C、H、O、N)、灰分、產(chǎn)量、pH值、EC、總碳、陽(yáng)離子交換量、官能團(tuán)（酸、堿、酚和羧基）和表面負(fù)電荷等。結(jié)果表明，黑碳中C含量、pH值和EC隨著熱解溫度的增加而增加;而H、O、N含量、總碳(TC)、陽(yáng)離子交換量(CEC)、黑碳產(chǎn)率和表面負(fù)電荷則隨著裂解溫度下降而降低。含氧官能團(tuán)中，酸性官能團(tuán)隨著熱解溫度的升高而增加，而其他三種官能團(tuán)則隨著熱解溫度的增加而降低。對(duì)黑碳的基本性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分

10、析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑碳的pH值同總碳含量，灰分含量，EC，羧基以及表面負(fù)電荷呈顯著相關(guān);主成分分析表明黑碳的性質(zhì)可以分成四個(gè)主成分。根據(jù)聚類分析，21種黑碳可以分為四類。研究結(jié)果表明，生物質(zhì)燃燒源黑碳的理化性質(zhì)在很大程度上依賴于原料，黑碳理化性質(zhì)的差異有助于理解土壤中BC的來(lái)源。
　　城市土壤中黑碳的來(lái)源很廣泛，我們研究了六種黑碳顆粒的基本性質(zhì)以及黑碳與土壤礦物的相互作用。其中，利用元素分析、SEM/EDS、FTIR、XRD等對(duì)不同來(lái)源

11、黑碳的基本性質(zhì)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，除了污泥黑碳的碳含量較低，大約36％外，其余五種黑碳的碳含量均大約50％。黑碳的傅里葉紅外光譜顯示主要化學(xué)鍵的位置，其中，具體為3400cm-1的O-H鍵，1600 cm-1的C=C鍵，1230cm-1的C=O鍵以及1070 cm-1的C=O鍵。XRD分析表明，六種黑碳顆粒的礦物組成差異明顯，尤其ASBC樣品更為特殊，僅它含有赤鐵礦以及2920 cm-1處的C=H鍵。SEM圖像顯示不同來(lái)源的黑碳顆粒具有