中国某页岩气开采区域土壤中的多环芳烃（PAHs）：利用改进的混合模型进行定量来源分析与风险评估

《Journal of Hazardous Materials》：Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils from a shale gas exploitation area in China: Quantitative sources and risk analysis using an improved hybrid model

本研究首次在重庆涪陵页岩气开采区采用混合模型，结合多分形逆距离加权、浓度-面积模型和绝对主成分得分-多元线性回归，分析16种优先PAHs的分布、来源及风险。结果显示，页岩气区土壤PAHs平均浓度（184 ng·g-1）显著高于背景林地（73.4 ng·g-1）和泄洪区（56.4 ng·g-1），主要来源为石油烃（59%）和煤燃烧/车辆排放（41%），其中石油烃的生态和健康风险显著更高。环境地球化学图表明人为活动主导PAHs累积，为制定针对性污染防控策略提供理论依据。

　　在中国，页岩气开发的环境影响和风险一直备受关注。近年来，随着页岩气资源的快速开发，其对周边土壤环境的影响逐渐成为研究的热点。本研究聚焦于中国首个商业化页岩气开发区域——重庆市涪陵区，通过分析不同土地利用类型土壤中16种优先级多环芳烃（PAHs）的浓度，探讨了页岩气开发活动对土壤环境的影响及其潜在风险。研究采用了一种集成方法，结合多种分形反距离权重法（IDW）和浓度-面积模型（C-A模型）、绝对主成分得分（APCS）与多元线性回归模型（MLR）以及蒙特卡洛模拟，系统地识别了PAHs的来源及其风险。这是首次在土壤中进行PAHs来源与风险的综合分析，为制定针对性的污染防控策略提供了科学依据。

多环芳烃（PAHs）是一类具有高毒性、致癌性和致突变性的有机污染物，广泛存在于石油衍生产品中。在页岩气开发过程中，PAHs可能通过钻井、压裂、生产等环节释放到环境中。由于其半挥发性和较长的半衰期，PAHs可以通过大气和水体进行长距离迁移，最终沉积在土壤中，成为重要的环境污染物。研究表明，PAHs在土壤中的积累不仅受到自然因素的影响，更主要的是由人类活动所驱动。因此，识别PAHs的来源并评估其对生态和人体健康的潜在风险，对于制定有效的环境管理措施至关重要。

本研究的发现表明，涪陵区页岩气开发区域的土壤中PAHs的平均浓度为184 ng·g?1，显著高于背景森林/草地（73.4 ng·g?1）和井喷区域土壤（56.4 ng·g?1）。这一结果强调了人类活动在PAHs积累中的主导作用，而非土壤本身的物理化学性质。环境地球化学图谱显示，PAHs的高浓度区域主要集中在城镇和页岩气开发现场附近，表明这些区域的污染源与人类活动密切相关。此外，研究还指出，石油源和煤炭燃烧/机动车排放是该区域PAHs的主要来源，分别贡献了41%和59%的总PAHs浓度。值得注意的是，源导向的风险评估显示，石油源PAHs对生态和人体健康的潜在影响远大于煤炭燃烧和机动车排放。

在传统的环境地球化学分析中，常用的方法如克里金法（Kriging）和反距离权重法（IDW）在处理局部变化时往往倾向于平滑异常数据，这在区分背景值和人为污染值方面存在局限。为了克服这一问题，本研究引入了一种改进的多分形反距离权重法（MIDW）和浓度-面积模型（C-A模型），这些方法能够更准确地区分地质背景与人为污染的异常值，从而提高对污染源的识别能力。同时，结合绝对主成分得分（APCS）与多元线性回归模型（MLR）的APCS-MLR方法，使得在有限数据的情况下也能有效识别和量化污染源，并预测污染物的浓度分布。

本研究不仅揭示了页岩气开发活动对土壤环境的显著影响，还首次提出了源导向的风险评估模型，为评估不同来源PAHs对生态和人体健康的潜在风险提供了新的视角。通过该模型，研究人员能够更精确地识别出对环境危害最大的PAHs来源，从而为制定针对性的污染防治措施提供科学依据。此外，研究结果表明，尽管PAHs的总体浓度在涪陵区仍处于低至中等水平，但其对土壤环境的污染已经显现，尤其是在城镇和页岩气开发区域。这一发现对未来的页岩气开发规划和环境管理具有重要的指导意义。

页岩气的开发不仅改变了全球能源格局，也对生态环境提出了新的挑战。作为全球页岩气储量最丰富的国家之一，中国在页岩气开发方面取得了显著进展，但其开发时间相较于美国晚约十年。因此，如何在保障能源供应的同时，最大限度地减少对环境的负面影响，成为亟待解决的问题。本研究通过系统分析涪陵区土壤中PAHs的分布特征、来源及其风险，为理解页岩气开发对土壤环境的影响提供了新的数据和方法支持。同时，该研究还强调了在环境评估中应更加关注整个开发周期中污染物的释放过程，而不仅仅是废料矩阵中的污染情况。

研究团队在分析过程中采用了多种先进的地球化学和统计方法，以确保结果的准确性和可靠性。首先，利用多分形反距离权重法（MIDW）和浓度-面积模型（C-A模型）对PAHs的空间分布进行了建模，这些方法能够更有效地捕捉到局部污染特征，避免传统方法对异常值的过度平滑。其次，结合绝对主成分得分（APCS）与多元线性回归模型（MLR）的APCS-MLR方法，用于识别和量化污染源，并预测污染物在不同土地利用类型中的浓度变化。最后，通过蒙特卡洛模拟对潜在风险进行了量化分析，使得研究结果更具科学性和可操作性。

在实际应用中，这些方法不仅有助于更精确地识别污染源，还能为制定合理的污染防控策略提供支持。例如，通过识别石油源和煤炭燃烧/机动车排放作为主要污染源，相关部门可以采取针对性的措施，如加强钻井和压裂过程中的污染物控制、优化运输和储存环节以减少泄漏风险、推广清洁能源以降低机动车排放等。此外，研究结果还可以为环境立法和政策制定提供依据，确保在页岩气开发过程中，对环境的保护措施能够科学、有效地实施。

值得注意的是，尽管本研究的重点是涪陵区，但其方法和结论对于其他页岩气开发区域同样具有参考价值。由于页岩气开发活动在全球范围内广泛存在，不同地区的环境条件和污染源可能有所不同，因此需要因地制宜地制定相应的环境管理措施。然而，本研究提供了一种通用的分析框架，能够帮助研究人员在不同地区进行类似的研究，从而更全面地了解页岩气开发对环境的影响。

此外，本研究还揭示了PAHs在环境中的迁移和沉积规律。由于PAHs具有亲水性，它们更容易迁移至非水相，特别是有机相和颗粒相，这使得土壤成为PAHs的主要环境汇。因此，在评估PAHs对土壤环境的影响时，必须考虑其在土壤中的迁移和吸附特性，以及不同土地利用类型对PAHs的容纳能力。例如，农业用地和城镇区域由于人类活动频繁，可能更容易积累高浓度的PAHs，而森林和草地等自然生态系统则可能具有较强的自净能力。

在健康风险评估方面，研究团队特别关注了不同来源PAHs对人类健康的潜在影响。由于某些PAHs具有显著的致癌性和致突变性，它们对人体健康的威胁不容忽视。通过源导向的风险评估模型，研究人员能够更准确地识别出对健康危害最大的PAHs来源，并据此提出相应的防控建议。例如，针对石油源PAHs，可以采取更严格的排放控制措施，减少其在开发过程中的释放；针对煤炭燃烧和机动车排放，可以推广清洁能源使用，优化交通管理，以降低这些活动对土壤环境的污染。

综上所述，本研究通过系统分析涪陵区土壤中PAHs的分布特征、来源及其风险，为理解页岩气开发对土壤环境的影响提供了新的视角和方法支持。研究结果不仅揭示了页岩气开发活动对土壤污染的显著贡献，还强调了源导向风险评估在环境管理中的重要性。通过这些发现，研究人员和政策制定者可以更科学地评估页岩气开发的环境影响，并制定有效的污染防治措施，以确保在可持续发展的同时，最大限度地减少对生态环境的破坏。