城市化对绿地土壤污染过程的驱动机制及模拟研究

The eco-environmental effects of urbanization have become a hot topic in current scientific studies. The urbanization process caused the accumulation of heavy metals (HMs) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in urban green soils. Due to the limitations of historical data and analysis methods, it is hard to clear the driving forces of HMs and PAHs accumulation in urban soils, and to predict the soil environmental quality during urbanization processes. We choose residential areas in the city center of Beijing, Shanghai and Shenzhen to study the impacts of urbanization on HMs and PAHs accumulation in green soils; develop stochastic model for soil contamination process to rebuild the dynamics of HMs and PAHs accumulation in urban green soils, and to reveal the drive mechanism of urbanization processes on urban soil contamination, evaluate the long-term effects of urbanization scenarios on urban soil quality to provide a scientific basis for urban soil pollution control.

城市化的生态环境效应是当前科学研究的热点问题之一。随着城市化过程，重金属和多环芳烃两类典型污染物会在城市绿地土壤中持续累积。由于历史数据和研究方法的局限，研究不同城市化模式和过程对土壤污染的驱动机制，预测城市绿地土壤环境质量演变趋势是当前环境科学研究的难点。本项目拟将北京市、上海市和深圳市核心城区中居民区绿地做为研究对象，研究城市发展模式和绿地历史对于土壤重金属和多环芳烃残留特征的影响，构建土壤污染物累积过程单元随机模型，重建城市居民区绿地土壤重金属和多环芳烃的累积过程，揭示城市化过程对居民区绿地土壤污染的驱动机制，评估不同城市发展情景对城市绿地土壤环境质量的长期效应，为城市土壤污染控制与管理提供科学依据。

由于历史数据和研究方法的局限，研究城市化过程中绿地土壤重金属和多环芳烃污染的驱动机制及演变趋势是当前的难点。本项目通过采集上海、深圳和北京市核心城区中具有不同建成历史的居民区绿地土壤样品，分析重金属和多环芳烃含量，结合统计分析、风险评价方法和回归拟合方法来研究城市发展模式对土壤重金属和多环芳烃累积的影响机制。研究结果表明上海、深圳和北京市居民区土壤中Cd、Cu、Pb、Zn和PAHs含量均值都超过背景值，重金属含量主要受到成土母质类型、工业和交通排放的影响，PAHs含量主要受到城市中年均温度、煤炭燃烧和交通排放的影响。线性回归结果表明三个城市中Cd和Cu的历史累积速率相似，Pb和Zn的历史累积速率表现为上海>北京>深圳，PAHs表现为北京>上海>深圳。土壤污染物的累积速率与城市的发展历史、主要工业行业类型和气候条件有关系。健康风险评估结果表明总体上土壤重金属非致癌风险上海市>深圳市>北京市，土壤多环芳烃健康风险为上海市>北京市>深圳市。土壤污染物的健康风险大小与居民区建成历史呈显著正相关。非线性回归预测结果表明北京市土壤PAHs总量由1978年的267 ng g-1 增加到2008年的 1,854 ng g-1 然后增加到2048年的3631 ng g-1。北京市绿地土壤中Cd和Zn的平均浓度将会在未来70年内增加3.3和2.8倍。此外，我们构建了土壤污染物累积过程单元随机模型，并以北京市为案例，模拟了城市土壤污染物的累积过程。结果表明北京市城区土壤PHE浓度会在30年后达到动态平衡，平衡浓度为70 ng g-1，而BaP会在60年后达到平衡，平衡浓度为30 ng g-1。通过模型软件的敏感性分析，揭示了各类污染物累积的关键影响因子。总之，本项目建立了城市绿地土壤污染过程的重建方法，并研发了土壤污染物累积预测模型，揭示了污染物累积过程中的主要控制因子，能够为城市土壤污染控制与管理提供科学依据。