《Environmental Pollution》：Elevated concentrations and temporal persistence of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils after wildfires in different biogeoclimatic zones of British Columbia, Canada
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PAHs浓度在火灾后3-6年恢复至参考水平，火区生物地理气候特征是浓度差异的主要驱动因素，且PAHs对水质威胁显著。
Kristen A. Kieta | Philip N. Owens
地理、地球与环境科学系，北不列颠哥伦比亚大学，3333 University Way，Prince George，不列颠哥伦比亚省，加拿大
摘要
在北美范围内，野火燃烧的面积正在稳步增加，这些火灾对陆地和水生生态系统产生了重大影响。特别令人担忧的是，在生物质和结构物燃烧过程中产生的污染物。其中一类值得关注的污染物是多环芳烃（PAHs），它们具有致突变性、致癌性，甚至对某些物种有毒。本研究测量了加拿大不列颠哥伦比亚省内陆地区八次不同年龄野火中烧毁的表土和有机层中的PAHs浓度。样品分析了16种美国环境保护署（EPA）优先监测的PAHs以及30种烷基化PAHs，后者通常毒性更强且更难分解。结果显示，在野火发生后的三到六年内，PAHs的浓度恢复到了与参考地点相似的水平。火灾发生后的当年采集的样本与PAHs浓度之间存在强烈相关性，而所有样本之间的比较表明，与火灾的生物气候区相关的特征解释了大部分变异。虽然并非所有分析的化合物都有相应的土壤质量指南，但许多样本的浓度超过了推荐标准。结合野火后景观的易侵蚀性和PAHs的疏水性，可以认为烧毁区域的水质受到严重威胁。因此，应加强野火后的坡地侵蚀控制措施，以避免对水生环境造成负面影响，尤其是在已经面临诸多人为和环境压力的不列颠哥伦比亚省内陆地区。
引言
野火是一种自然现象，但在过去几十年中，加拿大不列颠哥伦比亚省的野火燃烧面积急剧增加，最严重的火灾年份分别是2017年、2018年、2023年、2024年和2025年（BC Wildfire Service 2025）。尽管野火可以为生态系统带来诸多好处，如促进针叶树的发芽、恢复草地以及为土壤提供某些养分（Neff等人2005；Pausas和Lamont 2022），但它们也会破坏植被覆盖层，导致土壤变得疏水，从而使大片土地容易发生侵蚀、泥石流甚至山体滑坡（Cannon 2001；Mataix-Solera和Doerr 2004；Neary等人2005；Bodí等人2012）。当这些侵蚀事件发生在水体附近时，水生生物以及依赖这些水体作为饮用水或废水处理来源的社区将受到影响（Emelko等人2011；Smith等人2011；Hohner等人2019；Robinne等人2020）。由于侵蚀事件导致河流中的沉积物输送和沉积增加，可能会引发额外的污染问题，因为沉积物往往是污染物的载体（Walling等人2003；Owens等人2005；Schoellhamer等人2007；Wohl 2015）。
一些与阻燃剂相关的污染物，包括重金属和人为污染物如全氟和多氟烷基物质（PFAS），正受到越来越多的研究和媒体关注（Dauchy等人2017；Tabuchi 2025；Pressman 2025）。然而，也有一些天然存在的污染物因野火而产生或加剧，例如营养物质（Hernández等人1997；Prieto-Fernández等人1998；Xue等人2014）和金属（Pereira和úbeda 2010）。通过燃烧树木、灌木和有机土壤层产生的有害污染物中，多环芳烃（PAHs）尤为突出。这类化合物种类繁多，通常分为两类：一类来自岩石的岩源PAHs，另一类则是在低氧条件下（500-1200°C）高温燃烧有机物质产生的热源PAHs（Hylland 2006；Abdel-Shafy和Mansour 2016）。根据芳香环的数量，PAHs还可以进一步分类，这会影响它们的毒性和降解速度。低分子量（LMW）PAHs含有2-3个芳香环，在野火后其浓度通常会上升，但由于芳香环数量较少，浓度很快会下降；高分子量（HMW）PAHs含有4-6个芳香环，在野火中的产生量较少，但降解速度较慢（Achten和Andersson 2015）。
由于PAH化合物种类繁多，大多数研究集中在16种美国环境保护署（EPA）优先监测的PAHs上：苊、芴、蒽、苯并[a]蒽、苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[g,h,i]芘、荧蒽、二苯并[a,h]蒽、荧蒽、茚并[3-cd]芘、萘、菲和芘。这些在火灾后沉积在土壤中的PAHs主要通过微生物降解、挥发和光降解作用分解（Cerniglia 1992；Wild和Jones 1995；Bertilsson和Widenfalk 2002）。除了这16种EPA优先监测的PAHs外，还有数百种含有苯环和烷基取代基（如乙基、甲基、丙基）的烷基化PAHs。烷基化PAHs通常比母体PAHs更具毒性，但也更难以分析（Andersson和Achten 2015），并且目前缺乏针对它们的土壤、沉积物或水质指南。所有PAH化合物都具有疏水性，因此当它们存在于水生环境中时，会对生活在沉积物中的生物或以沉积物为食的底栖生物构成威胁。研究表明，HMW和LMW PAHs都会对白吸盘鱼（Casostomus commersonii）、褐鳟鱼（Salmo trutta）和胖头鲦鱼（Pimephales promelas）等水生生物产生负面影响（Arens等人2017；Ainerua等人2020；Parrott等人2018；Wallace等人2020）。
尽管有很多关于PAHs的研究，但其中大部分集中在工业区，这些地区的污染源主要是化石燃料的燃烧（例如Smith等人2009；MacAskill等人2016a；Qian等人2022）。此外，由于PAHs通常是通过大气排放进入环境的，因此关于土壤、沉积物和水中PAHs的研究相对较少，而关于其对人类健康影响的研究较多（例如Li等人2019；Teixeira等人2025）。然而，大气中的PAHs可以通过湿沉降和干沉降沉积到土壤中，这些过程受降水模式、颗粒大小和颗粒密度等因素的影响（Wang等人2011，2016；Liu等人2013）。由于世界许多地区的火灾面积增加，尤其是中度和重度火灾面积的增加，了解野火后PAHs在土壤中的持久性变得非常重要（参见Kieta等人2023a的综述）。关于野火中PAH污染的研究主要集中在地中海沿岸国家（例如Olivella等人2006；Campos等人2012；Campos和Abrantes 2021）。虽然其中一些信息可以直接应用于全球范围内的野火，但由于树种、气候和火灾面积的差异，针对北美生态型的研究尤为重要且紧迫。例如，在加拿大的许多地区，寒冷的冬季通常是火灾最终被扑灭的方式，但近年来越来越多的火灾会在冬季持续存在，并在第二年重新在意外地点（如高地森林而非泥炭地）蔓延（Baltzer等人2025）。
不列颠哥伦比亚省是一个面积约为945,000平方公里的广阔省份，由于其众多的山脉（包括海岸山脉和落基山脉）和多样的地形，内陆地区的气候和植被差异显著。为了更好地划分这些区域并建立分类系统，该省采用了生物气候单元来划分生物气候（BEC）区（BC林业部2023）。生物气候单元主要基于主导植被确定，但也考虑了气候特征、土壤和地形。因此，BEC区以其主导物种命名（例如，亚北方云杉：SBS），并附加子区名称以表示相对降水量和温度（例如，d – 干燥，m – 潮湿，k – 凉爽，c – 寒冷）。已有大量文献研究了各种环境变量（如海拔、朝向、物种类型）与火灾严重程度之间的相关性（Clarke等人2014；Fang等人2015；García-Llamas等人2019），尽管不同地区或不同气候条件下的研究结果并不总是一致的。例如，在美国（Taylor和Skinner 1998；Estes等人2017）和西班牙（Oliveras等人2009）进行的研究发现火灾严重程度与地形之间存在显著关系，但其他研究则认为地形的影响不如树木死亡率、相对湿度和风速等其他变量重要（Collins等人2007；Stephens等人2022）。由于这些关系的复杂性，目前缺乏将它们与野火期间土壤污染联系起来的数据。
因此，本研究的主要目的是量化不列颠哥伦比亚省中部野火后土壤中PAHs的浓度和持久性。具体来说，我们旨在确定：（i）野火后PAHs浓度是否升高以及随时间的变化情况；（ii）影响PAHs浓度和持久性的潜在环境因素；（iii）不同BEC区之间的浓度差异。
采样地点
采样地点
由于缺乏道路基础设施，不列颠哥伦比亚省内陆地区的许多火灾地点难以通过车辆到达，因此本研究选择的样本大多位于现有研究项目附近（例如Kieta等人2023b；Samoil等人2026）或基于机会主义采样。2018年至2024年间共采集了8次野火的样本（表1），所有样本均来自不列颠哥伦比亚省内陆地区（图1）：Browntop Mountain（BT）、Great Beaver Lake（GBL）等。
燃点损失（LOI）站点比较
对燃点损失（LOI）进行分析的样本根据样本类型（即烧毁的有机物质/灰烬和表土）进行了比较。从三个地点（BT、GBL和SL）收集的灰烬样本的中位有机质百分比（%OM）为36.5%，而表土样本的中位有机质百分比为10.0%。除一个样本（SL-05）外，所有烧毁的有机物质样本的有机质百分比均超过20%，而烧毁的表土样本的有机质百分比均低于20%，最高值为19.2%（RM-01）。这项分析主要用于……
PAH浓度
几十年来，PAHs在毒理学领域受到了广泛研究，但这些研究通常集中在人口密集和工业发达的城市（例如Tang等人2005；Mostafa等人2009；Barakat等人2011）。在加拿大，许多研究关注悬浮和沉积沉积物中的PAHs及其对水生和陆地生物的影响，特别是在阿尔伯塔省北部的阿萨巴斯卡油砂地区（……）
结论
本研究旨在确定不列颠哥伦比亚省内陆地区受野火影响土壤中PAHs的浓度、组成（即LMW与HMW）和持久性，并识别这些现象的驱动因素。虽然在火灾当年采集的样本中PAH16和PAHALK的浓度较高，但它们很快开始下降，到第三年或第六年时已接近非火灾地区的参考水平。这些发现为相关研究提供了补充。
作者贡献声明
Kristen Anne Kieta：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据管理、概念构思。Philip N Owens：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、调查、概念构思
未引用的参考文献
Kim等人，2003；MacAskill等人，2016b；Wong等人，2004。资金支持
本研究部分由加拿大自然科学与工程研究委员会（Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada）、不列颠哥伦比亚鲑鱼恢复与创新基金（British Columbia Salmon Restoration and Innovation Fund）和Nechako环境改善基金（Nechako Environmental Enhancement Fund）资助。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Philip Owens博士报告称获得了加拿大自然科学与工程研究委员会的支持；Philip Owens博士报告获得了不列颠哥伦比亚鲑鱼恢复与创新基金的支持；Philip Owens博士报告获得了Nechako环境改善基金的支持。如果还有其他作者……
致谢
作者感谢Barry Booth、Kristy Rasmus、James Rankin和Luc Turcotte在收集土壤样本方面提供的帮助。
