摘要:總結(jié)了城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查的技術(shù)路線(xiàn),論述了城市環(huán)境地球化學(xué)解釋的思路和方法,提出了城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查研究的重點(diǎn)問(wèn)題及研究方向,為開(kāi)展城市環(huán)境調(diào)查和評(píng)價(jià)工作提供了有參考價(jià)值的研究線(xiàn)索。

　　關(guān)鍵詞:城市環(huán)境,地球化學(xué)調(diào)查,生態(tài)評(píng)價(jià),污染指示物

　　自上世紀(jì)60年代系列公害事件發(fā)生后,環(huán)境問(wèn)題已成為倍受各國(guó)關(guān)注的國(guó)際性的重大問(wèn)題。作為人口高度密集的城市區(qū)域,其環(huán)境狀況早已引起世界上許多國(guó)家的高度重視,在過(guò)去的幾十年里,一些地球化學(xué)研究相繼集中在城市區(qū)域。目前,城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查已在世界各地展開(kāi),如亞洲的香港[1];歐洲的倫敦[2]、柏林市[3],非洲的哈博羅內(nèi)市[4]。調(diào)查的目的在于查明市區(qū)的污染水平及郊區(qū)的“背景值”,區(qū)分鑒定不同的污染源,評(píng)價(jià)城市環(huán)境的生態(tài)效應(yīng),研究城市環(huán)境與人類(lèi)健康的關(guān)系。

　　1城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查的技術(shù)路線(xiàn)

　　1.1采樣點(diǎn)布置方案

　　目前,國(guó)外的城市環(huán)境調(diào)查一般在兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行,即郊區(qū)和城區(qū)。在郊區(qū)的調(diào)查一是為了確定城區(qū)的背景值,論文二是獲得城-郊地理變化區(qū)域內(nèi)元素分布的地球化學(xué)變化梯度。如Lind等在瑞典的斯德哥爾摩市調(diào)查土壤重金屬的含量時(shí),以城市最繁華地帶為中心,分帶布置樣點(diǎn),帶距為0～3km,3～9km和>9km[5];Birke等在德國(guó)柏林市的調(diào)查中就包括大范圍的郊區(qū)區(qū)域[3]。通過(guò)對(duì)比城-郊區(qū)的地球化學(xué)特征來(lái)揭示人類(lèi)活動(dòng)對(duì)城區(qū)地球化學(xué)環(huán)境狀況的影響程度。

　　為了調(diào)查城市不同區(qū)域內(nèi)的環(huán)境地球化學(xué)狀況,研究不同的用地類(lèi)型對(duì)元素分布的影響,分別在城市的不同功能區(qū)域分類(lèi)取樣,即:郊區(qū)土壤、工業(yè)區(qū)土壤、居民區(qū)土壤、商業(yè)區(qū)土壤和農(nóng)業(yè)土壤[3-5]。主要采集表層土壤(0～5cm)。在不同類(lèi)型區(qū)域內(nèi)選擇代表性點(diǎn)位取垂向土壤剖面樣品。城區(qū)的土壤難以實(shí)現(xiàn)均勻的網(wǎng)格化取樣,一般按公園和綠地的分布隨機(jī)布置取樣點(diǎn)。

　　1.2采樣介質(zhì)

　　環(huán)境地球化學(xué)的采樣介質(zhì)包括土壤、大氣、水、水系沉積物、生物樣等。但目前城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查主要集中在土壤、大氣顆粒物(或氣溶膠)、大氣降塵等三種。其中較常用的是采集和分析城市淺層土壤樣和降塵樣。

　　在街道兩邊或高層建筑物頂部收集降塵并結(jié)合地面土壤是城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查的主要方法。如Rasmussen等在渥太華市內(nèi)取居室內(nèi)灰塵、附近的街道降塵和公園土壤進(jìn)行比較來(lái)研究該市的環(huán)境質(zhì)量[6]。降塵和土壤對(duì)比調(diào)查,即可查明元素在不同介質(zhì)中的污染水平,還有助于分析污染物的來(lái)源。

　　2城市環(huán)境地球化學(xué)的解釋與評(píng)價(jià)

　　2.1城市環(huán)境的地球化學(xué)解釋

　　城市環(huán)境調(diào)查結(jié)果的地球化學(xué)解釋是指對(duì)城市環(huán)境中重金屬元素的分布特征、成因及其來(lái)源進(jìn)行解釋,畢業(yè)論文研究元素地球化學(xué)分布模式、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和機(jī)理,建立城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查成果解釋體系。

　　2.1.1元素來(lái)源判別

　　對(duì)城市環(huán)境中污染物的來(lái)源及成因進(jìn)行分析判斷是城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查的重要內(nèi)容。多元統(tǒng)計(jì)方法在研究城市環(huán)境的物源判斷中具有廣泛的應(yīng)用,并以聚類(lèi)分析和因子分析為主[7-9]。不同來(lái)源的元素在因子分析中常常進(jìn)入不同的主因子或表現(xiàn)為聚類(lèi)分析中的不同元素組合,根據(jù)元素的組合特征來(lái)區(qū)分元素的來(lái)源。如Manta等在意大利的城市土壤中發(fā)現(xiàn)了Cu、Pb、Zn人為源的因子組合,而V,Ni,Mn,Co等元素作為自然源進(jìn)入另一因子,并在聚類(lèi)分析中組合在一起[8]。

　　城市環(huán)境物源判斷的另一重要方法是富集因子(EF)法,它是一種能反映不同地質(zhì)環(huán)境的化學(xué)元素比率方法,用代表陸地來(lái)源的元素(如Al、Ti、Zr和稀土元素等)和代表海洋源的元素(Na)作為參考元素對(duì)樣品中的元素含量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以平抑自然差異對(duì)元素含量的影響,在此情況下出現(xiàn)的較高的富集因子值即意味著人為源的存在,這種方法在環(huán)境地球化學(xué)判斷

　　元素來(lái)源及富集程度中具有非常廣泛的應(yīng)用[10-11],特別是在大氣顆粒物或氣溶膠介質(zhì)中的應(yīng)用效果尤為顯著。其計(jì)算公式為[11]:

　　EF海(X)=(X/Na)氣/(X/Na)海(1)

　　EF殼(X)=(X/Na)氣/(X/Na)殼(2)

　　其中,公式(1)為判斷海洋源的計(jì)算公式,以Na為參考元素;公式(2)為陸地源的計(jì)算公式,以Al為參考元素。(X/Na)氣、(X/Na)海、(X/Na)殼分別代表元素X在大氣顆粒物、海水及地殼中的含量。

　　通常將EF>10作為大氣顆粒物的人為源標(biāo)志。但在粒徑為2.5μm的大氣顆粒物中,EF>5即為人為源的標(biāo)志[12]。

　　2.1.2元素分布類(lèi)型及成因

　　在世界范圍內(nèi)的城市土壤中重金屬元素含量普遍偏高,但在不同的城市中變化很大,這依賴(lài)于城市的歷史年代、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度、碩士論文不同的用地類(lèi)型、汽油的添加濟(jì)成分、車(chē)輛元件的組成等,在城市環(huán)境元素分布及成因的解釋中應(yīng)綜合分析以上各種因素。城市交通是產(chǎn)生重金屬元素的重要途徑之一,如Cu通常是汽車(chē)潤(rùn)滑劑的組分,而Pb曾一度是汽油的防爆劑,Sb可以作為閘墊材料。因此,交通是城市中Cu、Pb、Zn、Sb等元素的主要來(lái)源。Romic等發(fā)現(xiàn),燃燒和道路交通,尤其是輪胎的磨損和消耗是城市區(qū)域內(nèi)Cd的主要污染源[7];Moller等在大馬士革調(diào)查時(shí)認(rèn)為交通是表層土壤中Cu、Pb、Zn等重金屬元素富集的主要原因[9]。與歷史久遠(yuǎn)的工業(yè)化城市相比,相對(duì)年輕的城市具有較低的重金屬含量,如非洲的哈博羅內(nèi)市[4]比悠久的重工業(yè)城市倫敦[2]、柏林[3]的表層土壤的重金屬含量偏低[9],Li等發(fā)現(xiàn),城市公園土壤中Cu,Pb和Zn的含量與公園的年齡之間具有明顯的相關(guān)性[1],即城市歷史越長(zhǎng),重金屬含量越高。元素在表層土壤中的分布明顯依賴(lài)于城市用地及工業(yè)類(lèi)型,如Birke等[3]在柏林市調(diào)查中發(fā)現(xiàn),Al,K,Si,Na,Sc和Ti主要是自然源,即與母質(zhì)的組成有關(guān);工業(yè)區(qū)域傾向于被Cu,Cd,Zn,Pb,Hg污染;農(nóng)業(yè)區(qū)由于大量使用化肥和污泥,富集Cd,F,Cr,Hg,Ni,Zn和P元素。盡管非洲的哈博羅內(nèi)市比較年輕,但它的不同區(qū)域仍然受Cr,Co,Ni,Cu,Zn和Pb等元素不同程度的污染。如城市中心和工業(yè)區(qū)的Co,Cu,Pb,Zn等元素污染,農(nóng)業(yè)土壤中的Cr,Ni污染,居民區(qū)及工業(yè)區(qū)的Zn污染[4]。

　　2.2城市環(huán)境地球化學(xué)評(píng)價(jià)

　　2.2.1污染程度評(píng)價(jià)

　　將郊區(qū)土壤背景值與城市各功能區(qū)含量進(jìn)行比較是了解城市環(huán)境污染水平最常用、最直接的方法。如瑞典斯德哥你摩市Hg在市中心土壤中的含量是郊區(qū)背景值的20倍,Pb和Zn在市區(qū)中的含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背景值[5];在柏林老工業(yè)區(qū),Cu的最大值是背景值的2050倍,Cd是1638倍,Hg是1780倍[3]。通過(guò)同一城市不同功能區(qū)內(nèi)元素含量的對(duì)比以及不同城市之間的對(duì)比,也常用來(lái)評(píng)價(jià)城市環(huán)境的污染水平。

　　農(nóng)業(yè)土壤與城區(qū)內(nèi)土壤不同,除了農(nóng)用化學(xué)品外,大氣沉降、污水灌溉、垃圾填埋場(chǎng)等都會(huì)對(duì)農(nóng)田中的重金屬積累產(chǎn)生重要影響。對(duì)這部分的污染評(píng)價(jià),比較有效的評(píng)價(jià)方法是地質(zhì)積累指標(biāo)法(Igeo)和富集因子法(EF)。對(duì)大氣污染物的評(píng)價(jià),富集因子法尤為有效。

　　2.2.2生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)

　　(1)氣溶膠的生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)。大氣固體懸浮物的粒徑大小具有來(lái)源特征,粗粒源于陸地塵埃,而細(xì)粒源于燃料的燃燒[13]。顆粒越細(xì),危害越大,極細(xì)的顆粒物可通過(guò)呼吸進(jìn)入人體,粒徑小于10μm(PM10),尤其是小于<2.5μm(PM2.5)的粒子,會(huì)導(dǎo)致哮喘,甚至死亡[14]。因此,生物圈氣溶膠中的重金屬含量具有高度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性。

　　(2)元素生物有效性評(píng)價(jià)。研究元素生態(tài)效應(yīng)的常規(guī)方法是連續(xù)偏提取法,在城市環(huán)境調(diào)查中,也有相關(guān)的研究實(shí)例,如Zhai等調(diào)查發(fā)現(xiàn),醫(yī)學(xué)論文由交通引起的人為源的Pb主要以有機(jī)質(zhì)吸附和鐵-錳氧化物態(tài)存在[4];香港和倫敦的路塵中,Pb,Zn主要以鐵錳氧化物相存在,Cu主要以有機(jī)質(zhì)吸附態(tài)存在[15]。影響降塵中元素有效性的重要因素是降雨的pH值。一般情況下,在較低pH條件下元素易于溶解,Alloway等報(bào)道其可溶性Cd平均為總量(降塵量)的60%[16];這可能是由于人類(lèi)活動(dòng)輸入的硫和氮的氧化物使雨水酸化。因此,在易出現(xiàn)酸雨的城市區(qū)域具有較大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性。

　　3城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查應(yīng)解決的重點(diǎn)問(wèn)題

　　3.1開(kāi)展城市環(huán)境的立體空間調(diào)查

　　目前城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查主要集中在土壤和大氣,缺乏系統(tǒng)的地下水及地表水資料。在城市環(huán)境的地球化學(xué)元素循環(huán)過(guò)程中,起源于自然地質(zhì)作用和人類(lèi)活動(dòng)的元素在土壤-大氣-水-生物系統(tǒng)內(nèi)遷移轉(zhuǎn)化,借風(fēng)力作用進(jìn)入大氣中的元素通過(guò)干濕沉降進(jìn)入土壤和水體。世界各國(guó)所進(jìn)行的城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查,獲得了大量土壤和大氣顆粒物等方面的資料,但結(jié)合水體和生物樣的調(diào)查不多。如果采樣介質(zhì)涵蓋環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)境因子,將有助于綜合分析重金屬元素在城市環(huán)境系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,建立元素在城市環(huán)境系統(tǒng)中的循環(huán)演化模型。

　　3.2確定城市環(huán)境調(diào)查的污染指示物

　　城市區(qū)域內(nèi)淺層土壤樣及農(nóng)業(yè)土壤深、淺層樣是目前國(guó)際上廣泛使用的城市環(huán)境調(diào)查指示物,但是,以何種粒度的樣品作為指示物尚沒(méi)有統(tǒng)一。Birke等在柏林市的土壤調(diào)查中分析了<2mm粒度樣品[3],職稱(chēng)論文而有的作者用沉積物中<2μm的粘土組分進(jìn)行污染評(píng)價(jià),而用<63μm的泥粒作相態(tài)分析[17]。細(xì)粒組分含有更多的粘土礦物和有機(jī)質(zhì),對(duì)重金屬元素的吸附力強(qiáng),使重金屬元素傾向于在細(xì)粒組分中富集[1],所以表層土壤的細(xì)粒組分,如<63μm適于作為污染評(píng)價(jià)的指示物。

　　其次是大氣顆粒物或是氣溶膠。由工業(yè)排污、燃料燃燒、機(jī)動(dòng)車(chē)交通等引起的污染物,多以氣態(tài)、顆粒物或氣溶膠等形式存在[5]。一般情況下,污染物含量依賴(lài)于粒徑大小,顆粒越細(xì),越具有毒性效應(yīng)[16],因此Fairley等認(rèn)為,PM2.5適于作為顆粒物質(zhì)引起的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[17]。

　　另外,重金屬通過(guò)自然作用和人類(lèi)活動(dòng)進(jìn)入大氣圈,它們主要以分子或顆粒物形式通過(guò)大氣圈進(jìn)行大規(guī)模的遷移[18]。在英國(guó)城市區(qū)域內(nèi)Cd的大氣沉降速率為3.9～29.6g/hm2·a,郊區(qū)為2.6～19g/hm2·a[7]。所以,城市區(qū)域內(nèi)的表層土壤和路邊塵土是大氣沉降污染的有效指示物。

　　3.3城市環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立

　　城市環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是城市環(huán)境污染評(píng)價(jià)、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)、保證大眾身心健康的重要依據(jù),環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立,依賴(lài)于大量的調(diào)查資料、科學(xué)的工作方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。上已述及,城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查的指示物包括表土、降塵、大氣顆粒物等,不同的指示物應(yīng)有各自的限度值。2000年,世界衛(wèi)生組織制定了大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),如Pb,Cd的大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分別為500,5ng/m3(WHO,2000)。作為城市環(huán)境污染重要指示物的塵埃及表土等介質(zhì)中的污染限度值還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

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