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, 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)查研究的重點問題及研究方向, 為開展城市環(huán)境調(diào)查和評價工作提供了有參考價值的研究線索。
關(guān)鍵詞: 城市環(huán)境; 地球化學(xué)調(diào)查; 生態(tài)評價; 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)境問題已成為倍受各國關(guān)注的國際性的重大問題。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家的高度重視, 在過去的幾十年里, 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, 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, 評價城市環(huán)境的生態(tài)效應(yīng), 研究城市環(huán)境與人類健康的關(guān)系。
1 城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查的技術(shù)路線
1.1 采樣點布置方案
目前, 國外的城市環(huán)境調(diào)查一般在兩個區(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,代寫論文 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, 以城市最繁華地帶為中心, 分帶布置樣點, 帶距為0～3km, 3～9km 和>9km[5];Birke 等在德國柏林市的調(diào)查中就包括大范圍的郊區(qū)區(qū)域[3]。通過對比城- 郊區(qū)的地球化學(xué)特征來揭示人類活動對城區(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,研究不同的用地類型對元素分布的影響, 分別在城市的不同功能區(qū)域分類取樣, 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)。在不同類型區(qū)域內(nèi)選擇代表性點位取垂向土壤剖面樣品。城區(qū)的土壤難以實現(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。
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)行比較來研究該市的環(huán)境質(zhì)量[6]。降塵和土壤對比調(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源。
2 城市環(huán)境地球化學(xué)的解釋與評價
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)解釋是指對城市環(huán)境中重金屬元素的分布特征、成因及其來源進(jìn)行解釋,代寫畢業(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元素來源判別
對城市環(huán)境中污染物的來源及成因進(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, 并以聚類分析和因子分析為主[7- 9]。不同來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)為聚類分析中的不同元素組合, 根據(jù)元素的組合特征來區(qū)分元素的來源。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)作為參考元素對樣品中的元素含量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化, 以平抑自然差異對元素含量的影響, 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)為判斷海洋源的計算公式, 以Na為參考元素; 公式(2)為陸地源的計算公式, 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, 這依賴于城市的歷史年代、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度、代寫碩士論文 不同的用地類型、汽油的添加濟(jì)成分、車輛元件的組成等, 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 通常是汽車潤滑劑的組分, 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, 重金屬含量越高。元素在表層土壤中的分布明顯依賴于城市用地及工業(yè)類型, 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)評價
2.2.1污染程度評價
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]。通過同一城市不同功能區(qū)內(nèi)元素含量的對比以及不同城市之間的對比, 也常用來評價城市環(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、垃圾填埋場等都會對農(nóng)田中的重金屬積累產(chǎn)生重要影響。對這部分的污染評價, 比較有效的評價方法是地質(zhì)積累指標(biāo)法(Igeo)和富集因子法(EF)。對大氣污染物的評價, 富集因子法尤為有效。

2.2.2生態(tài)效應(yīng)評價
( 1) 氣溶膠的生態(tài)效應(yīng)評價。大氣固體懸浮物的粒徑大小具有來源特征, 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)險性。
( 2) 元素生物有效性評價。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)的研究實例, 如Zhai等調(diào)查發(fā)現(xiàn), 代寫醫(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]; 這可能是由于人類活動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)險性。
3 城市環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查應(yīng)解決的重點問題
3.1 開展城市環(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)過程中, 起源于自然地質(zhì)作用和人類活動的元素在土壤- 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干濕沉降進(jìn)入土壤和水體。世界各國所進(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], 代寫職稱論文而有的作者用沉積物中<2μm的粘土組分進(jìn)行污染評價, 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適于作為污染評價的指示物。
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)動車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)險評估[17]。
另外, 重金屬通過自然作用和人類活動進(jìn)入大氣圈, 它們主要以分子或顆粒物形式通過大氣圈進(jìn)行大規(guī)模的遷移[18]。在英國城市區(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)境污染評價、城市環(huán)境監(jiān)測、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, 依賴于大量的調(diào)查資料、科學(xué)的工作方法和實驗結(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有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

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