城市环境地球化学调查研究方法综述

摘要: 总结了城市环境地球化学调查的技术路线, 论述了城市环境地球化学解释的思路和方法, 提出了城市环境地球化学调查研究的重点问题及研究方向, 为开展城市环境调查和评价工作提供了有参考价值的研究线索。
关键词: 城市环境; 地球化学调查; 生态评价; 污染指示物
自上世纪60 年代系列公害事件发生后, 环境问题已成为倍受各国关注的国际性的重大问题。作为人口高度密集的城市区域, 其环境状况早已引起世界上许多国家的高度重视, 在过去的几十年里, 一些地球化学研究相继集中在城市区域。目前, 城市环境地球化学调查已在世界各地展开, 如亚洲的香港[1]; 欧洲的伦敦[2]、柏林市[3], 非洲的哈博罗内市[4]。调查的目的在于查明市区的污染水平及郊区的“背景值”, 区分鉴定不同的污染源, 评价城市环境的生态效应, 研究城市环境与人类健康的关系。
1 城市环境地球化学调查的技术路线
1.1 采样点布置方案
目前, 国外的城市环境调查一般在两个区域进行, 即郊区和城区。在郊区的调查一是为了确定城区的背景值,代写论文 二是获得城- 郊地理变化区域内元素分布的地球化学变化梯度。如Lind等在瑞典的斯德哥尔摩市调查土壤重金属的含量时, 以城市最繁华地带为中心, 分带布置样点, 带距为0～3km, 3～9km 和>9km[5];Birke 等在德国柏林市的调查中就包括大范围的郊区区域[3]。通过对比城- 郊区的地球化学特征来揭示人类活动对城区地球化学环境状况的影响程度。
为了调查城市不同区域内的环境地球化学状况,研究不同的用地类型对元素分布的影响, 分别在城市的不同功能区域分类取样, 即: 郊区土壤、工业区土壤、居民区土壤、商业区土壤和农业土壤[3- 5]。主要采集表层土壤(0～5cm)。在不同类型区域内选择代表性点位取垂向土壤剖面样品。城区的土壤难以实现均匀的网格化取样, 一般按公园和绿地的分布随机布置取样点。
1.2 采样介质
环境地球化学的采样介质包括土壤、大气、水、水系沉积物、生物样等。但目前城市环境地球化学调查主要集中在土壤、大气颗粒物(或气溶胶)、大气降尘等三种。其中较常用的是采集和分析城市浅层土壤样和降尘样。
在街道两边或高层建筑物顶部收集降尘并结合地面土壤是城市环境地球化学调查的主要方法。如Rasmussen等在渥太华市内取居室内灰尘、附近的街道降尘和公园土壤进行比较来研究该市的环境质量[6]。降尘和土壤对比调查, 即可查明元素在不同介质中的污染水平, 还有助于分析污染物的来源。
2 城市环境地球化学的解释与评价
2.1 城市环境的地球化学解释
城市环境调查结果的地球化学解释是指对城市环境中重金属元素的分布特征、成因及其来源进行解释,代写毕业论文 研究元素地球化学分布模式、迁移转化规律和机理, 建立城市环境地球化学调查成果解释体系。
2.1.1元素来源判别
对城市环境中污染物的来源及成因进行分析判断是城市环境地球化学调查的重要内容。多元统计方法在研究城市环境的物源判断中具有广泛的应用, 并以聚类分析和因子分析为主[7- 9]。不同来源的元素在因子分析中常常进入不同的主因子或表现为聚类分析中的不同元素组合, 根据元素的组合特征来区分元素的来源。如Manta 等在意大利的城市土壤中发现了Cu、Pb、Zn人为源的因子组合, 而V, Ni, Mn, Co等元素作为自然源进入另一因子, 并在聚类分析中组合在一起[8]。
城市环境物源判断的另一重要方法是富集因子(EF)法, 它是一种能反映不同地质环境的化学元素比率方法, 用代表陆地来源的元素(如Al、Ti、Zr 和稀土元素等)和代表海洋源的元素(Na)作为参考元素对样品中的元素含量进行标准化, 以平抑自然差异对元素含量的影响, 在此情况下出现的较高的富集因子值即意味着人为源的存在, 这种方法在环境地球化学判断
元素来源及富集程度中具有非常广泛的应用[10- 11], 特别是在大气颗粒物或气溶胶介质中的应用效果尤为显著。其计算公式为[11]:
EF 海(X)=( X/Na) 气/( X/Na) 海(1)
EF 壳(X)=( X/Na) 气/( X/Na) 壳(2)
其中, 公式(1)为判断海洋源的计算公式, 以Na为参考元素; 公式(2)为陆地源的计算公式, 以Al 为参考元素。(X/Na)气、(X/Na)海、(X/Na)壳分别代表元素X在大气颗粒物、海水及地壳中的含量。
通常将EF>10 作为大气颗粒物的人为源标志。但在粒径为2.5μm 的大气颗粒物中, EF>5 即为人为源的标志[12]。
2.1.2元素分布类型及成因
在世界范围内的城市土壤中重金属元素含量普遍偏高, 但在不同的城市中变化很大, 这依赖于城市的历史年代、经济发达程度、代写硕士论文 不同的用地类型、汽油的添加济成分、车辆元件的组成等, 在城市环境元素分布及成因的解释中应综合分析以上各种因素。城市交通是产生重金属元素的重要途径之一, 如Cu 通常是汽车润滑剂的组分, 而Pb 曾一度是汽油的防爆剂, Sb 可以作为闸垫材料。因此, 交通是城市中Cu、Pb、Zn、Sb 等元素的主要来源。Romic 等发现, 燃烧和道路交通, 尤其是轮胎的磨损和消耗是城市区域内Cd 的主要污染源[7];Moller 等在大马士革调查时认为交通是表层土壤中Cu、Pb、Zn 等重金属元素富集的主要原因[9]。与历史久远的工业化城市相比, 相对年轻的城市具有较低的重金属含量, 如非洲的哈博罗内市[4]比悠久的重工业城市伦敦[2]、柏林[3]的表层土壤的重金属含量偏低[9], Li 等发现, 城市公园土壤中Cu, Pb和Zn 的含量与公园的年龄之间具有明显的相关性[1],即城市历史越长, 重金属含量越高。元素在表层土壤中的分布明显依赖于城市用地及工业类型, 如Birke 等[3]在柏林市调查中发现, Al,K, Si, Na, Sc 和Ti 主要是自然源, 即与母质的组成有关; 工业区域倾向于被Cu, Cd, Zn, Pb, Hg 污染; 农业区由于大量使用化肥和污泥, 富集Cd, F, Cr, Hg, Ni,Zn 和P 元素。尽管非洲的哈博罗内市比较年轻, 但它的不同区域仍然受Cr, Co, Ni, Cu, Zn 和Pb 等元素不同程度的污染。如城市中心和工业区的Co, Cu, Pb,Zn 等元素污染, 农业土壤中的Cr,Ni 污染, 居民区及工业区的Zn 污染[4]。
2.2 城市环境地球化学评价
2.2.1污染程度评价
将郊区土壤背景值与城市各功能区含量进行比较是了解城市环境污染水平最常用、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区背景值的20 倍, Pb 和Zn 在市区中的含量也远远高于背景值[5]; 在柏林老工业区, Cu 的最大值是背景值的2050 倍, Cd 是1638 倍, Hg 是1780 倍[3]。通过同一城市不同功能区内元素含量的对比以及不同城市之间的对比, 也常用来评价城市环境的污染水平。
农业土壤与城区内土壤不同, 除了农用化学品外,大气沉降、污水灌溉、垃圾填埋场等都会对农田中的重金属积累产生重要影响。对这部分的污染评价, 比较有效的评价方法是地质积累指标法(Igeo)和富集因子法(EF)。对大气污染物的评价, 富集因子法尤为有效。

2.2.2生态效应评价
( 1) 气溶胶的生态效应评价。大气固体悬浮物的粒径大小具有来源特征, 粗粒源于陆地尘埃, 而细粒源于燃料的燃烧[13]。颗粒越细, 危害越大, 极细的颗粒物可通过呼吸进入人体, 粒径小于10μm (PM10), 尤其是小于<2.5μm(PM2.5)的粒子, 会导致哮喘, 甚至死亡[14]。因此, 生物圈气溶胶中的重金属含量具有高度的生态风险性。
( 2) 元素生物有效性评价。研究元素生态效应的常规方法是连续偏提取法, 在城市环境调查中, 也有相关的研究实例, 如Zhai等调查发现, 代写医学论文 由交通引起的人为源的Pb主要以有机质吸附和铁- 锰氧化物态存在[4]; 香港和伦敦的路尘中, Pb, Zn主要以铁锰氧化物相存在, Cu主要以有机质吸附态存在[15]。影响降尘中元素有效性的重要因素是降雨的pH值。一般情况下,在较低pH条件下元素易于溶解, Alloway等报道其可溶性Cd平均为总量( 降尘量) 的60%[16]; 这可能是由于人类活动输入的硫和氮的氧化物使雨水酸化。因此,在易出现酸雨的城市区域具有较大的生态风险性。
3 城市环境地球化学调查应解决的重点问题
3.1 开展城市环境的立体空间调查
目前城市环境地球化学调查主要集中在土壤和大气, 缺乏系统的地下水及地表水资料。在城市环境的地球化学元素循环过程中, 起源于自然地质作用和人类活动的元素在土壤- 大气- 水- 生物系统内迁移转化, 借风力作用进入大气中的元素通过干湿沉降进入土壤和水体。世界各国所进行的城市环境地球化学调查, 获得了大量土壤和大气颗粒物等方面的资料, 但结合水体和生物样的调查不多。如果采样介质涵盖环境生态系统中的各个环境因子, 将有助于综合分析重金属元素在城市环境系统中的迁移转化规律, 建立元素在城市环境系统中的循环演化模型。
3.2 确定城市环境调查的污染指示物
城市区域内浅层土壤样及农业土壤深、浅层样是目前国际上广泛使用的城市环境调查指示物, 但是,以何种粒度的样品作为指示物尚没有统一。Birke等在柏林市的土壤调查中分析了<2mm粒度样品[3], 代写职称论文而有的作者用沉积物中<2μm的粘土组分进行污染评价, 而用<63μm的泥粒作相态分析[17]。细粒组分含有更多的粘土矿物和有机质, 对重金属元素的吸附力强, 使重金属元素倾向于在细粒组分中富集[1], 所以表层土壤的细粒组分, 如<63μm适于作为污染评价的指示物。
其次是大气颗粒物或是气溶胶。由工业排污、燃料燃烧、机动车交通等引起的污染物, 多以气态、颗粒物或气溶胶等形式存在[5]。一般情况下, 污染物含量依赖于粒径大小, 颗粒越细, 越具有毒性效应[16], 因此Fairley等认为, PM2.5适于作为颗粒物质引起的风险评估[17]。
另外, 重金属通过自然作用和人类活动进入大气圈, 它们主要以分子或颗粒物形式通过大气圈进行大规模的迁移[18]。在英国城市区域内Cd 的大气沉降速率为3.9～29.6g/hm2·a, 郊区为2.6～19g/hm2·a[7]。所以,城市区域内的表层土壤和路边尘土是大气沉降污染的有效指示物。
3.3 城市环境质量标准的建立
城市环境质量标准是城市环境污染评价、城市环境监测、保证大众身心健康的重要依据, 环境质量标准的建立, 依赖于大量的调查资料、科学的工作方法和实验结果。上已述及, 城市环境地球化学调查的指示物包括表土、降尘、大气颗粒物等, 不同的指示物应有各自的限度值。2000年, 世界卫生组织制定了大气质量标准, 如Pb, Cd的大气质量标准分别为500, 5ng/m3(WHO, 2000)。作为城市环境污染重要指示物的尘埃及表土等介质中的污染限度值还没有统一的标准。

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