城市環境地球化學調查研究方法綜述
摘要: 總結了城市環境地球化學調查的技術路線, 論述了城市環境地球化學解釋的思路和方法, 提出了城市環境地球化學調查研究的重點問題及研究方向, 為開展城市環境調查和評價工作提供了有參考價值的研究線索。
關鍵詞: 城市環境; 地球化學調查; 生態評價; 汙染指示物
自上世紀60 年代系列公害事件發生後, 環境問題已成為倍受各國關注的國際性的重大問題。作為人口高度密集的城市區域, 其環境狀況早已引起世界上許多國家的高度重視, 在過去的幾十年裡, 一些地球化學研究相繼集中在城市區域。目前, 城市環境地球化學調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],
非洲的哈博羅內市[4]。調查的目的在於查明市區的汙染水平及郊區的“背景值”, 區分鑑定不同的汙染源, 評價城市環境的生態效應, 研究城市環境與人類健康的關係。
1.1 取樣點佈置方案
目前, 國外的城市環境調查一般在兩個區域進行, 即郊區和城區。在郊區的調查一是為了確定城區的背景值,*** 二是獲得城- 郊地理變化區域內元素分佈的地球化學變化梯度。如Lind等在瑞典的斯德哥爾摩市調查土壤重金屬的含量時, 以城市最繁華地帶為中心, 分帶佈置樣點, 帶距為0～3km, 3～9km 和>9km[5];Birke 等在德國柏林市的調查中就包括大範圍的郊區區域[3]。通過對比城- 郊區的地球化學特徵來揭示人類活動對城區地球化學環境狀況的影響程度。
1.2 取樣介質
環境地球化學的取樣介質包括土壤、大氣、水、水系沉積物、生物樣等。但目前城市環境地球化學調查主要集中在土壤、大氣顆粒物***或氣溶膠***、大氣降塵等三種。其中較常用的是採集和分析城市淺層土壤樣和降塵樣。
在街道兩邊或高層建築物頂部收集降塵並結合地面土壤是城市環境地球化學調查的主要方法。如Rasmussen等在渥太華市內取居室內灰塵、附近的街道降塵和公園土壤進行比較來研究該市的環境質量[6]。降塵和土壤對比調查, 即可查明元素在不同介質中的汙染水平, 還有助於分析汙染物的來源。
2 城市環境地球化學的解釋與評價
2.1 城市環境的地球化學解釋
城市環境調查結果的地球化學解釋是指對城市環境中重金屬元素的分佈特徵、成因及其來源進行解釋,*** 研究元素地球化學分佈模式、遷移轉化規律和機理, 建立城市環境地球化學調查成果解釋體系。
2.1.1元素來源判別
對城市環境中汙染物的來源及成因進行分析判斷是城市環境地球化學調查的重要內容。多元統計方法在研究城市環境的物源判斷中具有廣泛的應用, 並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入不同的主因子或表現為聚類分析中的不同元素組合, 根據元素的組合特徵來區分元素的來源。如Manta 等在義大利的城市土壤中發現了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入另一因子, 並在聚類分析中組合在一起[8]。
城市環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環境的化學元素比率方法, 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行標準化, 以平抑自然差異對元素含量的影響, 在此情況下出現的較高的富集因子值即意味著人為源的存在, 這種方法在環境地球化學判斷
元素來源及富集程度中具有非常廣泛的應用[10- 11], 特別是在大氣顆粒物或氣溶膠介質中的應用效果尤為顯著。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誌。但在粒徑為2.5μm 的大氣顆粒物中, EF>5 即為人為源的標誌[12]。
2.1.2元素分佈型別及成因
在世界範圍內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, 這依賴於城市的歷史年代、經濟發達程度、代寫碩士論文 不同的用地型別、汽油的新增濟成分、車輛元件的組成等, 在城市環境元素分佈及成因的解釋中應綜合分析以上各種因素。城市交通是產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 等發現, 燃燒和道路交通, 尤其是輪胎的磨損和消耗是城市區域內Cd 的主要汙染源[7];Moller 等在大馬士革調查時認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]。與歷史久遠的工業化城市相比, 相對年輕的城市具有較低的重金屬含量, 如非洲的哈博羅內市[4]比悠久的重工業城市倫敦[2]、柏林[3]的表層土壤的重金屬含量偏低[9], Li 等發現, 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佈明顯依賴於城市用地及工業型別, 如Birke 等[3]在柏林市調查中發現, Al,K, Si, Na, Sc 和Ti 主要是自然源, 即與母質的組成有關; 工業區域傾向於被Cu, Cd, Zn, Pb, Hg 汙染; 農業區由於大量使用化肥和汙泥, 富集Cd, F, Cr, Hg, Ni,Zn 和P 元素。儘管非洲的哈博羅內市比較年輕, 但它的不同區域仍然受Cr, Co, Ni, Cu, Zn 和Pb 等元素不同程度的汙染。如城市中心和工業區的Co, Cu, Pb,Zn 等元素汙染, 農業土壤中的Cr,Ni 汙染, 居民區及工業區的Zn 汙染[4]。
2.2 城市環境地球化學評價
2.2.1汙染程度評價
將郊區土壤背景值與城市各功能區含量進行比較是瞭解城市環境汙染水平最常用、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背景值的20 倍, Pb 和Zn 在市區中的含量也遠遠高於背景值[5]; 在柏林老工業區, 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內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境的汙染水平。
農業土壤與城區內土壤不同, 除了農用化學品外,大氣沉降、汙水灌溉、垃圾填埋場等都會對農田中的重金屬積累產生重要影響。對這部分的汙染評價, 比較有效的評價方法是地質積累指標法***Igeo***和富集因子法***EF***。對大氣汙染物的評價, 富集因子法尤為有效。
2.2.2生態效應評價
*** 1*** 氣溶膠的生態效應評價。大氣固體懸浮物的粒徑大小具有來源特徵, 粗粒源於陸地塵埃, 而細粒源於燃料的燃燒[13]。顆粒越細, 危害越大, 極細的顆粒物可通過呼吸進入人體, 粒徑小於10μm ***PM10***, 尤其是小於<2.5μm***PM2.5***的粒子, 會導致哮喘, 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風險性。
*** 2*** 元素生物有效性評價。研究元素生態效應的常規方法是連續偏提取法, 在城市環境調查中, 也有相關的研究例項, 如Zhai等調查發現, 代寫醫學論文 由交通引起的人為源的Pb主要以有機質吸附和鐵- 錳氧化物態存在[4]; 香港和倫敦的路塵中, Pb, Zn主要以鐵錳氧化物相存在,
Cu主要以有機質吸附態存在[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條件下元素易於溶解, Alloway等報道其可溶性Cd平均為總量*** 降塵量*** 的60%[16]; 這可能是由於人類活動輸入的硫和氮的氧化物使雨水酸化。因此,在易出現酸雨的城市區域具有較大的生態風險性。
3 城市環境地球化學調查應解決的重點問題
3.1 開展城市環境的立體空間調查
目前城市環境地球化學調查主要集中在土壤和大氣, 缺乏系統的地下水及地表水資料。在城市環境的地球化學元素迴圈過程中, 起源於自然地質作用和人類活動的元素在土壤- 大氣- 水- 生物系統內遷移轉化, 借風力作用進入大氣中的元素通過乾溼沉降進入土壤和水體。世界各國所進行的城市環境地球化學調查, 獲得了大量土壤和大氣顆粒物等方面的資料,
但結合水體和生物樣的調查不多。如果取樣介質涵蓋環境生態系統中的各個環境因子, 將有助於綜合分析重金屬元素在城市環境系統中的遷移轉化規律, 建立元素在城市環境系統中的迴圈演化模型。
3.2 確定城市環境調查的汙染指示物
城市區域內淺層土壤樣及農業土壤深、淺層樣是目前國際上廣泛使用的城市環境調查指示物, 但是,以何種粒度的樣品作為指示物尚沒有統一。Birke等在柏林市的土壤調查中分析了<2mm粒度樣品[3], 代寫職稱論文而有的作者用沉積物中<2μm的粘土組分進行汙染評價, 而用<63μm的泥粒作相態分析[17]。細粒組分含有更多的粘土礦物和有機質, 對重金屬元素的吸附力強,
使重金屬元素傾向於在細粒組分中富集[1], 所以表層土壤的細粒組分, 如<63μm適於作為汙染評價的指示物。
其次是大氣顆粒物或是氣溶膠。由工業排汙、燃料燃燒、機動車交通等引起的汙染物, 多以氣態、顆粒物或氣溶膠等形式存在[5]。一般情況下, 汙染物含量依賴於粒徑大小, 顆粒越細, 越具有毒性效應[16], 因此Fairley等認為, PM2.5適於作為顆粒物質引起的風險評估[17]。
另外, 重金屬通過自然作用和人類活動進入大氣圈, 它們主要以分子或顆粒物形式通過大氣圈進行大規模的遷移[18]。在英國城市區域內Cd 的大氣沉降速率為3.9～29.6g/hm2·a, 郊區為2.6～19g/hm2·a[7]。所以,城市區域內的表層土壤和路邊塵土是大氣沉降汙染的有效指示物。
3.3 城市環境質量標準的建立
城市環境質量標準是城市環境汙染評價、城市環境監測、保證大眾身心健康的重要依據, 環境質量標準的建立, 依賴於大量的調查資料、科學的工作方法和實驗結果。上已述及, 城市環境地球化學調查的指示物包括表土、降塵、大氣顆粒物等, 不同的指示物應有各自的限度值。2000年, 世界衛生組織制定了大氣質量標準, 如Pb, Cd的大氣質量標準分別為500, 5ng/m3***WHO,
2000***。作為城市環境汙染重要指示物的塵埃及表土等介質中的汙染限度值還沒有統一的標準。
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