（自然地理学专业论文）上海城市土壤、地表灰尘环境特征分析及其管理体系研究.pdf

摘要 城市是人类活动与自然环境相互作用的典型区域，是人类活动最为强烈的 区域( 张甘霖等，2 0 0 3 ) 。目前，大量自然和农业土壤被城市的扩展而占用，城 市化背景下的城市土壤和灰尘质量的演变以及这种演变所带来的生态和环境效 应是研究人类活动与环境关系问题的重要组成部分，也是研究城市可持续发展 管理的基础。因此，城市土壤和地表灰尘这一系统内氮、磷和重金属的空间分 布、迁移转化及其影响机制已经成为当前城市生态环境研究的前沿问题。 在上海市环保局重点攻关项目“土壤污染调查及处理与管理对策研究”的 支持下，本文以上海中心城区为典型研究区域，以城市可渗透的土壤和没有渗 透吸收功能人工封闭的地表灰尘为研究对象，主要研究城市土壤和地表灰尘的 污染来源、主要污染物、污染状况等，并且根据以上研究结果，进行环境污染 健康评价，同时根据城市发展的实际情况提出土壤和灰尘污染管理制度、政策 等，以期全面、有效、合理的管理城市土壤和地表灰尘污染，确保屠民的身体 健康与城市生态环境的良好发展。这是首次针对上海中心城区土壤和地表灰尘 环境特征进行系统的研究，主要的认识和研究成果如下： ( 1 ) 本文采用地统计学方法进行样品的采集与空间分布特征分析。目前，将地 统计学与城市社会状况、生态环境的有机结合，开展城市土壤和地表灰尘的系 统研究，是国际先进的研究领域。 ( 2 ) 运用s u r f e r 7 0 软件，采用克立格插值法，研究发现，上海城市壤中的 氮和磷空间累积含量差异性很大，可能是原母质污染状况和人为因素的影响： 上海城市地表灰尘中氮和磷含量的空间分布差异性大，可能是远距离迁移和近 距离人为污染共同影响。上海城市土壤和地表灰尘的污染来源和理化参数等诸 多因素影响污染物的空间分布特征。 ( 3 ) 城市土壤和地表灰尘磷酸盐的吸附解吸动力学研究发现，上海城市土壤和 地表灰尘对磷酸盐( p 0 4 3 - - p ) 的等温吸附曲线符合修正的l a n g m u i r 方程。在自 然条件下，即使在酸雨( p h 残渣态 碳酸盐结合态 有机结合态 可 华东9 范大学2 0 0 5 届硕士学位论文第一章绪论 交换态。张辉等( 1 9 9 7 ) 研究发现南京城市土壤重金属的有效态中，c u 以有机态 为主，p b 以交换态为主，c o 、m n 以铁锰氧化物态为主，f e 、n i 其有效态含量均小 于1 0 ，并且主要集中在铁锰氧化物态中。与非城区土壤相比较，城市土壤非残 渣态比例增加，活性增大，对环境的危险性增大。张辉等( 1 9 9 7 ) 通过对南京城 区土壤的重金属的含量、人为叠加含量比例、化学形态分配特征的研究发现，公 路与工厂对其环境土壤中的重金属叠加主要通过排放废气( 机动车辆尾气、生产 车间烟囱废气等) 携带重金属粒子进入大气再经沉降加入土壤，为气介质输运；而 垃圾场与江河对其环境土壤或沉积物中的重金属叠加主要通过大气降水、江水溶 解携带重金属粒子在一定条件下沉淀加入土壤或沉积物中，为水介质输运。由水 媒介和气媒介输运成因的两类重金属沉积其化学形态分配特征存在明显差异，前 者以有机态占优势，后者则以铁锰氧化物态占优势。气媒介携带的重金属粒子主 要呈氧化物等固体微粒进入环境，而在水介质中重金属的有机结合态是相对稳定 的形式，天然水和沉积物中存在着的许多配位基都可以与有机化合物牢固地结 合，因此，以气为传播媒介的重金属在其沉积物中铁锰氧化物结合态比例会较大， 而以水为传输媒介的重金属在其沉积物中有机结合态比例会相对偏高。 研究城市土壤和灰尘的污染程度，是评价城市环境质量的一个重要方面。由 于城市土壤和灰尘组成的复杂性，使准确地估计重金属对城市土壤和地表灰尘的 污染程度变得十分困难。评价城市土壤和地表灰尘重金属污染程度，一般采 用富集因子( e n r i c h m e n tf a c t o r s ) ( m a n t a ，e ta l ，2 0 0 2 ) 。富集因子( e f s ) 的计算公式为：e f s = 重金属在土壤和地表灰尘样品中的浓度在自然土壤 和灰尘中的平均浓度值。m a n t a 等( 2 0 0 2 ) 研究发现，意大币l j p a l e r m o 城市土 壤中n i 、m n 、c r 、c d 的e f s 值都小于1 ，说明这些重金属主要来源自然污染， 而相对e f s 值很高的p b 、z n 、c u 等主要是人为污染的缘故，对于中等污染 程度的c o 、v ，可能主要是风化或成土作用的结果。 1 3 2 城市土壤和地表灰尘微有机物污染 环境中对生态和人体有危害的有机污染物大多处于纳米级尺度。其中包括近 来提出的持久性或难降解有机污染物( p o p s ) 和持久性或难降解有毒化合物( p t s ) ( 汤鸿霄，2 0 0 3 ) ，这些有机污染物都属于挥发性有机污染物，它们通过挥发、淋 溶和由浓度梯度产生扩散等在城市土壤和地表灰尘中迁移或逸入空气、水体中， 对大气、水体、生态系统和人类的生命造成极大危害( 薛强等，2 0 0 2 ) 。在工业 发达国家，人为的燃料燃烧是城市土壤和地表灰尘多环芳烃( p a h s ) 的主要来源。 因此，近1 0 0 1 5 0 年来，土壤和地表灰尘p a h s 的浓度在不断增加，尤其是城市地 区( s m i t h ，e ta l ，1 9 9 5 ：丁克强等，2 0 0 1 ) 。城市土壤和地表灰尘微有机物污染 6 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第一章绪论 呈现一定的空间分布特征。k r a u s s 等( 2 0 0 3 ) 研究发现，城市土壤中的p a h s 、多 氯联苯( p c b s ) 、多氯联萘( p c n s ) 等持久性或难降解有机污染物在工业区和居 住区花园绿地附近的含量较高，是农田土壤中含量的几倍，并呈现从中心城区向 郊区逐渐递减的趋势。对天津市区和郊区土壤中的1 0 种p a h s 研究发现，市区是土 壤p a h s 含量超标最严重的地区，其中二环萘( n a p ) 的超标程度最严重，强致癌 物质苯并( a ) 芘( b a p ) 的超标情况也不容乐观( 郑一等，2 0 0 3 ) 。吴水平等( 2 0 0 4 ) 对天津地区的降尘有机污染研究发现，不同污染源产生的p a h s 的相对含量 有不同程度的差别。赵振华( 1 9 9 3 ) 认为交通污染典型的p y r b a p 比值为2 6 ，燃煤和生活污染所产生的多环芳烃中，该比值一般小于2 。在天津地区， 城市绿地土壤中p y r b a p 比值较高，接近2 ，而其它类型的土在l - 5 以下， 表明城市化水平高的地区交通污染的影响也比较大。微有机污染物的产生及 其在环境中的迁移过程将在很大程度上影响其浓度空间自相关性的方向和范围 大小。 城市土壤和地表灰尘微有机物污染的空间结构与理化性质存在相关性，同时 受到环境因素的影响。郑一等( 2 0 0 3 ) 对天津包括市区的表层土壤中1 6 种优控多 环芳烃含量和土壤理化参数进行了空间结构分析，并探讨了环境因素与土壤p a h s 含量空间结构特征间的关系。p a h s 各组分浓度存在中等或强变异性，表明影响土 壤p a h s 含量的各种人为或自然因素存在较为明显的空间差异。城市土壤有机碳 ( t o c ) 含量与各组分浓度存在显著正相关，而p h 值和粘粒含量与其各组分浓度 均不存在明显的相关性，表明t o c 含量可能是影响土壤多环芳烃浓度空间结构特 征的重要环境因素之一。研究还发现，在不同的气候带城市土壤中的p a h s 和p c b s 的含量不同，地处热带的城市土壤比温带的城市土壤低，这可能是由于热带气候 促进其生物降解、挥发损失和光氧化作用以及强烈淋溶进入地下水等原因所致 ( w i i c k e e t a l ，1 9 9 9 ) 。 1 3 3 城市土壤和地表灰尘生源要素( n 、p ) 污染 长期以来，关于生源要素污染的研究主要集中于农田土壤。近年来，对城 市土壤生源要素污染的研究已经成为热点问题，但目前还没有有关城市地表灰 尘中生源要素污染的研究。研究发现，莫斯科的城市土壤与自然土壤相比较， 磷具有明显的富集特征，有效磷含量超过植物的需求，磷素供给达到较高水平 ( j i m ，1 9 9 8 ) 。陈立新( 2 0 0 2 ) 对哈尔滨城市土壤污染研究发现，与非城区自 然土壤相比，城市土壤的全氮、水解氮含量降低，全磷和有效磷含量显著偏高， 磷在城市土壤中的富集现象严重，这可能是由于城市人为活动和大量含磷废水 以及垃圾的混入，使得城市土壤中全磷和有效态磷的含量明显高于森林土壤和 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文第一章绪论 农田土壤。杭州城市土壤表土总磷含量在5 6 3 - - 3 5 2 2 r i i g k g 之间，总磷的平均含 量：商业区 风景区 文教居民区 工业区，其中商业区总磷平均约为工业区 的3 倍、文教居民区的2 5 倍、风景区的2 倍；郊区农业土壤总磷含量的平均 值略低于城市土壤( 章明奎等，2 0 0 3 ) ，杭州市大部分居民区土壤平均总磷含 量约为农业土壤的2 倍，且居民区土壤磷的积累和潜在释放能力随居民区年龄 的增加而增加( 章明奎等，2 0 0 4 ) 。 土壤中磷的流失与土壤磷的积累、磷的形态和磷的饱和度等有关。荷 兰已把2 5 的土壤磷饱和度作为土壤环境敏感的临界指标( s c h o u m a n s ，e t a l ，2 0 0 0 ) 。当土壤磷饱和度超过2 5 时，土壤磷的释放和流失将明显增加。 杭州市居民区土壤中有5 9 的土壤的磷饱和度在2 5 以上，表明大部分土 壤具有较高的土壤磷积累和释放潜力，对周围环境有潜在的负影响( 章明 奎等，2 0 0 4 ) 。 城市土壤生源要素的吸附一解吸特性影响到土壤对外源氮磷等的吸持能力 和土壤吸持氮磷等的释放，它们均与土壤溶液中生源要素浓度密切相关，影响 城市土壤中生源要素的淋溶和地下水中生源要素的浓度。卢瑛等( 2 0 0 3 ) 研究 发现，与非城区自然土壤相比，南京城市土壤磷的吸附量小，磷的解吸量和解 吸率高，并且城市地下水中溶解态磷浓度、总磷浓度都与城市壤剖面中全磷、 有效磷、可溶性磷的加权平均含量有着明显的相关关系，反映了城市土壤是地 下水中磷的有效释放源。研究发现，南京城市土壤吸持外源磷的能力弱，土壤 胶体所吸附的磷容易被解吸进入土壤溶液，从而随着土壤溶液流动进入地下水 体，或经降水冲刷进入地表径流，导致城市水环境污染( 卢瑛等，2 0 0 3 ) 。 1 3 4 污染物在城市水一土一气内的迁移转化 污染物在城市大气土壤地表灰尘一大气、水体土壤地表灰尘水体体 系内的迁移转化研究是当前城市土壤和地表灰尘污染研究的重点问题之一。在城 市这样一个复杂的环境巨系统内部，大量的自然或人为污染物可能会通过大气干 湿沉降而直接纳入城市土壤和地表灰尘中；同时，城市土壤等下垫面介质中的污 染物又会通过渗滤和扬尘把一部分污染物带回水体和大气，形成大气一土壤，水 体一土壤的污染物质迁移、转化系统；地表灰尘通过扬尘携带污染物进入水体和 大气环境。 城市人口高度密集，表层土壤和地表灰尘污染物可以通过扬尘和与土壤、灰 尘直接接触而对人体产生危害。最近通过核探针研究大气颗粒物的指纹特征，表 明上海市大气颗粒物中大约有3 1 来自土壤扬尘( 仇志军等，2 0 0 1 ) 。随着汽车尾 气排放的控制和能源结构的调整，可以预计土壤扬尘和地表灰尘仍将继续成为我 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文第一章绪论 国城市大气污染的主要来源。庄树宏等( 2 0 0 0 ) 对烟台市区大气一土壤系统中的 重金属污染进行了研究，发现大气重金属污染对植物叶片中重金属污染状况的影 响贡献较大，超过了土壤对其的影响。詹金秋等( 1 9 9 8 ) 研究了邢台市近1 0 年来 环境灰尘、土壤、地面水、地下水、大气及部分作物的铅污染和累积状况。并分 析了产生原因及影响。w a n g 等( 2 0 0 3 ) 对湖南株洲的水体一土壤一大气一植被系 统进行重金属污染物的迁移转化研究。孙炳彦( 1 9 9 9 ) 研究了乌克兰2 3 个城市中 土壤酸溶解性的锰、锌、铜、铅含量与这些重金属在气溶胶中多年平均含量之间 依赖关系。城市中大气悬浮颗粒物与城市表土的关系密切，揭示了悬浮颗粒物是 城市土壤污染物质的重要来源之一。波兰上西里斯克工业区，每昼夜间的降尘量 可高达3 0 0 0 m g m 3 以上，导致土壤性质发生改变和大量硫酸盐、铅、锌、铜等在 土壤中累积。何乱水等对兰州市烟尘、地面灰尘及城市土壤中金属元素之间的相 关关系进行研究时发现，烟尘中，除常量元素f e 、m n 之外，其余元素含量都高出 土壤中几倍、几十倍，尤其是s e 、h g 、s b 、c d 、p b 等，可见烟尘是兰州城市土壤 中主要污染因子( 何乱水等，1 9 9 7 ) 。 1 3 5 城市土壤和灰尘污染环境与健康风险评价 从国内外研究进展来看，风险评价已日益成为环境管理的重要决策支撑。 以城市土壤和地表灰尘中污染物质的含量为切入点，系统研究城市土壤和地表 灰尘污染对人体健康风险的评价体系是国内外研究的前沿。美国、荷兰、澳大 利亚等国建立了环境风险评价和健康风险评价准则。澳大利亚提出的风险评价 草案，主要针对土壤和地表灰尘污染的范围制定了“健康与环境监测标准”，简 称h i l s 和e i l s ( m a r k u s ，e ta l ，2 0 0 1 ) 。h i l s 用于保护在污染区或附近的居 民的日常生活健康，主要考虑污染物的生物有效性、日承受摄入量和背景值等。 e i l s 用于防止污染物的潜在不利因素对生态系统的影响。w i x s o n 和d a v i e s ( 1 9 9 4 ) 提出使用单一指标进行城市土壤和地表灰尘污染健康风险评价是不行 的，这种准则无法对不同的土地利用状况、暴露人口数等风险背景进行说明。 因此，例如有关铅的健康风险评价准则，采用人体血铅含量与土壤中铅含量的 数量关系( d a v i e s ，e ta l ，1 9 8 7 ；c u l b a r d ，e ta l ，1 9 8 8 ：k r u e g e r ，e ta l ， 1 9 8 9 ；b o o n ，e ta l ，1 9 9 2 ) 。据美国学者统计表明，城市儿童血铅与城市土壤 铅含量呈显著的指数关系，m i e l k e 等( 1 9 9 9 ) 提出了对应城市儿童临界血铅浓 度的城市土壤铅总量为8 0 m g k g 。我国儿童血铅超过国家标准( 1 0 0 斗g l ) 者达3 成，大城市超标率达6 0 以上，而市区普遍高于郊区；上海市城区超标率达8 5 以上。可见，我国制定城市土壤和地表灰尘污染健康风险评价迫在眉睫。 9 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文第一章绪论 1 4 研究思路 城市已成为现代经济的重心，城市环境问题令人瞩目。为了评估城市圈内 污染物质的数量以及其大量迁移速率等问题，首先要提出一个简单定性的模型。 因此，m i g u e l 等( 1 9 9 9 ) 提出了在城市环境下，城市污染微粒循环的地球化学 模型，并将污染微粒分为三种类型，即悬浮颗粒，地表灰尘以及土壤( 图1 1 ) 。 城市的大气悬浮颗粒物已经有大量的研究，但国内外目前还没有大范围系统研 究城市土壤和地表灰尘污染。 在工业发展和城市化进程中，城市土壤一地表灰尘系统作为一种新型的生 态环境污染研究系统正在不断的发展。对于土壤一地表灰尘系统来说，它不仅 受环境的影响，同时也影响环境，其中人类对它的影响是深刻的。因此，研究 土壤和地表灰尘污染的发生，了解土壤和地表灰尘的物质组成、有害元素含量 及其赋存形式，了解化学物质在土壤和灰尘环境中的化学行为、转化和归宿， 及污染物质在不同介质的迁移及可能产生的危害和土壤和灰尘污染的控制管理 等，对加强环境保护具有十分重要意义。 本论文主要是以城市土壤和地表灰尘污染体系的环境特征为主要研究方 向，以上海中心城区为典型研究区域，研究对象为城市可渗透的土壤和没有渗 透和吸收功能的人工封闭地表的灰尘，并从污染来源考虑，将城市土壤和灰尘 按照功能区进行分类：商业区、交通要道、绿化带、工业区、文教与居民区( 李 丽萍，2 0 0 1 ) ，研究内容包括城市土壤和灰尘的污染来源、主要污染物、污染状 况等，并且根据以上研究结果，进行环境污染健康评价，提出有效、可行的土 壤和地表灰尘污染治理或修复技术，同时根据城市发展的实际情况提出土壤和 灰尘污染管理制度、政策等，以期全面、有效、合理的管理城市土壤和地表灰 尘污染，确保居民的身体健康与城市生态环境的良好发展。城市土壤和地表灰 尘污染体系不是一个孤立的整体，和城市水环境和大气环境有着密切的关系， 三者相互作用，相互影响，相互制约，构成了“城市圈”城市环境研究对 象( 图1 2 ) 。 1_uph岛勺口目a；口c日pj口，-州o口甜(|h3o目op曲houl口；e口h3_【h叫k 爆峨m拍刊怛螺整莲器蛊霉骥鬃圹k罢邻毯琳黉，骅刊悟繇_ih匝 昌n p pu墨召鲁口皇co专窜等舞芎葛蔓u言已舳_【暑t皿 匾魁爝状矗媒孵刊越琳嗣i群稍忙辣n【匦 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文第二章研究区域概况 第二章研究区域概况 2 1 自然地理概况 上海地处太平洋西岸，亚洲大陆东沿，长江三角洲前缘，东濒东海，南临杭 州湾，西接江苏、浙江两省，北界长江入海口，长江与东海在此连接，地理坐标 为3 0 。2 3 3 l 。2 7 n ，1 2 0 。5 2 1 2 1 。4 5 e ，地势平坦，海拔在3 5 m 之间 ( 以吴淞高程为准) ，全市面积共6 3 4 0 5 k m 2 ，其中市区面积2 6 4 3 0 6 平方公里， 郊县面积3 6 9 7 4 4 平方公里：陆地面积为6 2 1 8 6 5 k i n 2 ，水域面积为1 2 1 8 5 k m 2 。 总入口1 4 6 4 万，其中城市入口8 6 9 万。上海中心城区共有黄浦、卢湾、徐汇、 长宁、静安、普陀、闸北、虹口和杨浦等9 个区组成，其面积分别为1 2 8 5 、8 0 2 、 5 4 7 6 、3 8 、7 6 2 、5 5 、2 9 2 、2 3 4 8 、6 0 6 1k 皿2 。 上海属于北亚热带季风气候，四季分明，日照充分，年平均气温为1 5 8 ， 受冷暖空气交替影响和海岸湿润空气调节，气候湿润，降水充沛，年平均降水量 大部分地区在1 0 2 7 1 1 1 1 毫米左右，但一年中6 0 的雨量集中在5 至9 月的汛 期，汛期有春雨、梅雨、秋雨三个雨期。全年无霜期约2 3 0 天。上海l o 2 月晚 秋和冬雨期间，多年平均降水量地区差异不大，雨量呈东南向西北方向微幅递减。 最多是南汇，其次是川沙、金山，最少是崇明，月雨量南北地区差异为5 l o m m 。 上海实施了大气污染控制计划，市区降水酸度和酸雨频率并无明显差异。上海 4 - 8 月受太平洋副热带高压的影响，多东南风，暖热湿润；1 1 月至次年2 月受西 伯利亚冷高压控制，盛行西北风，寒冷干燥：3 月和9 一1 0 月是季风的转变期， 东南和东北风交替出现，多低温阴雨天气。年均风速3 ，4 米秒，其中市区2 。9 米秒，郊区3 卜4 1 米秒。上海地区受大尺度天气影响时，特别是台风入侵时， 风速分布从沿海向市区逐渐减弱。 2 。2上海市土地利用布局 城市土壤和地表灰尘污染受到土地利用方式，污染物性质、污染源排放强度、 污染发生途径和所在区域环境条件等因素的影响。土地利用政策在土壤污染研究 方面扮演着重要的角色( 胡必彬，2 0 0 4 ) 。 2 2 1 中央商务区 上海的中央商务区是指浦西的外滩与河南路、人民路、天潼路、长治路、公 平路与复兴路之间和浦东的小陆家嘴地区，区域范围约为5 平方公里，是决定上 海能否建成“三个中心”的关键所在。 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文第二章研究区域概况 2 2 2 中心商业区 中心商业区是指北抵天目路、老北站附近，西到乌鲁木齐路、万航渡路，南 到复兴路、陆家浜路，东到浦东的陆家嘴地区，面积约3 0 平方公里，是上海中 心城区人口最密集的地区，也是商业、贸易、金融等第三产业十分繁荣的地区。 南京路、淮海路、金陵路、四川北路及豫园等市级商业街( 中心) 部分布在这一 区域内。今后，本区域应主要用以发展商业、贸易、金融、保险、通讯、信息等 第三产业。使之成为以第三产业和居住为主的城市功能区。 2 2 3 内环线以内三产为主的综合功能区 内环线以内三产为主的综合功能区，包括内环线以内、中心商业区以外的环 形区域，面积约1 0 0 平方公里。本环区是中心城区工业布局最集中的地区，据统 计，有工业企业3 0 0 0 多家，实现工业总产值和利润占中心城区总数的6 0 以上， 工业用地占城市总用地的比例高达3 0 以上，是市区平均水平的1 7 倍左右。 工业布局类型，主要是相对集中的工业街坊和众多分散的工业点。 2 2 4 内环线以外、外环线以内，以第二三产业为主的综合功能区 包括浦东新区、阂行区的一部分和宝山区的大部分，面积约为6 2 0 平方公里。 主要分布有城市边缘的9 个工业区、若干大型住宅区及各类批发市场、储运中心 等。 2 。2 5 外环线以外，以第一二产业为主的综合功能区 在本圈层内， 釜z d j 、宝山、安亭几个大工业基地外，在地域上，主要包括 “改县建区”前的郊区县及嘉定大部分。在这个地域范围，主要特点是：一是乡 镇工业应适当集中；二是适应特大城市发展，建立若干现代化农副产品生产基地。 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文第三章研究方法与实验分析技术 第三章研究方法与实验分析技术 3 1样品的采集 样品采集是准确把握和分析城市土壤和地表灰尘的关键步骤之一。为了使采 集的样品具有一定的代表性和典型性，能够更好地反映研究区域内土壤和地表灰 尘中各种污染物质的空间分布特征，将上海中心城区以2 k i n x2 k m 的网格划分7 4 个采样小单元。2 0 0 3 年1 1 1 2 月份，在每个采样小单元内根据不同功能区：交 通要道、文教与居民生活区、商业区、工业区、绿化带( 绿化带是指公园绿地、 园林绿地、公共绿地) 定点采样( 图3 1 和表3 1 ) ，而在每一采样站位选取三 个平行采样点进行样品采集，然后将三个采样点样品等量均匀混合，作为一个采 样站位的土壤或地表灰尘样品，共采集土壤和地表灰尘样品各1 8 7 个。采样时， 为防止人为原因导致样品污染，用不锈钢铲子采集0 - 2 c m 表层土壤样品，样品与 铲子接触的部分没有收集，并且同点同步用塑料毛刷收集地面灰尘样品( 郭琳等， 2 0 0 3 ：x i a n g d o n gl i ，e ta 1 ，2 0 0 1 ) ，从样品采集到处理的整个过程中始终没有接触 到金属工具。在野外采样期间，还用全球定位系统( g p s ) 测定了各采样站位地 理坐标。此外，在1 1 1 2 月份期间。还于华东师范大学自然地理学实验大楼楼 顶用雨量杯采集大气降水样，并用p h 计测定其p h 为5 9 。 采集的土壤和地表灰尘样品，在实验室内用真空冷冻干燥机冷冻干燥，待样 品干燥研磨后，过筛，将样品装入聚乙烯塑料袋中，并干燥保存。采集的大气降 水样品，过滤后放入冰箱中冷藏保存，以备实验模拟与分析所用。 3 2样品的实验室分析 3 2 1 氮 硝氮 称取0 5 9 样品于1 0 0 毫升离心管内，加入l m o l lk c l2 5 m l ，2 5 c2 5 0 转 速恒温恒速振荡1 小时后，离心( 1 0 m i n ，3 5 0 0 r p m ) ，取上层清液。用镉柱还原法 测定硝态氮含量。以上实验分析，在相同的实验控制条件下，作3 个平行实验样， 实验误差 1 0 。 亚硝氮 称取0 5 9 样品于1 0 0 毫升离心管内，加入l m o l lk c l2 5 m l ，2 5 。c2 5 0 转 速恒温恒速振荡1 小时后，离心( 1 0 m i n ，3 5 0 0 r p m ) ，取上层清液。采用磺胺和盐 酸萘乙二铵试剂法测定亚硝氮含量。以上实验分析，在相同的实验控制条件下， 作3 个平行实验样实验误差 1 0 。 付“岳对口钿3一时c吐盘对口力ho=opuo t_比口一1_a_口帕比口一善tj口日目oa叫1_力比h 匦糖临迥搔妻米凶繇尊廿嫩q_【固 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第三章研究方法与实验分析技术 表3 1 各个功能区采样站点的具体地理位置 t a b l e3 1s a m p l i n gl o c a t i o n si nd i f f e r e n tf u n c t i o n a la r e a s 交通要道 区名经度纬度区名经度 纬度区名经度纬度 1 7 兰塞堑蔓查兰! 塑! 望堡主兰竺笙兰 苎三皇堑塑查堡量壅墅坌堑垫查 商业区 匡查丝堡堑堡 匡垄丝塞堡堕 匡垄丝堕堕堕 长宁1 2 1 4 2 4 93 1 2 0 4 1 徐汇 1 2 1 4 3 3 8 3 1 1 9 5 9 黄浦 1 2 1 4 8 8 3 1 2 2 8 虹口1 2 1 4 7 7 4 3 1 2 6 6 7 徐汇1 2 1 4 5 2 43 1 2 1 7 2 杨浦 1 2 1 5 1 0 72 1 3 0 2 1 长宁1 2 1 4 0 1 23 1 2 0 2 5徐汇1 2 1 3 9 83 1 1 6 5 7 杨浦 1 2 1 + 5 2 2 23 l - 3 1 4 6 长宁1 2 1 3 5 1 73 1 2 0 6 徐汇 1 2 1 4 4 5 33 1 1 5 2 2 杨浦 1 2 1 5 0 1 83 1 3 0 0 4 虹口 1 2 1 4 5 7 43 1 2 8 9 3 徐汇 1 2 1 4 1 9 13 1 1 6 6 杨清 1 2 1 5 0 1 5 3 1 2 8 4 8 黄浦1 2 1 4 8 8 3 1 2 0 8 徐汇1 2 1 - 4 5 6 63 1 2 0 4 6闸北1 2 1 4 5 3 63 1 2 7 6 黄浦1 2 1 4 7 33 1 2 2 8徐汇1 2 1 4 0 63 1 1 4 5 7闸北1 2 1 4 3 7 33 1 2 7 6 7 普陀 1 2 1 3 8 7 53 1 2 8 3 2 徐汇 1 2 1 4 4 6 43 l ，1 7 4 8 闸北 1 2 i 4 5 53 1 2 4 7 5 普陀 1 2 1 4 3 5 33 1 2 4 5 4 静安1 2 1 4 4 1 9 3 1 2 2 3 3 卢湾 1 2 1 4 6 4 3 1 2 1 7 6 普陀 1 2 i 4 2 6 93 1 2 7 0 1 静安t 2 1 4 4 9 83 1 2 2 3 1 氨氮 称取0 5 9 样品于1 0 0 毫升离心管内，加入l m o l l k c l 2 5 m l ，2 5 。c2 5 0 转速 恒温恒速振荡1 小时后，离心( 1 0 m i n ，3 5 0 0 r p m ) ，取上层清液。采用次溴酸氧化 法测定氨氮含量。以上实验分析，在相同的实验控制条件下，作3 个平行实验样， 实验误差 1 0 。 1 8 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第三章研究方法与实验分析技术 3 2 2 磷 可溶性磷 称取1 5 m g 左右的土壤或灰尘样品于l o o m l 离心管内，加入2 0 m l 雨水( p h = 5 9 ) ，在2 5 c 下恒温振荡提取n 小时，以3 5 0 0 r p m 的速度离心1 0 分钟，然后取 上层清液，用磷钼蓝分光光度法测定可溶性磷含量，在计算实验分析结果时大气 降水中的溶解态磷含量已扣除。以上实验分析，在相同的实验控制条件下，作3 个平行实验样，实验误差( 1 0 。 总磷 总磷的分析流程图如图3 - 2 所示。总磷( t p ) 用硫酸一高氯酸消煮法测定( 鲍 士旦，2 0 0 0 ) 。 称取1 9 土壤或灰尘样品于开氏瓶中，加入8 m l 浓硫酸，1 0 滴高氯酸，放在 消化炉上消煮1 5 小时。等冷却后，先在比色管中加入少量水，用水将开氏瓶中 的样品移入比色管，定容至5 0 毫升。放置一晚上后，吸取1 毫升于5 0 毫升比色 管，稍加入一些水，加入2 ，4 - 二硝基酚指示剂2 滴，逐滴加4 m o l l 氢氧化钠 使溶液刚好变黄，然后再逐滴加2 m o l l 的硫酸，使溶液变成白色。取上层清液， 用磷钼蓝分光光度法测定总磷含量。以上实验分析。在相同的实验控制条件下， 作3 个平行实验样，实验误差 铁铝结合态磷( ( f e + m ) 一p ) ：经上一步的残渣中加入0 1 m o l l 氢氧化钠 2 0 m l ，2 5 2 5 0 转速恒温恒速振荡1 7 小时后，离心( 1 0 m i n ，3 5 0 0 r p m ) ，取 上层清液a 。把倒出上层清液a 的残渣中加入l io m o l l ( p h = 8 ) 的氯化钠2 0 毫升，2 5 2 5 0 转速恒温恒速振荡0 5 小时后，离心( 1 0 m i n ，3 5 0 0 r p m ) ，取 上层清液b ，将清液a 和清液b 混合作为样品清液c 。吸取样品清液cl o m l ， 加2 ，4 - - - 硝基酚2 滴，逐滴加2 m o l l 的硫酸，使溶液变成白色，用磷钼蓝 分光光度法测定其含量。 钙结合态磷( c ap ) ：把第二步倒出上层清液c 的残渣中加入0 2 5 m o l l 硫 1 9 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第三章研究方法与实验分析技术 酸2 0 m l ，2 5 2 5 0 转速恒温恒速振荡1 小时后，离心( 1 0 m i n ，3 5 0 0 r p m ) ，取 上层清液0 5 m l ，加2 ，4 一二硝基酚2 滴，逐滴加lm o l l 氢氧化钠使溶液刚 好变黄，然后再逐滴加2 m o l l 的硫酸，使溶液变成白色，用磷镭蓝分光光 度法测定其含量。 有机结合态磷( o r g p ) ：称取o 5 9 左右的土壤或灰尘样品于坩埚中，在马 弗炉内保持5 5 0 。c 高温灼烧1 小时，用2 0 m l o 5 m o l l h ：s o , 溶液将样品转移 到离心管中，2 5 2 5 0 转速恒温恒速振荡l 小时后，离心( 1 0 m i n ，3 5 0 0 r p m ) ， 取上层清液，用磷铝蓝分光光度法测定其含量值a 。另称取0 5 9 左右的士壤 或灰尘样品于离心管中，加入2 0 m l o 5 m o l l h 。s o 。溶液，2 5 。c 2 5 0 转速恒温恒 速振荡1 小时后，离心( 1 0 m i n ，3 5 0 0 r p m ) ，取上层清液，用磷钼蓝分光光度 法测定其含量值b 。a 、b 值之差即为有机结合态磷含量。 闭蓄还原态磷( r e p ) ：总磷减去上述四种形态磷获得。 样品l g 上 加入8 m l 浓硫酸，1 0 滴高氯酸 i 消煮1 5 h 冷却，定容 上 吸取l m l 上层清液 上 加入2 ，4 - 二硝基酚指示剂2 滴 逐滴加4m o l l 氢氧化钠使溶液刚好变黄 工 逐滴加2 m o l l 的硫酸，使溶液变成白色 i 磷铝蓝分光光度法 总磷含量 图3 2 总磷的分析流程 f i g3 2a n a l y t i c a lp r o t o c o lo f t o t a lp h o s p h o r o u s 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第三章研究方法与实验分析技术 图3 3 分级磷的分析流程图 f i g3 3a n a l y t i c a lp r o t o c o lo f p h o s p h o r u ss p e c i a t i o n 2 l 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第三章研究方法与实验分析技术 3 2 3重金属 重金属总量分析的预处理 1 用分析天平称取约0 5 0 0 9 样品置于聚四氟乙烯杯中； 2 加入1 0 毫升硝酸后将聚四氟乙烯杯放到通风良好的电热板上蒸干，在此过程 中要经常轻轻摇动杯子，使沉积物颗粒与酸充分混合，并加快消解速度； 3 向杯中依次加入1 5 毫升硝酸，3 毫升高氯酸和l o 毫升氢氟酸，轻轻摇动直 到蒸干； 4 向杯中加入5 毫升氢氟酸，轻轻摇动直到蒸干； 5 ，若消解不完全，则重复步骤4 ，直至沉积扬变成白色胶块状，再加入l 毫升 高氯酸蒸至冒白烟： 6 用2 的硝酸溶洗残余物至5 0 毫升容量瓶中定容，所得溶液转移到聚乙烯瓶 中，低温保存。 重金属化学形态分析的预处理 称取样品1 0 0 0 9 左右，采用改进的t c s s i c r 分级提取法( t e s s i c re ta l ，1 9 7 9 ) ， 依次提取重金属的可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和 残渣态。重金属化学形态分析流程图如图3 4 所示。 重金属测试： 用酸溶法( h n 0 3 - h f h c l 0 4 ) 加热消解，经稀释定容后用6 0 3 型原子吸收光 谱仪火焰法分别测定c u 、p b 、z n 、c r 、f e 和m n 的含量。各元素分析误差一般 8 5 p h 图4 1 上海城市士壤酸碱度频率分布图 f i 9 4 1t h ep hf r e q u e n c ym a po f u r b a ns o i l si ns h a n g h a i 建光等，2 0 0 4 ) 。通常把土壤酸碱度分为五级，即：强碱性( p h 8 5 ) 、碱性( p h 7 5 _ | | | | | | | | 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文第四章上海城市土壤和地表灰尘氮空间累积特征 8 5 ) 、中性( p h 5 5 7 5 ) 、酸性( p h 5 o 6 5 ) 和强酸性( p h 5 o ) 。研究发现， 上海城市土壤的p h 值般集中分布在7 5 - 8 5 之间，其中p h 在7 5 8 5 占了 9 0 9 1 ( 图4 1 ) 。由此可见，上海城市土壤偏碱性，可能是由于城市土壤中常 常混有建筑废弃物、水泥、砖块和其它碱性混合物等，其中的c a 向土壤中释放； 另外，大量含碳酸盐的灰尘沉降，水泥风化向土壤中释放c a ，土壤中碳酸盐与 碳酸反应形成重碳酸盐等因素导致了城市土壤趋向碱性，土壤趋向碱性是城市土 壤的显著特征。 4 1 2 总有机碳( t o c ) 从图4 2 来看，上海城市土壤总有机碳含量的范围为1 6 7 2 3 9 ，各个功 能区的总有机碳含量为：文教与居民区( 1 6 7 ) 绿化带( 2 0 4 ) 交通要道 ( 2 1 4 ) 工业区( 2 1 6 ) 商业区( 2 3 9 ) 。商业区高度密集的人口，大量的生活 垃圾混入是城市商业区土壤有机质含量相对较高的主要原因。有机化工企业产生 的“三废”含有大量的有机成分，也极有可能增加城市土壤的有机质多源性。另 外，商业区、工业区和交通要道的城市土壤不是以生产为重要目的，对土壤有机 质的消耗相对较少，有利于城市土壤有机质的积累。但是，在文教与居民区的花 圃、公园绿地和大型景观绿地的城市土壤中总有机碳含量相对较低，可能是污染 来源少，以及对土壤有机质消耗相对较大的缘故。般，城市土壤有机质高于郊 区农业土壤( 章明奎等，2 0 0 3 ) 。上海城市地表灰尘总有机碳含量的范围为2 5 4 4 3 9 ，各个功能区的总有机碳含量为：绿化带( 2 5 4 ) 商业区( 2 8 4 ) 文教与 居民区( 3 8 4 ) ( 交通要道( 4 1 2 ) 5 0 l lm ) 和粘土( 粒径 2pm ) ，分别占2 0 2 3 和2 6 。一般粒径越小污染物含量越高， 颗粒物粒径愈小，比表面积和表面吸附力越大( 郭琳等，2 0 0 3 ) 。因此，细颗粒 物的污染情况影响着整个城市生态环境。 城市灰尘所有的物理化学性质都与粒径有关，因此城市灰尘粒径分布规律是 华东_ _ i 范大学2 0 0 5 届硕上学位论文笫四章上海城市土壤和地表灰尘氮空间累积特征 研究的焦点之一( 韩永明等，2 0 0 3 ) 。“般认为， 1 0um 颗粒物，可以自由进入 人们的呼吸道，使变性源、过敏源的载体增加，导致城市居民呼吸道疾病患者增 5 4 5 4 窑3 5 u 2 3 2 5 2 1 5 l 工业区绿化带 交通要道 商业疸文教与居民区 图4 2 城市土壤和灰尘各个功能区的总有机碳含量分布图 f i 9 42t h ec o n t e n to f t o t a lo r g a n i cc a r b o ni nu r b a ns o i l sa n dd u s t sf r o md i f f e r e n tf u n o t i o n a la r e a s 1 0 0 2 p m ( 呦 圈4 3 上海中心城区土壤颗粒粒径分布 f i 9 4 3g r a i ns i z eo fu r b a ns o i l s i ns h a n g h a i 多，可使儿童免疫功能下降，慢性烟炎、支气管哮喘发病率增加，同时可使老人 眼部、呼吸道患病率增加，特别是居住在繁华街区或工厂附近的居民尤为突出( 杨 索等，2 0 0 3 ) ； 商业区( 2 8 0 1 m g k g ) 工业区( 1 8 0 4 m g k g ) 文教与居住 区( 1 6 4 0 m g k g ) 绿化带( 1 3 8 0 m g k g ) 。硝态氮在土壤中过量累积除了直接 威胁到地下水安全以外，是土壤次生盐渍化的主要原因( 刘宏斌等，2 0 0 4 ) ，也 是威胁人体健康的重要因素之一。因此，城市土壤的硝态氮污染是迫切需要解决 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第四章上海城市土壤和地表灰尘氮空问累积特征 的问题。上海城市土壤亚硝氮含量在0 0 2 9 3 8m g k g 之间，平均值为 0 7 9 m g k g ，空问变异系数1 9 7 。亚硝氮在各功能区的平均含量分布为：交通要 道( 1 0 9 m g k g ) 绿化带( 0 6 1 m g k g ) 文教与居住区( o 5 1 m g k g ) 商业 区( 0 2 0 m g k g ) 工业区( 0 1 5 m g k g ) 。氨氮含量在0 1 4 1 1 9 9 9m g k g 之间， 平均值为1 5 8 5 m g k g ，空间变异系数1 3 3 。氨氮在各功能区的平均含量分布为： 文教与居住区( 1 7 5 1 m g k g ) 交通要道( 1 7 1 3 m g k g ) 工业区( 1 6 ? 8 m g k g ) 绿化带( 1 2 5 0 m g k g ) 商业区( 1 9 7 m g k g ) 。一般土壤氮素主要来源于生物 固氮、降雨沉降、大气沉降、施肥等：在城市，工业和人为污染来源多样，而且 上海城市土壤大部分是客土，原来的土壤母质的氮素含量差异，是造成了城市土 壤氮素的空间变化大的重要原因之一。各个不同功能区的氮含量差异由人为污染 来源和土壤原母质污染情况两者决定的。 图4 5 上海城市土壤不同功能区三态氮含量水平 f i 9 4