城市环境地球化学调查研究方法综述

1 / 9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2 / 9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 03km, 39km 和9km5;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(05cm)。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。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3 / 9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。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4 / 9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 EF10 作为大气颗粒物的人为源标志。但在粒径为 m 的大气颗粒物中, EF5 即为人为源的标志12。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5 / 9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。6 / 9城市环境地球化学评价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。 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 10m (PM10), 尤其是小于 7 / 98 Manta D S, Angelone M, Bellanca A, et al. Heavy metals in urban soils: a case study from the city of Palermo(Sicily),Italy J . The Science of the Total Environment , 2002 :229- 243.9 Moller A, Mller H W, Abdullah A, et al. Urban soil pollution in Damascus, Syria: concentrations and patterns of heavy metals in the soils of the Damascus GhoutaJ. Geoderma,XX,124: 63- 71.10 Mustafa Y, Semra T, Namik K, et al. Atmospheric trace elements in Ankara, Turkey:1. factors affecting chemical composition of fine particlesJ. Atmospheric Environment,2000, 34: 1305- 1318.11 Chabas A, Lefevre R A. Chemistry and microscopy of atmospheric particulates at DelosJ. Atmospheric Environment,2000, 34: 225- 238.12 Gao Y, Nelson E D, Field M P, et al., Characterization of atmospheric trace elements on particulate matter over the New York- New Jersey Harbor estuaryJ. Atmospheric Environment, 8 / 92002,36:1077- 1086.13 Gnter J K, Komarnicki. Lead and cadmium in indoor air and the urban environmentJ. Environmental Pollution, XX, 136:47- 61.14 Dockery D W, Pope C A. Acute respiratory effects of particulate air pollution. Annual Reviews of Public HealthJ.Atmospheric Environment ,1994,35:2045- 2051.15 Wang W H, Wong M H, Leharne S, et al. Fractionation and Biotoxicity of Heavy Metals in Urban Dusts Collected from Hong Kong and LondonpJ. Environmental Geochemistryand Health ,1998, 20:185- 198.16 Alloway B J. Atmospheric deposition of heavy metals onto agricultural land in England and WalesJ. Biogeochemistry of Trace Metals, 1999, 1: 414- 415.17 Banat K M, Howari F M, Al- Hamad A A. Heavy metals in urban soils of central Jor