余廣彬 朱茂杰

摘要簡述了國內(nèi)外快速城市化背景下環(huán)境污染的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了城市化對土壤、大氣、地表水的環(huán)境污染效應(yīng)，并提出了城市化與環(huán)境污染效應(yīng)研究的方向。

關(guān)鍵詞城市化；環(huán)境污染；人類活動

中圖分類號S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2015）29-280-03

自工業(yè)革命以來，世界城市化進(jìn)程不斷加速。例如，1780年世界城市化率僅為3.0%，1960年升至33.0%，1990年為42.6%，2010年世界有一半的人口居住在城市（發(fā)展中國家45.1%，發(fā)達(dá)國家75.2%）。人口從農(nóng)村向城市的遷移在未來50～100年中仍將繼續(xù)，發(fā)展中國家和地區(qū)尤為突出。預(yù)計(jì)到2030年，世界城市人口比例將達(dá)59.0%。過去10年，我國城市化率以年均增長率1.12%的速度發(fā)展，我國城市化已進(jìn)入一個空前高漲時期。城市環(huán)境質(zhì)量與公眾健康息息相關(guān)，快速城市化背景下的環(huán)境污染效應(yīng)成為普遍關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

1城市化過程中環(huán)境污染效應(yīng)的概述

快速的城市化是生態(tài)環(huán)境污染的主要驅(qū)動因子。土壤、大氣和水體與人類活動密切相關(guān)，是人類生存發(fā)展的三大環(huán)境要素，受城市化過程的劇烈干擾。城市化導(dǎo)致城市土壤、大氣、地表水和沉積物環(huán)境質(zhì)量不斷惡化。發(fā)達(dá)國家的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量普遍優(yōu)于發(fā)展中國家，我國同大多數(shù)的發(fā)展中國家一樣，城市土壤、大氣、水體存在較嚴(yán)重的環(huán)境污染。這是由于發(fā)達(dá)國家經(jīng)歷了上百年的發(fā)展過程，其環(huán)境保護(hù)投入較大、環(huán)保設(shè)施完善、環(huán)保技術(shù)成熟、環(huán)保觀念較強(qiáng)等。

2城市化過程中環(huán)境污染效應(yīng)的研究現(xiàn)狀

2.1土壤環(huán)境污染效應(yīng)

城市土壤在快速城市化和工業(yè)化的背景下，受強(qiáng)烈的人類活動影響，如城市建設(shè)、工業(yè)活動、交通和日常生活等。城市土壤作為支撐城市發(fā)展和人們?nèi)粘Ｉ畹幕A(chǔ)資源，在保證城市健康生活和城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展方面扮演著重要的角色。然而，伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市進(jìn)程的加速，尤其是在新興國家，城市環(huán)境正面臨土壤污染的挑戰(zhàn)，城市土壤質(zhì)量日益退化，城市化進(jìn)程中的土壤污染效應(yīng)受到了眾多的關(guān)注。城市化伴隨各種途徑和形式的人為影響，使城市土壤性質(zhì)顯著偏離同地帶（區(qū)域）背景土壤的特征。嚴(yán)重的土壤污染特別是金屬污染是城市土壤的重要特征。伴隨工業(yè)生產(chǎn)和高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)利用進(jìn)入土壤的有機(jī)污染物，也成為土壤環(huán)境質(zhì)量下降的重要因素。城市土壤已成為接納城市代謝污染物的主要匯。大量污染物在城市土壤中富集，如多環(huán)芳烴、重金屬、氮和磷等。重金屬常被用作檢驗(yàn)城市化對土壤環(huán)境影響的重要指標(biāo)，其中Pb含量被認(rèn)為最能表現(xiàn)城市化過程對土壤質(zhì)量演變的影響程度。世界范圍內(nèi)，城市土壤均遭受了不同程度的重金屬污染。與發(fā)達(dá)國家和其他發(fā)展中國家相比，我國城市的土壤污染較為嚴(yán)重，大多數(shù)重金屬含量為背景值的20倍以上，其中城市土壤Pb的含量高達(dá)25 380 mg/kg，分別為全球頁巖背景值和我國土壤背景值的461和1 123倍。通過對美國、英國、蘇格蘭、威爾士地區(qū)共50個城市的采樣分析，發(fā)現(xiàn)城市地區(qū)威脅最大的環(huán)境污染來自Pb、Cd、Hg和PAHs，其中上海和芝加哥城市土壤中Pb的含量分別為自然背景值的8和13倍，呈顯著的城市源特征。城市土壤遭受污染后，也可導(dǎo)致土壤微生物特性的顯著變化。在英國Berdeen的一項(xiàng)研究表明，與農(nóng)業(yè)土壤相比，城市土壤微生物的基底呼吸作用明顯增強(qiáng)，但微生物生物量卻顯著降低，微生物的一些生理生態(tài)參數(shù)明顯升高；Biolog數(shù)據(jù)顯示，城市土壤對能源碳的消耗量和速度也明顯提高[22]。主成分分析顯示，土壤中有效態(tài)鉛是控制城市與農(nóng)業(yè)土壤微生物特征差異的主要因素，其次為有效態(tài)和有機(jī)態(tài)的鋅、銅和鎳。

2.2大氣環(huán)境污染效應(yīng)

自產(chǎn)業(yè)革命以來，城市工業(yè)迅猛發(fā)展，石油、化石等燃料在城市中大量消耗，導(dǎo)致大氣中CO2和NOx等有害氣體急劇增加，造成城市區(qū)域大氣環(huán)境污染。建筑施工、道路交通等產(chǎn)生的城市揚(yáng)塵、懸浮顆粒物，也使城市大氣環(huán)境進(jìn)一步惡化。與郊區(qū)相比，城市區(qū)域大氣中CO2、SO2和NOx的含量遠(yuǎn)高于郊區(qū)。城市化是導(dǎo)致城市區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量下降的主要因素。通常，城市中大氣污染物的來源分為固定源（工廠企業(yè)）和流動源（交通工具），主要包括工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、爐灶、鍋爐等。近年來，隨著城市區(qū)域工廠企業(yè)的搬遷，城市交通工具已經(jīng)成為大氣污染的主要來源。城市區(qū)域大氣污染物主要有氣溶膠和氣體污染物兩類，包括煙塵、SO2、CO、NOx、PAHs、氟化物、硫酸氣溶膠和重金屬等。其中，城市大氣顆粒攜帶的Hg是土壤、水體等環(huán)境中Hg污染的主要來源[23-24]。此外，土壤污染物也可通過揚(yáng)塵或再懸浮進(jìn)入大氣。最近，通過核探針研究大氣顆粒物的指紋特征，表明上海市大氣顆粒物中大約有31%來自土壤揚(yáng)塵。隨著汽車尾氣排放的控制和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可以預(yù)計(jì)土壤揚(yáng)塵仍將繼續(xù)成為我國城市大氣污染的主要來源。

2.3地表水環(huán)境污染效應(yīng)

城市化進(jìn)程中水環(huán)境質(zhì)量狀況的研究已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)[26-27]。水體（地表水和沉積物）是城市源污染物的主要受納介質(zhì)，在地表水環(huán)境研究中扮演著重要的角色。長期以來，城市周邊的河流、湖泊和沿海水域一直被當(dāng)作城市代謝污染物稀釋和消耗的最佳自然場所[28]。城市擴(kuò)張已成為非點(diǎn)源污染加重的主要因素[29]，城市化已成為僅次于農(nóng)業(yè)的水環(huán)境第二大污染源[30]。因此，城市水體（地表水和沉積物）富集了大量的城市源污染物。世界范圍內(nèi)地表水存在不同程度的污染現(xiàn)象。我國城市區(qū)域地表水質(zhì)量總體上要優(yōu)于其他發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家。根據(jù)2009年《中國環(huán)境狀況公報(bào)》，2009年全國地表水污染依然較重，七大水系總體為輕度污染，湖泊富營養(yǎng)化問題突出，近岸海域總體為輕度污染。與國家地表水環(huán)境質(zhì)量III類標(biāo)準(zhǔn)相比，營養(yǎng)元素（N、P）是我國地表水的重要污染物。我國城市區(qū)域地表水中重金屬濃度總體上低于國家地表水環(huán)境質(zhì)量III標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002），但顯著高于美國EPA規(guī)定的CCC限制[31]。進(jìn)入水體的污染物通過絮凝、沉積、吸附等作用進(jìn)入水體沉積物[32-35]，因此沉積物成為污染物的主要?dú)w宿[36-38]，成為污染物的主要匯。與全球頁巖背景值和我國淺海沉積物背景值相比，世界各國城市區(qū)域沉積物存在顯著的重金屬富集現(xiàn)象，大部分重金屬含量為背景值的幾倍到幾十倍?？傮w上，我國和發(fā)展中國家城市區(qū)域沉積物重金屬含量相對低于發(fā)達(dá)國家。此外，城市污染物通過各種途徑（如干濕沉降、地表徑流等）源源不斷地進(jìn)入城市及其周邊水體。地表徑流攜帶的城市源污染物是地表水污染的主要途徑[39-42]。城市區(qū)域內(nèi)存在廣泛的地表封閉與土壤壓實(shí)現(xiàn)象，土壤水分入滲和短期儲蓄緩沖功能減弱或消失[43]，地表徑流系數(shù)大幅度增加，從而導(dǎo)致徑流產(chǎn)生[44]。徑流攜帶的污染物負(fù)荷（包括氮磷、有機(jī)污染物、重金屬等）增加[44-45]，導(dǎo)致地表水污染加劇。城市地表積水還可能導(dǎo)致有害生物的繁衍，從而直接影響城市居民的身體健康。

3結(jié)語

近年來，城市化對環(huán)境的影響日益凸顯，我國由于經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和快速的城市化，被稱為“城市化的實(shí)驗(yàn)室”。 時間尺度上，城市化進(jìn)程表現(xiàn)為：城鎮(zhèn)—小型城市—中型城市—大型城市，但由于時間跨度長，難以追蹤研究。因此，“空間換時間”的研究方法將成為研究城市化過程中環(huán)境污染效應(yīng)的最佳途徑，也可選取同屬一個地理區(qū)系，且具有相似產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征的不同城市化階段的城鎮(zhèn)/城市作為研究對象。

參考文獻(xiàn)

[1] UNPD （United Nations Population Division）. World Urbanization Prospects：The 2009 Revision[A].2010.

[2] NORRA S，STBEN D. Urban soils[J]. Journal of soils and sediments，2003，3（4）：230-233.

[3] ROSSITER D. Classification of urban and industrial soils in the world reference base for soil resources[J]. Journal of soils and sediments，2007，7（2）：96-100.

[4] MIELKE H，GONZALES C，SMITH M，et al. The urban environment and childrens health：Soils as an integrator of Lead，Zinc，and Cadmium in New Orleans，Louisiana，USA[J].Environmental research，1999，81（2）：117-129.

[5] PAVAOZUCKERMAN M，BYRNE L. Scratching the surface and digging deeper：Exploring ecological theories in urban soils[J]. Urban ecosystems，2009，12（1）：9-20.

[6] WONG C，LI X，THORNTON I. Urban environmental geochemistry of trace metals[J]. Environmental pollution，2006，142（1）：1-16.

[7] CHEN J. Rapid urbanization in China：A real challenge to soil protection and food security[J]. Catena，2007，69（1）：1-15.

[8] LEHMANN A，STAHR K. Nature and significance of anthropogenic urban soils[J]. Journal of soils and sediments，2007，7（4）：247-260.

[9] ZHANG J，XIE Z D，PENG B Z. The response of soil characteristics on urban landuse expansion during rapid economic development and urbanization of the city in China[J]. Joint urban remote sensing event，2009，847-851.

[10] HILLER D.Characteristics of the acid buffer capacity and heavy metal behavior in Urbic Anthrosols of the Ruhr area[C]//Symposium 28：Urban and Suburban Soils. Proc. World Cong. Soil Science. Montpellier，F(xiàn)rance，1998.

[11] LU X，LI L，WANG L，et al.Contamination assessment of mercury and arsenic in roadway dust from Baoji，China[J]. Atmospheric environment，2009，43（15）：2489-2496.

[12] WILCKE W，LILIENFEIN J，DO CARMO LIMA S，et al. Contamination of highly weathered urban soils in Uberlandia，Brazil[J]. Journal of plant nutrition and soil science，1999，162（5）：539-548.

[13] MORILLO E，ROMERO A，MAQUEDA C，et al.Soil pollution by PAHs in urban soils：A comparison of three European cities[J]. Journal of environmental monitoring，2007，9（9）：1001-1008.

[14] CHUNG H，ZAK D R，REICH P B，et al.Plant species richness，elevated CO2，and atmospheric nitrogen deposition alter soil microbial community composition and function[J]. Global change biology，2007，13（5）：980-989.

[15] HAUGLAND T，OTTESEN R，VOLDEN T. Lead and polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） in surface soil from day care centres in the city of Bergen，Norway[J]. Environmental pollution，2008，153（2）：266-272.

[16] LIU S，XIA X，YANG L，SHEN M，et al. Polycyclic aromatic hydrocarbons in urban soils of different land uses in Beijing，China：Distribution，sources and their correlation with the city's urbanization history[J]. Journal of hazardous materials，2010，177（1/2/3）：1085-1092.

[17] CANNON W F，HORTON J D. Soil geochemical signature of urbanization and industrializationChicago，Illinois，USA[J]. Applied geochemistry，2009，24（8）：1590-1601.

[18] CHEN F S，LI X，NAGLE G，et al. Topsoil phosphorus signature in five forest types along an urbansuburbanrural gradient in Nanchang，southern China[J]. Journal of forestry research，2010，21（1）：39-44.

[19] PIL V，JOSENS G. Earthworm communities along a gradient of urbanization[J]. Environmental pollution，1995，90（1）：7-14.

[20] HOOKER P，NATHANAIL C. Riskbased characterization of lead in urban soils[J]. Chemical geology，2006，226（3/4）：340-351.

[21] JIANG Y，WANG X，WANG F，et al.Levels，composition profiles and sources of polycyclic aromatic hydrocarbons in urban soil of Shanghai，China[J]. Chemosphere，2009，75（8）：1112-1118.

[22] YANG Y G，PATERSON E，CAMPBELL C. Accumulation of heavy metals in urban soils and its impacts on soil microbes[J]. Environmental sciences，2001，22（3）：44-48.

[23] JIANG G，SHI J，F(xiàn)ENG X. Mercury pollution in China[J]. Environmental science and technology，2006，40（12）：3672-3678.

[24] FENG H，HAN X，ZHANG W，et al. A preliminary study of heavy metal contamination in Yangtze River intertidal zone due to urbanization[J]. Marine pollution bulletin，2004，49（11/12）：910-915.

[25] QIU Z，JIANG D，LU R，et al. The development of single aerosol particle fingerprint database based on nuclear microprobe[J]. Acta scientiae circumstantiae，2001，21（6）：660-663.

[26] LIU B，LI Z，CAI J. Water pollution countermeasures and optimization of planning control research[J]. Environmental science and management，2009，34（11）：183-186.

[27] PERSSON K，DESTOUNI G. Propagation of water pollution uncertainty and risk from the subsurface to the surface water system of a catchment[J]. Journal of hydrology，2009，377（3/4）：434-444.

[28] 孟慶強(qiáng)，吳大為，林毅，等.我國城市污水處理概況與城市污水處理工藝研究進(jìn)展[C]//全國城市污水處理設(shè)施建設(shè)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)研討交流會會議論文集.北京，2002.

[29] TANG Z，ENGEL B A，PIJANOWSKI B C，et al. Forecasting land use change and its environmental impact at a watershed scale[J]. Journal of environmental management，2005，76（1）：35-45.

[30] PAUL M J，MEYER J L. Streams in the urban landscape[M]//MARZLUFF J M，SHULENBERGER E，ENDLICHER W，et al. Urban ecology：An international perspective on the interaction between humans and nature.Springer，US，2008：207-231.

[31] US EPA （United States Environmental Protection Agency）. National recommended water quality criteria[S]. Washington DC，USA：Office of Water，2006.

[32] POLETO C，BORTOLUZZI E，CHARLESWORTH S，et al. Urban sediment particle size and pollutants in Southern Brazil[J]. Journal of soils and sediments，2009，9（4）：317-327.

[33] TAYLOR K，OWENS P. Sediments in urban river basins：a review of sedimentcontaminant dynamics in an environmental system conditioned by human activities[J]. Journal of soils and sediments，2009，9（4）：281-303.

[34] XU W，ZHANG G，WAI O，et al. Transport and adsorption of antibiotics by marine sediments in a dynamic environment[J]. Journal of soils and sediments，2009，9（4）：364-373.

[35] DEVEREUX O，PRESTEGAARD K，NEEDELMAN B，et al. Suspendedsediment sources in an urban watershed，Northeast Branch Anacostia River，Maryland[J]. Hydrological processes，2010，24（11）：1391-1403.

[36] HOUTMAN C，CENIJN P，HAMERS T，et al. Toxicological profiling of sediments using in vitro bioassays，with emphasis on endocrine disruption[J]. Environmental toxicology and chemistry，2004，23（1）：32-40.

[37] GHREFAT H，YUSUF N. Assessing Mn，F(xiàn)e，Cu，Zn，and Cd pollution in bottom sediments of Wadi AlArab Dam，Jordan[J]. Chemosphere，2006，65（11）：2114-2121.

[38] RENTZ R，WIDERLUND A，VIKLANDER M，et al. Impact of urban stormwater on sediment quality in an enclosed bay of the Lule River，northern Sweden[J]. Water，air，and soil pollution，2011，218（1）：651-666.

[39] ANA D，GRACE M，HATT B. Reuse of Urban Runoff in Australia：A review of recent advances and remaining challenges[J]. Journal of environmental quality，2008，37（5）：116-127.

[40] CORNELISSEN G，PETTERSEN A，NESSE E，et al. The contribution of urban runoff to organic contaminant levels in harbour sediments near two Norwegian cities[J]. Marine pollution bulletin，2008，56（3）：565-573.

[41] JARTUN M，OTTESEN R，STEINNES E，et al. Runoff of particle bound pollutants from urban impervious surfaces studied by analysis of sediments from stormwater traps[J]. Science of the total environment，2008，396（2/33）：147-163.

[42] WESTON D，HOLMES R，LYDY M. Residential runoff as a source of pyrethroid pesticides to urban creeks[J]. Environmental pollution，2009，157（1）：287-294.

[43] HAGAN D L，DOBBS C，ESCOBEDO F. Floridas urban soils：Underfoot yet overlooked[M].Gainesville，F(xiàn)L：Florida Cooperative Extension Service，University of Florida，2010.

[44] EL KHALIL H，EL HAMIANI O，BITTON G，et al. Heavy metal contamination from mining sites in South Morocco：Monitoring metal content and toxicity of soil runoff and groundwater[J]. Environmental monitoring and assessment，2008，136（1）：147-160.