高速公路沿線土壤重金屬污染特征與評(píng)價(jià)

余愛(ài)華，王大明，趙 曜

(南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037)

土壤是環(huán)境的重要組成部分，是人類賴以生存的自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源。公路運(yùn)輸和汽車尾氣擴(kuò)散沉降所產(chǎn)生的大氣和土壤重金屬污染是城市化過(guò)程中倍受人們關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一［1］。隨著現(xiàn)代高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，瀝青路面在我國(guó)高等級(jí)公路中占有很大的比例，特別是在江蘇省的高等級(jí)公路路面中，因此，迫切需要了解目前高速公路瀝青路面兩側(cè)土壤污染的特征及其程度，為農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)基地的規(guī)劃與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)［2，3］。

滬寧高速公路江蘇段呈東西走向，橫貫江蘇省蘇南地區(qū)，總長(zhǎng)約300 km，公路兩側(cè)分布有大量農(nóng)田。為此，選擇該高速公路為研究對(duì)象，對(duì)公路兩側(cè)土壤污染狀況進(jìn)行調(diào)查及安全評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)的選擇

本次研究樣本采集地點(diǎn)為滬寧高速公路南京段馬群立交西側(cè)。此段公路為南北走向，兩側(cè)以景觀用地和農(nóng)業(yè)用地為主，在采樣區(qū)及附近無(wú)其他污染來(lái)源。

該道路經(jīng)擴(kuò)建后計(jì)算行車速度120 km/h，雙向八車道，整體式路基寬度42.5 m，分離路段路基寬度43 m，橋涵設(shè)計(jì)荷載為汽車－超20，掛車－120［4］。主線為瀝青混凝土路面，設(shè)計(jì)年限為15年。滬寧高速公路擴(kuò)建主體工程除無(wú)錫段采用柔性基層瀝青路面外，全線采用了較厚的瀝青面層半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，具體路面結(jié)構(gòu)［5］:上面層為改性瀝青SMA－13，厚度4.0 cm;中面層為改性瀝青Sup－20，厚度8.0 cm;下面層為普通瀝青Sup－25，厚度8.0 cm;基層為水泥穩(wěn)定碎石，厚度40.0 cm(38 cm);底基層為二灰碎石再生層，厚度為20.0 cm。

具體采樣路段:選擇滬寧高速公路馬群立交段公路兩側(cè)為采樣地點(diǎn) (在公路西側(cè)選擇一條與道路中心線垂直的采樣線)。沿公路中線的垂直方向，分別在距離中線10 m、20 m、40 m、80 m、100 m和120 m處各設(shè)一采樣點(diǎn)組，每個(gè)采樣點(diǎn)組包括三個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)間的距離為10 cm，故共設(shè)18個(gè)采樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm三個(gè)土壤剖面深度采集樣品。

1.2 樣品的采集與分析方法

每個(gè)土壤樣本250g左右，共18個(gè)樣品。每一組樣品先在現(xiàn)場(chǎng)去除其中體積較大的草根、樹(shù)葉及動(dòng)植物腐殖質(zhì)等，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行混合后，裝入樣品袋或樣品瓶中，備檢。室內(nèi)主要分析土壤樣本中鎘(Cd)、鉻 (Cr)、鎳 (Ni)、鉛 (Pb)和鋅 (Zn)的總量。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的土壤質(zhì)量分析方法［4］的規(guī)定執(zhí)行，鎘 (Cd)用KI－MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法 (GB/T 17140－1997)、鉻 (Cr)用火焰原子吸收分光光度法 (GB/T 17137－1997)、鎳 (Ni)用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17139－1997)、鉛 (Pb)用 KI－MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法 (GB/T 17140－1997)、鋅 (Zn)用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17138 － 1997)［6，7］。

2 結(jié)果與分析

2.1 公路瀝青路面兩側(cè)土壤重金屬污染物特征

各重金屬濃度隨著距離的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，在10～40 m范圍內(nèi)，Cr、Pb和Zn的濃度均隨著水平距離的增加而呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。在40～120 m范圍內(nèi)則趨勢(shì)不明顯，如圖1和表1。

2 .1 .1 距地表10 cm處土壤中重金屬的含量水平

如圖2所示，在距離地表10 cm處，土壤中的重金屬元素:Ni、Zn、Cd、Cr和Pb的含量均隨著距離道路中心線的水平距離的增加呈現(xiàn)出不規(guī)則的變化;其中Ni含量波動(dòng)幅度最大，在距離道路中心線20～40 m的范圍內(nèi)從1 498.083 mg/kg驟然下降至70.01 mg/kg;其次是Pb，在距離道路中心線10～40 m范圍內(nèi)從48.49 mg/kg下降至14.01 mg/kg;Cd的含量變化幅度則最小。

表1 公路瀝青路面兩側(cè)土壤重金屬污染結(jié)果分析Tab.1 The result analysis of soil heavy metal pollution on either side of the of asphalt pavement highway mg/kg

圖1 土壤中重金屬的濃度隨水平距離變化Fig.1 The variation of heavy metal Concentration in soil with the horizontal distance

圖2 距地表10 cm處土壤中重金屬隨水平距離變化Fig.2 The variation of heavy metal concentration in soil of 10 cm depth with the horizontal distance

圖3 距地表20 cm處土壤中重金屬隨水平距離變化Fig.3 The variation of heavy metal concentration in soil of 20 cm depth with the horizontal distance

2 .1 .2 距地表20 cm處土壤中重金屬的含量水平

如圖3所示，在距地表20 cm處，土壤中的重金屬元素Cd的含量隨著距離道路中心線的水平距離的增加呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì);Ni的含量變化幅度仍然很大，在10～80 m范圍內(nèi)從715.427 mg/kg降至11.785 mg/kg;Zn的含量隨著距離道路中心線的水平距離的增加呈現(xiàn)出較為規(guī)則的波動(dòng)，在10～20 m范圍內(nèi)下降后，在20～40 m的范圍內(nèi)上升，之后在40～80 m范圍內(nèi)下降，又在80～100 m范圍內(nèi)上升，最后在100～120 m的范圍內(nèi)下降;Cr、Pb的含量隨著水平距離的增加雖有變化，但總體幅度不大，且整體含量水平較低。

圖4 距地表30 cm處土壤中重金屬隨水平距離變化Fig.4 The variation of heavy metal concentration in soil of 30 cm depth with the horizontal distance

2 .1 .3 距地表30 cm處土壤中重金屬的含量水平

如圖4所示，在距離地表30 cm處，土壤中的重金屬元素Ni的含量變化波動(dòng)最大，在距離道路中心線10～40 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，但在40～80 m范圍內(nèi)又出現(xiàn)小幅的回彈，之后在80～100 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定下降，最后在100～120 m范圍內(nèi)又上升至100.096 mg/kg;Cr、Pb的含量在距離道路中心線10～40 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，在80～120 m范圍內(nèi)又出現(xiàn)小幅的波動(dòng)，但波動(dòng)幅度不大;Cd的含量總體較小，且在距離道路中心線10～80 m范圍內(nèi)保持為0，只有在100 m處檢測(cè)出0.245 mg/kg，這說(shuō)明距地表30 cm處Cd基本不存在污染;Zn的含量從整體上看變化比較平穩(wěn)，始終維持在一定的范圍內(nèi)。

從圖2～圖4可知，滬寧高速公路瀝青路面南京段馬群立交西側(cè)距離道路中心線10～120 m范圍內(nèi)，土壤中Ni含量的變化波動(dòng)最大，波動(dòng)幅度達(dá)到2.207～1498.083 mg/kg;從事相關(guān)工作的一些研究者對(duì)Ni的含量［8～11］往往忽視了檢測(cè)，其實(shí)它是濃度最高，變化最大的元素之一。其次是Zn，其波動(dòng)幅度為23.959～491.836 mg/kg，且整體含量水平較高;其它重金屬元素的含量變動(dòng)不太大;Cd的含量最低。

綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)公路兩側(cè)土壤中重金屬特性的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目的研究結(jié)果與他們的研究結(jié)果存在一定差異。例如，林?。?2］等在對(duì)319國(guó)道龍巖市新羅區(qū)北段旁的土壤中重金屬含量的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤中Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的含量以公路為中心呈帶狀順著與公路中心線的垂直方向呈逐漸減小的趨勢(shì)。本次研究卻未出現(xiàn)此種明顯的變化規(guī)律，但在距公路中心線較近的區(qū)域內(nèi) (10～40 m)，一些重金屬元素呈現(xiàn)出較好的變化規(guī)律性。分析引起這些差異的原因，認(rèn)為可能有以下幾點(diǎn):

(1)從研究對(duì)象來(lái)看，所研究的公路路面結(jié)構(gòu)、路面材料不同;公路交通量不同，導(dǎo)致車輛排出的尾氣量不同，從而使沉積在土壤中的重金屬含量不同。

(2)從徑流污染來(lái)看，徑流污染程度的不同會(huì)直接影響到土壤中重金屬的含量。

(3)從環(huán)境因素來(lái)看，公路兩旁的植被覆蓋情況、土地利用情況等。

林?。?2］等研究的公路為福建區(qū)域的319國(guó)道，道路實(shí)際交通量以及由氣候差異 (降水量)導(dǎo)致的地表徑流量均有所不同;而且，文獻(xiàn)所取土樣為菜地和稻田，農(nóng)藥與化肥的施用也會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

2.2 公路瀝青路面兩側(cè)土壤質(zhì)量安全評(píng)價(jià)

(1)評(píng)價(jià)因子。Cd、Cr、Ni、Pb、Zn。

(2)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ類土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場(chǎng)等，土壤質(zhì)量基本上對(duì)植物和環(huán)境不造成危害和污染。二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值。II類土壤環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。本文評(píng)價(jià)是滬寧高速南京段公路兩側(cè)的土壤，與城鎮(zhèn)居民飲食健康密切相關(guān)農(nóng)田和林地，所以采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 15168－1995二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)評(píng)價(jià)方法。本研究采用單項(xiàng)污染指數(shù)方法，對(duì)測(cè)定的每個(gè)重金屬元素都做了單獨(dú)分析、評(píng)價(jià)，以詳細(xì)地反應(yīng)出土壤中重金屬污染的污染因子，并找出主要的污染因子。單項(xiàng)污染指數(shù)法的計(jì)算公式如下:

式中:p為土壤中重金屬污染元素i的單項(xiàng)污染指數(shù);ci為土壤中重金屬污染元素i的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)代表值 (本研究中采用均值法獲得);cs為土壤中重金屬污染元素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) (本研究中采用國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))，mg/kg。

如果土壤未受到重金屬元素i的污染，則p＜1;如果土壤受到重金屬元素i的污染，則p＞1，p的值越大，表明所受到的污染越嚴(yán)重。

(4)評(píng)價(jià)結(jié)果。從表1可知:滬寧高速馬群段兩側(cè)土壤中重金屬含量的檢測(cè)結(jié)果與土壤背景值的比較發(fā)現(xiàn)，除Cr以外，其余4種重金屬元素Cd、Ni、Pb、Zn在不同的采樣點(diǎn)均有不同程度的超標(biāo)。其中，Cd的最大污染指數(shù)在離公路中心線10 m處達(dá)到11.0，污染程度嚴(yán)重;Pb在離公路中心線10 m處達(dá)到輕度污染;Zn在離公路中心線10 m處達(dá)到中度污染，在離中心線100 m處達(dá)到輕度污染;Ni的污染程度最重，在離公路中心線120 m范圍均存在不同程度的污染，在離公路中心線10 m處污染指數(shù)達(dá)到21.9，達(dá)到重度污染，在離公路中心線20 m處污染指數(shù)達(dá)16.7，也存在重度污染。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)滬寧高速公路南京段馬群立交西側(cè)土壤中重金屬元素Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的水平分布特征的研究發(fā)現(xiàn):各重金屬污染物隨水平距離的增加而呈現(xiàn)降低的整體趨勢(shì);在10～40 m范圍內(nèi)，Cr、Pb和Zn的降低趨勢(shì)最為明顯。此種趨勢(shì)可能是因?yàn)楣吩谶\(yùn)營(yíng)期間，汽車尾氣中微粒在路面的降落，汽車燃油在路面上的滴漏及輪胎與路面的磨損物等，通過(guò)降雨沖刷并在兩側(cè)土壤中沉積、富集，同時(shí)地表和地下徑流對(duì)污染物的輸送造成的。在所觀測(cè)的元素中，Cd的含量水平總體較低，說(shuō)明受到公路運(yùn)營(yíng)的影響較小;Ni元素的含量在整個(gè)水平方向上的起伏較大，規(guī)律性不明顯，但其在距離公路中心線10～40 m范圍內(nèi)的含量較大且隨距離的增加濃度減小。在距離道路中心線80～120 m范圍內(nèi)，測(cè)定的各元素含量的規(guī)律性不太明顯，均有小幅的波動(dòng);說(shuō)明在此距離范圍內(nèi)，公路運(yùn)營(yíng)對(duì)公路兩側(cè)土壤中重金屬含量的影響較小，這與Marcel［13－15］等通過(guò)對(duì)公路周圍環(huán)境中的重金屬測(cè)定結(jié)果相類似，Marcel發(fā)現(xiàn)污染物主要沉降在距路邊30 m之內(nèi)。

通過(guò)對(duì)這些重金屬進(jìn)行質(zhì)量安全評(píng)價(jià)表明:Cd、Ni、Pb和Zn在不同的采樣點(diǎn)均有不同程度的超標(biāo)。Ni最為嚴(yán)重，其最大污染系數(shù)達(dá)21.9;Cd次之，最大污染系數(shù)達(dá)11;污染程度由高到低依次Zn、Pb和Cr;其中Cr基本上不存在污染。這些重金屬污染物均與汽車交通及路面材料有關(guān)，如Pb主要來(lái)自于汽車燃料燃燒后排放的尾氣，Zn主要來(lái)自于汽車輪胎的磨損顆粒，汽車排放的重金屬顆粒粒徑極小 (0.01～0.3 μm)，吸附性極強(qiáng)，這些重金屬一般都以吸附于顆粒表面的形式存在于地表沉積物中，而在雨天時(shí)，又依附在沉積物上隨路面徑流遷移至地表水體，從而引起土壤的重金屬污染。

以上的研究結(jié)果表明，若要在公路兩側(cè)種植農(nóng)作物，必須離公路中心線至少80 m，否則將對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有較大的影響，引發(fā)食品安全問(wèn)題。在減少 (防治)公路兩側(cè)土壤污染的措施方面，一是可考慮種植一些吸附 (收)Ni、Pb和Zn元素較強(qiáng)的植物，并進(jìn)行合理配置。二是通過(guò)改變路面材料來(lái)減少Ni、Pb和Zn等重金屬的濃度。

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