環(huán)鄱陽湖區(qū)高速公路周邊土壤重金屬特征分析

吳 剛，鄭明新

（華東交通大學道橋與巖土工程研究所，江西南昌330013）

1 采樣中心概況

鄱陽湖區(qū)位于長江中下游的南岸，跨長江中下游平原及華東南地區(qū)丘陵兩大地貌單元。湖區(qū)地勢低平，四周山丘環(huán)繞，在九江、湖口間向北開敞。地貌形態(tài)多樣，有山、丘、崗地、平原4個類型，其中平原及崗地分布面積較大，一共占全區(qū)總面積的61.9%，為區(qū)內(nèi)的主要地貌地形。鄱陽湖區(qū)土壤母質(zhì)以第四紀紅色黏土為主，土壤為紅壤及水稻土[1]。鄱陽湖周邊有昌九高速、南昌繞城高速、昌樟高速、生厚高速、梨溫高速、景鷹高速、九景高速及彭湖高速8條高速公路。其中昌九高速、南昌東繞城高速、梨溫高速、景鷹高速、九景高速5條高速公路形成環(huán)繞鄱陽湖的一個環(huán)形高速公路圈，本次試驗選取高速公路圈沿線不同方位的7個采樣中心點進行土壤采樣，如圖1所示。

2 研究方法

2.1 土樣采集地點和位置

本次試驗只研究道路交通環(huán)境（即行駛車輛尾氣排放的重金屬）對道路周邊土壤的影響，所選采樣中心點的布設(shè)應(yīng)遠離明顯的其他干擾因子，如工廠、垃圾場、排污口、居民區(qū)等，從高速公路圈沿線不同方位各選取一到兩個適合取土的采樣中心，從而研究環(huán)鄱陽湖區(qū)不同方位的高速周邊地區(qū)重金屬含量差異。

從每個采樣中心點向高速公路一側(cè)布設(shè)各5個采樣點。采用點距道路邊際的距離分別為1，10，20，30，50 m。每個采樣點在1 m2范圍內(nèi)，以梅花形采集5個0～10 cm土壤表層樣本。采集的土樣應(yīng)用原子吸收分光光度計測定來測定Cd，Cr，Cu，Mn，Pb，Zn的含量。

圖1 土壤采樣中心位置圖Fig.1 Map of soil sampling location

2.2 土壤評價標準

采用國家環(huán)境質(zhì)量標準中I類土壤環(huán)境質(zhì)量標準，I類為主要適用于國家規(guī)定的自然保護區(qū)（原有背景重金屬含量高的除外）、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護地區(qū)的土壤，土壤質(zhì)量基本上保持自然背景水平，土壤質(zhì)量對植物和環(huán)境不造成危害和污染。參照江西省土壤環(huán)境背景值[2]，江西省中北部地區(qū)pH值為5.5～6.2。參照GB15618-1994《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》中的一級標準中的pH值小于6.5的I類土壤環(huán)境質(zhì)量標準為：Cu≤35mg·kg-1、Zn≤100mg·kg-1、Pb≤35mg·kg-1、Cd≤0.2mg·kg-1、Cr≤90mg·kg-1。

2.3 污染程度評價方法

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[3]對高速周邊土壤進行評價，這種方法同時兼顧了單項污染指數(shù)的平均值和綜合污染指數(shù)，既能反映土壤中單項重金屬污染程度，也能較全面地反映土壤樣本的總體質(zhì)量。

首先計算各個重金屬元素的污染分指數(shù)，Ii=Ci/Si，式中：Ii為土壤中第i種污染物的污染分指數(shù)；Ci為土壤中第i種污染物實測含量；Si為第i種污染物在中國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準I類土壤含量。然后計算內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，I={[average(Ci/Si)2+max(Ci/Si)2]/2}12式中，I為土壤重金屬綜合污染指數(shù)，average（Ci/S）i為土壤各重金屬污染分指數(shù)的平均值，max（Ci/S）i為土壤重金屬污染指數(shù)中最大的污染指數(shù)。污染程度的分級按照土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ/T166-2004），基于土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分為5個級別，見表1。

2.4 土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)法

為了確定鄱陽湖周邊高速公路沿線土壤重金屬可能存在的生態(tài)危害效應(yīng)和反映特定區(qū)域的特殊性，本研究應(yīng)用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法[4-6]，以國家環(huán)境質(zhì)量標準中I類土壤環(huán)境質(zhì)量標準作為參比值對陽湖周邊高速公路沿線土壤重金屬潛在的生態(tài)風險進行評價。

某類重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Ei的計算公式為：Ei=Ti×Ci，式中：Ci為重金屬污染分指數(shù)；Ti為重金屬的毒性系數(shù)（Cd=30，Cu=5，Pb=5，Cr=2，Zn=1）[7-8]。區(qū)域內(nèi)多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù) RI=∑Ei。

根據(jù)Ei和RI的值，參照土壤中重金屬潛在危害系數(shù)、生態(tài)危害指數(shù)與污染程度的關(guān)系（見表2），得出潛在重金屬生態(tài)危害。

表1 內(nèi)梅羅綜合污染等級劃分標準Tab.1 Classification standards of N.L.Newerow integrated pollution level

表2 土壤重金屬潛在生態(tài)危害等級劃分標準Tab.2 Grading classification standards of soil potential ecological risk of heavy metals

3 結(jié)果與分析

3.1 不同采樣中心重金屬分布特征

對各個采樣中心重金屬含量分布結(jié)果（見表3）進行對比可以得出，環(huán)鄱陽湖區(qū)道路邊際表層土壤的重金屬含量湖區(qū)西南部略大于東北部。各中心重金屬含量排序（見圖2）為：C＞D＞E＞B＞A＞F＞G。其中G點為西北部鄱陽湖自然保護區(qū)[9]，人口稀少、交通量較小地區(qū)道路邊際重金屬濃度最低；C點距離南昌市、撫州市較近，屬于人口密集區(qū)，道路密度和交通量較大，重金屬濃度較高[10]。各采樣中心綜合污染指數(shù)計算結(jié)果（見表4）表明：A點、B點、F點和G點綜合污染程度為警戒線范圍，大小分別為0.89，0.91，0.85和0.81；C點、D點和E點綜合污染程度為輕污染范圍，大小分別為1.26，1.24，1.16。應(yīng)注意加強對C點、D點和E點道路周邊區(qū)域土壤重金屬含量控制。

圖2 重金屬含量分布規(guī)律圖Fig.2 Distribution of heavy metals

表3 采樣中心重金屬含量分布表Tab.3 Distribution of the content of heavy metals in the central sampling location

表4 采樣中心重金屬污染指數(shù)分布表Tab.4 Pollution index of heavy metal in the central sampling location

3.2 不同重金屬含量特征及與當?shù)乇尘爸祵Ρ?/h3>

不同重金屬在土壤含量分布大小排序（見表3）為：Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd，分別與選取采樣地區(qū)土壤環(huán)境背景值的5個參數(shù)[2]進行綜合分析，分別包括采樣地區(qū)：中小地形、行政區(qū)劃、成土母巖與母質(zhì)、土地利用情況和植被情況。對不同參數(shù)下的土壤環(huán)境背景值進行分析，得出采樣地區(qū)不同重金屬含量的綜合值和比值。以A點為例，采樣地區(qū)Cu，Pb，Zn，Cd，Cr綜合背景值（見表5）分別為17.93，33.22，69.35，0.10，47.04，實測值與綜合背景值比值分別為1.79，0.93，1.24，2.30，1.47，除Pb外其余4種重金屬均超過當?shù)乇尘啊Ｆ渌?個采樣中心的金屬實測值與背景值比值范圍如下：Cu：1.32～1.67，Pb：0.95～1.19，Zn：1.07～1.35，Cd：1.33～2.08，Cr：1.06～1.21。Zn，Cr，Cu略高于當?shù)赝寥拉h(huán)境背景綜合值，Cd超出當?shù)赝寥拉h(huán)境背景綜合值較多，某些地區(qū)高達2倍多。

重金屬平均濃度與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準I級標準相比，Zn，Cr，Cu，Pb都沒超過上限值，污染指數(shù)平均值（見表4）分別為0.92，0.89，0.88，0.64，污染水平屬于清潔范圍。但Cd污染較為嚴重，污染指數(shù)達到1.34，屬于輕度受污染范圍，污染指數(shù)計算結(jié)果與實測、背景兩值比較結(jié)果相吻合。

表5 A點土壤環(huán)境背景值及綜合值Tab.5 Background and comprehensive value of soil environmental at PointA mg·kg-1

3.3 不同重金屬的含量橫向空間變化規(guī)律

本次實驗只研究地表（0～10 cm）重金屬含量，故只考慮橫向空間重金屬含量變化規(guī)律，不考慮縱向空間的變化規(guī)律。從采樣中心中取出A點為例，從土壤重金屬含量統(tǒng)計值（見表6）和重金屬橫向空間變化規(guī)律圖（見圖3）中的變化趨勢可以明顯看出，土壤中Cu，Cr，Pb，Cd的含量在距離道路1～20 m時呈上升趨勢，在20 m處達到最高值，而后在20～50 m處呈微弱下降趨勢，在50 m處含量達到最低值。土壤中Zn的含量在距離道路1～10 m時呈上升趨勢，在10 m處達到最高值，而后在10～50 m處呈微弱下降趨勢，在50 m處含量達到最低值（見圖3）。

圖3 A點重金屬含量變化規(guī)律圖Fig.3 Variation of the content of heavy metals at pointA

表6 A點土壤重金屬含量統(tǒng)計值Tab.6 Statistics of heavy metal content at PointA

3.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價

采樣中心潛在生態(tài)危害指數(shù)計算結(jié)果（見表7）表明，以國家環(huán)境質(zhì)量標準中I類土壤環(huán)境質(zhì)量標準作為參照值時，環(huán)鄱陽湖區(qū)高速周邊土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）在34.47～56.18之間，平均值為47.43，為輕微生態(tài)危害程度，各采樣中心潛在生態(tài)危害指數(shù)大小排序為：C＞D＞E＞B＞A＞F＞G。對不同重金屬潛在危害指數(shù)大小進行排序可得：Cd＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其中Cd離子指數(shù)最大，為36.24；Zn離子指數(shù)最小，為0.88。Cd為生物非必要元素，具有較大毒性，應(yīng)注意對道路邊際土壤中Cd離子濃度的控制[11]。

4 主要結(jié)論

通過對環(huán)鄱陽湖區(qū)道路邊際表層土壤的重金屬含量的調(diào)查（這里主要考慮道路車輛尾氣排放的影響），初步可以得到：

1）重金屬含量從湖區(qū)西南部略大于湖區(qū)東北部。其中在距離南昌市較近的西南區(qū)域高速交通量大，重金屬含量最高，綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)最大，分別為1.26和56.18，綜合污染程度和潛在生態(tài)危害程度評價分別達到輕污染和輕微污染；而湖區(qū)西北部為鄱陽湖自然保護區(qū)，生態(tài)環(huán)境較好，人口密度低，交通量較小，重金屬含量最低，綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)最小，分別為0.81和47.43，綜合污染程度和潛在生態(tài)危害程度評價分別為警戒線和輕微污染。

2）在同一采樣中心，不同采樣點距路面的橫向距離不同，各點重金屬含量表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，即Cu，Cr，Pb，Cd的含量在距離道路1～20 m時呈上升趨勢，在20 m處達到最高值，而后20～50 m范圍呈微弱下降趨勢。土壤中Zn的含量在距離道路1～10 m時呈上升趨勢，在10 m處達到最高值，而后10～50 m范圍呈微弱下降趨勢。

3）在同一采樣點，不同重金屬在土壤中的含量不同，五種元素的平均含量大小依次為：Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd，其中Zn，Cr，Cu略高于當?shù)赝寥拉h(huán)境背景綜合值，分別為1.07～1.35倍、1.06～1.21倍和1.32～1.67倍。Cd的含量高出當?shù)赝寥拉h(huán)境背景綜合值1.33～2.08倍。有關(guān)部門應(yīng)加強對道路周邊土壤重金屬含量的控制，保證道路周邊居民的生活、生產(chǎn)安全。

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