路基邊坡土壤重金屬污染特征及評(píng)價(jià)

祝遵凌，崔利杰，王 颯

（1.南京林業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院，南京210037；2.南京林業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京210037）

交通道路污染的危害直接影響著人們的生產(chǎn)生活安全。隨著人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量的重視，交通產(chǎn)生的重金屬污染也成為了研究熱點(diǎn)之一［1－2］。路基邊坡作為距離道路交通污染源最近的區(qū)域，坡面土壤是除路面外交通污染物最直接的承受者，該區(qū)的土壤重金屬污染可能會(huì)有不同于路域其他范圍的污染特征和規(guī)律。以往的研究多集中在對(duì)路基以外較寬范圍內(nèi)的土壤、防護(hù)林及周圍農(nóng)田的重金屬污染研究［3－5］，目前針對(duì)路邊坡土壤重金屬污染的研究，尚未見(jiàn)報(bào)道。本文在高速公路交通環(huán)境下，進(jìn)行實(shí)地采樣，對(duì)路基邊坡區(qū)域土壤污染特點(diǎn)及規(guī)律進(jìn)行研究，目的是總結(jié)出在交通環(huán)境中重金屬?gòu)?fù)合污染下，路基邊坡及附近土壤的重金屬污染特征，并對(duì)重金屬污染現(xiàn)狀作出客觀評(píng)價(jià)，為重金屬污染的防控管理工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

鹽淮高速公路是國(guó)家重點(diǎn)公路天津至汕尾公路的支線，連接了淮安、鹽城兩個(gè)省轄市，現(xiàn)編號(hào)為S18。該道路按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，全長(zhǎng)約為104km，2002年8月始建，2006年12月正式通車。鹽淮高速公路所跨區(qū)域?yàn)樘K北平原的一部分，土壤類型主要為水稻土，局部地表為素土和黏性土，pH值大多在7.8～8.4，偏堿性。該區(qū)四季分明，年平均氣溫13.6～14.7℃，年無(wú)霜期240d左右，年平均降水量約940mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 130～2 430h。

1.2 采樣區(qū)選擇和樣品采集

2010年6月下旬，根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況，選擇坡度1∶1.5的邊坡為采樣區(qū)域，以綠化類型設(shè)4個(gè)采樣區(qū)，詳見(jiàn)表1。各采樣區(qū)選取3個(gè)采樣斷面，分別采集距路肩水平距離3，6，10，20m處的土壤樣品。其中3m和6m點(diǎn)位于路基邊坡上，10m點(diǎn)位于邊坡基部，20m點(diǎn)處于農(nóng)田防護(hù)林位置。同時(shí)采集距道路水平距離1km處不受高速公路影響的土壤作為對(duì)照。采樣深度0—15cm，采集量600g。

表1 各采樣區(qū)基本情況

1.3 樣品的處理與分析

樣品采集后置于陰涼處自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)，研磨，過(guò)100目篩。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP—AES），用王水—高氯酸消解樣品，OPTIMA—4300DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定土壤中 Cr，Cu，Pb元素的含量［6－8］。

1.4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)

常用的重金屬污染評(píng)價(jià)方法有單因子評(píng)價(jià)、多因子評(píng)價(jià)、地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等［9］，本研究選取單因子評(píng)價(jià)法、多因子評(píng)價(jià)中的內(nèi)梅羅法（Nemerow）和潛在生態(tài)危害指數(shù)法測(cè)定［10－12］，內(nèi)梅羅指數(shù)土壤污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考HJ／T166—2004的標(biāo)準(zhǔn)［7］。數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計(jì)分析運(yùn)用Excel 2003、SPSS 13.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 路基邊坡土壤的重金屬分布

路基邊坡不同采樣區(qū)，離路肩不同距離處土壤的重金屬含量見(jiàn)圖1。由圖1可知，路基邊坡區(qū)域所有采樣區(qū)的重金屬元素含量總體表現(xiàn)為：Cr＞Cu＞Pb，這可能是由于研究區(qū)土壤的重金屬含量本底值和重金屬遷移等多重因素的影響造成的。Cr含量隨離路基距離的變化呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，Cu含量變化相對(duì)平緩，Pb含量整體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。

圖1 各采樣區(qū)土壤中重金屬含量隨離路肩距離的變化

對(duì)路基邊坡區(qū)域不同采樣區(qū)的土壤重金屬含量進(jìn)行方差分析和多重檢驗(yàn)（表2），發(fā)現(xiàn)采樣區(qū)之間三種重金屬含量均存在顯著差異（P＜0.05）。比較各元素平均含量可知，C采樣區(qū)三種重金屬的平均含量為最低值，這可能是由于在道路建設(shè)過(guò)程中，采樣區(qū)C的填土來(lái)源和其他區(qū)不同而造成的；D采樣區(qū)中Cr含量最高，Pb含量也較高；A采樣區(qū)中Cu和Pb含量最高。張秀芝等［13］研究表明，道路交通是附近土壤Pb元素的主要來(lái)源，這與本試驗(yàn)中A采樣區(qū)、D采樣區(qū)分布在兩個(gè)交通樞紐附近，交通量較其他采樣區(qū)大，造成其Pb含量較高的結(jié)果一致。

表2 不同采樣區(qū)土壤重金屬平均含量

對(duì)路基邊坡區(qū)域離路肩不同距離處的土壤重金屬含量進(jìn)行方差分析和多重檢驗(yàn)（表3），發(fā)現(xiàn)路基邊坡區(qū)域距路肩20m處土壤中的Cr，Cu，Pb三元素平均含量均為所有采樣距離中的最高值，且與其他距離外的差異顯著（P＜0.05），這與秦瑩等［14］對(duì)沈哈高速公路兩側(cè)土壤重金屬的研究結(jié)果一致。這可能是緣于20m處土壤采自林下，而道路產(chǎn)生的重金屬污染物微粒擴(kuò)散時(shí)被樹(shù)木葉片部分截留，經(jīng)降雨淋洗后又進(jìn)入土壤，增加了林下土壤重金屬含量，導(dǎo)致此處平均值高于其他采樣點(diǎn)。距路肩6m處邊坡土壤的Cr、Cu、Pb含量均值在所有采樣距離中的值最低，這一方面是由于在高路基情況下汽車尾氣向較遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，另一方面路面徑流在6m處之上已有一個(gè)過(guò)濾過(guò)程，使得6m處的含量低于其他距離。Sutherland等［15］研究時(shí)指出大部分的Pb主要結(jié)合在較小粒徑的粉塵上，遷移擴(kuò)散距離遠(yuǎn)，這與本研究中20m和10m處采樣點(diǎn)有樹(shù)木枝葉的阻攔，Pb含量高于3m處的研究一致。

2.2 路基邊坡土壤重金屬污染特征

對(duì)圖1中重金屬含量進(jìn)行分析得出，Cr元素的含量最高，為23.35～40.00mg／kg，Cu元素居中，為8.75～16.80mg／kg，Pb元素含量較低，為4.15～13.05mg／kg；路基邊坡區(qū)域土壤中重金屬 Cr，Cu，Pb的變異系數(shù)分別為11.24%，19.25%，23.62%。路基邊坡區(qū)域土壤中Cr，Cu，Pb的平均含量分別為30.01，13.18，7.97mg／kg，均低于江蘇地區(qū)土壤元素的背景值［16］：77.8，22.3，26.2mg／kg，這可能是由于江蘇地區(qū)的土壤元素背景值屬于大范圍的統(tǒng)計(jì)值，而本文研究區(qū)域的背景值本身與江蘇省的平均值有差異；與1km采樣處的對(duì)照土壤重金屬Cr，Cu，Pb含量：31.40，12.95，8.05mg／kg相比，Cu元素高于對(duì)照，Cr和Pb元素低于對(duì)照，這可能與對(duì)照區(qū)土壤采自農(nóng)田土有關(guān)，農(nóng)田土由于長(zhǎng)期受人為耕作活動(dòng)和污染沉降的影響，導(dǎo)致其和路域附近的土壤重金屬含量比較相近。土壤重金屬的相關(guān)性可以推測(cè)重金屬的來(lái)源的異同［14］。對(duì)路基邊坡區(qū)域土壤重金屬元素間的相關(guān)性進(jìn)行分析可得，Cr，Cu，Pb三元素之間均具有顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），說(shuō)明這三種重金屬元素的主要污染來(lái)源可能是相同的。

表3 離路肩不同距離處土壤重金屬平均含量

2.3 路基邊坡土壤重金屬污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

對(duì)路基邊坡區(qū)域各采樣區(qū)的三種重金屬進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)和內(nèi)梅羅評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同采樣區(qū)污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表4可知，采樣區(qū)A的內(nèi)梅羅污染指數(shù)1.0＜PN≤2.0，為Ⅲ級(jí)輕度污染，單項(xiàng)污染指數(shù)PCu、PPb大于1，PCu在3m處大于1，即達(dá)到輕度污染，其他距離PCr值小于1，未污染；采樣區(qū)B中，在3，6，20m的距離處1.0＜PN≤2.0，屬Ⅲ級(jí)輕度污染，10m距離為Ⅱ級(jí)警戒限，單項(xiàng)污染指數(shù)Pi數(shù)值為0.890～1.126；采樣區(qū)C的內(nèi)梅羅污染指數(shù)0.7＜PN≤1.0，為Ⅱ級(jí)警戒等級(jí)，Pi小于1，范圍為0.600～0.959；采樣區(qū)D在3，6m距離處內(nèi)梅羅污染指數(shù)0.7＜PN≤1.0，為Ⅱ級(jí)警戒等級(jí)，10，20m 距離1.0＜PN≤2.0，顯示輕度污染，Pi值為0.915～1.222。綜合各采樣點(diǎn)的三元素的單項(xiàng)污染指數(shù)，得出PCr，PCu，PPb的平均值分別為0.957，1.001，0.953，三種重金屬污染排序?yàn)镃u＞Cr＞Pb。從各區(qū)內(nèi)梅羅污染指數(shù)的平均值來(lái)看，采樣區(qū)A，B，D較其他采樣區(qū)污染嚴(yán)重，路基邊坡區(qū)域重金屬污染排序?yàn)椴蓸訁^(qū)A＞采樣區(qū)B＞采樣區(qū)D＞采樣區(qū)C。

對(duì)路基邊坡區(qū)域各采樣區(qū)的三種重金屬進(jìn)行單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，各元素的Pi值選擇采樣區(qū)的平均值，得出Cr，Cu，Pb的Ei值分別為1.911 6，5.091 3，4.949 4，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。多類重金屬的總生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采樣區(qū)A，B，C，D分別為14.302 3，12.255 3，9.062 0，12.189 5，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為輕微級(jí)，這可能與該公路使用年限較短有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）鹽淮高速公路路基邊坡區(qū)域各采樣區(qū)土壤重金屬含量因填土來(lái)源和交通量不同存在差異，Pb元素對(duì)交通量的響應(yīng)更為明顯，在交通相對(duì)繁忙的樞紐附近含量較高。由于污染物擴(kuò)散特點(diǎn)及采樣點(diǎn)植物阻截的原因，重金屬在路基邊坡區(qū)域土壤中的分布與距離路肩的遠(yuǎn)近呈現(xiàn)規(guī)律性。

（2）路基邊坡區(qū)域土壤中，三種重金屬元素總體含量的排序?yàn)镃r＞Cu＞Pb，三種元素之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系，其主要污染源是相同的。

（3）鹽淮高速公路路基邊坡區(qū)域土壤中三種重金屬的污染排序?yàn)镃u＞Cr＞Pb，各采樣區(qū)的污染程度不同。目前路基邊坡區(qū)域土壤中重金屬Cr，Cu，Pb的污染整體上尚不嚴(yán)重，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為輕微級(jí)，但為保證附近農(nóng)田土壤的使用安全，仍需繼續(xù)監(jiān)測(cè)土壤重金屬含量，并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施避免污染加重。

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