高速公路土壤重金屬污染狀況及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

翟云波 戴青云 蔣康 朱云

摘要：為探討高速公路路域土壤重金屬污染分布特征和對(duì)周圍居民的影響，檢測(cè)了高速公路G4和G60的臨長(zhǎng)段、長(zhǎng)潭段和潭邵段 5 m，10 m，15 m，40 m和80 m處土壤中重金屬（Zn，Pb，Cd，Cr和Cu）的濃度，分析了它們的分布特征和污染狀況，并進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).結(jié)果表明：重金屬的濃度隨高速公路的距離的增加而降低，其中近高速公路點(diǎn)Cd和Cr超過了土壤環(huán)境二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)顯示，所檢測(cè)的5種重金屬的污染狀況是Cd>Pb>Cr>Zn>Cu，其中Cd為主要污染物，研究的3個(gè)路段5 m處Cd為重度污染，80 m處仍有輕度污染，其它重金屬分別為輕度污染或無污染；健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明Cd，Cr和Pb對(duì)成年人和未成年人都存在潛在的健康傷害風(fēng)險(xiǎn)且隨距離的增加而降低.其中3個(gè)路段80 m處Cr對(duì)未成年人仍有輕微的致癌風(fēng)險(xiǎn)（致癌風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍內(nèi)），說明高速公路兩側(cè)的居民應(yīng)居住在距離高速公路80 m之外.

關(guān)鍵詞：高速公路路域土壤；重金屬污染；健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；地積累指數(shù)

中圖分類號(hào)：X825 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，居民對(duì)交通的依賴程度越來越高，車輛流通量也隨之迅猛增加.但是交通運(yùn)輸給居民生活帶來方便的同時(shí)也產(chǎn)生了很多環(huán)境問題，成為城市土壤污染的主要來源之一[1-2].Bergbck等發(fā)現(xiàn)交通工具為高速公路土壤重金屬污染主要來源，其中Cd，Cu，Cr，Pb和Zn分別占90%，40%，99%，85%和80%[3].主要來源于交通工具的燃油、剎車、輪胎、離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)及觸媒轉(zhuǎn)換器等[4].通過大氣干沉積或濕沉降沉積在公路兩側(cè)土壤中.

2013年第68屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)決議通過了每年的12月5日為世界土壤日，并宣布2015年為“國(guó)際土壤年”，以國(guó)際社會(huì)對(duì)土壤安全問題的高度重視.土壤重金屬污染不僅可使土壤的肥力下降，降低農(nóng)作物產(chǎn)量，且其不易降解而在生物體內(nèi)傳遞，并通過食物鏈最終累積于人體中，當(dāng)其達(dá)到一定濃度后將對(duì)人體產(chǎn)生毒害作用[5].土壤作為重金屬的沉積池，可通過風(fēng)力和降雨進(jìn)入大氣環(huán)境和周圍水域，而對(duì)周圍環(huán)境和人體健康產(chǎn)生二次污染.因此，研究高速公路對(duì)路域土壤的重金屬污染現(xiàn)狀對(duì)公路旁土壤重金屬污染的防治和公路旁土地合理利用、規(guī)劃和管理提供依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（Health Risk Assessment）是對(duì)暴露在污染物中的人群可能產(chǎn)生的傷害、疾病或者死亡的可能性進(jìn)行的定性或定量的評(píng)價(jià)，作為污染物防治的輔助工具已經(jīng)得到國(guó)際上的廣泛認(rèn)可.近年來，學(xué)者們紛紛對(duì)高速公路兩側(cè)路塵的重金屬污染進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[6-7]，但對(duì)高速公路路域土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)的研究很少.健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是根據(jù)不同的吸收途徑和每日暴露劑量來估算有毒重金屬對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià).因此，高速公路土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)居民和政府緩解有毒重金屬污染及對(duì)居民采取有效保護(hù)措施具有十分重要的意義.

1材料及分析方法

1.1采樣點(diǎn)概況及樣品采集

2014年湖南全省高速公路完成投資390億元，通車總里程達(dá)到5 493 km，位居全國(guó)第五.其中京港澳高速（G4）和滬昆高速公路（G60）屬于中國(guó)高速公路網(wǎng)的“五縱七橫”主骨架網(wǎng)，相交于湖南湘潭市岳塘區(qū)的殷家坳，為湖南省交通承東啟西、南聯(lián)北進(jìn)的代表.因此，本文以這兩條高速公路展開調(diào)查研究.

本研究根據(jù)不同的開通時(shí)間和交通量，選取了3個(gè)采樣路段分別為G4高速公路的臨長(zhǎng)段（LC）和長(zhǎng)潭段（CT），G60高速公路的潭邵段（TS），具體采樣位置見圖1.每個(gè)采樣地段根據(jù)與高速公路垂直距離（5 m，10 m，15 m，40 m 和 80 m），用采樣器采取0～10 cm的土壤1 kg，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)3個(gè)平行樣，總共采取45個(gè)土壤樣品.采取的土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干，研磨后過篩網(wǎng)，儲(chǔ)存于聚丙烯容器內(nèi)，并將容器存放于4 ℃的冰箱內(nèi)等待進(jìn)一步檢測(cè).

2分析與討論

2.1土壤特性、重金屬濃度及其與距離的關(guān)系

高速公路路邊土壤中的重金屬濃度受土壤特性、交通量和氣象條件的影響[22].本研究中的土壤樣品的物理化學(xué)特性的分析結(jié)果見表3.土壤粒徑分級(jí)顯示本研究土壤樣品的粒徑較粗，特別是TS的土樣.黏土含量為12.76%～34.13%，且越靠近高速公路的土樣的黏土含量越少.可能是因?yàn)楣方ㄔO(shè)時(shí)填入的建筑材料的影響，如沙子，礫石.pH值表明本研究區(qū)域的土壤為酸性，LC，CT和TS的土壤pH值分別為4.14～6.53，4.42～4.98和5.06～6.45.表3顯示，pH值和有機(jī)物含量隨離高速公路的距離的增加而減少，可能是高速公路建設(shè)時(shí)在路邊填入的石灰等堿性材料和路面缺少植被等原因造成.

重金屬濃度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差見表4.大體上，此5種重金屬的濃度隨距離的增加而降低，顯示其與交通的相關(guān)性.它們?cè)贚C，CT和TS路段的濃度梯度分別為Cr > Zn > Pb > Cu > Cd， Cr > Zn > Pb > Cu > Cd和Zn>Cr> Pb > Cu > Cd，此結(jié)果與孔德秀等人對(duì)衡棗高速公路的研究一致[23].

表3中顯示LC和TS的運(yùn)行年限都為13a，但是LC段的交通量為70 903 veh/d遠(yuǎn)大于TS段49 601 veh/d的交通量.LC段所研究的5種重金屬的濃度大于TS段（表4），表明重金屬的濃度與交通量成正比.再一次說明研究的5種重金屬與交通狀況的相關(guān)性.

由表4可見，5種重金屬除了Cd和距離高速公路5 m處Cr的濃度外，其它重金屬的濃度都低于中華人民共和國(guó)土壤標(biāo)準(zhǔn)值.重金屬Cd在LC，CT和TS的濃度分別為0.2～1.0 mg/kg，0.3～1.4 mg/kg和0.1～1.0 mg/kg.其中距離高速公路5 m處Cd的濃度幾乎是土壤標(biāo)準(zhǔn)值的4～5倍.可能的原因有：第一，高速公路來往車輛磨損并長(zhǎng)期的積累.第二，中華人民共和國(guó)的土壤標(biāo)準(zhǔn)值是很早以前制定的，比其它國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)值都小，從而增大了比值.比如，在美國(guó)，其土壤污染等級(jí)劃分為：0～1 mg/kg，無污染；1～3 mg/kg，輕度污染；3～10 mg/kg，重度污染[24].柏林的Cd的土壤背景值為1.05 mg/kg[25].

LC，CT和TS路段距離高速公路5 m處Zn的濃度分別為122.09 mg/kg，102.37 mg/kg和143.86 mg/kg，其它在37～75 mg/kg之間波動(dòng).Zn的濃度在5～10 m之間急劇減少表明其與交通工具的正相關(guān)性.有研究顯示，Zn以鋅氧化物添加在車輪中，它是橡膠硫化的重要反應(yīng)物.Cr在LC段距離公路5 m處的濃度最大，為135.99 mg/kg，其它研究區(qū)的濃度在30～90 mg/kg之間波動(dòng).Pb和Cu的濃度稍微偏低，分別為25～61 mg/kg和15～25 mg/kg.

重金屬的濃度結(jié)合表3中的交通量和運(yùn)行年限，可以看出重金屬Cd，Pb和Cu與交通量及運(yùn)行年限成正相關(guān).Othman等人也發(fā)現(xiàn)了高速公路路域土壤中Pb濃度和交通量這種正相關(guān)的關(guān)系[26].Zn和Cr與交通量及運(yùn)行年限的關(guān)系并不明顯.

2.2重金屬的污染程度評(píng)估

地積累指數(shù)（Igeo）評(píng)估結(jié)果見表4.重金屬Cd的Igeo值最大，距離高速公路5 m處的Igeo>3，表明該區(qū)域的Cd為重度污染.其污染程度隨距離的增加而降低，但是遠(yuǎn)到距離高速公路80 m處仍有輕度污染.Cu的Igeo都小于零，表明其無污染.其它3種重金屬（Pb，Zn和Cr）分別在5 m處顯示了輕度污染，其它地方都為無污染.

5種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果見圖2.它們的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)梯度為Cd>Pb>Cu>Cr>Zn.其數(shù)值隨著與高速公路的垂直距離的增加而減小.表中顯示除了Cd其它重金屬的單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)都小于40，表明都對(duì)當(dāng)?shù)氐耐寥老到y(tǒng)無潛在危害.因此，研究區(qū)域土壤環(huán)境主要的污染物為Cd.其在距離高速公路5 m處的Eir>320，表明其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害程度高.且其在80 m處仍為輕微的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

在研究的3個(gè)路段中，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的大小為CT > LC > TS.3個(gè)研究路段距離高速公路5 m處的RI值都大于300，表明都有中度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

從以上的討論可以看出，地積累指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)兩種重金屬污染程度評(píng)價(jià)存在一些分歧.比如，按地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法重金屬Pb幾乎是無污染的，但是由于其高毒性，按潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法為低污染程度.翟云波等也發(fā)現(xiàn)它們存在一些分歧[27].但是，根據(jù)定義，地積累指數(shù)側(cè)重于單項(xiàng)的金屬污染程度，但并沒有考慮單項(xiàng)重金屬的毒性.而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)更注重評(píng)價(jià)的重金屬的綜合污染程度.因此，為了獲得更全面的和精確的評(píng)價(jià)結(jié)果，本文采用了2種評(píng)價(jià)方法.

2.3健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

圖3和圖4分別給出了消化道、皮膚接觸和呼吸（空氣）3種暴露途徑下生活在高速公路路域的成年人和未成年人的非致癌風(fēng)險(xiǎn)商數(shù).整體而言，未成年人的非致癌風(fēng)險(xiǎn)商數(shù)要大于成年人的.5種重金屬通過呼吸道，皮膚接觸和呼吸3種暴露途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)商數(shù)的大小為：Cr>Pb>Cd>Cu>Zn，Cr>Cd>Pb>Cu>Zn 和Cr>Pb>Cd>Cu>Zn.

3種暴露途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)商數(shù)之和為非致癌污染指數(shù).5種重金屬的非致癌污染指數(shù)見圖5.從圖中可以看出，Cr的非致癌污染指數(shù)是最大的，其次分別是Cd，Pb，Cu和Zn，且隨高速公路的距離的增加而降低.根據(jù)美國(guó)環(huán)保局的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估條例[28]：如評(píng)價(jià)的單項(xiàng)重金屬的HQ或者HI<1，則其對(duì)居民，甚至是敏感居民的健康危害風(fēng)險(xiǎn)較小或可以忽略；但如果HQ或者HI>1，則其對(duì)周圍的居民存在慢性的健康危害風(fēng)險(xiǎn).不難看出，圖5 Cd和Cr的非致癌污染指數(shù)超過了1，且對(duì)于未成年人，3個(gè)研究路段80 m處，Cd和Pb的非致癌污染指數(shù)也超過了1，表明它們對(duì)周圍居民有潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)危害.有研究顯示，過量攝入Cr，可能會(huì)觸發(fā)肺癌和胃癌.在3個(gè)研究路段非致癌污染主要來源于皮膚接觸，其次是經(jīng)口攝入被消化道吸收.因此，周圍的居民應(yīng)注意飲食攝入，最好不要讓皮膚直接接觸土壤，且最好居住于距離高速公路80 m 以外.

另一個(gè)健康分析評(píng)價(jià)的重要參數(shù)是致癌風(fēng)險(xiǎn).3個(gè)研究路段中重金屬對(duì)成年人和未成年人的致癌風(fēng)險(xiǎn)值見圖6.由于缺少Pb，Cu和Zn的致癌坡度因子，本文只討論了Cd和Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn).顯然，Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)要大于Cd，且二者的致癌風(fēng)險(xiǎn)隨距離高速公路的距離的增加而降低.根據(jù)Fryer等人的評(píng)估[29]，CR>1×10 4，則其致癌風(fēng)險(xiǎn)是不能接受的，CR值在10 6～10 4之間，則表示存在致癌風(fēng)險(xiǎn)，但在可容忍的范圍內(nèi).從圖6可以看出，重金屬Cr對(duì)未成年人的致癌風(fēng)險(xiǎn)在10 6～10 4之間，屬于可以接受的范圍，但也存在輕微的致癌風(fēng)險(xiǎn).其致癌風(fēng)險(xiǎn)隨高速公路距離的增加而降低，LC和CT遠(yuǎn)在80 m處仍明顯大于10 6，TS段80 m處降至接近10 6.對(duì)于成年人，兩種重金屬Cr和Cd的致癌風(fēng)險(xiǎn)都在安全范圍內(nèi).

綜上所述，高速公路G4和G60的3個(gè)研究路段（LC，CT和TS）的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，5種重金屬對(duì)周圍居民的健康危害風(fēng)險(xiǎn)隨與高速公路距離的增加而降低.其中Cr，Cd和Pb對(duì)周圍的居民存在潛在的健康危害風(fēng)險(xiǎn).Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)要大于Cd，且Cr對(duì)未成年人有輕微的致癌風(fēng)險(xiǎn).但總體而言，致癌風(fēng)險(xiǎn)都在安全范圍內(nèi).非致癌污染指數(shù)和致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表明高速公路周圍的居民應(yīng)居住在距離高速公路80 m之外.

3結(jié)論

受交通運(yùn)輸?shù)挠绊?，G4和G60高速公路路域土壤中所研究的5種重金屬的濃度較高，靠近高速公路的采樣點(diǎn)中Cd和Cr濃度超過了土壤環(huán)境二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).重金屬濃度隨離公路的距離的增加而降低，且與高速公路的交通量成正比.所檢測(cè)的5種重金屬的污染狀況是Cd>Pb>Cr>Zn>Cu，其中Cd超過了國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值的3～4倍，為重度污染，存在嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).在CT路段遠(yuǎn)到80 m處Cd仍顯示輕微的污染.其它重金屬為輕度污染或者無污染.健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，所研究的5種重金屬對(duì)未成年人的非致癌傷害大于成年人的.其中Cd，Cr和Pb對(duì)周圍的居民存在潛在的非致癌污染.3個(gè)研究路段80 m處，Cr和Cd對(duì)未成年人有輕微的致癌風(fēng)險(xiǎn)，但在可接受的范圍內(nèi).因此，周圍的居民應(yīng)注意飲食攝入，最好不要讓皮膚直接接觸路域土壤，且應(yīng)居住于高速公路80 m之外.

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