城市道路兩側(cè)土壤重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

武瑞平，王 瑩，張婷瑜，趙雪芹，鄭雅莉

(呂梁學(xué)院 化學(xué)化工系，山西 呂梁 033001)

隨著工業(yè)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和城市化進(jìn)程的加劇，通過(guò)交通運(yùn)輸、工業(yè)排放、大氣沉降、金屬冶煉等造成城市土壤重金屬污染越來(lái)越嚴(yán)重，而且污染范圍在逐漸擴(kuò)大。重金屬進(jìn)入土壤以后，不能被土壤微生物分解，數(shù)量也不會(huì)隨時(shí)間推移而減少，只能在環(huán)境中遷移和轉(zhuǎn)化[1]，不僅影響和改變城市土壤的生態(tài)功能，而且通過(guò)揚(yáng)塵、食物鏈或直接接觸危害人體健康。因此，研究城市道路土壤重金屬污染特征，全面評(píng)價(jià)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度顯得尤為重要。

目前，關(guān)于呂梁市道路土壤重金屬的研究鮮有報(bào)道。本課題在對(duì)呂梁市道路兩側(cè)土壤重金屬污染特征研究的基礎(chǔ)上，分別運(yùn)用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)羅梅污染綜合指數(shù)法對(duì)道路兩側(cè)土壤重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以期為保障居民健康和改善城市環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呂梁市離石區(qū)地處山西省西部黃土高原，位于北緯37°21′～37°42′，東經(jīng)110°55′～111°35′，氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。有豐富的煤、鋁土礦、鐵礦、鋁鋅礦、銅礦、鍺等礦產(chǎn)資源，是山西省重要的焦炭生產(chǎn)基地和出口基地。太中銀鐵路穿境而過(guò)，307國(guó)道與209國(guó)道縱橫貫穿整個(gè)呂梁市，是呂梁與外部聯(lián)系的重要通道。

2 研究方法

2.1 樣品的采集與制備

本次研究對(duì)象為G209線呂梁市離石區(qū)路段。每隔200m取4個(gè)與公路垂直的斷面，在距離公路兩側(cè)5m、10m、15m、20m處分別取樣，取樣深度為0～20cm處的表層土壤。對(duì)于農(nóng)業(yè)用地土壤在距離公路10m、20m處進(jìn)行分層取樣，取樣深度為0～20cm、20～40cm、40～60cm。在每個(gè)采樣點(diǎn)各層次采集5個(gè)土壤樣品就地混合為一個(gè)樣品[2]。采到的土樣裝入塑封袋，注明采樣日期、采樣地點(diǎn)和采樣土壤層后，帶回實(shí)驗(yàn)室。

土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，去除雜質(zhì)，粉碎，并過(guò) 100 目篩，備用。

2.2 樣品的測(cè)定和數(shù)據(jù)分析

鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消煮，用WFX-130B火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定土壤重金屬鎳、銅、鉛、鋅的含量[3-4]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試每個(gè)土壤樣品設(shè)3個(gè)重復(fù)，并插入標(biāo)準(zhǔn)樣品，誤差小于10%。

采用Excel2007和 SPSS13.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較。

2.3 評(píng)價(jià)方法

2.3.1 單因子污染指數(shù)法

通過(guò)單因子評(píng)價(jià)，可以確定主要的重金屬污染物及其危害程度。一般以污染指數(shù)來(lái)表示，計(jì)算公式為：

(1)

式中，Pi為土壤中污染物i的單因子指數(shù)，Ci為實(shí)測(cè)濃度(mg/kg)，Si為污染物i 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)。本次評(píng)價(jià)以山西省土壤背景值作為標(biāo)準(zhǔn)[5-7]，Pi≤1，未污染；15，重度污染[8]。

2.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[9～12]

單因子指數(shù)只能反映各個(gè)重金屬元素的污染程度，不能全面地反映土壤的污染狀況，而內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值，可以突出污染較重的重金屬污染物的作用。綜合污染指數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中：Pn土壤綜合污染指數(shù)，Pimax土壤污染指數(shù)中污染指數(shù)最大值，Piave為土壤各污染指數(shù)的平均值。

由于不同重金屬對(duì)土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的影響不同，采用加權(quán)計(jì)算法來(lái)求平均值，計(jì)算公式如下：

(3)

對(duì)于權(quán)重w的確立，Swaine按照重金屬對(duì)環(huán)境的影響程度，將環(huán)境研究中人們都比較關(guān)注的微量元素分成了三類，因一類、二類、三類微量元素環(huán)境重要性逐漸下降，分別賦值為3、2、1作為權(quán)重[10～12]。本研究涉及的幾種重金屬其類別和權(quán)重分配如表1所示。

表1 重金屬污染物對(duì)環(huán)境的重要性分類和權(quán)重值Tab.1 Importance classification and weight values of heavy metal pollutants to the environment

綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2[13]。

表2 土壤綜合污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The criterion of comprehensive pollution level of soil heavy metals

3 結(jié)果與討論

3.1 城市道路土壤中重金屬的分布特征

城市道路兩側(cè)土壤重金屬橫向分布特征如圖1所示。由圖1可知，土壤中重金屬鋅、銅、鎳、鉛含量均隨采樣點(diǎn)距公路距離的增大而降低，但顯著性不大(P>0.05)。其中鉛污染較為嚴(yán)重，在5～20m范圍內(nèi)均超過(guò)山西土壤鉛的背景值(18.1 mg/kg)，其中距離最遠(yuǎn)20m處鉛含量為背景值的3.5倍。銅污染次之，距離公路20m處土壤中銅的含量高出山西背景值0.63倍。而重金屬鎳在5～15m范圍內(nèi)均超過(guò)山西土壤鎳的背景值(32 mg/kg)，在20m處時(shí)接近背景值。土壤中鋅的含量均低于山西土壤鋅的背景值，說(shuō)明土壤中鋅含量受人為污染源的影響較小。

注：用LSD法進(jìn)行多重比較。同一曲線中標(biāo)有不同小寫(xiě)字母者表示各組間差異顯著(P<0.05)；標(biāo)有相同小寫(xiě)字母者表示各組間差異不顯著(P>0.05)。下同。圖1 道路兩側(cè)土壤重金屬橫向分布特征Fig.1 Horizontal distribution characteristics of soil heavy metals on both sides of the road

進(jìn)入土壤中的重金屬大部分被土壤顆粒所吸附。在土壤剖面中，重金屬無(wú)論是其總量還是存在形態(tài)，均表現(xiàn)出明顯的垂直分布規(guī)律，其中可耕層成為重金屬的富集層[1]。由圖2可知，距離道路10m和20m處，土壤中重金屬鋅、銅、鎳、鉛主要在表層積累，均表現(xiàn)出明顯的垂直遞減規(guī)律，這是由于進(jìn)入土壤的重金屬被表層土壤的黏土礦物吸附，同時(shí)，表層土壤的有機(jī)質(zhì)與重金屬結(jié)合形成螯合物，使金屬離子不容易向下層移動(dòng)。其中，距離公路20m處表層土壤中銅、鎳、鉛分別超過(guò)土壤背景值21.73 mg/kg、14.03 mg/kg、82.04 mg/kg，說(shuō)明汽車(chē)尾氣的排放是土壤中重金屬銅、鎳、鉛的主要來(lái)源，對(duì)于農(nóng)業(yè)用地，化肥、農(nóng)藥的施用也是主要污染源。

圖2 道路兩側(cè)土壤重金屬縱向分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil heavy metals on both sides of the road

3.2 城市道路土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

城市道路兩側(cè)土壤重金屬單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)見(jiàn)表3。

表3 道路兩側(cè)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)指數(shù)Tab.3 Soil heavy metal pollution indexes on both sides of the road

根據(jù)表3，距離公路兩側(cè)不同距離土壤重金屬平均污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，土壤Zn的單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，在距離公路5～20m范圍內(nèi)未污染。土壤Cu、Ni的單項(xiàng)污染程度為輕微污染。土壤Pb的單項(xiàng)污染指數(shù)在距離公路20m處為3.46，污染程度為中度污染。離公路越近，重金屬污染指數(shù)越大。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，所測(cè)的4種重金屬中，以土壤Pb的單項(xiàng)污染指數(shù)最高，Cu和Ni次之，綜合污染指數(shù)在距離公路5m處最大為5.01，在20m處時(shí)為3.89均大于3，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ，屬于重污染(Pn>3.0，土壤、作物污染已相當(dāng)嚴(yán)重)?？芍珿209線兩側(cè)土壤受重金屬污染嚴(yán)重與當(dāng)?shù)孛禾窟\(yùn)輸主要依靠貨車(chē)運(yùn)送有很大關(guān)系，同時(shí)污染嚴(yán)重的重金屬Pb經(jīng)高溫燃燒更容易揮發(fā)，在距離公路5～20m范圍內(nèi)均為重污染，說(shuō)明汽車(chē)尾氣排放是造成重金屬污染的主要原因，這與錢(qián)翌等人的研究結(jié)果一致[14～16]。另外，農(nóng)村住戶還是主要靠燃煤取暖，周邊礦區(qū)和冶煉廠大量燃煤，Pb等重金屬極易進(jìn)入煙氣，被顆粒物吸附，并隨降塵返回地表造成土壤污染[15]。對(duì)于農(nóng)業(yè)用地，農(nóng)藥、化肥的施用也是土壤重金屬的主要來(lái)源。

4 結(jié) 論

4.1 G209線兩側(cè)土壤重金屬Zn、Cu、Ni、Pb含量均隨距離公路距離的增大而降低，重金屬含量Pb>Cu>Ni，Zn不受人為活動(dòng)影響。土壤中重金屬Zn、Cu、Ni、Pb主要在表層積累，均表現(xiàn)出明顯的垂直遞減規(guī)律。

4.2 G209線兩側(cè)土壤重金屬Zn、Cu、Ni、Pb單因子污染指數(shù)和綜合指數(shù)均隨距離公路距離的增大而降低，土壤重金屬污染程度為Pb(中度污染)>Cu(輕微污染)>Ni(輕微污染)>Zn(未污染)，內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)在5～20m范圍內(nèi)均大于3，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ，屬于重污染。

4.3 公路兩側(cè)土壤重金屬Pb污染最為嚴(yán)重，Cu和Ni次之。一般情況下，汽車(chē)尾氣的排放是城市道路兩側(cè)土壤重金屬污染的主要來(lái)源，對(duì)于農(nóng)業(yè)用地，農(nóng)藥、化肥的施用也是主要污染源，因此，建議公路兩側(cè)20m范圍內(nèi)不要種植糧食作物和對(duì)重金屬有較強(qiáng)富集作用的蔬菜。

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