高速公路路旁土壤重金屬分布及污染評(píng)價(jià)研究

黃玉潔 朱錦茹 焦?jié)崫?吳初平 袁位高 蔣仲龍 張勇 王增

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高速公路路旁土壤重金屬分布及污染評(píng)價(jià)研究

黃玉潔1朱錦茹1焦?jié)崫?吳初平1袁位高1蔣仲龍2張勇2王增2*

（1浙江省林業(yè)科學(xué)研究院 浙江杭州 310023；2浙江省林業(yè)生態(tài)工程管理中心 浙江杭州 310020）

在杭金衢高速公路龍游縣龍虎村段路旁設(shè)置3個(gè)采樣斷面，研究土壤重金屬Pb、Cd、Ni、As和Cr的分布特征，并對(duì)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：各采樣斷面土壤重金屬含量平均值大小均為Cr>Pb>Ni>As>Cd，其中，Pb、Ni在大部分采樣點(diǎn)含量明顯高于金衢盆地土壤背景值。隨采樣點(diǎn)距路基變遠(yuǎn)，Pb、Ni含量總體呈先升高后降低趨勢(shì)，而Cd、Cr含量基本呈逐漸降低趨勢(shì)。3個(gè)斷面中有1個(gè)斷面整體土壤重金屬處于輕度污染，2個(gè)處于警戒級(jí)別。從不同林帶寬度來(lái)看，15 m香樟林帶對(duì)高速公路路旁土壤重金屬的防護(hù)效果最好。

土壤重金屬；分布；污染評(píng)價(jià)；高速公路

公路交通污染被認(rèn)為是環(huán)境中多種重金屬污染的重要來(lái)源。高速公路因其具有車(chē)流量大、擴(kuò)散面廣、流動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)沿途土壤和農(nóng)作物造成的重金屬污染尤為嚴(yán)重[1-2]。土壤可接納環(huán)境中70%以上的重金屬排放量[3]，高速公路運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的重金屬可以通過(guò)大氣沉降、地表徑流等途徑進(jìn)入土壤，并通過(guò)植物吸收、吸附等方式污染農(nóng)作物，進(jìn)而危害人類(lèi)健康[4]。因此，研究和評(píng)價(jià)高速公路路旁土壤重金屬污染狀況對(duì)保護(hù)路域周邊生態(tài)環(huán)境和生物健康具有重要意義。本研究選擇杭金衢高速龍游縣龍虎村段路旁表層土壤為研究對(duì)象，研究土壤重金屬的分布特征，并采用單項(xiàng)污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為高速公路沿線土壤重金屬污染防治和防護(hù)林帶建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2016年6月，在杭金衢高速龍游縣龍虎村路段，設(shè)置3個(gè)垂直公路的采樣斷面，3個(gè)斷面在距路基10 m、20 m、40 m、80 m、160 m處采集0-20cm表層土。同時(shí)對(duì)各斷面一側(cè)的防護(hù)林帶進(jìn)行植被調(diào)查（見(jiàn)表1）。

表1 采樣斷面基本情況

1.2 樣品分析

將野外采集的土樣置室溫下自然風(fēng)干，除去石子及植物葉片、殘根等雜物，磨碎并過(guò)100目的尼龍網(wǎng)篩。土壤重金屬Pb、Cd、Ni、As和Cr含量用HF–HNO3-HClO4消解后，采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定[5]。

1.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

1.3.1單項(xiàng)污染指數(shù)法

單項(xiàng)污染指數(shù) (i) 能對(duì)土壤中某一重金屬的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式[6]：

i=i/i

式中，i為某一重金屬i的實(shí)測(cè)含量，i為重金屬i的評(píng)價(jià)參比值。本研究選用浙江省金衢盆地土壤背景值作為污染評(píng)價(jià)的參比值[7]（表2）。i≤1 時(shí)，表示土壤未受到重金屬明顯影響；i>1 時(shí)，土壤受到重金屬污染，且值越大表示受重金屬污染越嚴(yán)重。

表2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)參比值 單位：mg/kg

1.3.2內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù) (N) 能更全面地對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行累積性綜合評(píng)價(jià)，計(jì)算公式：

式中，P、P分別為土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果的平均值和最大值。污染程度依據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)：P≤0.7時(shí)，土壤污染等級(jí)為安全，污染水平為清潔；0.7<P≤1.0時(shí)，污染等級(jí)為警戒級(jí)，污染水平為尚清潔；1.0<P≤2.0時(shí)，土壤污染等級(jí)為輕度污染；2.0<P≤3.0時(shí)，土壤為中度污染；P>3.0時(shí)，土壤污染等級(jí)為重度污染[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量的總體分布

從表3可以看出，杭金衢高速公路龍游縣龍虎村路段中H1、H2、H3采樣斷面各土壤重金屬含量平均值大小為Cr>Pb>Ni>As>Cd，土壤中重金屬Cr含量最高，最低為Cd，這表明高速公路路旁各土壤重金屬含量之間具有較大的差異。自然條件下土壤重金屬含量高低主要受成土母巖及生物殘落物的影響，但杭金衢高速經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，其排放的重金屬在路旁土壤中逐漸累積，Pb、Ni含量大部分已明顯高于金衢盆地土壤重金屬背景值。3個(gè)斷面Pb、Ni、As含量的平均值高低均為H2>H1>H3，Cd、Ni均為H2> H3> H1，即無(wú)林帶斷面各土壤重金屬含量高于2個(gè)有15m林帶的斷面。

表3 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)特征 單位：mg/kg

2.2 土壤重金屬含量隨距離的變化情況

從圖1可以看出，隨采樣點(diǎn)距路基變遠(yuǎn)，3斷面土壤Pb含量總體均呈先升高后降低趨勢(shì)，H1斷面最高值出現(xiàn)在20m采用點(diǎn)處（42.76 mg/kg），最低值出現(xiàn)在160m處（27.48 mg/kg）；H2最高值在80m處（46.24mg/kg），最低值在160m處（35.24mg/kg）；H3最高值在20m處（42.84mg/kg），最低值在160m處（24.88 mg/kg）。土壤Cd含量H3斷面總體呈先升高后降低趨勢(shì)，其余2個(gè)斷面均呈逐步降低趨勢(shì)，H1最高值在20m處（0.13mg/kg），最低值在160 m處（0.07 mg/kg）；H2最高值在10 m處（0.23 mg/kg），最低值在160m處（0.08mg/kg）；H3最高值在10 m處（0.20mg/kg），最低值在80 m和160m處（0.08mg/kg）。3個(gè)斷面土壤Ni含量總體均呈先升高后降低趨勢(shì)，H1最高值在20m處（37.09mg/kg），最低值在160m處（16.32 mg/kg）；H2最高值在80m處（41.03mg/kg），最低值在160m處（26.53mg/kg）；H3最高值在20m處（33.42 mg/kg），最低值在80 m處（18.42mg/kg）。土壤As含量隨距離的變化規(guī)律不明顯，H1最高值在10m處（3.45mg/kg），最低值在40 m處（2.47mg/kg）；H2最高值在20m處（3.88 mg/kg），最低值在40m處（3.13 mg/kg）；H3最高值在10m處（3.11 mg/kg），最低值在20 m處（2.26mg/kg）。3個(gè)斷面土壤Cr含量總體基本呈逐漸降低趨勢(shì)，H1最高值在40 m處（37.46 mg/kg），最低值在160 m處（32.00mg/kg）；H2最高值在10m處（49.11mg/kg），最低值在160m處（32.83mg/kg）；H3最高值在10 m處（46.09）mg/kg，最低值在160m處（30.28 mg/kg）。

2.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

基于金衢盆地土壤重金屬背景值，從各斷面不同距離采樣點(diǎn)的重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看（表4），各斷面不同距離采樣點(diǎn)的Pb、Ni基本都超過(guò)土壤背景值，研究區(qū)土壤主要受到此2種重金屬污染，其他3種重金屬僅有個(gè)別采樣點(diǎn)受到污染。從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來(lái)看，H1斷面的10 m、20 m處為輕度污染，40 m、80 m處為警戒級(jí)，160 m處為安全清潔，H1整體狀況處于警戒級(jí)別；H2的10 m處為警戒級(jí)，其余各采樣點(diǎn)為輕度污染，H2整體狀況處于輕度污染；H3的10 m、40 m處為警戒級(jí)，20m處為輕度污染，80 m、160 m為安全清潔，H3整體狀況處于警戒級(jí)別。

表4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

3 討論與結(jié)論

3.1 距離對(duì)土壤重金屬分布的影響

隨著采樣點(diǎn)距路基距離變遠(yuǎn)，各斷面土壤Pb 、Ni含量總體均基本呈先升高后降低趨勢(shì)；各斷面土壤Cd、Cr含量總體均基本呈逐漸下降趨勢(shì)。有研究表明，公路兩側(cè)土壤重金屬含量隨距路基垂直距離的增加逐漸降低，越靠近公路，重金屬含量越高[9]。但也有研究表明，路側(cè)土壤一些重金屬隨距離增加而先升高后逐漸降低，即重金屬并不是越靠近公路含量越高，而是在距路基一定距離區(qū)域最高[10-12]。Viard B等[13]研究表明，高速公路產(chǎn)生的重金屬進(jìn)入沿線土壤的擴(kuò)散方式是影響垂直公路方向上不同距離土壤重金屬含量變化的主要原因。胡曉榮等[14]研究認(rèn)為，汽車(chē)尾氣排放的Pb、Ni擴(kuò)散模型遵從無(wú)線線源正態(tài)分布，尾氣擴(kuò)散至距離公路一段距離后才能與地面接觸，并在一定距離處出現(xiàn)最大值，隨后含量逐漸下降。Cr 主要來(lái)自于車(chē)體的腐蝕，主要通過(guò)揚(yáng)塵擴(kuò)散或地表徑流進(jìn)入到路測(cè)[15]，Cd則以路面徑流和濺散為主要方式進(jìn)入土壤[16]，因此，Cr和Cd在近距離處含量較高。As 變化規(guī)律不明顯，可能是受其多種因子綜合因素影響的緣故，如路旁農(nóng)田灌溉、施肥等[17]。

3.2 林帶對(duì)土壤重金屬污染的影響

有15m馬尾松林帶的H1斷面，5個(gè)采樣點(diǎn)中有2個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)梅羅綜合污染等級(jí)為輕度污染，2個(gè)點(diǎn)為警戒級(jí)別，1個(gè)點(diǎn)為安全清潔，H1路段整體為警戒級(jí)；無(wú)林帶的H2斷面中，有1個(gè)采樣點(diǎn)綜合污染等級(jí)為警戒級(jí)別，其余4個(gè)點(diǎn)為輕度污染，路段整體處于輕度污染；有15m香樟林帶的H3斷面中，有1個(gè)點(diǎn)的綜合污染等級(jí)為輕度污染，2個(gè)點(diǎn)為警戒級(jí)別，2個(gè)點(diǎn)為安全清潔，路段整體處于警戒級(jí)別?？梢?jiàn)，同樣為15m寬度的馬尾松和香樟林帶對(duì)重金屬的防護(hù)效果優(yōu)于無(wú)林帶，但馬尾松又比香樟林帶稍差。這表明，林帶越寬，高速公路路旁土壤重金屬污染程度越輕。許多學(xué)者認(rèn)為，路側(cè)林帶一方面通過(guò)樹(shù)葉、枝、皮等吸收、吸附空氣中的重金屬，起到凈化大氣的作用；另一方面通過(guò)降低近地風(fēng)速，攔截粉塵及顆粒物中重金屬的在近距離沉降，再經(jīng)根系吸收減輕土壤污染[4]。林帶對(duì)路旁土壤重金屬污染的防護(hù)效應(yīng)表現(xiàn)在既縮小污染范圍又降低污染程度兩方面。經(jīng)過(guò)林帶“過(guò)濾”后，在較遠(yuǎn)的160m處，大部分土壤重金屬已低于背景值。香樟林帶雖然平均樹(shù)高、胸徑均低于馬尾松，但因香樟為常綠闊葉樹(shù)種，林帶郁閉度高、葉面積較大、樹(shù)冠膨大，更有利于阻滯和吸收重金屬顆粒。建議在有條件的情況下，高速公路林帶寬度應(yīng)大于15m，并營(yíng)建喬灌草相結(jié)合的近自然配置模式，在提高林防護(hù)功能的同時(shí)，形成良好的綠化景觀。

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2018-08-17

浙江省省院合作林業(yè)科技項(xiàng)目（2014SY15）；浙江省公益林公共管護(hù)支出項(xiàng)目（2013-40）。

黃玉潔（1982-），女，江蘇無(wú)錫人，副研究員，博士，從事森林生態(tài)研究。

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1004-7743（2018）04-0025-05