杭金衢高速公路沿線土壤重金屬分布特征及污染評(píng)價(jià)

黃玉潔 ，吳初平，吳翠蓉，焦?jié)崫?，袁位高，虞敏之，朱錦茹

（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江省林產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)站，浙江 杭州 310023；3.龍游縣林業(yè)局，浙江 衢州 324400）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，全國(guó)高速公路通車?yán)锍獭⒙肪W(wǎng)密度和交通流量大幅增加，機(jī)動(dòng)車尾氣排放、輪胎和零部件老化和磨損、機(jī)油和燃油泄露、路面磨蝕等都會(huì)引起路域環(huán)境的重金屬污染[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)而危害人類健康[4]。國(guó)內(nèi)外研究表明，高速公路兩側(cè)土壤已遭不同程度的重金屬污染，大部分重金屬含量自路基向兩側(cè)呈遞減趨勢(shì)，其內(nèi)的植物也發(fā)生了不同程度的重金屬積累[5-7]。因此，研究和評(píng)價(jià)高速公路沿線土壤重金屬污染狀況對(duì)保護(hù)路域周邊生態(tài)環(huán)境和作物健康具有重要意義。杭金衢高速公路貫穿浙江省中西部，是浙江連接中南、西南諸省，接軌上海的交通主動(dòng)脈，也是浙江省穿越縣市最多的高速公路，于2003 年建成通車，全長(zhǎng)290 km。本研究以杭金衢高速龍游縣-婺城區(qū)段沿線表層土壤為研究對(duì)象，分析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)，進(jìn)一步研究林帶對(duì)土壤重金屬污染的防護(hù)效應(yīng)，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

根據(jù)路基狀況及沿線防護(hù)林帶情況等，于2016 年6 月，沿杭金衢高速公路龍游縣至婺城區(qū)方向，在龍游縣模環(huán)鄉(xiāng)（以下簡(jiǎn)稱模環(huán)鄉(xiāng)）、婺城區(qū)羅埠鎮(zhèn)（以下簡(jiǎn)稱羅埠鎮(zhèn)）2 個(gè)路段，分別各設(shè)置3 個(gè)垂直公路的斷面(模環(huán)鄉(xiāng)為L(zhǎng)1，L2，L3，羅埠鎮(zhèn)為W1，W2，W3)，在每個(gè)斷面上間隔不同距離設(shè)置6 個(gè)采樣點(diǎn)，其中，模環(huán)鄉(xiāng)的3個(gè)斷面采樣點(diǎn)距路基距離為10 m，15 m，20 m，40 m，80 m，160 m；羅埠鎮(zhèn)路段的3 個(gè)斷面距路基距離為5 m，10 m，20 m，40 m，80 m，160 m。每個(gè)采樣點(diǎn)采集3 個(gè)0～ 20 cm 表層土組成混合樣，共計(jì)36 個(gè)混合樣，土壤類型均為黃壤。同時(shí)對(duì)6 個(gè)斷面一側(cè)的防護(hù)林帶進(jìn)行植被調(diào)查（表1）。

表1 采樣斷面基本情況Table 1 Information of sampling lacation

1.2 樣品分析

將采集的土樣置于室溫下自然風(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[8]。

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)（Pi）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[9]：

式中，Ci為某一重金屬i的實(shí)測(cè)含量，Si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[10]（表2）。Pi≤1 時(shí)，土壤未受到重金屬明顯影響；Pi>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Table 2 Reference value of heavy metal pollution in soil

式中，Piave，Pimax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)：PN≤ 0.7 時(shí)，土壤污染等級(jí)為安全，污染水平為清潔；0.7 3.0 時(shí)，土壤污染等級(jí)為重度污染[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量的總體分布特征

從表3 可以看出，龍游縣模環(huán)鄉(xiāng)、婺城區(qū)羅埠鎮(zhèn)2 個(gè)路段中L1，L2，L3，W1和W3采樣斷面各土壤重金屬平均值大小為Cr >Pb >Ni >As >Cd，W2斷面為Cr >Ni >Pb >As >Cd，即研究路段土壤重金屬Cr 含量最高，其次為Pb 或Ni，最低為Cd，這表明高速公路沿線各土壤重金屬含量之間有較大的差異。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側(cè)土壤中逐漸累積，其中Pb，Cd，Ni，Cr 含量大部分已明顯高于金衢盆地土壤重金屬背景值。模環(huán)鄉(xiāng)路段3 個(gè)斷面Pb，As 和Cr 含量的平均值均為L(zhǎng)3>L1>L2，Cd 和Ni 為L(zhǎng)1>L3>L2，無(wú)林帶、有5 m 防護(hù)林帶斷面土壤重金屬高于有40 m 林帶斷面；羅埠鎮(zhèn)路段3 個(gè)斷面Pb，Cd，Ni 含量的平均值均為W1>W3>W2，As 為W1>W2>W3，Cr 為W3>W1>W2，除As 之間差別不大外，無(wú)林帶、有2 m 林帶斷面各土壤重金屬高于有15 m 林帶斷面。

對(duì)比2 個(gè)路段，模環(huán)鄉(xiāng)沿線土壤重金屬含量總體低于羅埠鎮(zhèn)，這可能與路基類型不同有關(guān)，道路所處的局部地形會(huì)影響重金屬在水平方向和垂直方向上的擴(kuò)散。羅埠鎮(zhèn)高速路面高于沿線地面，垂直高度達(dá)2.5 m，開闊的地形有利于污染物的擴(kuò)散。

表3 土壤重金屬含量Table 3 Heavy metal contents in sampled soil

2.2 土壤重金屬含量隨距離的變化狀況

在模環(huán)鄉(xiāng)路段，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)。L1斷面最高值出現(xiàn)在80 m 處（55.29 mg·kg-1），最低值出現(xiàn)在10 m 處（34.83 mg·kg-1）；L2最高值在20 m 處（46.82 mg·kg-1），最低值在160 m 處（27.44 mg·kg-1）；L3最高值在80 m 處（50.11 mg·kg-1），最低值在15 m 處（34.21 mg·kg-1）。

土壤Cd 含量L1斷面總體呈先升高后降低趨勢(shì)，其余2 個(gè)斷面呈逐步降低趨勢(shì)，L1最高值在10 m 處（0.39 mg·kg-1），最低值在160 m 處（0.04 mg·kg-1）；L2最高值在20 m 處（0.11 mg·kg-1），最低值在80 m 處（0.04 mg·kg-1）；L3最高值在10 m 處（0.26 mg·kg-1），最低值在160 m 處（0.07 mg·kg-1）。

土壤Ni 含量L3斷面總體呈先降低后升高趨勢(shì)，其余2 個(gè)斷面呈先升高后降低趨勢(shì)。L1最高值在40 m 處（46.02 mg·kg-1），最低值在160 m 處（30.23 mg·kg-1）；L2最高值在20 m 處（35.56 mg·kg-1），最低值在160 m處（18.23 mg·kg-1）；L3最高值在160 m 處（45.21 mg·kg-1），最低值在20 m 處（28.11 mg·kg-1）。

土壤As 含量L2斷面總體呈先降低后升高趨勢(shì)，其余2 個(gè)斷面呈先升高后降低趨勢(shì)。L1最高值在40m 處（7.15 mg·kg-1），最低值在80 m 處（4.93 mg·kg-1）；L2最高值在80 m 處（6.20 mg·kg-1），最低值在20 m 處（3.12 mg·kg-1）；L3最高值在15 m 處（8.99 mg·kg-1），最低值在160 m 處（3.90 mg·kg-1）。

3 個(gè)斷面的土壤Cr 含量總體均呈逐漸降低趨勢(shì)，L1最高值在10 m 處（71.13 mg·kg-1），最低值在160 m 處（39.41 mg·kg-1）；L2最高值在15 m 處（62.09 mg·kg-1），最低值在160 m 處（32.25 mg·kg-1）；L3最高值在10 m 處（74.55 mg·kg-1），最低值在160 m 處（46.14 mg·kg-1）。

圖1 模環(huán)鄉(xiāng)路段土壤重金屬含量與距路基距離的關(guān)系Figure 1 Relationship between soil heavy metal content and distance at Huanmo village

圖2 羅埠鎮(zhèn)路段土壤重金屬含量與距路基距離的關(guān)系Figure 2 Relationship between soil heavy metal content and distance at Luobu village

在羅埠鎮(zhèn)路段，隨距離變遠(yuǎn)，3 個(gè)斷面的土壤Pb 含量總體均呈先升高后降低趨勢(shì)，W1最高值在距路基80 m處（64.25 mg·kg-1），最低值在160 m 處（34.35 mg·kg-1）；W2最高值在40 m 處（57.53 mg·kg-1），最低值在10 m 處（27.96 mg·kg-1）；W3最高值在80 m 處（69.23 mg·kg-1），最低值在160 m 處（37.53 mg·kg-1）。土壤Cd 含量W1斷面總體呈先升高后降低趨勢(shì)，其余2 個(gè)斷面總體呈逐步降低趨勢(shì)，W1最高值在距路基10 m 處（0.40 mg·kg-1），最低值在160 m 處（0.18 mg·kg-1）；W2最高值在5 m 處（0.21 mg·kg-1），最低值在40 m 處（0.11 mg·kg-1）；W3最高值在20 m 處（0.32 mg·kg-1），最低值在40 m 處（0.20 mg·kg-1）。3 個(gè)斷面土壤Ni 含量總體均呈先升高后降低趨勢(shì)，W1最高值在距路基40 m 處（58.52 mg·kg-1），最低值在160 m 處（35.38 mg·kg-1）；W2最高值在10 m 處（51.59 mg·kg-1），最低值在160 m 處（28.25 mg·kg-1）；W3最高值在40 m 處（66.32 mg·kg-1），最低值在10 m 處（29.51 mg·kg-1）。

土壤As 含量3 斷面變化規(guī)律不明顯，W1最高值在距路基10 m 處（7.35 mg·kg-1），最低值在5 m 處（4.81 mg·kg-1）；W2最高值在40 m 處（7.46 mg·kg-1），最低值在10 m 處（4.60 mg·kg-1）；W3最高值在5 m 處（7.35 mg·kg-1），最低值在80 m 處（5.85 mg·kg-1）。土壤Cr 含量W2總體呈先降低后升高再降低趨勢(shì)，其余2 個(gè)斷面呈逐漸降低趨勢(shì)，W1最高值在距路基5 m 處（74.94 mg·kg-1），最低值在160 m 處（45.36 mg·kg-1）；W2最高值在5 m 處（67.05 mg·kg-1），最低值在10 m 處（36.43 mg·kg-1）；W3最高值在5 m 處（75.00 mg·kg-1），最低值160 m 處（46.14 mg·kg-1），最低值在160 m 處（54.54 mg·kg-1）。

2.3 高速公路沿線土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

基于金衢盆地土壤重金屬背景值，各斷面不同距離采樣點(diǎn)的重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)Table 4 Assessment on soil heavy metal pollution at sampled sites

在模環(huán)鄉(xiāng)路段，3 個(gè)斷面不同距離各采樣點(diǎn)的Pb，Ni，Cr 均基本超過(guò)土壤背景值，受到污染，其他2 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，L1斷面的10，80，160 m 處為輕度污染，15，20，40 m 處為中度污染，L1整體處于輕度污染；L2的80，160 m 處為安全清潔，10，40 m 處為警戒級(jí)別，15，20 m處為輕度污染，L2整體處于警戒級(jí)別；L3除160 m 處為中度污染外，其余各采樣點(diǎn)為輕度污染，L3整體處于輕度污染。在羅埠鎮(zhèn)路段，各斷面不同距離采樣點(diǎn)也不同程度受到Pb，Ni，Cr 的污染，W1，W3均受到Cd 污染。從綜合污染指數(shù)來(lái)看，W1的20，80，160 m 處為中度污染，5，10，40 m 處為重度污染，W1整體處于中度污染；W2的5，40，80 m 處為輕度污染，160 m 處為警戒級(jí)別，10，20 m 處為中度污染，W2整體為輕度污染；W3除20，40 m 處為重度污染外，其余各采樣點(diǎn)為輕度污染，W3整體處于中度污染。

3 討論與結(jié)論

3.1 距離變化對(duì)土壤重金屬分布的影響

2 個(gè)路段的6 個(gè)斷面，隨著采樣點(diǎn)距離變遠(yuǎn)，土壤Pb 含量總體均呈先升高后降低趨勢(shì)；除L3外，其余5個(gè)斷面土壤Ni 含量總體呈先升高后降低趨勢(shì)。除W2外，其余5 個(gè)斷面土壤Cr 含量呈逐漸下降趨勢(shì)。土壤Cd 則有4 個(gè)斷面總體呈逐漸降低趨勢(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[12]，其它研究則表明，路側(cè)土壤一些重金屬隨距離增加而先升高后降低，即并不是越靠近公路含量越高，而是在一定距離區(qū)域最高[13-15]。可見，本研究中Pb，Ni，及Cd，Cr 分別對(duì)應(yīng)著上述兩種變化情況。Viard 等[16]研究表明，公路產(chǎn)生的重金屬進(jìn)入沿線土壤的擴(kuò)散方式，是影響不同距離土壤重金屬含量變化的主要原因。胡曉榮等[17]研究認(rèn)為，汽車尾氣排放的Pb，Ni 擴(kuò)散模型遵從無(wú)線線源正態(tài)分布，尾氣攜帶的重金屬擴(kuò)散至一定距離后才與地面接觸，并出現(xiàn)最大值后逐漸下降。Cr 主要來(lái)自于車體腐蝕，主要通過(guò)揚(yáng)塵擴(kuò)散或地表徑流進(jìn)入路測(cè)[18]，Cd 則以路面徑流和濺散為主要方式進(jìn)入土壤[19]，因此，Cr 和Cd 在近距離處含量較高。As 的變化規(guī)律不是很明顯，可能是其受多種因子綜合影響的緣故，如路側(cè)農(nóng)田灌溉、施肥的影響[20]。

3.2 林帶對(duì)土壤重金屬污染的防護(hù)效應(yīng)

在模環(huán)鄉(xiāng)3 個(gè)斷面，L1無(wú)林帶斷面6 個(gè)采樣點(diǎn)中有3 個(gè)采樣點(diǎn)綜合污染等級(jí)為輕度污染，3 個(gè)點(diǎn)為中度污染，路段整體處于輕度污染；L240 m 林帶斷面中有2 個(gè)點(diǎn)綜合污染等級(jí)為安全級(jí)別，2 個(gè)點(diǎn)為警戒級(jí)別，還有2 個(gè)為輕度污染，路段整體處于警戒級(jí)別；L35 m 林帶斷面中有5 個(gè)點(diǎn)綜合污染等級(jí)為輕度污染，1 個(gè)點(diǎn)為中度污染，路段整體處于輕度污染。可見，40 m 寬度的林帶能對(duì)重金屬起到有效的防護(hù)作用。在羅埠鎮(zhèn)3 個(gè)斷面，L12 m 林帶斷面的6 個(gè)采樣點(diǎn)中有3 個(gè)點(diǎn)綜合污染等級(jí)為中度污染，3 個(gè)點(diǎn)為重度污染，路段整體處于中度污染；L215 m 林帶斷面中有2 個(gè)點(diǎn)的綜合污染等級(jí)處于中度污染，4 個(gè)點(diǎn)為輕度污染，路段整體處于輕度污染；L3無(wú)林帶斷面中有4 個(gè)點(diǎn)綜合污染等級(jí)為輕度污染，2 個(gè)點(diǎn)為重度污染，路段整體處于輕度污染。相比而言，有15 m 林帶的防護(hù)作用最好。綜上表明，林帶越寬土壤重金屬污染程度越輕。許多學(xué)者認(rèn)為，在路側(cè)林帶一方面通過(guò)樹葉、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]。研究路段經(jīng)過(guò)林帶“過(guò)濾”后，在距路基160 m 處大部分土壤重金屬已低于區(qū)域背景值。因此，為確保食品生產(chǎn)質(zhì)量安全，建議在研究區(qū)距高速公路160～ 200 m 范圍內(nèi)不種植農(nóng)作物。

3.3 高速公路沿線防護(hù)林帶配置建議

林帶寬度是影響重金屬污染防治效應(yīng)的重要因素，本研究中由濕地松、馬尾松、杉木、樟組成的40 m 混交防護(hù)林帶起到了很好的防護(hù)效果，相比無(wú)林帶和有較窄林帶的斷面，土壤重金屬含量的峰值和平均值都降低，即林帶的防護(hù)效應(yīng)表現(xiàn)在既縮小污染范圍又降低污染程度。建議高速公路林帶建設(shè)寬度40 m 左右。另外，選擇高抗污染和高富集能力的植物，建設(shè)喬、灌、草相結(jié)合的近自然復(fù)層群落結(jié)構(gòu)，在保障林帶防護(hù)功能的前提下，形成良好的綠化景觀。