融雪劑施用對道路環(huán)境的影響研究

李根 黃占斌 楊鳳至 王少輝 韓永萍

摘要：指出了近年來，隨著氣候異常導(dǎo)致的降雪增多和道路建設(shè)快速發(fā)展，融雪劑大量施用造成的路域環(huán)境影響問題越發(fā)突出。從融雪劑大量施用對道路損傷、車輛和橋梁等金屬部件的腐蝕，以及道路周邊土壤退化和植物損傷影響等方面的環(huán)境影響進(jìn)行了分析，結(jié)合可持續(xù)發(fā)展理念，提出了加強(qiáng)融雪劑對道路環(huán)境研究和環(huán)保型融雪劑研發(fā)等方面建議，為融雪劑高效環(huán)保應(yīng)用和保障道路環(huán)境安全提供參考。

關(guān)鍵詞：融雪劑;環(huán)境影響;道路;土壤;車輛

中圖分類號：X820

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0169-04

1?引言

我國北方和世界許多高緯度高海拔地區(qū)，冬季常有大量積雪，當(dāng)出現(xiàn)持續(xù)低溫時，積雪很難融化甚至出現(xiàn)冰雪固結(jié)體，導(dǎo)致交通阻塞、道路停運(yùn)、機(jī)場關(guān)閉等嚴(yán)重后果，同時也是造成冬季交通事故多發(fā)的重要原因[1， 2]。

國外普遍采用機(jī)械除雪和融雪劑即時除雪。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，在開始除雪前采取防滑、防結(jié)冰措施;開始除雪時，即出動人員和設(shè)備，清除道路上積雪。國內(nèi)雪前、雪中也撒布融雪劑，采用機(jī)械、人工、融雪劑多措施結(jié)合的融冰除雪措施。國內(nèi)大部分路面為瀝青路面[3]，融雪劑除雪以其便捷的操作以及優(yōu)良的融雪效果，成為近年來道路和城市除雪的主要措施。

但是，融雪劑大量使用也會對道路路面、車輛和橋梁的金屬構(gòu)建造成腐蝕，同時也給道路及其周邊的綠地土壤鹽堿化、植物生長等帶來不利影響[4， 5]。在北歐的瑞典、芬蘭、北美的加拿大、美國、俄羅斯和亞洲的日本等發(fā)達(dá)國家，由于長年使用融雪劑已造成了土壤Na+、Cl-鹽分濃度增加[6， 7]。目前，我國融雪劑年生產(chǎn)量100多萬t，實(shí)際消費(fèi)60多萬t。大量的融雪劑應(yīng)用，多為傳統(tǒng)的氯鹽類產(chǎn)品，環(huán)境損害問題異常突出，而相關(guān)的研究和重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。北京、沈陽、長春、哈爾濱、合肥、南京等地已相繼報(bào)道多起由融雪劑使用所造成的路橋損毀、水體污染及植被破壞等嚴(yán)重事件[8～12]，對應(yīng)的環(huán)保生態(tài)融雪劑研發(fā)彰顯不足。

因此，總結(jié)分析融雪劑對環(huán)境的綜合影響，是強(qiáng)化意識和督促環(huán)保生態(tài)融雪劑研發(fā)的思想解放，這也是本文的目的和初衷所在。

2?融雪劑的類型及作用原理

2.1?融雪劑分類

按照主要成分，融雪劑可分成3種：氯鹽型、非氯鹽環(huán)保型、環(huán)保型氯鹽型。第一類氯鹽類融雪劑，包含氯化鈉、氯化鎂與氯化鈣等。氯鹽類融雪劑的制備方便、價(jià)格低廉、操作簡單高效，此類融雪劑暴露出的環(huán)境危害最多，例如會腐蝕基礎(chǔ)建筑設(shè)施的金屬材料，對土壤、水體、植物等產(chǎn)生負(fù)面影響。第二類非氯鹽類融雪劑，指主要成分不包含氯鹽的融雪劑，以醋酸鈣鎂融雪劑（CMA）為代表。CMA對基建設(shè)施的腐蝕程度較小，但是其制備價(jià)格昂貴、儲存困難、運(yùn)輸不方便且在環(huán)保方面的影響沒有確切結(jié)論，所以難以大面積推廣使用，目前只用在一些機(jī)場、私人別墅等要求較高的區(qū)域。第三類環(huán)保復(fù)合型融雪劑，是前兩類融雪劑的混合物并在其中加入了緩蝕劑、阻銹劑。主要類型有：氯鹽+非氯鹽、氯鹽+阻銹劑、氯鹽+肥料。該類融雪劑成本較低，且對于環(huán)境的影響較小，性價(jià)比較高。對比三類融雪劑由于氯化鈉的價(jià)格比較便宜、來源比較廣泛、融雪快效果好，所以目前氯鹽型融雪劑仍被各國廣泛采用[13]。

2.2?融雪劑的作用原理

融雪劑是通過降低雪的融化冰點(diǎn)來達(dá)到融雪效果[5， 14～16]。即融雪劑使雪水成鹽水，凝固點(diǎn)降低，難以再形成冰塊。依據(jù)的主要原理是化學(xué)稀溶液依數(shù)性。

冰雪融化是一個分子距離增大的物理變化，融雪劑以離子形態(tài)溶于雪中后，雪水的成分與無機(jī)離子含量與純雪有了較大區(qū)別。當(dāng)溶液較稀時，溶液的某些物理性質(zhì)與溶質(zhì)性質(zhì)種類無關(guān)，而只與溶液的濃度有關(guān)，這稱為溶液的依數(shù)性，例如蒸氣壓降低，沸點(diǎn)上升、凝固點(diǎn)下降等。根據(jù)這個特點(diǎn)，當(dāng)少量融雪劑溶于雪水中時，雪水的凝固點(diǎn)會不同程度的有所降低，具體降低度與融雪劑的用量有關(guān)，如當(dāng)每升水中溶有20 gNaCl時，凝固點(diǎn)下降約3.4 ℃，二者大致呈線性關(guān)系。當(dāng)已知雪水溶液的濃度或凝固點(diǎn)中的一個時，可推算其他一個數(shù)值。

當(dāng)融雪劑以離子形態(tài)溶解與雪水中，根據(jù)烏拉爾定律，可以將雪水的凝固點(diǎn)降低在0℃以下，例如NaCl溶于水后，水溶液的凝固點(diǎn)會降低到-10 ℃左右，醋酸類融雪劑或混合融雪劑可將雪水的凝固點(diǎn)降低到-30～-20℃。融雪劑中的主要成分無機(jī)鹽在溶于雪水中時，需要吸收熱量，然而其離子形態(tài)能夠使雪水難以變成冰塊。其次，水作為比較特殊的一種液體，從液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)后密度反而變小，因而當(dāng)壓強(qiáng)增大時，水的凝固點(diǎn)隨之降低。當(dāng)車輛行人碾過積雪時，增大壓強(qiáng)配合融雪劑使得路面冰雪極易融化。

3?融雪劑施用對環(huán)境的影響

3.1?融雪劑對道路周邊綠化植物的影響

融雪劑對綠化植物的傷害主要體現(xiàn)在對道路周邊行道樹、綠化帶及路邊草坪、花壇等。

傳統(tǒng)融雪劑對植物生長發(fā)育的不利影響，主要表現(xiàn)以下方面。

（1）生理干旱。生理干旱指土壤不缺水，但因其它不良土壤狀況或根系自身的原因，使根系吸不到水分，植物體內(nèi)發(fā)生水分虧缺的現(xiàn)象。通過分析劉濤[17]、何佳果[18]等的植物生長實(shí)驗(yàn)得出，鹽脅迫最敏感的時期為發(fā)芽期和幼苗期，高濃度有抑制即產(chǎn)生生理干旱，低濃度非但不會產(chǎn)生生理干旱抑制生長還會有促進(jìn)作用。對比閆成竹、Kham M A[19， 20]等的基于不同草坪植物的植物種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。綜上所述，融雪劑過量施用，會導(dǎo)致土壤鹽分過高，可溶性鹽類和土壤溶液滲透壓提高，發(fā)生滲透脅迫，引起植物吸收水分困難，甚至還導(dǎo)致水分從根細(xì)胞外滲，進(jìn)而引發(fā)植物生理干旱。

（2）植物組織損傷。通過分析王杰明[21]的融雪劑對草地早熟禾的影響試驗(yàn)得出金屬陽離子Na+是主要的毒害離子，通過對其結(jié)果進(jìn)一步分析得出細(xì)胞許多代謝活動中心對這些毒害離子非常敏感，濃度增高會引起其他離子吸收的抑制效應(yīng)，對細(xì)胞代謝有直接傷害，損傷了植物的呼吸系統(tǒng)及保護(hù)酶系統(tǒng)[22]。同時高濃度鹽分影響原生質(zhì)膜[23]，造成不可逆改變其通透性，致使植物組織造成了損傷。觀察融雪劑鹽害后死亡的植物根部已有腐爛，也證明融雪劑對植物組織有損害。

（3）有毒代謝產(chǎn)物積累導(dǎo)致細(xì)胞中毒。通過楊彬[24]對道路綠化植物觀測，發(fā)現(xiàn)受害植物會出些新葉變小、葉尖卷曲、紙條枯萎、枯死等外在癥狀。分析王孝鵬[23]實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)可得是由于土壤鹽分過大，植物體內(nèi)原生質(zhì)損傷，進(jìn)而蛋白質(zhì)合成受阻，導(dǎo)致氮的中間代謝產(chǎn)物積累，使得細(xì)胞中毒。

（4）離子失調(diào)和單鹽毒害影響植物的營養(yǎng)平衡。大量施用融雪劑會導(dǎo)致土壤中Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、SO2-4等含量過高，引起K+、HPO2-4、NO-3等離子缺失[25]，導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)部的離子種類和濃度發(fā)生變化，破壞原有營養(yǎng)平衡，抑制植物生長，同時某一單一離子過量，還會產(chǎn)生單鹽毒害。

（5）高濃度鹽類下產(chǎn)生鹽脅迫，影響植物光合作用和呼吸作用等生理過程。通過分析茹豪[26]、秦景[27， 28]等氯鹽融雪劑對植物的脅迫作用的試驗(yàn)，得出植物葉片氣孔收縮，氣孔導(dǎo)度下降，限制了葉綠體從空氣中獲得CO2和葉片表面水分的蒸發(fā)，最終抑制了光合和蒸騰作用。且通過進(jìn)行空白對照實(shí)驗(yàn)去除脅迫條件后，植物能夠恢復(fù)正常生長，也證明了這一點(diǎn)。總結(jié)得出融雪劑脅迫與NaCl脅迫機(jī)理相同，并且融雪劑對植物的影響取決于氯化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少。

3.2?融雪劑施用對道路周邊土壤環(huán)境的影響

融雪劑的大量施用會改變道路周圍的土壤的理化性質(zhì)，降低土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，從而影響土壤生物化學(xué)性質(zhì)和土壤中重金屬遷移轉(zhuǎn)化。

（1）土壤結(jié)構(gòu)破壞和肥力下降，形成鹽堿化問題。根據(jù)土壤中Cl-沉積作用和分配規(guī)律，在距離公路0～100 m有45%左右的融雪劑沉降在地表，破壞了土壤中Cl-的濃度平衡降低了土壤滲透能力[29]。通過分析王艷春[30]對道路綠化帶分層采樣的數(shù)據(jù)，上部表層土（0～10 cm）全鹽量分析結(jié)果為全部屬于鹽土，下部表層土（10～20 cm）有80%鹽漬化，得出是融雪劑隨融化的雪水進(jìn)入土壤，Na+可以置換土壤中的Ca2+、K+、Mg2+，使土壤的pM（金屬離子濃度的負(fù)對數(shù)）值升高，導(dǎo)致土壤板結(jié)[31]，土壤透水性大大降低[32]。同時還會造成土壤含水量降低，土壤pH值升高和陽離子交換量顯著下降，土壤容重增大，有機(jī)質(zhì)含量降低，電導(dǎo)率增加，進(jìn)而降低了土壤肥力，增加了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[33]。

（2）土壤微生物種群和酶活性降低，形成土壤活力降低問題。捷克學(xué)者Cernohlavkoa研究融雪劑對路旁森林土壤質(zhì)量影響表明，微生物量和呼吸活性顯著下降，微生物群落代謝熵增高表明明顯處于脅迫作用。土壤的酶活性會隨電導(dǎo)率的升高而降低，在中度腐殖質(zhì)土壤中，酶活性降低比例較高[34]，這是融雪劑降低了土壤微生物量導(dǎo)致，而不是酶的失活。此外，硝化生物往往對高土壤酸度敏感，當(dāng)土壤pH值小于5.0時他們的活動明顯減少。通過分析孫婷婷[35]的研究試驗(yàn)得出在土壤pH值從酸性轉(zhuǎn)向近中性或以上，不再受酸性約束時，可能會提高有機(jī)質(zhì)礦化和硝化速率，但最終會導(dǎo)致通過揮發(fā)損失氨，通過反硝化作用損失硝酸鹽。

（3）增加和活化土壤重金屬，造成重金屬污染。融雪劑的大量使用會使土壤酸堿度發(fā)生變化，影響重金屬濃度、形態(tài)、垂直遷移并改變毒性。

對重金屬形態(tài)分布的影響。通過分析鄒苗[36]、趙菲[37]兩者對NaCl和CMA兩種融雪劑對土壤典型重金屬結(jié)合態(tài)影響的實(shí)驗(yàn)得出，由于高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Na+有利于土壤膠體擴(kuò)散，導(dǎo)致與土壤膠體緊密吸附的金屬易被釋放，使得NaCl對Zn的可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)影響較大;而對Cu的各種結(jié)合態(tài)影響均較小，CMA中的CH3COO-和CH3COO-生物降解產(chǎn)生CO32-和HCO3-對pH起緩沖作用，且CMA的還原能力較強(qiáng)，土壤中有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陽離子，使得CMA對Zn和Cu的結(jié)合態(tài)影響均小于NaCl?？偨Y(jié)得出NaCl比CMA影響更顯著，但是對有機(jī)/硫化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)绊懞苄?，基本不會影響到Cu、Pb的形態(tài)變化。

對重金屬遷移轉(zhuǎn)化的影響。通過分析Norrstrom[38]的融雪劑高速公路旁的土壤室內(nèi)淋溶實(shí)驗(yàn)，得出所測定的指標(biāo)中Pb遷移轉(zhuǎn)化能力變化最大，Pb、Fe和TOC的濃度由于膠體促進(jìn)作用相關(guān)性顯著，分析Cd、Zn遷移的主要原因之一是Cl-的絡(luò)合作用。結(jié)合趙菲[37]實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出，重金屬的垂向遷移在一定程度上都受到了融雪劑的影響，但Cd、Zn和Ni在土壤中大比重以移動性和活性較高的形態(tài)存在，融雪劑可以通過促進(jìn)離子交換和影響土壤理化性質(zhì)進(jìn)而促進(jìn)Cd、Zn和Ni的釋放和遷移，但Cu和Pb在土壤中大比重以穩(wěn)定性較高的形態(tài)存在，所以對土壤中Cu、Pb的遷移影響較小。

3.3?融雪劑施用對道路的直接損傷影響

融雪劑對瀝青路面的損傷主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）道路路面的水穩(wěn)定性降低，粘結(jié)力下降。瀝青路面早期破損主要病害類型為水損害。通過分析王超[39]的凍融劈裂試驗(yàn)和賈恩澤[40]的不同濃度氯鹽溶液對瀝青混合材料的侵蝕實(shí)驗(yàn)，得出融雪劑溶液凍融劈裂強(qiáng)度比均低于清水，并且凍融循環(huán)的周期越長，粘結(jié)力越差。但是氯鹽濃度越大，對粘結(jié)力的影響減小，是因?yàn)槿芤簼舛鹊蜁r冰點(diǎn)低，產(chǎn)生的膨脹力大，對集料的粘結(jié)影響力則大。通過觀察彭子馨等[41]實(shí)驗(yàn)置于醋酸鈉溶液中的瀝青懸浮物的狀態(tài)變化，得出醋酸基融雪劑對瀝青有乳化作用，分析是醋酸陰離子作用導(dǎo)致的，并且會隨溶液濃度和系統(tǒng)溫度變化而變化，粘結(jié)力下降，瀝青路面壽命降低?？偨Y(jié)得出，氯鹽類和環(huán)保復(fù)合型優(yōu)于非氯鹽類，但都會使路面水穩(wěn)定性降低。

（2）道路感溫性能減低，損傷加大。通過分析王永[42]、李根森[43]的融雪劑對瀝青性能影響試驗(yàn)，分析得出瀝青黏彈性、觸變性均與PI（針入度指數(shù)，溶膠型PI<-2.0;凝膠型PI>+2.0）之存在密切關(guān)系，具體表現(xiàn)在融雪劑改變了瀝青膠體結(jié)構(gòu)，促使凝膠體向溶膠體性質(zhì)轉(zhuǎn)變，感溫性能變差，使基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性提高、低溫抗裂性能下降、瀝青粘度降低，瀝青中的有機(jī)部分轉(zhuǎn)化成為脂質(zhì)、瀝青質(zhì)，最終降低路面壽命。

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