許昌市道路綠地土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險評價

孫艷麗, 黃 雯, 韋朋俊

(許昌學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院,河南 許昌 461000)

隨著城市化進(jìn)程的加快,城市交通道路網(wǎng)的規(guī)模和交通工具的數(shù)量均呈現(xiàn)快速增長.伴隨交通活動產(chǎn)生的重金屬微粒會沉降到土壤中,造成環(huán)境污染.從道路土壤中重金屬的空間分布[1,2]、風(fēng)險評價[3,4]、污染修復(fù)[5]等方面,研究了交通活動對土壤環(huán)境產(chǎn)生的廣泛影響.許昌市是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要交通中心和物流樞紐城市之一,交通活動對城市土壤環(huán)境質(zhì)量的影響不容忽視.基于此,對許昌市的道路綠地土壤重金屬污染狀況和生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價,可以為該市交通道路綠地土壤環(huán)境質(zhì)量的管理提供參考,為城市路旁土壤重金屬研究提供案例支持.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

許昌市位于河南省中部,是中原城市群、中原城市群的核心城市之一,東經(jīng)113°03′～114°19′,北緯33°42′～34°24′.屬北暖溫帶季風(fēng)氣候,年均氣溫為14.3～14.6 ℃,年均降水量為671～736 mm.主要土壤類型為潮土、褐土;植被類型為暖溫帶闊葉林與針葉林混交林,市區(qū)園林植物分屬64科、201種,其中以薔薇科、木犀科、忍冬科較多,常見植物種類有女貞(LigustrunlucidumAit.)、楓楊(PterocaryastenopteraC.DC.)、國槐(Sophorajaponica)、懸鈴木(PlatanusorientalisLinn.)、石楠(PhotiniaSerrulataLindl.)等.截止2021年末,全市公路里程約1.01×104km ,中心城區(qū)主次干道約120余條,總長度約180 km,截至2019年底,全市機(jī)動車保有量74.6萬輛[6].

1.2 樣品采集與測定

2021年3月,在許昌市區(qū)內(nèi)沿北環(huán)西路—永昌東路—許州路—南外環(huán)路—西外環(huán)路確定采樣范圍邊界,選取主干道路隨機(jī)布設(shè)采樣點,用GPS進(jìn)行定位,采樣點分布見圖1.

許昌市區(qū)主干道路綠地主要涉及中間分車綠地、兩側(cè)分車綠地、交通島綠地三種.樣品采集時,對包含中間分車綠地、兩側(cè)分車綠地的道路,沿道路垂線在三個綠地上各設(shè)置一個2 m×2 m的采樣單元,按“梅花形”采集表層(0～20 cm)土壤樣品,然后將三個采樣單元的土壤樣品混勻,“四分法” 舍棄多余樣品,保留1 kg左右,作為該采樣點的土壤樣品.對兩側(cè)分車綠帶的道路,沿道路垂線在兩側(cè)綠地上各設(shè)一個采樣單元,采集土壤混合樣品;對交通島綠地,隨機(jī)設(shè)3個采樣單元,采集土壤樣品后混勻.本次共采集表層土壤混合樣品105個.

將采集的土壤樣品帶回實驗室,在室溫下自然風(fēng)干后過孔徑1mm土壤篩.再從中隨機(jī)多點取樣10 g 左右,研磨,全部通過孔徑0.15 mm土壤篩后混勻,裝入自封袋備用.土壤重金屬Pb、Cu、Ni、Mn、As和Zn的含量用Niton XL3t600手持式X射線熒光分析儀測定.

圖1 土壤采樣點示意圖

1.3 評價方法

1.3.1 地累積指數(shù)法

評價重金屬的污染程度采用地累積指數(shù)(Igeo)法[6],計算公式為

(1)

式中,Igeo為土壤重金屬的地累積指數(shù);Cn為第n種土壤重金屬的實測值,單位是mg/kg;Bn為第n種重金屬的背景值,一般采用河南省土壤環(huán)境背景值[8];K為背景值的變動系數(shù),一般取1.5.污染分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 基于地累積指數(shù)的污染分級標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

(2)

表2 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 道路綠地土壤重金屬含量特征

在許昌市道路綠地土壤中,重金屬Pb、As、Zn、Cu、Ni、Mn的含量均值分別為38.48、10.29、99.41、34.85、36.40、374.12 mg/kg.其中,Pb、As、Cu、Ni的含量均值遠(yuǎn)低于《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中第二類用地篩選值(800、60、18 000、900 mg/kg)[12],而Zn、Mn無參照對比標(biāo)準(zhǔn),因此無法評判.

土壤重金屬含量特征如圖2所示.可以看出,與河南省土壤環(huán)境背景值相比,除Mn外,其他5種元素的含量均值均高于背景值.其中,Pb、Zn、Cu、Ni的含量均值分別是背景值的1.76倍、1.61倍、1.75倍和1.33倍,As的含量均值略高于背景值;6種重金屬均存在不同比例的點位超標(biāo)率,分別為88.57%(Pb)、56.19%(As)、85.71%(Zn)、95.24%(Cu)、64.76%(Ni)、1.90%(Mn),尤其是Cu、Pb、Zn的點位超標(biāo)率均比較高.各重金屬元素的變異系數(shù)分別為51%(Pb)、36%(As)、31%(Zn)、29%(Cu)、47%(Ni)、18%(Mn),按照文獻(xiàn)[13]的變異系數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn),Pb、Zn、Ni和As屬于強(qiáng)變異(CV≥30%),Cu和Mn屬于中等變異(10%

圖2 道路綠地土壤重金屬含量箱線圖

許昌市道路綠地土壤中Pb、Zn、Cu、Ni的含量均值均低于洛陽市交通干道土壤中的相應(yīng)元素的含量均值(108.33、469.54、43.28、40.84 mg/kg)[14];Pb、Zn、Cu的含量均值高于開封市交通用地(29.72、78.65、21.96 mg/kg),Ni則低于開封市(38.40 mg/kg)[15];Cu、Pb、Zn的含量均值遠(yuǎn)低于揚(yáng)州市交通道路(66.26、67.18、216.2 mg/kg)[16]和上海市公路(78.20、113.64、419.65 mg/kg)[17],表明不同城市路旁土壤重金屬含量存在差異.

圖3 土壤重金屬Igeo不同污染程度的樣點比例圖

2.2 道路綠地土壤重金屬污染評價

道路綠地土壤中重金屬的地累積指數(shù)(Igeo)變化在-7.54～2.16之間,均值排序依次為:Cu>Pb>Zn>Ni>As>Mn.其中,Cu、Pb、Zn的Igeo均值在0～1之間,為輕度污染;Ni、As、Mn的Igeo均值均小于0,為無污染.圖3為土壤中重金屬Igeo在不同污染程度的樣點比例圖.可以看出,在105個采樣點中,除Mn元素全部為無污染外,其他5種重金屬均存在不同程度污染的樣點,而且樣點比例也有所不同.其中,Cu、Pb、Zn存在輕度污染的樣點比例較高,分別為70.48%、52.38%和60.95%,并且Cu、Pb分別存在5.71%、1.9%的中度污染樣點;而Ni、As為輕度污染的樣點,比例分別為41.9%和10.48%.

2.3 道路綠地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

表3 道路綠地土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價

土壤重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)范圍為20.90～67.44,均值為37.46,風(fēng)險程度為中等,RI均值遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果(RI=466.06).究其原因,不同城市之間交通活動規(guī)模的差異造成了土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險的不同.在105個采樣點中,綜合潛在生態(tài)風(fēng)險級別為中等的樣點比例為83%,而強(qiáng)烈級別和輕微級別的分別為3%和14%.6種土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險貢獻(xiàn)率為:As>Pb>Cu>Ni>Zn>Mn,其中,76.15%的生態(tài)風(fēng)險由As、Pb、Cu所貢獻(xiàn),其次為Ni(17.79%)、Zn(4.29%)和Mn(1.75%).綜合地累積指數(shù)評價和潛在生態(tài)風(fēng)險評價的結(jié)果可以得出,Pb、Cu是許昌市交通綠化帶土壤重金屬中需要重點關(guān)注的污染元素.As因其較高的毒性系數(shù),對土壤環(huán)境的潛在生態(tài)危害也不容忽視.其他重金屬元素雖然對污染的影響較小,但是仍需要予以關(guān)注.

土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間分布如圖4所示.可以看出,在許昌市的東部、東南部、西北部的部分交通路段為RI高值分布區(qū),其余區(qū)域為相對低值區(qū).RI高值區(qū)路段涉及許州路北段、許州路中部偏南段、學(xué)院南路、文峰路南段-許由路中段、許繼大道西段-八一西路,RI在36.45～67.44之間.RI的空間分布是交通活動、工業(yè)活動等綜合影響的結(jié)果.在許州路北段、中部偏南段的路旁分布有駕校、高鐵站、機(jī)動車檢測公司,交通活動非常頻繁.學(xué)院南路附近有駕校、物流園、汽修廠、熱電廠,許繼大道西段-八一西路-延安北路附近分布有物流園、汽車站、汽修廠、機(jī)械廠等,交通活動和工業(yè)生產(chǎn)會對土壤形成較多的重金屬輸入.在一些交通流量大的交叉路口,車輛怠速運(yùn)行中發(fā)動機(jī)燃燒不充分,廢氣排放量大,也會造成土壤污染物輸入增多.此外,不同交通道路旁綠地植物的面積、樹種差異也可以造成土壤重金屬污染風(fēng)險的空間分布差異.

圖4 土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)空間分布

3 結(jié)論

許昌市道路綠地土壤重金屬除Mn外,Pb、As、Zn、Cu和Ni的含量均值均高于河南省背景值.Cu、Pb、Zn的地累積指數(shù)的評價結(jié)果為輕度污染,Ni、As、Mn為無污染.在潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的評價中,除As為中等生態(tài)風(fēng)險外,其余重金屬的生態(tài)風(fēng)險級別為輕微.綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為37.46,屬于輕微生態(tài)風(fēng)險;而市區(qū)東部、東南部、西北部部分交通路段的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險較高.重金屬As、Pb、Cu是需重點關(guān)注的生態(tài)風(fēng)險因子.