高速公路两侧砂性土中重金属污染分析

卢秀琳，赵 尘，余爱华，范剑钧

（南京林业大学土木工程学院，南京 210037）

近年来，公路交通运输业的快速发展不断推动着地区之间经济频繁往来的同时，也带来了很多环境问题，包括大气污染、噪声污染、土壤污染等，其中，土壤污染问题日益突出，公路路域耕地质量不断下降，对食品安全和人们健康造成了消极的影响［1］。目前，我国农业面临的挑战之一是食品安全问题，而土壤重金属污染又是其中的重要限制因素之一［2］。据统计，全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近2 000万 hm2，约占耕地面积的1/5。我国每年因重金属污染导致的粮食减产超过1 000万t，被重金属污染的粮食多达1 200万t，合计经济损失至少200亿元［3］。重金属污染具有潜伏性、长期性、不可逆性等特点，并且可经农作物吸收后进入食物链，或者通过某些迁移方式进入大气、水中，从而威胁人类健康和其它动物的繁衍生息［4］。被重金属污染的土壤无色无味，很难被人的感官察觉，一般要通过植物（作物）进入食物链积累到一定程度时才能反映出来［5］。土壤重金属污染程度与很多因素有关，其中包括公路路面结构、路面材料、交通量、径流污染程度、土壤的类型以及公路两旁的植被覆盖、土地利用情况。

本次研究样本采集地点为沪宁高速公路南京段马群立交东、西侧，土壤类型为亚砂性土或砂性土，旨在了解和掌握高速公路两侧亚砂性土或砂性土对重金属元素的富集能力及其水平分布格局，为公路路域土壤重金属污染的修复提供物理数据参考。

1 材料与方法

1.1 采样点的选择

本次研究样本采集地点为沪宁高速公路路域。该公路设计行车速度120 km/h，双向八车道［6］。沪宁高速公路扩建主体工程除无锡段采用柔性基层沥青路面外，全线采用了较厚的沥青面层半刚性基层沥青路面结构，具体路面结构［7］如图1所示。

图1 沪宁高速公路沥青路面结构示意图 （mm）Fig.1 The structure of Huning expressway asphalt pavement（mm）

具体采样路段:将沪宁高速公路南京段马群立交两侧设为采样地段，该段公路两侧以景观用地和农业用地为主。分别在距路肩100 m范围内，呈梯度分别在10 m、20 m、40 m、70 m设采样点。采样点位均选择在无防护林，远离村镇、工厂等其它污染源的开阔地段。

1.2 样品的采集与处理

1.2.1 采样过程

采用GPS定位，记录经纬度，精确到0.1″，同时记录了采样点的风速、室外温度以及空气湿度，尽可能使采样外在条件控制在风速为0.35～0.5 m/s，温度为15℃左右，空气湿度为45% ～50%。为避免偶然性，采用多点混合采样法［8］，即在一定面积中 （约0.5 hm2）选3～5个点的土壤形成一个土壤混合样，土壤样品采集于0～30 cm的土壤剖面。样品用无锈钢铲取样，取样先铲出一个耕层断面，再平行于断面下铲取土从而极大减少由于采样方法不完善而引起的实验误差。每个采样点的取土深度及采样量均匀一致，土样上层与下层的比例相同，采样点位尽量相邻。每个样品采集250g左右，每一组样品进行现场混合后，装入样品袋中。共32个样品。

1.2.2 实验过程

在实验室中将采集的样本经过仔细清除杂物后置于DGG－9420A型恒温鼓风干燥箱中，经过严格的时间和温度控制，以保证其充分干燥后，用玛瑙研钵碾碎，分别过0.5、0.25、0.15 mm孔径的新标准土壤筛，贮于聚乙烯薄膜袋中以备利用。样品的实验首先需要经过WX－4 000温压双控密闭微波反应系统消解成溶液，并进行赶酸预处理。将预处理后的溶液按照国家标准土壤质量分析方法［9］的规定执行，利用原子荧光光谱仪进行各元素离子浓度的测定，并与规定的背景值进行比较，从而确定各元素的污染程度。

2 公路两侧土壤质量安全评价

2.1 评价因子

Cd、Cr、Ni、Pb、Zn。

2.2 评价标准

参照GB15618－1995土壤环境质量标准（见表1）进行评价。其中二级标准为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值。本文评价是沪宁高速南京段公路两侧的土壤，与城镇居民饮食健康密切相关，所以采用《土壤环境质量标准》（GB 15168—1995）二级标准。

表1 土壤环境质量标准值Tab.1 The quality standard of soil environment （mg/kg）

2.3 评价方法

土壤中重金属的污染程度评价采用单项平均污染指数法和内梅罗污染指数法。

单项平均污染指数法能够比较直观地反映环境中各项污染指标的情况;内梅罗污染指数法不仅考虑到了所有评价因子单项污染程度的平均水平，而且还考虑到了最大污染指数，因此能够更为科学、综合的反映评价区域内总体环境质量状况。

2.3.1 单项平均污染指数法

单项平均污染指数法采用平均富集因子（AEV）来表征各重金属的污染程度，计算公式为:

式中:AC为被测金属元素的实测统计算术平均浓度;BV为国家土壤环境质量二级标准中规定的土壤金属浓度值。根据给出的定义，AEV＜1为安全，土壤未受到重金属元素的污染;1＜AEV＜2为轻度污染;2＜AEV＜3为中度污染;AEV＞3为严重污染，AEV的值越大，表明所受到的污染越严重。

2.3.2 内梅罗污染指数法

计算公式为:

内梅罗污染指数式中:PN为某一采样区域某一种重金属元素的内梅罗污染指数;pmax为某一采样区域某一种重金属元素污染指数最大值;pave为某一采样区域某一种重金属元素污染指数的平均值。

评价等级按照土壤污染指数评价分级标准表进行区分，见表2。

表2 土壤污染指数评价分级标准Tab.2 The classification standard of soil pollution evaluation index

3 结果与分析

3.1 单项平均污染指数法结果

通过Excel统计得出各采样点土壤重金属元素的浓度算术平均值，将其作为分子AC，分母BV则采用 《土壤环境质量标准》［10］（GB 15168—1995）中的二级标准，计算得到各重金属元素的平均富集因子AEV，见表3、表4、表5和表6。

表3 距公路路肩10 m土壤重金属含量分析Tab.3 The analysis of heavy metal pollution of soil 10 meters away from the highway shoulder （mg/kg）

表4 距公路路肩20 m土壤重金属含量分析Tab.4 The analysis of heavy metal pollution of soil 20 meters away from the highway shoulder （mg/kg）

表5 距公路路肩40 m土壤重金属含量分析Tab.5 The analysis of heavy metal pollution of soil 40 meters away from the highway shoulder （mg/kg）

在距公路路肩20 m处，镍﹑铅﹑锌的平均含量有所降低，但镍与镉、铬、铅、锌的浓度值仍存在较大的差异，其平均浓度值为背景值的0.965倍，处于警戒线上，污染水平为尚清洁。

表6 距公路路肩70 m土壤重金属含量分析Tab.6 The analysis of heavy metal pollution of soil 70 meters away from the highway shoulder （mg/kg）

在距公路路肩10 m处，镉、铬、镍、铅、锌的平均含量不同。其中镍的含量最高，达到背景值的2.012倍，存在中度污染，而其它元素的含量依次为镉、铬、铅、锌，但都很低，只是略微存在，无污染，都在清洁范围内。

距公路路肩40 m处，土壤中重金属镉、铬、镍﹑铅﹑锌的平均含量均随着距离的增加继续降低，镍的浓度降低到背景值的0.412倍，五种元素的污染程度均为安全，基本不存在污染。

距路肩70 m处，镉、铬、镍、铅、锌的平均浓度值在背景值范围内持续降低，且降低的幅度很小，镍的含量较其他四种元素含量仍为最大，铅最小。

3.1.5 评价结果

土壤重金属Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的浓度均随着水平距离的增加而呈现减小趋势。但此次所采土壤样本的重金属Cd、Cr、Pb、Zn平均浓度均未超过背景值，在清洁范围内，不存在重金属污染;而Ni在距路肩10 m处是背景值的2.012倍，存在中度污染，在距路肩20 m处，污染程度处于警戒线上，之后随着距离的增大不存在污染。如图2和图3所示。

图2 Cd、Cr、Pb、Zn重金属元素污染指数示意图Fig.2 The heavy metals pollution index of Cd，Cr，Pb，and Zn

综合以上各表结果得出:在此次所采的土壤样本中重金属镉、铬、镍、铅、锌的平均含量均随着距路肩水平距离的增大而降低。其中，镍的平均浓度最大，从事相关工作的一些研究者对Ni的含量［11－14］往往忽视了检测，其实它是浓度最高，变化最大的元素之一。镍在距路肩10 m的范围内超过国家土壤环境质量二级标准达到中度污染;在距路肩10～20 m范围内处于警戒线之上，可能为轻度污染，或安全;在距路肩＞20 m之后，基本处于清洁，不存在污染。而镉、铬、铅、锌四种元素都在背景值范围内变化，且变化幅度不大，基本不存在土壤重金属污染，安全。

3.2 内梅罗污染指数法结果

用内梅罗污染指数法处理分析实验结果见表7。

表7 各重金属元素含量分析Tab.7 The analysis of heavy metal pollution （mg/kg）

由表7分析可知，镉、铬、铅、锌四种元素在距离高速公路路肩70 m路域范围内内梅罗指数污染很小，基本不存在污染，污染等级为清洁，而镍元素的内梅罗污染指数为1.567 3，存在轻度污染。

4 结论与讨论

用单项平均污染指数法和内梅罗污染指数法对土壤类型为亚砂性土或砂性等低含量有机质土的沪宁高速公路南京段两侧土壤中重金属元素Cd、Cr、Ni、Pb、Zn进行污染评价，其评价结果具有一致性，除镍在距路肩20 m范围内存在轻度污染，其余各元素均处于清洁水平;各重金属元素在公路两侧土壤中的水平分布特征，公路两侧土壤中重金属镉、铬、镍、铅、锌的平均浓度均随着与路肩垂直距离的增大而降低，其中镍的平均浓度最大，在距路肩20m的范围内均存在污染，而镉、铬、铅、锌四种元素在距公路路肩100m的范围内，其平均浓度均在小于背景值的范围内小幅度的波动，基本不存在污染。镉、铬、镍、铅、锌重金属元素的水平分布特征与黄忠臣［15］、李湘南［16］等人的研究结果一致。余爱华［17］等人同样也研究了沪宁高速公路马群段沥青路面两侧土壤重金属污染程度，用单因子指数法评价得出的结果是，镍 （Ni）的污染程度最重，Cr、Pb、Zn的浓度均随着水平距离的增加而呈现明显的减小趋势。两次研究得出镍污染的存在可能是由于公路在运营期间，汽车尾气中微粒在路面的降落，汽车燃油在路面上的滴漏及轮胎与路面的磨损物等，使镍通过降雨冲刷并在两侧土壤中沉积并大量富集。

而此次研究中，镉、铬、铅、锌四种元素在公路路肩整个路域范围内，处于清洁，不存在明显的波动，可能主要与采样地的土壤自身性质相关，如松散度、ph值、颗粒轻重、有机质含量、生长的植物种类等有关，因为此次采样点土壤主要为砂性土或亚砂性土等低含量有机质土，此类土富集镉、铬、铅、锌的能力较小。国内外已经对此作了许多研究，比如李玉文等在对东北地区有关土壤研究中表明，土壤类型不同，土壤中相同重金属元素的含量不同，污染程度存在很大的差异［18］。袁旭音等在对湖州市不同土壤重金属污染现状调查分析中发现不同的土壤类型其重金属含量不同，其中重金属元素在黄泥土和青紫泥中含量较高，而在白泥土和湖松土中含量低［19］。国外Turer等在研究中得出:质地粘重，有机质含量高的土壤中重金属更易积累，不易迁徙，污染严重，而砂性土中污染较小，综合指数好［20］。Ramakrishnaiah H等也发现，高速公路路域土壤松散度是重金属迁移的关键原因［21］。另外Zhang M的研究进一步确定了在砂性土中，锌等重金属元素会随着地表径流损失［22］。

以上研究结果表明，高速公路路域土壤富集重金属能力与土壤自身性质有很大的关系，砂性土或亚砂性土壤对镉、铬、铅、锌四种重金属元素的富集能力很有限，基本不存在土壤重金属污染，且在距路肩垂直距离大于50m后，也不存在镍污染。因此若要在距高速公路较近的路域范围内利用土地种植农作物，可采用客土法在原来机质含量高的土层覆盖上非污染的砂性或亚砂性土［23］，能有效减少土壤对重金属的累积而进入农作物，降低对人类健康的危害。但是采用这种方法必须注意，用做客土的非污染土壤的pH等性质最好与原受污染土壤相一致，以免由于环境因子的改变而引起污染土壤中重金属活性的增大［24－25］。

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［1］李吉锋.公路路域土壤重金属污染研究进展［J］.湖北农业科学，2012，51（18）:3934 －3937.

［2］赵其国.建设江西优质粮仓确保粮食安全［J］.土壤，2005，37（3）:225－229.

［3］王先进.中国权威人士论中国怎样养活养好中国人［M］.北京:中国财经出版社，1997:203－204.

［4］徐怀满.环境土壤学［M］.北京:科学出版社，2005:1－45.

［5］陈同斌.重金属对土壤的污染［J］.金属世界，1999（3）:10－11.

［6］谢家全，吴赞平，钱永祥.沪宁高速公路江苏段扩建工程组织与管理综述［J］.现代交通技术，2006（5）:1 －9.

［7］陈祥辉，华 斌，赵延庆.沪宁高速公路扩建工程路面工程技术研究［J］.现代交通技术，2006（5）:53 －58.

［8］玉 娟，柴世伟.珠江三角洲农业土壤重金属含量特征研究［J］.环境科学研究，2005，18（3）:75 －77.

［9］《土壤粒度分析试验方法》（GB/T27845－2011）［S］.北京:中国标准出版社，2011.

［10］《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）［S］.北京:中国标准出版社，1995.

［11］房世波，潘剑君，杨武年，等.南京市土壤重金属污染调查评价［J］.城市环境与城市生态，2003，16（4）:4 －6.

［12］黄顺生，吴新民，颜朝阳，等.南京城市土壤重金属含量及其空间分布特征［J］.城市环境与城市生态，2007，20（2）:1 －4.

［13］陈亚华，黄少华，刘胜环，等.南京地区农田土壤和蔬菜重金属污染状况研究［J］.长江流域资源与环境，2006，15（3）:356－360.

［14］殷云龙，宋 静，骆永明，等.南京市城乡公路绿地土壤重金属变化及其评价［J］.土壤学报，2005，42（2）:206 －210.

［15］黄忠臣，王崇臣，王 鹏，等.北京地区部分公路两侧土壤中铅和镉的污染现状与评价［J］.环境化学，2008，27（2）:267－268.

［16］李湘南，凌 玲，李海东.汽车废气中铅对沿线农田污染的环境质量评价［J］.武汉汽车工业大学学报，2000，22（6）:37 －41.

［17］余爱华，王大明，赵 曜.高速公路沿线土壤重金属污染特征与评价［J］.森林工程，2010，26（4）:59 －63.

［18］李玉文，王 粟，崔晓阳.东北老工业基地不同土地利用类型土壤重金属污染特点［J］.环境科学与管理，2011，36（3）:118－122.

［19］袁旭音，陶于祥.湖州市不同土壤重金属的污染现状［J］.上海地质，2002，83（3）:06 －10.

［20］Turer D，Maynard J B，Sansalone J J.Heavy metal contamination in highway soils.Comparison of Corpus Christi，Texas and Cincinnati，Ohio shows organic matter is key to mobility［J］.Clean Technology Environment Policy，2003，4:235 －245.

［21］Ramakrishnaiah H，Somashekar R K.Heavy metal contamination in roadside soil and their mobility in relations to pH and organic carbon［J］.Soil＆ Sediment Contamination，2002，11（5）:643 －654.

［22］Zhang M，He Z，Calvert D V，et al.Surface runoff losses of copper and zinc in sandy soils［J］.Journal of Environmental Quality，2003，32（3）:909 －915.

［23］杨海琳.土壤重金属污染修复的研究［J］.环境科学与管理，2009，34（6）:131 －35.

［24］赵 曜，赵 尘，余爱华.公路两侧大气污染防治研究进展［J］.森林工程，2010，26（5）:44 －48.

［25］张 从，张文娟.堆置法在处理土壤污染中的应用［J］.北方环境，1998，67（3）:24 －26.