高速公路路旁土壤重金属分布及污染评价研究

黄玉洁 朱锦茹 焦洁洁 吴初平 袁位高 蒋仲龙 张勇 王增



高速公路路旁土壤重金属分布及污染评价研究

黄玉洁1朱锦茹1焦洁洁1吴初平1袁位高1蒋仲龙2张勇2王增2*

（1浙江省林业科学研究院 浙江杭州 310023；2浙江省林业生态工程管理中心 浙江杭州 310020）

在杭金衢高速公路龙游县龙虎村段路旁设置3个采样断面，研究土壤重金属Pb、Cd、Ni、As和Cr的分布特征，并对土壤重金属污染状况进行评价。结果表明：各采样断面土壤重金属含量平均值大小均为Cr>Pb>Ni>As>Cd，其中，Pb、Ni在大部分采样点含量明显高于金衢盆地土壤背景值。随采样点距路基变远，Pb、Ni含量总体呈先升高后降低趋势，而Cd、Cr含量基本呈逐渐降低趋势。3个断面中有1个断面整体土壤重金属处于轻度污染，2个处于警戒级别。从不同林带宽度来看，15 m香樟林带对高速公路路旁土壤重金属的防护效果最好。

土壤重金属；分布；污染评价；高速公路

公路交通污染被认为是环境中多种重金属污染的重要来源。高速公路因其具有车流量大、扩散面广、流动性强等特点，对沿途土壤和农作物造成的重金属污染尤为严重[1-2]。土壤可接纳环境中70%以上的重金属排放量[3]，高速公路运营产生的重金属可以通过大气沉降、地表径流等途径进入土壤，并通过植物吸收、吸附等方式污染农作物，进而危害人类健康[4]。因此，研究和评价高速公路路旁土壤重金属污染状况对保护路域周边生态环境和生物健康具有重要意义。本研究选择杭金衢高速龙游县龙虎村段路旁表层土壤为研究对象，研究土壤重金属的分布特征，并采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法对土壤重金属污染进行评价，以期为高速公路沿线土壤重金属污染防治和防护林带建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2016年6月，在杭金衢高速龙游县龙虎村路段，设置3个垂直公路的采样断面，3个断面在距路基10 m、20 m、40 m、80 m、160 m处采集0-20cm表层土。同时对各断面一侧的防护林带进行植被调查（见表1）。

表1 采样断面基本情况

1.2 样品分析

将野外采集的土样置室温下自然风干，除去石子及植物叶片、残根等杂物，磨碎并过100目的尼龙网筛。土壤重金属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计测定[5]。

1.3 土壤重金属污染评价方法

1.3.1单项污染指数法

单项污染指数 (i) 能对土壤中某一重金属的污染程度进行评价，计算公式[6]：

i=i/i

式中，i为某一重金属i的实测含量，i为重金属i的评价参比值。本研究选用浙江省金衢盆地土壤背景值作为污染评价的参比值[7]（表2）。i≤1 时，表示土壤未受到重金属明显影响；i>1 时，土壤受到重金属污染，且值越大表示受重金属污染越严重。

表2 土壤重金属污染评价参比值 单位：mg/kg

1.3.2内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数 (N) 能更全面地对土壤重金属污染进行累积性综合评价，计算公式：

式中，P、P分别为土壤重金属单项污染指数法评价结果的平均值和最大值。污染程度依据内梅罗综合污染指数法评价结果划分为5个等级：P≤0.7时，土壤污染等级为安全，污染水平为清洁；0.7<P≤1.0时，污染等级为警戒级，污染水平为尚清洁；1.0<P≤2.0时，土壤污染等级为轻度污染；2.0<P≤3.0时，土壤为中度污染；P>3.0时，土壤污染等级为重度污染[8]。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量的总体分布

从表3可以看出，杭金衢高速公路龙游县龙虎村路段中H1、H2、H3采样断面各土壤重金属含量平均值大小为Cr>Pb>Ni>As>Cd，土壤中重金属Cr含量最高，最低为Cd，这表明高速公路路旁各土壤重金属含量之间具有较大的差异。自然条件下土壤重金属含量高低主要受成土母岩及生物残落物的影响，但杭金衢高速经过多年运营，其排放的重金属在路旁土壤中逐渐累积，Pb、Ni含量大部分已明显高于金衢盆地土壤重金属背景值。3个断面Pb、Ni、As含量的平均值高低均为H2>H1>H3，Cd、Ni均为H2> H3> H1，即无林带断面各土壤重金属含量高于2个有15m林带的断面。

表3 土壤重金属含量统计特征 单位：mg/kg

2.2 土壤重金属含量随距离的变化情况

从图1可以看出，随采样点距路基变远，3断面土壤Pb含量总体均呈先升高后降低趋势，H1断面最高值出现在20m采用点处（42.76 mg/kg），最低值出现在160m处（27.48 mg/kg）；H2最高值在80m处（46.24mg/kg），最低值在160m处（35.24mg/kg）；H3最高值在20m处（42.84mg/kg），最低值在160m处（24.88 mg/kg）。土壤Cd含量H3断面总体呈先升高后降低趋势，其余2个断面均呈逐步降低趋势，H1最高值在20m处（0.13mg/kg），最低值在160 m处（0.07 mg/kg）；H2最高值在10 m处（0.23 mg/kg），最低值在160m处（0.08mg/kg）；H3最高值在10 m处（0.20mg/kg），最低值在80 m和160m处（0.08mg/kg）。3个断面土壤Ni含量总体均呈先升高后降低趋势，H1最高值在20m处（37.09mg/kg），最低值在160m处（16.32 mg/kg）；H2最高值在80m处（41.03mg/kg），最低值在160m处（26.53mg/kg）；H3最高值在20m处（33.42 mg/kg），最低值在80 m处（18.42mg/kg）。土壤As含量随距离的变化规律不明显，H1最高值在10m处（3.45mg/kg），最低值在40 m处（2.47mg/kg）；H2最高值在20m处（3.88 mg/kg），最低值在40m处（3.13 mg/kg）；H3最高值在10m处（3.11 mg/kg），最低值在20 m处（2.26mg/kg）。3个断面土壤Cr含量总体基本呈逐渐降低趋势，H1最高值在40 m处（37.46 mg/kg），最低值在160 m处（32.00mg/kg）；H2最高值在10m处（49.11mg/kg），最低值在160m处（32.83mg/kg）；H3最高值在10 m处（46.09）mg/kg，最低值在160m处（30.28 mg/kg）。

2.3 土壤重金属污染评价

基于金衢盆地土壤重金属背景值，从各断面不同距离采样点的重金属污染评价结果来看（表4），各断面不同距离采样点的Pb、Ni基本都超过土壤背景值，研究区土壤主要受到此2种重金属污染，其他3种重金属仅有个别采样点受到污染。从内梅罗综合污染指数来看，H1断面的10 m、20 m处为轻度污染，40 m、80 m处为警戒级，160 m处为安全清洁，H1整体状况处于警戒级别；H2的10 m处为警戒级，其余各采样点为轻度污染，H2整体状况处于轻度污染；H3的10 m、40 m处为警戒级，20m处为轻度污染，80 m、160 m为安全清洁，H3整体状况处于警戒级别。

表4 土壤重金属污染评价

3 讨论与结论

3.1 距离对土壤重金属分布的影响

随着采样点距路基距离变远，各断面土壤Pb 、Ni含量总体均基本呈先升高后降低趋势；各断面土壤Cd、Cr含量总体均基本呈逐渐下降趋势。有研究表明，公路两侧土壤重金属含量随距路基垂直距离的增加逐渐降低，越靠近公路，重金属含量越高[9]。但也有研究表明，路侧土壤一些重金属随距离增加而先升高后逐渐降低，即重金属并不是越靠近公路含量越高，而是在距路基一定距离区域最高[10-12]。Viard B等[13]研究表明，高速公路产生的重金属进入沿线土壤的扩散方式是影响垂直公路方向上不同距离土壤重金属含量变化的主要原因。胡晓荣等[14]研究认为，汽车尾气排放的Pb、Ni扩散模型遵从无线线源正态分布，尾气扩散至距离公路一段距离后才能与地面接触，并在一定距离处出现最大值，随后含量逐渐下降。Cr 主要来自于车体的腐蚀，主要通过扬尘扩散或地表径流进入到路测[15]，Cd则以路面径流和溅散为主要方式进入土壤[16]，因此，Cr和Cd在近距离处含量较高。As 变化规律不明显，可能是受其多种因子综合因素影响的缘故，如路旁农田灌溉、施肥等[17]。

3.2 林带对土壤重金属污染的影响

有15m马尾松林带的H1断面，5个采样点中有2个采样点内梅罗综合污染等级为轻度污染，2个点为警戒级别，1个点为安全清洁，H1路段整体为警戒级；无林带的H2断面中，有1个采样点综合污染等级为警戒级别，其余4个点为轻度污染，路段整体处于轻度污染；有15m香樟林带的H3断面中，有1个点的综合污染等级为轻度污染，2个点为警戒级别，2个点为安全清洁，路段整体处于警戒级别。可见，同样为15m宽度的马尾松和香樟林带对重金属的防护效果优于无林带，但马尾松又比香樟林带稍差。这表明，林带越宽，高速公路路旁土壤重金属污染程度越轻。许多学者认为，路侧林带一方面通过树叶、枝、皮等吸收、吸附空气中的重金属，起到净化大气的作用；另一方面通过降低近地风速，拦截粉尘及颗粒物中重金属的在近距离沉降，再经根系吸收减轻土壤污染[4]。林带对路旁土壤重金属污染的防护效应表现在既缩小污染范围又降低污染程度两方面。经过林带“过滤”后，在较远的160m处，大部分土壤重金属已低于背景值。香樟林带虽然平均树高、胸径均低于马尾松，但因香樟为常绿阔叶树种，林带郁闭度高、叶面积较大、树冠膨大，更有利于阻滞和吸收重金属颗粒。建议在有条件的情况下，高速公路林带宽度应大于15m，并营建乔灌草相结合的近自然配置模式，在提高林防护功能的同时，形成良好的绿化景观。

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2018-08-17

浙江省省院合作林业科技项目（2014SY15）；浙江省公益林公共管护支出项目（2013-40）。

黄玉洁（1982-），女，江苏无锡人，副研究员，博士，从事森林生态研究。

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1004-7743（2018）04-0025-05