杭金衢高速公路沿线土壤重金属分布特征及污染评价

黄玉洁 ，吴初平，吴翠蓉，焦洁洁，袁位高，虞敏之，朱锦茹

（1.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江省林产品质量检测站，浙江 杭州 310023；3.龙游县林业局，浙江 衢州 324400）

随着我国经济社会的快速发展，全国高速公路通车里程、路网密度和交通流量大幅增加，机动车尾气排放、轮胎和零部件老化和磨损、机油和燃油泄露、路面磨蚀等都会引起路域环境的重金属污染[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]。国内外研究表明，高速公路两侧土壤已遭不同程度的重金属污染，大部分重金属含量自路基向两侧呈递减趋势，其内的植物也发生了不同程度的重金属积累[5-7]。因此，研究和评价高速公路沿线土壤重金属污染状况对保护路域周边生态环境和作物健康具有重要意义。杭金衢高速公路贯穿浙江省中西部，是浙江连接中南、西南诸省，接轨上海的交通主动脉，也是浙江省穿越县市最多的高速公路，于2003 年建成通车，全长290 km。本研究以杭金衢高速龙游县-婺城区段沿线表层土壤为研究对象，分析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，进一步研究林带对土壤重金属污染的防护效应，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

根据路基状况及沿线防护林带情况等，于2016 年6 月，沿杭金衢高速公路龙游县至婺城区方向，在龙游县模环乡（以下简称模环乡）、婺城区罗埠镇（以下简称罗埠镇）2 个路段，分别各设置3 个垂直公路的断面(模环乡为L1，L2，L3，罗埠镇为W1，W2，W3)，在每个断面上间隔不同距离设置6 个采样点，其中，模环乡的3个断面采样点距路基距离为10 m，15 m，20 m，40 m，80 m，160 m；罗埠镇路段的3 个断面距路基距离为5 m，10 m，20 m，40 m，80 m，160 m。每个采样点采集3 个0～ 20 cm 表层土组成混合样，共计36 个混合样，土壤类型均为黄壤。同时对6 个断面一侧的防护林带进行植被调查（表1）。

表1 采样断面基本情况Table 1 Information of sampling lacation

1.2 样品分析

将采集的土样置于室温下自然风干，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[8]。

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（Pi）能对土壤中某一重金属的污染程度进行评价，计算公式[9]：

式中，Ci为某一重金属i的实测含量，Si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[10]（表2）。Pi≤1 时，土壤未受到重金属明显影响；Pi>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Table 2 Reference value of heavy metal pollution in soil

式中，Piave，Pimax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：PN≤ 0.7 时，土壤污染等级为安全，污染水平为清洁；0.7 3.0 时，土壤污染等级为重度污染[11]。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量的总体分布特征

从表3 可以看出，龙游县模环乡、婺城区罗埠镇2 个路段中L1，L2，L3，W1和W3采样断面各土壤重金属平均值大小为Cr >Pb >Ni >As >Cd，W2断面为Cr >Ni >Pb >As >Cd，即研究路段土壤重金属Cr 含量最高，其次为Pb 或Ni，最低为Cd，这表明高速公路沿线各土壤重金属含量之间有较大的差异。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侧土壤中逐渐累积，其中Pb，Cd，Ni，Cr 含量大部分已明显高于金衢盆地土壤重金属背景值。模环乡路段3 个断面Pb，As 和Cr 含量的平均值均为L3>L1>L2，Cd 和Ni 为L1>L3>L2，无林带、有5 m 防护林带断面土壤重金属高于有40 m 林带断面；罗埠镇路段3 个断面Pb，Cd，Ni 含量的平均值均为W1>W3>W2，As 为W1>W2>W3，Cr 为W3>W1>W2，除As 之间差别不大外，无林带、有2 m 林带断面各土壤重金属高于有15 m 林带断面。

对比2 个路段，模环乡沿线土壤重金属含量总体低于罗埠镇，这可能与路基类型不同有关，道路所处的局部地形会影响重金属在水平方向和垂直方向上的扩散。罗埠镇高速路面高于沿线地面，垂直高度达2.5 m，开阔的地形有利于污染物的扩散。

表3 土壤重金属含量Table 3 Heavy metal contents in sampled soil

2.2 土壤重金属含量随距离的变化状况

在模环乡路段，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。L1断面最高值出现在80 m 处（55.29 mg·kg-1），最低值出现在10 m 处（34.83 mg·kg-1）；L2最高值在20 m 处（46.82 mg·kg-1），最低值在160 m 处（27.44 mg·kg-1）；L3最高值在80 m 处（50.11 mg·kg-1），最低值在15 m 处（34.21 mg·kg-1）。

土壤Cd 含量L1断面总体呈先升高后降低趋势，其余2 个断面呈逐步降低趋势，L1最高值在10 m 处（0.39 mg·kg-1），最低值在160 m 处（0.04 mg·kg-1）；L2最高值在20 m 处（0.11 mg·kg-1），最低值在80 m 处（0.04 mg·kg-1）；L3最高值在10 m 处（0.26 mg·kg-1），最低值在160 m 处（0.07 mg·kg-1）。

土壤Ni 含量L3断面总体呈先降低后升高趋势，其余2 个断面呈先升高后降低趋势。L1最高值在40 m 处（46.02 mg·kg-1），最低值在160 m 处（30.23 mg·kg-1）；L2最高值在20 m 处（35.56 mg·kg-1），最低值在160 m处（18.23 mg·kg-1）；L3最高值在160 m 处（45.21 mg·kg-1），最低值在20 m 处（28.11 mg·kg-1）。

土壤As 含量L2断面总体呈先降低后升高趋势，其余2 个断面呈先升高后降低趋势。L1最高值在40m 处（7.15 mg·kg-1），最低值在80 m 处（4.93 mg·kg-1）；L2最高值在80 m 处（6.20 mg·kg-1），最低值在20 m 处（3.12 mg·kg-1）；L3最高值在15 m 处（8.99 mg·kg-1），最低值在160 m 处（3.90 mg·kg-1）。

3 个断面的土壤Cr 含量总体均呈逐渐降低趋势，L1最高值在10 m 处（71.13 mg·kg-1），最低值在160 m 处（39.41 mg·kg-1）；L2最高值在15 m 处（62.09 mg·kg-1），最低值在160 m 处（32.25 mg·kg-1）；L3最高值在10 m 处（74.55 mg·kg-1），最低值在160 m 处（46.14 mg·kg-1）。

图1 模环乡路段土壤重金属含量与距路基距离的关系Figure 1 Relationship between soil heavy metal content and distance at Huanmo village

图2 罗埠镇路段土壤重金属含量与距路基距离的关系Figure 2 Relationship between soil heavy metal content and distance at Luobu village

在罗埠镇路段，随距离变远，3 个断面的土壤Pb 含量总体均呈先升高后降低趋势，W1最高值在距路基80 m处（64.25 mg·kg-1），最低值在160 m 处（34.35 mg·kg-1）；W2最高值在40 m 处（57.53 mg·kg-1），最低值在10 m 处（27.96 mg·kg-1）；W3最高值在80 m 处（69.23 mg·kg-1），最低值在160 m 处（37.53 mg·kg-1）。土壤Cd 含量W1断面总体呈先升高后降低趋势，其余2 个断面总体呈逐步降低趋势，W1最高值在距路基10 m 处（0.40 mg·kg-1），最低值在160 m 处（0.18 mg·kg-1）；W2最高值在5 m 处（0.21 mg·kg-1），最低值在40 m 处（0.11 mg·kg-1）；W3最高值在20 m 处（0.32 mg·kg-1），最低值在40 m 处（0.20 mg·kg-1）。3 个断面土壤Ni 含量总体均呈先升高后降低趋势，W1最高值在距路基40 m 处（58.52 mg·kg-1），最低值在160 m 处（35.38 mg·kg-1）；W2最高值在10 m 处（51.59 mg·kg-1），最低值在160 m 处（28.25 mg·kg-1）；W3最高值在40 m 处（66.32 mg·kg-1），最低值在10 m 处（29.51 mg·kg-1）。

土壤As 含量3 断面变化规律不明显，W1最高值在距路基10 m 处（7.35 mg·kg-1），最低值在5 m 处（4.81 mg·kg-1）；W2最高值在40 m 处（7.46 mg·kg-1），最低值在10 m 处（4.60 mg·kg-1）；W3最高值在5 m 处（7.35 mg·kg-1），最低值在80 m 处（5.85 mg·kg-1）。土壤Cr 含量W2总体呈先降低后升高再降低趋势，其余2 个断面呈逐渐降低趋势，W1最高值在距路基5 m 处（74.94 mg·kg-1），最低值在160 m 处（45.36 mg·kg-1）；W2最高值在5 m 处（67.05 mg·kg-1），最低值在10 m 处（36.43 mg·kg-1）；W3最高值在5 m 处（75.00 mg·kg-1），最低值160 m 处（46.14 mg·kg-1），最低值在160 m 处（54.54 mg·kg-1）。

2.3 高速公路沿线土壤重金属污染评价

基于金衢盆地土壤重金属背景值，各断面不同距离采样点的重金属污染评价结果见表4。

表4 土壤重金属污染评价Table 4 Assessment on soil heavy metal pollution at sampled sites

在模环乡路段，3 个断面不同距离各采样点的Pb，Ni，Cr 均基本超过土壤背景值，受到污染，其他2 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，L1断面的10，80，160 m 处为轻度污染，15，20，40 m 处为中度污染，L1整体处于轻度污染；L2的80，160 m 处为安全清洁，10，40 m 处为警戒级别，15，20 m处为轻度污染，L2整体处于警戒级别；L3除160 m 处为中度污染外，其余各采样点为轻度污染，L3整体处于轻度污染。在罗埠镇路段，各断面不同距离采样点也不同程度受到Pb，Ni，Cr 的污染，W1，W3均受到Cd 污染。从综合污染指数来看，W1的20，80，160 m 处为中度污染，5，10，40 m 处为重度污染，W1整体处于中度污染；W2的5，40，80 m 处为轻度污染，160 m 处为警戒级别，10，20 m 处为中度污染，W2整体为轻度污染；W3除20，40 m 处为重度污染外，其余各采样点为轻度污染，W3整体处于中度污染。

3 讨论与结论

3.1 距离变化对土壤重金属分布的影响

2 个路段的6 个断面，随着采样点距离变远，土壤Pb 含量总体均呈先升高后降低趋势；除L3外，其余5个断面土壤Ni 含量总体呈先升高后降低趋势。除W2外，其余5 个断面土壤Cr 含量呈逐渐下降趋势。土壤Cd 则有4 个断面总体呈逐渐降低趋势。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[12]，其它研究则表明，路侧土壤一些重金属随距离增加而先升高后降低，即并不是越靠近公路含量越高，而是在一定距离区域最高[13-15]。可见，本研究中Pb，Ni，及Cd，Cr 分别对应着上述两种变化情况。Viard 等[16]研究表明，公路产生的重金属进入沿线土壤的扩散方式，是影响不同距离土壤重金属含量变化的主要原因。胡晓荣等[17]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，尾气携带的重金属扩散至一定距离后才与地面接触，并出现最大值后逐渐下降。Cr 主要来自于车体腐蚀，主要通过扬尘扩散或地表径流进入路测[18]，Cd 则以路面径流和溅散为主要方式进入土壤[19]，因此，Cr 和Cd 在近距离处含量较高。As 的变化规律不是很明显，可能是其受多种因子综合影响的缘故，如路侧农田灌溉、施肥的影响[20]。

3.2 林带对土壤重金属污染的防护效应

在模环乡3 个断面，L1无林带断面6 个采样点中有3 个采样点综合污染等级为轻度污染，3 个点为中度污染，路段整体处于轻度污染；L240 m 林带断面中有2 个点综合污染等级为安全级别，2 个点为警戒级别，还有2 个为轻度污染，路段整体处于警戒级别；L35 m 林带断面中有5 个点综合污染等级为轻度污染，1 个点为中度污染，路段整体处于轻度污染。可见，40 m 宽度的林带能对重金属起到有效的防护作用。在罗埠镇3 个断面，L12 m 林带断面的6 个采样点中有3 个点综合污染等级为中度污染，3 个点为重度污染，路段整体处于中度污染；L215 m 林带断面中有2 个点的综合污染等级处于中度污染，4 个点为轻度污染，路段整体处于轻度污染；L3无林带断面中有4 个点综合污染等级为轻度污染，2 个点为重度污染，路段整体处于轻度污染。相比而言，有15 m 林带的防护作用最好。综上表明，林带越宽土壤重金属污染程度越轻。许多学者认为，在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]。研究路段经过林带“过滤”后，在距路基160 m 处大部分土壤重金属已低于区域背景值。因此，为确保食品生产质量安全，建议在研究区距高速公路160～ 200 m 范围内不种植农作物。

3.3 高速公路沿线防护林带配置建议

林带宽度是影响重金属污染防治效应的重要因素，本研究中由湿地松、马尾松、杉木、樟组成的40 m 混交防护林带起到了很好的防护效果，相比无林带和有较窄林带的断面，土壤重金属含量的峰值和平均值都降低，即林带的防护效应表现在既缩小污染范围又降低污染程度。建议高速公路林带建设宽度40 m 左右。另外，选择高抗污染和高富集能力的植物，建设乔、灌、草相结合的近自然复层群落结构，在保障林带防护功能的前提下，形成良好的绿化景观。