许昌市道路绿地土壤重金属污染及潜在生态风险评价

孙艳丽, 黄 雯, 韦朋俊

(许昌学院 城市与环境学院,河南 许昌 461000)

随着城市化进程的加快,城市交通道路网的规模和交通工具的数量均呈现快速增长.伴随交通活动产生的重金属微粒会沉降到土壤中,造成环境污染.从道路土壤中重金属的空间分布[1,2]、风险评价[3,4]、污染修复[5]等方面,研究了交通活动对土壤环境产生的广泛影响.许昌市是中原经济区的重要交通中心和物流枢纽城市之一,交通活动对城市土壤环境质量的影响不容忽视.基于此,对许昌市的道路绿地土壤重金属污染状况和生态风险进行评价,可以为该市交通道路绿地土壤环境质量的管理提供参考,为城市路旁土壤重金属研究提供案例支持.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

许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,东经113°03′～114°19′,北纬33°42′～34°24′.属北暖温带季风气候,年均气温为14.3～14.6 ℃,年均降水量为671～736 mm.主要土壤类型为潮土、褐土;植被类型为暖温带阔叶林与针叶林混交林,市区园林植物分属64科、201种,其中以蔷薇科、木犀科、忍冬科较多,常见植物种类有女贞(LigustrunlucidumAit.)、枫杨(PterocaryastenopteraC.DC.)、国槐(Sophorajaponica)、悬铃木(PlatanusorientalisLinn.)、石楠(PhotiniaSerrulataLindl.)等.截止2021年末,全市公路里程约1.01×104km ,中心城区主次干道约120余条,总长度约180 km,截至2019年底,全市机动车保有量74.6万辆[6].

1.2 样品采集与测定

2021年3月,在许昌市区内沿北环西路—永昌东路—许州路—南外环路—西外环路确定采样范围边界,选取主干道路随机布设采样点,用GPS进行定位,采样点分布见图1.

许昌市区主干道路绿地主要涉及中间分车绿地、两侧分车绿地、交通岛绿地三种.样品采集时,对包含中间分车绿地、两侧分车绿地的道路,沿道路垂线在三个绿地上各设置一个2 m×2 m的采样单元,按“梅花形”采集表层(0～20 cm)土壤样品,然后将三个采样单元的土壤样品混匀,“四分法” 舍弃多余样品,保留1 kg左右,作为该采样点的土壤样品.对两侧分车绿带的道路,沿道路垂线在两侧绿地上各设一个采样单元,采集土壤混合样品;对交通岛绿地,随机设3个采样单元,采集土壤样品后混匀.本次共采集表层土壤混合样品105个.

将采集的土壤样品带回实验室,在室温下自然风干后过孔径1mm土壤筛.再从中随机多点取样10 g 左右,研磨,全部通过孔径0.15 mm土壤筛后混匀,装入自封袋备用.土壤重金属Pb、Cu、Ni、Mn、As和Zn的含量用Niton XL3t600手持式X射线荧光分析仪测定.

图1 土壤采样点示意图

1.3 评价方法

1.3.1 地累积指数法

评价重金属的污染程度采用地累积指数(Igeo)法[6],计算公式为

(1)

式中,Igeo为土壤重金属的地累积指数;Cn为第n种土壤重金属的实测值,单位是mg/kg;Bn为第n种重金属的背景值,一般采用河南省土壤环境背景值[8];K为背景值的变动系数,一般取1.5.污染分级标准如表1所示.

表1 基于地累积指数的污染分级标准

1.3.2 潜在生态风险指数法

(2)

表2 土壤重金属潜在生态风险指数分级标准

2 结果与讨论

2.1 道路绿地土壤重金属含量特征

在许昌市道路绿地土壤中,重金属Pb、As、Zn、Cu、Ni、Mn的含量均值分别为38.48、10.29、99.41、34.85、36.40、374.12 mg/kg.其中,Pb、As、Cu、Ni的含量均值远低于《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》中第二类用地筛选值(800、60、18 000、900 mg/kg)[12],而Zn、Mn无参照对比标准,因此无法评判.

土壤重金属含量特征如图2所示.可以看出,与河南省土壤环境背景值相比,除Mn外,其他5种元素的含量均值均高于背景值.其中,Pb、Zn、Cu、Ni的含量均值分别是背景值的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种重金属均存在不同比例的点位超标率,分别为88.57%(Pb)、56.19%(As)、85.71%(Zn)、95.24%(Cu)、64.76%(Ni)、1.90%(Mn),尤其是Cu、Pb、Zn的点位超标率均比较高.各重金属元素的变异系数分别为51%(Pb)、36%(As)、31%(Zn)、29%(Cu)、47%(Ni)、18%(Mn),按照文献[13]的变异系数分级标准,Pb、Zn、Ni和As属于强变异(CV≥30%),Cu和Mn属于中等变异(10%

图2 道路绿地土壤重金属含量箱线图

许昌市道路绿地土壤中Pb、Zn、Cu、Ni的含量均值均低于洛阳市交通干道土壤中的相应元素的含量均值(108.33、469.54、43.28、40.84 mg/kg)[14];Pb、Zn、Cu的含量均值高于开封市交通用地(29.72、78.65、21.96 mg/kg),Ni则低于开封市(38.40 mg/kg)[15];Cu、Pb、Zn的含量均值远低于扬州市交通道路(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属含量存在差异.

图3 土壤重金属Igeo不同污染程度的样点比例图

2.2 道路绿地土壤重金属污染评价

道路绿地土壤中重金属的地累积指数(Igeo)变化在-7.54～2.16之间,均值排序依次为:Cu>Pb>Zn>Ni>As>Mn.其中,Cu、Pb、Zn的Igeo均值在0～1之间,为轻度污染;Ni、As、Mn的Igeo均值均小于0,为无污染.图3为土壤中重金属Igeo在不同污染程度的样点比例图.可以看出,在105个采样点中,除Mn元素全部为无污染外,其他5种重金属均存在不同程度污染的样点,而且样点比例也有所不同.其中,Cu、Pb、Zn存在轻度污染的样点比例较高,分别为70.48%、52.38%和60.95%,并且Cu、Pb分别存在5.71%、1.9%的中度污染样点;而Ni、As为轻度污染的样点,比例分别为41.9%和10.48%.

2.3 道路绿地土壤重金属潜在生态风险评价

表3 道路绿地土壤重金属的潜在生态风险评价

土壤重金属的综合潜在生态风险指数(RI)范围为20.90～67.44,均值为37.46,风险程度为中等,RI均值远低于文献[14]的研究结果(RI=466.06).究其原因,不同城市之间交通活动规模的差异造成了土壤重金属潜在生态风险的不同.在105个采样点中,综合潜在生态风险级别为中等的样点比例为83%,而强烈级别和轻微级别的分别为3%和14%.6种土壤重金属的潜在生态风险贡献率为:As>Pb>Cu>Ni>Zn>Mn,其中,76.15%的生态风险由As、Pb、Cu所贡献,其次为Ni(17.79%)、Zn(4.29%)和Mn(1.75%).综合地累积指数评价和潜在生态风险评价的结果可以得出,Pb、Cu是许昌市交通绿化带土壤重金属中需要重点关注的污染元素.As因其较高的毒性系数,对土壤环境的潜在生态危害也不容忽视.其他重金属元素虽然对污染的影响较小,但是仍需要予以关注.

土壤重金属综合潜在生态风险指数的空间分布如图4所示.可以看出,在许昌市的东部、东南部、西北部的部分交通路段为RI高值分布区,其余区域为相对低值区.RI高值区路段涉及许州路北段、许州路中部偏南段、学院南路、文峰路南段-许由路中段、许继大道西段-八一西路,RI在36.45～67.44之间.RI的空间分布是交通活动、工业活动等综合影响的结果.在许州路北段、中部偏南段的路旁分布有驾校、高铁站、机动车检测公司,交通活动非常频繁.学院南路附近有驾校、物流园、汽修厂、热电厂,许继大道西段-八一西路-延安北路附近分布有物流园、汽车站、汽修厂、机械厂等,交通活动和工业生产会对土壤形成较多的重金属输入.在一些交通流量大的交叉路口,车辆怠速运行中发动机燃烧不充分,废气排放量大,也会造成土壤污染物输入增多.此外,不同交通道路旁绿地植物的面积、树种差异也可以造成土壤重金属污染风险的空间分布差异.

图4 土壤重金属综合潜在生态风险指数空间分布

3 结论

许昌市道路绿地土壤重金属除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的地累积指数的评价结果为轻度污染,Ni、As、Mn为无污染.在潜在生态风险指数的评价中,除As为中等生态风险外,其余重金属的生态风险级别为轻微.综合潜在生态风险指数为37.46,属于轻微生态风险;而市区东部、东南部、西北部部分交通路段的综合潜在生态风险较高.重金属As、Pb、Cu是需重点关注的生态风险因子.