高速公路兩側砂性土中重金屬污染分析

盧秀琳，趙 塵，余愛華，范劍鈞

（南京林業大學土木工程學院，南京 210037）

近年來，公路交通運輸業的快速發展不斷推動著地區之間經濟頻繁往來的同時，也帶來了很多環境問題，包括大氣污染、噪聲污染、土壤污染等，其中，土壤污染問題日益突出，公路路域耕地質量不斷下降，對食品安全和人們健康造成了消極的影響［1］。目前，我國農業面臨的挑戰之一是食品安全問題，而土壤重金屬污染又是其中的重要限制因素之一［2］。據統計，全國遭受不同程度污染的耕地面積已接近2 000萬 hm2，約占耕地面積的1/5。我國每年因重金屬污染導致的糧食減產超過1 000萬t，被重金屬污染的糧食多達1 200萬t，合計經濟損失至少200億元［3］。重金屬污染具有潛伏性、長期性、不可逆性等特點，并且可經農作物吸收后進入食物鏈，或者通過某些遷移方式進入大氣、水中，從而威脅人類健康和其它動物的繁衍生息［4］。被重金屬污染的土壤無色無味，很難被人的感官察覺，一般要通過植物（作物）進入食物鏈積累到一定程度時才能反映出來［5］。土壤重金屬污染程度與很多因素有關，其中包括公路路面結構、路面材料、交通量、徑流污染程度、土壤的類型以及公路兩旁的植被覆蓋、土地利用情況。

本次研究樣本采集地點為滬寧高速公路南京段馬群立交東、西側，土壤類型為亞砂性土或砂性土，旨在了解和掌握高速公路兩側亞砂性土或砂性土對重金屬元素的富集能力及其水平分布格局，為公路路域土壤重金屬污染的修復提供物理數據參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點的選擇

本次研究樣本采集地點為滬寧高速公路路域。該公路設計行車速度120 km/h，雙向八車道［6］。滬寧高速公路擴建主體工程除無錫段采用柔性基層瀝青路面外，全線采用了較厚的瀝青面層半剛性基層瀝青路面結構，具體路面結構［7］如圖1所示。

圖1 滬寧高速公路瀝青路面結構示意圖 （mm）Fig.1 The structure of Huning expressway asphalt pavement（mm）

具體采樣路段:將滬寧高速公路南京段馬群立交兩側設為采樣地段，該段公路兩側以景觀用地和農業用地為主。分別在距路肩100 m范圍內，呈梯度分別在10 m、20 m、40 m、70 m設采樣點。采樣點位均選擇在無防護林，遠離村鎮、工廠等其它污染源的開闊地段。

1.2 樣品的采集與處理

1.2.1 采樣過程

采用GPS定位，記錄經緯度，精確到0.1″，同時記錄了采樣點的風速、室外溫度以及空氣濕度，盡可能使采樣外在條件控制在風速為0.35～0.5 m/s，溫度為15℃左右，空氣濕度為45% ～50%。為避免偶然性，采用多點混合采樣法［8］，即在一定面積中 （約0.5 hm2）選3～5個點的土壤形成一個土壤混合樣，土壤樣品采集于0～30 cm的土壤剖面。樣品用無銹鋼鏟取樣，取樣先鏟出一個耕層斷面，再平行于斷面下鏟取土從而極大減少由于采樣方法不完善而引起的實驗誤差。每個采樣點的取土深度及采樣量均勻一致，土樣上層與下層的比例相同，采樣點位盡量相鄰。每個樣品采集250g左右，每一組樣品進行現場混合后，裝入樣品袋中。共32個樣品。

1.2.2 實驗過程

在實驗室中將采集的樣本經過仔細清除雜物后置于DGG－9420A型恒溫鼓風干燥箱中，經過嚴格的時間和溫度控制，以保證其充分干燥后，用瑪瑙研缽碾碎，分別過0.5、0.25、0.15 mm孔徑的新標準土壤篩，貯于聚乙烯薄膜袋中以備利用。樣品的實驗首先需要經過WX－4 000溫壓雙控密閉微波反應系統消解成溶液，并進行趕酸預處理。將預處理后的溶液按照國家標準土壤質量分析方法［9］的規定執行，利用原子熒光光譜儀進行各元素離子濃度的測定，并與規定的背景值進行比較，從而確定各元素的污染程度。

2 公路兩側土壤質量安全評價

2.1 評價因子

Cd、Cr、Ni、Pb、Zn。

2.2 評價標準

參照GB15618－1995土壤環境質量標準（見表1）進行評價。其中二級標準為保障農業生產，維護人體健康的土壤限制值。本文評價是滬寧高速南京段公路兩側的土壤，與城鎮居民飲食健康密切相關，所以采用《土壤環境質量標準》（GB 15168—1995）二級標準。

表1 土壤環境質量標準值Tab.1 The quality standard of soil environment （mg/kg）

2.3 評價方法

土壤中重金屬的污染程度評價采用單項平均污染指數法和內梅羅污染指數法。

單項平均污染指數法能夠比較直觀地反映環境中各項污染指標的情況;內梅羅污染指數法不僅考慮到了所有評價因子單項污染程度的平均水平，而且還考慮到了最大污染指數，因此能夠更為科學、綜合的反映評價區域內總體環境質量狀況。

2.3.1 單項平均污染指數法

單項平均污染指數法采用平均富集因子（AEV）來表征各重金屬的污染程度，計算公式為:

式中:AC為被測金屬元素的實測統計算術平均濃度;BV為國家土壤環境質量二級標準中規定的土壤金屬濃度值。根據給出的定義，AEV＜1為安全，土壤未受到重金屬元素的污染;1＜AEV＜2為輕度污染;2＜AEV＜3為中度污染;AEV＞3為嚴重污染，AEV的值越大，表明所受到的污染越嚴重。

2.3.2 內梅羅污染指數法

計算公式為:

內梅羅污染指數式中:PN為某一采樣區域某一種重金屬元素的內梅羅污染指數;pmax為某一采樣區域某一種重金屬元素污染指數最大值;pave為某一采樣區域某一種重金屬元素污染指數的平均值。

評價等級按照土壤污染指數評價分級標準表進行區分，見表2。

表2 土壤污染指數評價分級標準Tab.2 The classification standard of soil pollution evaluation index

3 結果與分析

3.1 單項平均污染指數法結果

通過Excel統計得出各采樣點土壤重金屬元素的濃度算術平均值，將其作為分子AC，分母BV則采用 《土壤環境質量標準》［10］（GB 15168—1995）中的二級標準，計算得到各重金屬元素的平均富集因子AEV，見表3、表4、表5和表6。

表3 距公路路肩10 m土壤重金屬含量分析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土壤重金屬含量分析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土壤重金屬含量分析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處，鎳﹑鉛﹑鋅的平均含量有所降低，但鎳與鎘、鉻、鉛、鋅的濃度值仍存在較大的差異，其平均濃度值為背景值的0.965倍，處于警戒線上，污染水平為尚清潔。

表6 距公路路肩70 m土壤重金屬含量分析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處，鎘、鉻、鎳、鉛、鋅的平均含量不同。其中鎳的含量最高，達到背景值的2.012倍，存在中度污染，而其它元素的含量依次為鎘、鉻、鉛、鋅，但都很低，只是略微存在，無污染，都在清潔范圍內。

距公路路肩40 m處，土壤中重金屬鎘、鉻、鎳﹑鉛﹑鋅的平均含量均隨著距離的增加繼續降低，鎳的濃度降低到背景值的0.412倍，五種元素的污染程度均為安全，基本不存在污染。

距路肩70 m處，鎘、鉻、鎳、鉛、鋅的平均濃度值在背景值范圍內持續降低，且降低的幅度很小，鎳的含量較其他四種元素含量仍為最大，鉛最小。

3.1.5 評價結果

土壤重金屬Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的濃度均隨著水平距離的增加而呈現減小趨勢。但此次所采土壤樣本的重金屬Cd、Cr、Pb、Zn平均濃度均未超過背景值，在清潔范圍內，不存在重金屬污染;而Ni在距路肩10 m處是背景值的2.012倍，存在中度污染，在距路肩20 m處，污染程度處于警戒線上，之后隨著距離的增大不存在污染。如圖2和圖3所示。

圖2 Cd、Cr、Pb、Zn重金屬元素污染指數示意圖Fig.2 The heavy metals pollution index of Cd，Cr，Pb，and Zn

綜合以上各表結果得出:在此次所采的土壤樣本中重金屬鎘、鉻、鎳、鉛、鋅的平均含量均隨著距路肩水平距離的增大而降低。其中，鎳的平均濃度最大，從事相關工作的一些研究者對Ni的含量［11－14］往往忽視了檢測，其實它是濃度最高，變化最大的元素之一。鎳在距路肩10 m的范圍內超過國家土壤環境質量二級標準達到中度污染;在距路肩10～20 m范圍內處于警戒線之上，可能為輕度污染，或安全;在距路肩＞20 m之后，基本處于清潔，不存在污染。而鎘、鉻、鉛、鋅四種元素都在背景值范圍內變化，且變化幅度不大，基本不存在土壤重金屬污染，安全。

3.2 內梅羅污染指數法結果

用內梅羅污染指數法處理分析實驗結果見表7。

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

由表7分析可知，鎘、鉻、鉛、鋅四種元素在距離高速公路路肩70 m路域范圍內內梅羅指數污染很小，基本不存在污染，污染等級為清潔，而鎳元素的內梅羅污染指數為1.567 3，存在輕度污染。

4 結論與討論

用單項平均污染指數法和內梅羅污染指數法對土壤類型為亞砂性土或砂性等低含量有機質土的滬寧高速公路南京段兩側土壤中重金屬元素Cd、Cr、Ni、Pb、Zn進行污染評價，其評價結果具有一致性，除鎳在距路肩20 m范圍內存在輕度污染，其余各元素均處于清潔水平;各重金屬元素在公路兩側土壤中的水平分布特征，公路兩側土壤中重金屬鎘、鉻、鎳、鉛、鋅的平均濃度均隨著與路肩垂直距離的增大而降低，其中鎳的平均濃度最大，在距路肩20m的范圍內均存在污染，而鎘、鉻、鉛、鋅四種元素在距公路路肩100m的范圍內，其平均濃度均在小于背景值的范圍內小幅度的波動，基本不存在污染。鎘、鉻、鎳、鉛、鋅重金屬元素的水平分布特征與黃忠臣［15］、李湘南［16］等人的研究結果一致。余愛華［17］等人同樣也研究了滬寧高速公路馬群段瀝青路面兩側土壤重金屬污染程度，用單因子指數法評價得出的結果是，鎳 （Ni）的污染程度最重，Cr、Pb、Zn的濃度均隨著水平距離的增加而呈現明顯的減小趨勢。兩次研究得出鎳污染的存在可能是由于公路在運營期間，汽車尾氣中微粒在路面的降落，汽車燃油在路面上的滴漏及輪胎與路面的磨損物等，使鎳通過降雨沖刷并在兩側土壤中沉積并大量富集。

而此次研究中，鎘、鉻、鉛、鋅四種元素在公路路肩整個路域范圍內，處于清潔，不存在明顯的波動，可能主要與采樣地的土壤自身性質相關，如松散度、ph值、顆粒輕重、有機質含量、生長的植物種類等有關，因為此次采樣點土壤主要為砂性土或亞砂性土等低含量有機質土，此類土富集鎘、鉻、鉛、鋅的能力較小。國內外已經對此作了許多研究，比如李玉文等在對東北地區有關土壤研究中表明，土壤類型不同，土壤中相同重金屬元素的含量不同，污染程度存在很大的差異［18］。袁旭音等在對湖州市不同土壤重金屬污染現狀調查分析中發現不同的土壤類型其重金屬含量不同，其中重金屬元素在黃泥土和青紫泥中含量較高，而在白泥土和湖松土中含量低［19］。國外Turer等在研究中得出:質地粘重，有機質含量高的土壤中重金屬更易積累，不易遷徙，污染嚴重，而砂性土中污染較小，綜合指數好［20］。Ramakrishnaiah H等也發現，高速公路路域土壤松散度是重金屬遷移的關鍵原因［21］。另外Zhang M的研究進一步確定了在砂性土中，鋅等重金屬元素會隨著地表徑流損失［22］。

以上研究結果表明，高速公路路域土壤富集重金屬能力與土壤自身性質有很大的關系，砂性土或亞砂性土壤對鎘、鉻、鉛、鋅四種重金屬元素的富集能力很有限，基本不存在土壤重金屬污染，且在距路肩垂直距離大于50m后，也不存在鎳污染。因此若要在距高速公路較近的路域范圍內利用土地種植農作物，可采用客土法在原來機質含量高的土層覆蓋上非污染的砂性或亞砂性土［23］，能有效減少土壤對重金屬的累積而進入農作物，降低對人類健康的危害。但是采用這種方法必須注意，用做客土的非污染土壤的pH等性質最好與原受污染土壤相一致，以免由于環境因子的改變而引起污染土壤中重金屬活性的增大［24－25］。

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