許昌市道路綠地土壤重金屬污染及潛在生態風險評價

孫艷麗, 黃 雯, 韋朋俊

(許昌學院 城市與環境學院,河南 許昌 461000)

隨著城市化進程的加快,城市交通道路網的規模和交通工具的數量均呈現快速增長.伴隨交通活動產生的重金屬微粒會沉降到土壤中,造成環境污染.從道路土壤中重金屬的空間分布[1,2]、風險評價[3,4]、污染修復[5]等方面,研究了交通活動對土壤環境產生的廣泛影響.許昌市是中原經濟區的重要交通中心和物流樞紐城市之一,交通活動對城市土壤環境質量的影響不容忽視.基于此,對許昌市的道路綠地土壤重金屬污染狀況和生態風險進行評價,可以為該市交通道路綠地土壤環境質量的管理提供參考,為城市路旁土壤重金屬研究提供案例支持.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

許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,東經113°03′～114°19′,北緯33°42′～34°24′.屬北暖溫帶季風氣候,年均氣溫為14.3～14.6 ℃,年均降水量為671～736 mm.主要土壤類型為潮土、褐土;植被類型為暖溫帶闊葉林與針葉林混交林,市區園林植物分屬64科、201種,其中以薔薇科、木犀科、忍冬科較多,常見植物種類有女貞(LigustrunlucidumAit.)、楓楊(PterocaryastenopteraC.DC.)、國槐(Sophorajaponica)、懸鈴木(PlatanusorientalisLinn.)、石楠(PhotiniaSerrulataLindl.)等.截止2021年末,全市公路里程約1.01×104km ,中心城區主次干道約120余條,總長度約180 km,截至2019年底,全市機動車保有量74.6萬輛[6].

1.2 樣品采集與測定

2021年3月,在許昌市區內沿北環西路—永昌東路—許州路—南外環路—西外環路確定采樣范圍邊界,選取主干道路隨機布設采樣點,用GPS進行定位,采樣點分布見圖1.

許昌市區主干道路綠地主要涉及中間分車綠地、兩側分車綠地、交通島綠地三種.樣品采集時,對包含中間分車綠地、兩側分車綠地的道路,沿道路垂線在三個綠地上各設置一個2 m×2 m的采樣單元,按“梅花形”采集表層(0～20 cm)土壤樣品,然后將三個采樣單元的土壤樣品混勻,“四分法” 舍棄多余樣品,保留1 kg左右,作為該采樣點的土壤樣品.對兩側分車綠帶的道路,沿道路垂線在兩側綠地上各設一個采樣單元,采集土壤混合樣品;對交通島綠地,隨機設3個采樣單元,采集土壤樣品后混勻.本次共采集表層土壤混合樣品105個.

將采集的土壤樣品帶回實驗室,在室溫下自然風干后過孔徑1mm土壤篩.再從中隨機多點取樣10 g 左右,研磨,全部通過孔徑0.15 mm土壤篩后混勻,裝入自封袋備用.土壤重金屬Pb、Cu、Ni、Mn、As和Zn的含量用Niton XL3t600手持式X射線熒光分析儀測定.

圖1 土壤采樣點示意圖

1.3 評價方法

1.3.1 地累積指數法

評價重金屬的污染程度采用地累積指數(Igeo)法[6],計算公式為

(1)

式中,Igeo為土壤重金屬的地累積指數;Cn為第n種土壤重金屬的實測值,單位是mg/kg;Bn為第n種重金屬的背景值,一般采用河南省土壤環境背景值[8];K為背景值的變動系數,一般取1.5.污染分級標準如表1所示.

表1 基于地累積指數的污染分級標準

1.3.2 潛在生態風險指數法

(2)

表2 土壤重金屬潛在生態風險指數分級標準

2 結果與討論

2.1 道路綠地土壤重金屬含量特征

在許昌市道路綠地土壤中,重金屬Pb、As、Zn、Cu、Ni、Mn的含量均值分別為38.48、10.29、99.41、34.85、36.40、374.12 mg/kg.其中,Pb、As、Cu、Ni的含量均值遠低于《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》中第二類用地篩選值(800、60、18 000、900 mg/kg)[12],而Zn、Mn無參照對比標準,因此無法評判.

土壤重金屬含量特征如圖2所示.可以看出,與河南省土壤環境背景值相比,除Mn外,其他5種元素的含量均值均高于背景值.其中,Pb、Zn、Cu、Ni的含量均值分別是背景值的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種重金屬均存在不同比例的點位超標率,分別為88.57%(Pb)、56.19%(As)、85.71%(Zn)、95.24%(Cu)、64.76%(Ni)、1.90%(Mn),尤其是Cu、Pb、Zn的點位超標率均比較高.各重金屬元素的變異系數分別為51%(Pb)、36%(As)、31%(Zn)、29%(Cu)、47%(Ni)、18%(Mn),按照文獻[13]的變異系數分級標準,Pb、Zn、Ni和As屬于強變異(CV≥30%),Cu和Mn屬于中等變異(10%

圖2 道路綠地土壤重金屬含量箱線圖

許昌市道路綠地土壤中Pb、Zn、Cu、Ni的含量均值均低于洛陽市交通干道土壤中的相應元素的含量均值(108.33、469.54、43.28、40.84 mg/kg)[14];Pb、Zn、Cu的含量均值高于開封市交通用地(29.72、78.65、21.96 mg/kg),Ni則低于開封市(38.40 mg/kg)[15];Cu、Pb、Zn的含量均值遠低于揚州市交通道路(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屬含量存在差異.

圖3 土壤重金屬Igeo不同污染程度的樣點比例圖

2.2 道路綠地土壤重金屬污染評價

道路綠地土壤中重金屬的地累積指數(Igeo)變化在-7.54～2.16之間,均值排序依次為:Cu>Pb>Zn>Ni>As>Mn.其中,Cu、Pb、Zn的Igeo均值在0～1之間,為輕度污染;Ni、As、Mn的Igeo均值均小于0,為無污染.圖3為土壤中重金屬Igeo在不同污染程度的樣點比例圖.可以看出,在105個采樣點中,除Mn元素全部為無污染外,其他5種重金屬均存在不同程度污染的樣點,而且樣點比例也有所不同.其中,Cu、Pb、Zn存在輕度污染的樣點比例較高,分別為70.48%、52.38%和60.95%,并且Cu、Pb分別存在5.71%、1.9%的中度污染樣點;而Ni、As為輕度污染的樣點,比例分別為41.9%和10.48%.

2.3 道路綠地土壤重金屬潛在生態風險評價

表3 道路綠地土壤重金屬的潛在生態風險評價

土壤重金屬的綜合潛在生態風險指數(RI)范圍為20.90～67.44,均值為37.46,風險程度為中等,RI均值遠低于文獻[14]的研究結果(RI=466.06).究其原因,不同城市之間交通活動規模的差異造成了土壤重金屬潛在生態風險的不同.在105個采樣點中,綜合潛在生態風險級別為中等的樣點比例為83%,而強烈級別和輕微級別的分別為3%和14%.6種土壤重金屬的潛在生態風險貢獻率為:As>Pb>Cu>Ni>Zn>Mn,其中,76.15%的生態風險由As、Pb、Cu所貢獻,其次為Ni(17.79%)、Zn(4.29%)和Mn(1.75%).綜合地累積指數評價和潛在生態風險評價的結果可以得出,Pb、Cu是許昌市交通綠化帶土壤重金屬中需要重點關注的污染元素.As因其較高的毒性系數,對土壤環境的潛在生態危害也不容忽視.其他重金屬元素雖然對污染的影響較小,但是仍需要予以關注.

土壤重金屬綜合潛在生態風險指數的空間分布如圖4所示.可以看出,在許昌市的東部、東南部、西北部的部分交通路段為RI高值分布區,其余區域為相對低值區.RI高值區路段涉及許州路北段、許州路中部偏南段、學院南路、文峰路南段-許由路中段、許繼大道西段-八一西路,RI在36.45～67.44之間.RI的空間分布是交通活動、工業活動等綜合影響的結果.在許州路北段、中部偏南段的路旁分布有駕校、高鐵站、機動車檢測公司,交通活動非常頻繁.學院南路附近有駕校、物流園、汽修廠、熱電廠,許繼大道西段-八一西路-延安北路附近分布有物流園、汽車站、汽修廠、機械廠等,交通活動和工業生產會對土壤形成較多的重金屬輸入.在一些交通流量大的交叉路口,車輛怠速運行中發動機燃燒不充分,廢氣排放量大,也會造成土壤污染物輸入增多.此外,不同交通道路旁綠地植物的面積、樹種差異也可以造成土壤重金屬污染風險的空間分布差異.

圖4 土壤重金屬綜合潛在生態風險指數空間分布

3 結論

許昌市道路綠地土壤重金屬除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的地累積指數的評價結果為輕度污染,Ni、As、Mn為無污染.在潛在生態風險指數的評價中,除As為中等生態風險外,其余重金屬的生態風險級別為輕微.綜合潛在生態風險指數為37.46,屬于輕微生態風險;而市區東部、東南部、西北部部分交通路段的綜合潛在生態風險較高.重金屬As、Pb、Cu是需重點關注的生態風險因子.