盧秀琳，趙 塵，余愛(ài)華，范劍鈞

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037）

近年來(lái)，公路交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展不斷推動(dòng)著地區(qū)之間經(jīng)濟(jì)頻繁往來(lái)的同時(shí)，也帶來(lái)了很多環(huán)境問(wèn)題，包括大氣污染、噪聲污染、土壤污染等，其中，土壤污染問(wèn)題日益突出，公路路域耕地質(zhì)量不斷下降，對(duì)食品安全和人們健康造成了消極的影響［1］。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一是食品安全問(wèn)題，而土壤重金屬污染又是其中的重要限制因素之一［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)遭受不同程度污染的耕地面積已接近2 000萬(wàn) hm2，約占耕地面積的1/5。我國(guó)每年因重金屬污染導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)超過(guò)1 000萬(wàn)t，被重金屬污染的糧食多達(dá)1 200萬(wàn)t，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200億元［3］。重金屬污染具有潛伏性、長(zhǎng)期性、不可逆性等特點(diǎn)，并且可經(jīng)農(nóng)作物吸收后進(jìn)入食物鏈，或者通過(guò)某些遷移方式進(jìn)入大氣、水中，從而威脅人類(lèi)健康和其它動(dòng)物的繁衍生息［4］。被重金屬污染的土壤無(wú)色無(wú)味，很難被人的感官察覺(jué)，一般要通過(guò)植物（作物）進(jìn)入食物鏈積累到一定程度時(shí)才能反映出來(lái)［5］。土壤重金屬污染程度與很多因素有關(guān)，其中包括公路路面結(jié)構(gòu)、路面材料、交通量、徑流污染程度、土壤的類(lèi)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(diǎn)為滬寧高速公路南京段馬群立交東、西側(cè)，土壤類(lèi)型為亞砂性土或砂性土，旨在了解和掌握高速公路兩側(cè)亞砂性土或砂性土對(duì)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(fù)提供物理數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)的選擇

本次研究樣本采集地點(diǎn)為滬寧高速公路路域。該公路設(shè)計(jì)行車(chē)速度120 km/h，雙向八車(chē)道［6］。滬寧高速公路擴(kuò)建主體工程除無(wú)錫段采用柔性基層瀝青路面外，全線(xiàn)采用了較厚的瀝青面層半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，具體路面結(jié)構(gòu)［7］如圖1所示。

圖1 滬寧高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)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(cè)設(shè)為采樣地段，該段公路兩側(cè)以景觀(guān)用地和農(nóng)業(yè)用地為主。分別在距路肩100 m范圍內(nèi)，呈梯度分別在10 m、20 m、40 m、70 m設(shè)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)位均選擇在無(wú)防護(hù)林，遠(yuǎn)離村鎮(zhèn)、工廠(chǎng)等其它污染源的開(kāi)闊地段。

1.2 樣品的采集與處理

1.2.1 采樣過(guò)程

采用GPS定位，記錄經(jīng)緯度，精確到0.1″，同時(shí)記錄了采樣點(diǎn)的風(fēng)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(fēng)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(diǎn)混合采樣法［8］，即在一定面積中 （約0.5 hm2）選3～5個(gè)點(diǎn)的土壤形成一個(gè)土壤混合樣，土壤樣品采集于0～30 cm的土壤剖面。樣品用無(wú)銹鋼鏟取樣，取樣先鏟出一個(gè)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(shí)驗(yàn)誤差。每個(gè)采樣點(diǎn)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(diǎn)位盡量相鄰。每個(gè)樣品采集250g左右，每一組樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)混合后，裝入樣品袋中。共32個(gè)樣品。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)室中將采集的樣本經(jīng)過(guò)仔細(xì)清除雜物后置于DGG－9420A型恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的時(shí)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(guò)0.5、0.25、0.15 mm孔徑的新標(biāo)準(zhǔn)土壤篩，貯于聚乙烯薄膜袋中以備利用。樣品的實(shí)驗(yàn)首先需要經(jīng)過(guò)WX－4 000溫壓雙控密閉微波反應(yīng)系統(tǒng)消解成溶液，并進(jìn)行趕酸預(yù)處理。將預(yù)處理后的溶液按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤質(zhì)量分析方法［9］的規(guī)定執(zhí)行，利用原子熒光光譜儀進(jìn)行各元素離子濃度的測(cè)定，并與規(guī)定的背景值進(jìn)行比較，從而確定各元素的污染程度。

2 公路兩側(cè)土壤質(zhì)量安全評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)因子

Cd、Cr、Ni、Pb、Zn。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參照GB15618－1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值。本文評(píng)價(jià)是滬寧高速南京段公路兩側(cè)的土壤，與城鎮(zhèn)居民飲食健康密切相關(guān)，所以采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15168—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值Tab.1 The quality standard of soil environment （mg/kg）

2.3 評(píng)價(jià)方法

土壤中重金屬的污染程度評(píng)價(jià)采用單項(xiàng)平均污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法。

單項(xiàng)平均污染指數(shù)法能夠比較直觀(guān)地反映環(huán)境中各項(xiàng)污染指標(biāo)的情況;內(nèi)梅羅污染指數(shù)法不僅考慮到了所有評(píng)價(jià)因子單項(xiàng)污染程度的平均水平，而且還考慮到了最大污染指數(shù)，因此能夠更為科學(xué)、綜合的反映評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)總體環(huán)境質(zhì)量狀況。

2.3.1 單項(xiàng)平均污染指數(shù)法

單項(xiàng)平均污染指數(shù)法采用平均富集因子（AEV）來(lái)表征各重金屬的污染程度，計(jì)算公式為:

式中:AC為被測(cè)金屬元素的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)算術(shù)平均濃度;BV為國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的土壤金屬濃度值。根據(jù)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(yán)重污染，AEV的值越大，表明所受到的污染越嚴(yán)重。

2.3.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

計(jì)算公式為:

內(nèi)梅羅污染指數(shù)式中:PN為某一采樣區(qū)域某一種重金屬元素的內(nèi)梅羅污染指數(shù);pmax為某一采樣區(qū)域某一種重金屬元素污染指數(shù)最大值;pave為某一采樣區(qū)域某一種重金屬元素污染指數(shù)的平均值。

評(píng)價(jià)等級(jí)按照土壤污染指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行區(qū)分，見(jiàn)表2。

表2 土壤污染指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The classification standard of soil pollution evaluation index

3 結(jié)果與分析

3.1 單項(xiàng)平均污染指數(shù)法結(jié)果

通過(guò)Excel統(tǒng)計(jì)得出各采樣點(diǎn)土壤重金屬元素的濃度算術(shù)平均值，將其作為分子AC，分母BV則采用 《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［10］（GB 15168—1995）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到各重金屬元素的平均富集因子AEV，見(jiàn)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(xiàn)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(dá)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(wú)污染，都在清潔范圍內(nèi)。

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(xù)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(nèi)持續(xù)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(píng)價(jià)結(jié)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(xiàn)減小趨勢(shì)。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(guò)背景值，在清潔范圍內(nèi)，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(xiàn)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(shù)示意圖Fig.2 The heavy metals pollution index of Cd，Cr，Pb，and Zn

綜合以上各表結(jié)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(guān)工作的一些研究者對(duì)Ni的含量［11－14］往往忽視了檢測(cè)，其實(shí)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(nèi)超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到中度污染;在距路肩10～20 m范圍內(nèi)處于警戒線(xiàn)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(nèi)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(nèi)梅羅污染指數(shù)法結(jié)果

用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法處理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(nèi)內(nèi)梅羅指數(shù)污染很小，基本不存在污染，污染等級(jí)為清潔，而鎳元素的內(nèi)梅羅污染指數(shù)為1.567 3，存在輕度污染。

4 結(jié)論與討論

用單項(xiàng)平均污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)土壤類(lèi)型為亞砂性土或砂性等低含量有機(jī)質(zhì)土的滬寧高速公路南京段兩側(cè)土壤中重金屬元素Cd、Cr、Ni、Pb、Zn進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果具有一致性，除鎳在距路肩20 m范圍內(nèi)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(cè)土壤中的水平分布特征，公路兩側(cè)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(nèi)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(nèi)，其平均濃度均在小于背景值的范圍內(nèi)小幅度的波動(dòng)，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(jié)果一致。余愛(ài)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(cè)土壤重金屬污染程度，用單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)得出的結(jié)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(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)。兩次研究得出鎳污染的存在可能是由于公路在運(yùn)營(yíng)期間，汽車(chē)尾氣中微粒在路面的降落，汽車(chē)燃油在路面上的滴漏及輪胎與路面的磨損物等，使鎳通過(guò)降雨沖刷并在兩側(cè)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(gè)路域范圍內(nèi)，處于清潔，不存在明顯的波動(dòng)，可能主要與采樣地的土壤自身性質(zhì)相關(guān)，如松散度、ph值、顆粒輕重、有機(jī)質(zhì)含量、生長(zhǎng)的植物種類(lèi)等有關(guān)，因?yàn)榇舜尾蓸狱c(diǎn)土壤主要為砂性土或亞砂性土等低含量有機(jī)質(zhì)土，此類(lèi)土富集鎘、鉻、鉛、鋅的能力較小。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)此作了許多研究，比如李玉文等在對(duì)東北地區(qū)有關(guān)土壤研究中表明，土壤類(lèi)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(duì)湖州市不同土壤重金屬污染現(xiàn)狀調(diào)查分析中發(fā)現(xiàn)不同的土壤類(lèi)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(guó)外Turer等在研究中得出:質(zhì)地粘重，有機(jī)質(zhì)含量高的土壤中重金屬更易積累，不易遷徙，污染嚴(yán)重，而砂性土中污染較小，綜合指數(shù)好［20］。Ramakrishnaiah H等也發(fā)現(xiàn)，高速公路路域土壤松散度是重金屬遷移的關(guān)鍵原因［21］。另外Zhang M的研究進(jìn)一步確定了在砂性土中，鋅等重金屬元素會(huì)隨著地表徑流損失［22］。

以上研究結(jié)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(zhì)有很大的關(guān)系，砂性土或亞砂性土壤對(duì)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(nèi)利用土地種植農(nóng)作物，可采用客土法在原來(lái)機(jī)質(zhì)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(duì)重金屬的累積而進(jìn)入農(nóng)作物，降低對(duì)人類(lèi)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(zhì)最好與原受污染土壤相一致，以免由于環(huán)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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