高速公路沿线土壤重金属污染特征与评价

余爱华，王大明，赵 曜

(南京林业大学，南京 210037)

土壤是环境的重要组成部分，是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源。公路运输和汽车尾气扩散沉降所产生的大气和土壤重金属污染是城市化过程中倍受人们关注的环境问题之一［1］。随着现代高速公路建设的快速发展，沥青路面在我国高等级公路中占有很大的比例，特别是在江苏省的高等级公路路面中，因此，迫切需要了解目前高速公路沥青路面两侧土壤污染的特征及其程度，为农产品安全生产基地的规划与建设提供科学依据［2，3］。

沪宁高速公路江苏段呈东西走向，横贯江苏省苏南地区，总长约300 km，公路两侧分布有大量农田。为此，选择该高速公路为研究对象，对公路两侧土壤污染状况进行调查及安全评价。

1 材料与方法

1.1 采样点的选择

本次研究样本采集地点为沪宁高速公路南京段马群立交西侧。此段公路为南北走向，两侧以景观用地和农业用地为主，在采样区及附近无其他污染来源。

该道路经扩建后计算行车速度120 km/h，双向八车道，整体式路基宽度42.5 m，分离路段路基宽度43 m，桥涵设计荷载为汽车－超20，挂车－120［4］。主线为沥青混凝土路面，设计年限为15年。沪宁高速公路扩建主体工程除无锡段采用柔性基层沥青路面外，全线采用了较厚的沥青面层半刚性基层沥青路面结构，具体路面结构［5］:上面层为改性沥青SMA－13，厚度4.0 cm;中面层为改性沥青Sup－20，厚度8.0 cm;下面层为普通沥青Sup－25，厚度8.0 cm;基层为水泥稳定碎石，厚度40.0 cm(38 cm);底基层为二灰碎石再生层，厚度为20.0 cm。

具体采样路段:选择沪宁高速公路马群立交段公路两侧为采样地点 (在公路西侧选择一条与道路中心线垂直的采样线)。沿公路中线的垂直方向，分别在距离中线10 m、20 m、40 m、80 m、100 m和120 m处各设一采样点组，每个采样点组包括三个采样点，采样点间的距离为10 cm，故共设18个采样点。每个采样点按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm三个土壤剖面深度采集样品。

1.2 样品的采集与分析方法

每个土壤样本250g左右，共18个样品。每一组样品先在现场去除其中体积较大的草根、树叶及动植物腐殖质等，在现场进行混合后，装入样品袋或样品瓶中，备检。室内主要分析土壤样本中镉(Cd)、铬 (Cr)、镍 (Ni)、铅 (Pb)和锌 (Zn)的总量。按照国家标准的土壤质量分析方法［4］的规定执行，镉 (Cd)用KI－MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法 (GB/T 17140－1997)、铬 (Cr)用火焰原子吸收分光光度法 (GB/T 17137－1997)、镍 (Ni)用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17139－1997)、铅 (Pb)用 KI－MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法 (GB/T 17140－1997)、锌 (Zn)用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17138 － 1997)［6，7］。

2 结果与分析

2.1 公路沥青路面两侧土壤重金属污染物特征

各重金属浓度随着距离的增加呈现不同的变化趋势，在10～40 m范围内，Cr、Pb和Zn的浓度均随着水平距离的增加而呈现明显降低趋势。在40～120 m范围内则趋势不明显，如图1和表1。

2 .1 .1 距地表10 cm处土壤中重金属的含量水平

如图2所示，在距离地表10 cm处，土壤中的重金属元素:Ni、Zn、Cd、Cr和Pb的含量均随着距离道路中心线的水平距离的增加呈现出不规则的变化;其中Ni含量波动幅度最大，在距离道路中心线20～40 m的范围内从1 498.083 mg/kg骤然下降至70.01 mg/kg;其次是Pb，在距离道路中心线10～40 m范围内从48.49 mg/kg下降至14.01 mg/kg;Cd的含量变化幅度则最小。

表1 公路沥青路面两侧土壤重金属污染结果分析Tab.1 The result analysis of soil heavy metal pollution on either side of the of asphalt pavement highway mg/kg

图1 土壤中重金属的浓度随水平距离变化Fig.1 The variation of heavy metal Concentration in soil with the horizontal distance

图2 距地表10 cm处土壤中重金属随水平距离变化Fig.2 The variation of heavy metal concentration in soil of 10 cm depth with the horizontal distance

图3 距地表20 cm处土壤中重金属随水平距离变化Fig.3 The variation of heavy metal concentration in soil of 20 cm depth with the horizontal distance

2 .1 .2 距地表20 cm处土壤中重金属的含量水平

如图3所示，在距地表20 cm处，土壤中的重金属元素Cd的含量随着距离道路中心线的水平距离的增加呈现出明显的下降趋势;Ni的含量变化幅度仍然很大，在10～80 m范围内从715.427 mg/kg降至11.785 mg/kg;Zn的含量随着距离道路中心线的水平距离的增加呈现出较为规则的波动，在10～20 m范围内下降后，在20～40 m的范围内上升，之后在40～80 m范围内下降，又在80～100 m范围内上升，最后在100～120 m的范围内下降;Cr、Pb的含量随着水平距离的增加虽有变化，但总体幅度不大，且整体含量水平较低。

图4 距地表30 cm处土壤中重金属随水平距离变化Fig.4 The variation of heavy metal concentration in soil of 30 cm depth with the horizontal distance

2 .1 .3 距地表30 cm处土壤中重金属的含量水平

如图4所示，在距离地表30 cm处，土壤中的重金属元素Ni的含量变化波动最大，在距离道路中心线10～40 m范围内呈现明显的下降趋势，但在40～80 m范围内又出现小幅的回弹，之后在80～100 m范围内呈现一定下降，最后在100～120 m范围内又上升至100.096 mg/kg;Cr、Pb的含量在距离道路中心线10～40 m范围内呈现明显的下降趋势，在80～120 m范围内又出现小幅的波动，但波动幅度不大;Cd的含量总体较小，且在距离道路中心线10～80 m范围内保持为0，只有在100 m处检测出0.245 mg/kg，这说明距地表30 cm处Cd基本不存在污染;Zn的含量从整体上看变化比较平稳，始终维持在一定的范围内。

从图2～图4可知，沪宁高速公路沥青路面南京段马群立交西侧距离道路中心线10～120 m范围内，土壤中Ni含量的变化波动最大，波动幅度达到2.207～1498.083 mg/kg;从事相关工作的一些研究者对Ni的含量［8～11］往往忽视了检测，其实它是浓度最高，变化最大的元素之一。其次是Zn，其波动幅度为23.959～491.836 mg/kg，且整体含量水平较高;其它重金属元素的含量变动不太大;Cd的含量最低。

综合国内外对公路两侧土壤中重金属特性的研究结果，发现本项目的研究结果与他们的研究结果存在一定差异。例如，林健［12］等在对319国道龙岩市新罗区北段旁的土壤中重金属含量的研究中发现，土壤中Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的含量以公路为中心呈带状顺着与公路中心线的垂直方向呈逐渐减小的趋势。本次研究却未出现此种明显的变化规律，但在距公路中心线较近的区域内 (10～40 m)，一些重金属元素呈现出较好的变化规律性。分析引起这些差异的原因，认为可能有以下几点:

(1)从研究对象来看，所研究的公路路面结构、路面材料不同;公路交通量不同，导致车辆排出的尾气量不同，从而使沉积在土壤中的重金属含量不同。

(2)从径流污染来看，径流污染程度的不同会直接影响到土壤中重金属的含量。

(3)从环境因素来看，公路两旁的植被覆盖情况、土地利用情况等。

林健［12］等研究的公路为福建区域的319国道，道路实际交通量以及由气候差异 (降水量)导致的地表径流量均有所不同;而且，文献所取土样为菜地和稻田，农药与化肥的施用也会对研究结果产生一定的影响。

2.2 公路沥青路面两侧土壤质量安全评价

(1)评价因子。Cd、Cr、Ni、Pb、Zn。

(2)评价标准。国家环境质量标准中Ⅱ类土壤评价标准主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。二级标准为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值。II类土壤环境质量执行二级标准。本文评价是沪宁高速南京段公路两侧的土壤，与城镇居民饮食健康密切相关农田和林地，所以采用《土壤环境质量标准》GB 15168－1995二级标准。

(3)评价方法。本研究采用单项污染指数方法，对测定的每个重金属元素都做了单独分析、评价，以详细地反应出土壤中重金属污染的污染因子，并找出主要的污染因子。单项污染指数法的计算公式如下:

式中:p为土壤中重金属污染元素i的单项污染指数;ci为土壤中重金属污染元素i的实测统计代表值 (本研究中采用均值法获得);cs为土壤中重金属污染元素的评价标准 (本研究中采用国家土壤质量二级标准)，mg/kg。

如果土壤未受到重金属元素i的污染，则p＜1;如果土壤受到重金属元素i的污染，则p＞1，p的值越大，表明所受到的污染越严重。

(4)评价结果。从表1可知:沪宁高速马群段两侧土壤中重金属含量的检测结果与土壤背景值的比较发现，除Cr以外，其余4种重金属元素Cd、Ni、Pb、Zn在不同的采样点均有不同程度的超标。其中，Cd的最大污染指数在离公路中心线10 m处达到11.0，污染程度严重;Pb在离公路中心线10 m处达到轻度污染;Zn在离公路中心线10 m处达到中度污染，在离中心线100 m处达到轻度污染;Ni的污染程度最重，在离公路中心线120 m范围均存在不同程度的污染，在离公路中心线10 m处污染指数达到21.9，达到重度污染，在离公路中心线20 m处污染指数达16.7，也存在重度污染。

3 结论

通过对沪宁高速公路南京段马群立交西侧土壤中重金属元素Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的水平分布特征的研究发现:各重金属污染物随水平距离的增加而呈现降低的整体趋势;在10～40 m范围内，Cr、Pb和Zn的降低趋势最为明显。此种趋势可能是因为公路在运营期间，汽车尾气中微粒在路面的降落，汽车燃油在路面上的滴漏及轮胎与路面的磨损物等，通过降雨冲刷并在两侧土壤中沉积、富集，同时地表和地下径流对污染物的输送造成的。在所观测的元素中，Cd的含量水平总体较低，说明受到公路运营的影响较小;Ni元素的含量在整个水平方向上的起伏较大，规律性不明显，但其在距离公路中心线10～40 m范围内的含量较大且随距离的增加浓度减小。在距离道路中心线80～120 m范围内，测定的各元素含量的规律性不太明显，均有小幅的波动;说明在此距离范围内，公路运营对公路两侧土壤中重金属含量的影响较小，这与Marcel［13－15］等通过对公路周围环境中的重金属测定结果相类似，Marcel发现污染物主要沉降在距路边30 m之内。

通过对这些重金属进行质量安全评价表明:Cd、Ni、Pb和Zn在不同的采样点均有不同程度的超标。Ni最为严重，其最大污染系数达21.9;Cd次之，最大污染系数达11;污染程度由高到低依次Zn、Pb和Cr;其中Cr基本上不存在污染。这些重金属污染物均与汽车交通及路面材料有关，如Pb主要来自于汽车燃料燃烧后排放的尾气，Zn主要来自于汽车轮胎的磨损颗粒，汽车排放的重金属颗粒粒径极小 (0.01～0.3 μm)，吸附性极强，这些重金属一般都以吸附于颗粒表面的形式存在于地表沉积物中，而在雨天时，又依附在沉积物上随路面径流迁移至地表水体，从而引起土壤的重金属污染。

以上的研究结果表明，若要在公路两侧种植农作物，必须离公路中心线至少80 m，否则将对农作物的生长有较大的影响，引发食品安全问题。在减少 (防治)公路两侧土壤污染的措施方面，一是可考虑种植一些吸附 (收)Ni、Pb和Zn元素较强的植物，并进行合理配置。二是通过改变路面材料来减少Ni、Pb和Zn等重金属的浓度。

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