环鄱阳湖区高速公路周边土壤重金属特征分析

吴 刚，郑明新

（华东交通大学道桥与岩土工程研究所，江西南昌330013）

1 采样中心概况

鄱阳湖区位于长江中下游的南岸，跨长江中下游平原及华东南地区丘陵两大地貌单元。湖区地势低平，四周山丘环绕，在九江、湖口间向北开敞。地貌形态多样，有山、丘、岗地、平原4个类型，其中平原及岗地分布面积较大，一共占全区总面积的61.9%，为区内的主要地貌地形。鄱阳湖区土壤母质以第四纪红色黏土为主，土壤为红壤及水稻土[1]。鄱阳湖周边有昌九高速、南昌绕城高速、昌樟高速、生厚高速、梨温高速、景鹰高速、九景高速及彭湖高速8条高速公路。其中昌九高速、南昌东绕城高速、梨温高速、景鹰高速、九景高速5条高速公路形成环绕鄱阳湖的一个环形高速公路圈，本次试验选取高速公路圈沿线不同方位的7个采样中心点进行土壤采样，如图1所示。

2 研究方法

2.1 土样采集地点和位置

本次试验只研究道路交通环境（即行驶车辆尾气排放的重金属）对道路周边土壤的影响，所选采样中心点的布设应远离明显的其他干扰因子，如工厂、垃圾场、排污口、居民区等，从高速公路圈沿线不同方位各选取一到两个适合取土的采样中心，从而研究环鄱阳湖区不同方位的高速周边地区重金属含量差异。

从每个采样中心点向高速公路一侧布设各5个采样点。采用点距道路边际的距离分别为1，10，20，30，50 m。每个采样点在1 m2范围内，以梅花形采集5个0～10 cm土壤表层样本。采集的土样应用原子吸收分光光度计测定来测定Cd，Cr，Cu，Mn，Pb，Zn的含量。

图1 土壤采样中心位置图Fig.1 Map of soil sampling location

2.2 土壤评价标准

采用国家环境质量标准中I类土壤环境质量标准，I类为主要适用于国家规定的自然保护区（原有背景重金属含量高的除外）、集中式生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤，土壤质量基本上保持自然背景水平，土壤质量对植物和环境不造成危害和污染。参照江西省土壤环境背景值[2]，江西省中北部地区pH值为5.5～6.2。参照GB15618-1994《土壤环境质量标准》中的一级标准中的pH值小于6.5的I类土壤环境质量标准为：Cu≤35mg·kg-1、Zn≤100mg·kg-1、Pb≤35mg·kg-1、Cd≤0.2mg·kg-1、Cr≤90mg·kg-1。

2.3 污染程度评价方法

采用内梅罗综合污染指数法[3]对高速周边土壤进行评价，这种方法同时兼顾了单项污染指数的平均值和综合污染指数，既能反映土壤中单项重金属污染程度，也能较全面地反映土壤样本的总体质量。

首先计算各个重金属元素的污染分指数，Ii=Ci/Si，式中：Ii为土壤中第i种污染物的污染分指数；Ci为土壤中第i种污染物实测含量；Si为第i种污染物在中国家土壤环境质量标准I类土壤含量。然后计算内梅罗综合污染指数，I={[average(Ci/Si)2+max(Ci/Si)2]/2}12式中，I为土壤重金属综合污染指数，average（Ci/S）i为土壤各重金属污染分指数的平均值，max（Ci/S）i为土壤重金属污染指数中最大的污染指数。污染程度的分级按照土壤环境监测技术规范（HJ/T166-2004），基于土壤内梅罗综合污染指数分为5个级别，见表1。

2.4 土壤重金属潜在生态危害指数法

为了确定鄱阳湖周边高速公路沿线土壤重金属可能存在的生态危害效应和反映特定区域的特殊性，本研究应用Hakanson潜在生态危害指数法[4-6]，以国家环境质量标准中I类土壤环境质量标准作为参比值对阳湖周边高速公路沿线土壤重金属潜在的生态风险进行评价。

某类重金属的潜在生态危害系数Ei的计算公式为：Ei=Ti×Ci，式中：Ci为重金属污染分指数；Ti为重金属的毒性系数（Cd=30，Cu=5，Pb=5，Cr=2，Zn=1）[7-8]。区域内多种重金属的潜在生态危害指数 RI=∑Ei。

根据Ei和RI的值，参照土壤中重金属潜在危害系数、生态危害指数与污染程度的关系（见表2），得出潜在重金属生态危害。

表1 内梅罗综合污染等级划分标准Tab.1 Classification standards of N.L.Newerow integrated pollution level

表2 土壤重金属潜在生态危害等级划分标准Tab.2 Grading classification standards of soil potential ecological risk of heavy metals

3 结果与分析

3.1 不同采样中心重金属分布特征

对各个采样中心重金属含量分布结果（见表3）进行对比可以得出，环鄱阳湖区道路边际表层土壤的重金属含量湖区西南部略大于东北部。各中心重金属含量排序（见图2）为：C＞D＞E＞B＞A＞F＞G。其中G点为西北部鄱阳湖自然保护区[9]，人口稀少、交通量较小地区道路边际重金属浓度最低；C点距离南昌市、抚州市较近，属于人口密集区，道路密度和交通量较大，重金属浓度较高[10]。各采样中心综合污染指数计算结果（见表4）表明：A点、B点、F点和G点综合污染程度为警戒线范围，大小分别为0.89，0.91，0.85和0.81；C点、D点和E点综合污染程度为轻污染范围，大小分别为1.26，1.24，1.16。应注意加强对C点、D点和E点道路周边区域土壤重金属含量控制。

图2 重金属含量分布规律图Fig.2 Distribution of heavy metals

表3 采样中心重金属含量分布表Tab.3 Distribution of the content of heavy metals in the central sampling location

表4 采样中心重金属污染指数分布表Tab.4 Pollution index of heavy metal in the central sampling location

3.2 不同重金属含量特征及与当地背景值对比

不同重金属在土壤含量分布大小排序（见表3）为：Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd，分别与选取采样地区土壤环境背景值的5个参数[2]进行综合分析，分别包括采样地区：中小地形、行政区划、成土母岩与母质、土地利用情况和植被情况。对不同参数下的土壤环境背景值进行分析，得出采样地区不同重金属含量的综合值和比值。以A点为例，采样地区Cu，Pb，Zn，Cd，Cr综合背景值（见表5）分别为17.93，33.22，69.35，0.10，47.04，实测值与综合背景值比值分别为1.79，0.93，1.24，2.30，1.47，除Pb外其余4种重金属均超过当地背景。其他6个采样中心的金属实测值与背景值比值范围如下：Cu：1.32～1.67，Pb：0.95～1.19，Zn：1.07～1.35，Cd：1.33～2.08，Cr：1.06～1.21。Zn，Cr，Cu略高于当地土壤环境背景综合值，Cd超出当地土壤环境背景综合值较多，某些地区高达2倍多。

重金属平均浓度与国家土壤环境质量标准I级标准相比，Zn，Cr，Cu，Pb都没超过上限值，污染指数平均值（见表4）分别为0.92，0.89，0.88，0.64，污染水平属于清洁范围。但Cd污染较为严重，污染指数达到1.34，属于轻度受污染范围，污染指数计算结果与实测、背景两值比较结果相吻合。

表5 A点土壤环境背景值及综合值Tab.5 Background and comprehensive value of soil environmental at PointA mg·kg-1

3.3 不同重金属的含量横向空间变化规律

本次实验只研究地表（0～10 cm）重金属含量，故只考虑横向空间重金属含量变化规律，不考虑纵向空间的变化规律。从采样中心中取出A点为例，从土壤重金属含量统计值（见表6）和重金属横向空间变化规律图（见图3）中的变化趋势可以明显看出，土壤中Cu，Cr，Pb，Cd的含量在距离道路1～20 m时呈上升趋势，在20 m处达到最高值，而后在20～50 m处呈微弱下降趋势，在50 m处含量达到最低值。土壤中Zn的含量在距离道路1～10 m时呈上升趋势，在10 m处达到最高值，而后在10～50 m处呈微弱下降趋势，在50 m处含量达到最低值（见图3）。

图3 A点重金属含量变化规律图Fig.3 Variation of the content of heavy metals at pointA

表6 A点土壤重金属含量统计值Tab.6 Statistics of heavy metal content at PointA

3.4 土壤重金属潜在生态风险评价

采样中心潜在生态危害指数计算结果（见表7）表明，以国家环境质量标准中I类土壤环境质量标准作为参照值时，环鄱阳湖区高速周边土壤重金属潜在生态危害指数（RI）在34.47～56.18之间，平均值为47.43，为轻微生态危害程度，各采样中心潜在生态危害指数大小排序为：C＞D＞E＞B＞A＞F＞G。对不同重金属潜在危害指数大小进行排序可得：Cd＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其中Cd离子指数最大，为36.24；Zn离子指数最小，为0.88。Cd为生物非必要元素，具有较大毒性，应注意对道路边际土壤中Cd离子浓度的控制[11]。

4 主要结论

通过对环鄱阳湖区道路边际表层土壤的重金属含量的调查（这里主要考虑道路车辆尾气排放的影响），初步可以得到：

1）重金属含量从湖区西南部略大于湖区东北部。其中在距离南昌市较近的西南区域高速交通量大，重金属含量最高，综合污染指数和潜在生态危害指数最大，分别为1.26和56.18，综合污染程度和潜在生态危害程度评价分别达到轻污染和轻微污染；而湖区西北部为鄱阳湖自然保护区，生态环境较好，人口密度低，交通量较小，重金属含量最低，综合污染指数和潜在生态危害指数最小，分别为0.81和47.43，综合污染程度和潜在生态危害程度评价分别为警戒线和轻微污染。

2）在同一采样中心，不同采样点距路面的横向距离不同，各点重金属含量表现出一定的变化规律，即Cu，Cr，Pb，Cd的含量在距离道路1～20 m时呈上升趋势，在20 m处达到最高值，而后20～50 m范围呈微弱下降趋势。土壤中Zn的含量在距离道路1～10 m时呈上升趋势，在10 m处达到最高值，而后10～50 m范围呈微弱下降趋势。

3）在同一采样点，不同重金属在土壤中的含量不同，五种元素的平均含量大小依次为：Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd，其中Zn，Cr，Cu略高于当地土壤环境背景综合值，分别为1.07～1.35倍、1.06～1.21倍和1.32～1.67倍。Cd的含量高出当地土壤环境背景综合值1.33～2.08倍。有关部门应加强对道路周边土壤重金属含量的控制，保证道路周边居民的生活、生产安全。

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