公路旁土壤重金属空间分布及其与理化性质的关系

李仰征+莫世江+马建华

摘要：为了探讨公路旁土壤重金属元素的水平与垂直分布特点及土壤理化性质与其关系，为土壤修复提供参考，采用标准方法测定重金属含量和土壤理化性质，应用SPSS 10.0、CorelDRAW12等软件进行数据统计与作图研究土壤重金属空间分布与理化性质的关联性。结果表明，土壤重金属水平方向分布总体表现为靠近公路区域积累较强。垂直方向分布表现为表层富集明显，但是没有随剖面深度的加大而逐渐线性降低，这可能是农耕深翻、降水淋溶和土壤性质等多因素共同造成的。对于土壤重金属，pH与它们的关系最为密切（Cu与Cr除外），其次是CEC和黏粒含量，密切程度最差的是SOC（Pb除外）。

关键词：公路旁土壤；重金属；空间分布；灰色关联

中图分类号：S151.9；X131.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）03-0527-05

土壤是重要的农业资源，也是污染物重要的汇集地。公路运营、农药与肥料的使用、污水灌溉和工业“三废”排放均能造成土壤受到重金属污染[1-3]。除此以外，土地利用方式[4]、重金属形态特征[5]、土壤理化性质[6，7]都对它的迁移和固化过程有重要影响。虽然以公路旁土壤为载体的研究不少[8，9]，但专门探讨公路旁土壤重金属空间分布与理化性质关系的研究却较少[10，11]。因此，研究土壤重金属分布特点与土壤理化性质及周围环境的关系，可为土壤修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样区概况

采样路段位于连霍高速郑汴间中牟段（1994年通车，车流量大），属暖温带大陆性季风气候：年均气温14.4 ℃，年降水量616 mm，平均风速3.0～3.5 m/s。成土母质为黄河冲积物，以沙质土为主。农作物有小麦、花生、棉花等，主要施用碳酸氢铵、磷肥和农家肥等。样区周围10 km内无“三废”排放企业，3 km内无乡镇等人口稠密的居民点。农田灌溉均取自地下水，无污水灌溉现象。

1.2 样品采集、处理及测定

前人研究表明，在靠近公路的100 m范围内土壤受污染程度较为严重。本研究按距离路基0、5、15、25、35、50、75、100、200、300和1 000m布点（1 000 m样点为对照点），共布设3个断面（图1，分别为万胜、卢岗和林场断面，彼此间距在4 km以上）。按梅花形布点和四分法取样，共采集33个表层土样。在距离路基30 m处挖掘剖面，采集9个土壤剖面样品。经自然风干、研磨、过筛后装袋备用。土壤重金属均为彻底破坏矿物晶格的总量，试剂为优级纯，用水为去离子水，原子吸收光谱仪为AA-6601F型（日本岛津）。酸度计为PHS-3B型（上海）、重铬酸钾容量法（外加热）测有机碳、PD型颗粒分析仪（成都）测土壤机械组成、醋酸铵法测阳离子交换量[12]。

2 结果与分析

2.1 3个断面各表层土样6种重金属含量水平分布特征

由图2可知，3个断面各表层土样6种重金属含量在距路基0或5 m处均有一个较高值（林场的Cr和Cu例外），这是因为无铅汽油燃烧尾气颗粒物中仍含有铅、镍、镉等多种元素[13]，含有多种重金属的轮胎和筑路材料的磨损颗粒以及运输物品的泄漏均以各种形式颗粒存在于路表，由于路面径流或人为清扫，这些颗粒物质便排放到路基附近，因此导致距离公路较近地域的各种重金属元素都相对较高。

其次，随着离路基距离的增大，各曲线均没有呈现出简单的下降趋势。这是因为汽车尾气中重金属元素是依赖颗粒大小不同粉尘的吸附作用而得以扩散。而且不同重金属元素或是同一重金属元素在不同粒径粉尘中的吸附效果并不一致[14]。依据大气污染物中的连续点源扩散模式[15]，这些粉尘除粒径极小的部分直接逸散到大气中以外，其他大部分均在高速公路两侧发生沉降，并且在远离路基的某一距离范围内出现沉降浓度最大区域。如万胜的Cd（距路基75 m处）、Ni（距路基50 m处）、Pb（距路基75 m处）、Zn（距路基200 m处）、Cr（距路基200 m处）在远离路基处出现了污染峰值点。

各断面大部分元素在出现峰值（带）后，曲线总体上呈现出较为明显的下降趋势（以万胜的Cd、Pb和卢岗的Zn、Ni、Pb、Cu和林场的Pb、Cd、Zn、Ni曲线最为明显）。但是，万胜和林场断面的Cu在1 000 m对照点的含量并没有明显低于整个断面有些更靠近公路样点的含量，这表明公路运营并不是造成路旁土壤出现重金属污染的惟一原因。前人研究表明有机肥的施用可使农田土壤含铜量大幅度提高[16，17]。因此，公路运营、施肥及土壤背景都可对重金属累积产生影响。

2.2 土壤重金属含量垂直分布特征

剖面设计规格为80 cm×150 cm×100 cm，并根据土壤颜色、结构和质地等外部形态划分土层。但由于黄河在其下游表现为地上悬河（导致两侧区域地下水位高），考虑到地下水对土壤重金属迁移的影响，3个剖面均挖到地下水浸出为止，如林场剖面深度只有30 cm，土壤剖面不同深度重金属含量见表1。鉴于林场与万胜剖面挖掘较浅，土壤分层有限，因此主要分析卢岗剖面重金属垂直分布规律（图3）。由图3可知，卢岗剖面土壤重金属表层富集十分明显，其他两剖面也有类似特点（林场的Cd和万胜的Ni例外）。在未受人为干扰的土壤剖面中，一般是随着深度的增加重金属含量逐渐减少。这主要是进入土壤的重金属受到土壤胶体的吸附、代换、络合和螯合作用，大部分被固定在表层中。Scheetz[18]对位于美国某狩猎场土壤研究发现，由于受到有机质的吸附，Pb在垂直方向的迁移能力较弱。但是，图3中重金属含量并没有随剖面深度加大逐渐线性降低，表现在土层Plg-3时，6种元素下降趋势停止，并出现了“反弹”，到Plg-4时又表现出明显的下降趋势（表1中万胜的Cd和Cr也有此现象，但该断面其他元素不明显）。前人研究发现，在农业活动[19]、降水淋溶[20]、植物根系作用[21]、动物活动和土壤理化性质等条件影响下，随着深度的增加重金属含量减少这种规律可发生改变。

卢岗剖面“反弹”现象的出现，很可能也与上述原因有关。耕作农田土壤逐年深翻以及淋溶作用，导致了近地表层土壤中的重金属垂直方向发生了较强的迁移。在野外挖掘到Plg-3深度（犁底层）时发现土壤呈胶泥态的片状结构（黏粒含量达173.956 g/kg，为整个剖面的最大值），这可能阻碍了重金属的进一步下移，以致于表层重金属元素无法下移至Plg-4深度，并在Plg-3深度附近出现了富集。陈怀满[22]也指出，土壤质地越黏重，它对进入土壤中重金属的持留性就越大。所以，卢岗剖面重金属垂直分布中的“反弹”现象，是农耕深翻、降水淋溶和土壤性质等多因素共同造成的，其中土壤质地对“反弹”现象影响最大。

2.3 3个断面各样点土壤理化指标及其与重金属的灰色关联分析

土壤中重金属迁移与富集受多种因素的影响，其中土壤有机碳含量（SOC）、阳离子交换量（CEC）、pH和黏粒含量等理化性质是重要的影响因素。传统的分析是相关分析，但在相关分析中因素y对x的相关程度与因素x对y的相关程度相等，其实是与实际情况不太相符的[23]。由于自然现象与问题的复杂性，传统的相关分析方法对数据变化的灵敏度高，有可能出现反常的结论[24]。而灰色系统理论的关联度分析能分析各变量之间相关关系的紧密程度，并可以对这种程度的亲疏进行排序。分别以6种重金属元素作为母序列，表2中4种土壤指标作为子序列，经过原始数据变换、计算绝对差和关联系数，得到了每种重金属元素与各理化指标的灰色关联度（表3）。

由表3可以看出，pH与Zn、Ni、Cd和Pb的关联度高，表明在这4个土壤理化指标当中，pH与这4种元素关系最为密切。这是因为它的变化会导致土壤胶体总电荷发生变化，其吸附阳离子的能力也发生变化。钟晓兰等[25]认为pH与土壤胶体（黏粒、有机质和铁锰氧化物等）对重金属的吸附能力呈现出很好的相关性。Bang[26]研究发现，当pH大于5时Cu、Pb和Cr的移动性仍将保持在一个较低的水平。

CEC与Cu、Cr的关系密切（其他4种重金属均与pH关联度高），这是因为CEC反映了土壤负电荷量的多少，其大小可表示土壤保蓄能力的高低，因此它对重金属元素的累积有着重要影响。黏粒与重金属关系较弱可能是样区主要为沙质土壤，淋溶作用导致表层富集的重金属迁移能力较强。有学者对同处黄河下游某地研究表明，土壤沙粒含量与重金属含量有极显著的负相关关系[27]。

相对于其他理化指标，SOC总体上与6种重金属的关系都较为疏远。张剑等[28]研究表明，土壤中各种有机碳都有季节性变化特点，且基本上都是冬季处于四季中的最低值。表3中SOC与6种重金属的关联度不理想，可能是与此有关。因为冬季微生物活性和数量都处于较低值，植物基本停止生长，凋落物分解缓慢，再加上大部分样点集中在农田，冬季土地赋闲、土壤有机肥料得不到补充，所以这些原因共同导致了土壤有机碳和6种重金属的关联度均较低。

3 小结与讨论

路旁土壤出现了不同程度的重金属积累。公路运营并不是造成路旁土壤出现重金属污染的惟一原因。土壤重金属水平方向分布总体表现为靠近公路区域积累程度较强。垂直方向分布总体表现为表层富集明显，但其含量并没有随剖面深度的加大而逐渐线性降低。在典型剖面土层Plg-3出现了“反弹”，它是农耕深翻、降水淋溶和土壤性质等多因素共同造成的，其中该剖面土壤质地对这一现象影响最大。对于这6种土壤重金属来说，总体上pH与它们的关系最为密切，其次是CEC和黏粒含量，密切程度最差的是SOC。分析是建立在重金属元素总量基础上的，并没有测试其不同形态的含量及分布特点。氧化还原电位、不同类型有机质、电导率和土壤动物等其他要素与其关系并没有涉及。

参考文献：

[1] BJORN K，GERD W.Heavy metal pattern and solute concentration in soils along the oldest highway of the world the AVUS Autobahn[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2012， 184（11）：6469-6481.

[2] 杨海征，胡红青，黄巧云，等.堆肥对重金属污染土壤Cu、Cd形态变化的影响[J].环境科学学报，2009，29（9）：1842-1848.

[3] 刘小林.矿区水稻土壤重金属污染及其施肥调控技术[J].湖北农业科学，2010，49（2）：487-490.

[4] TRUONG P N V， FOONG Y K，GUTHRIE M， et al. Phytoremediation of heavy metal contaminated soils and water using vetiver grass[J]. Environmental Bioengineering，2010，11：233-275.

[5] SAURAV K，KANNABIRAN K. Biosorption of Cr（Ⅲ） and Cr（Ⅵ） by Streptomyces VITSVK9 spp.[J]. Annals of Microbiology，2011， 61（4）：833-841.

[6] ISLAM K R，AHSAN S，BARIK K，et al.Biosolid impact on heavy metal accumulation and lability in Soiln under alternate-year no-till corn-soybean rotation[J]. Water，Air and Soil Pollution，2013，224（2）：1451-1455.

[7] 郑顺安，郑向群，李晓辰，等.外源Cr（Ⅲ）在我国22种典型土壤中的老化特征及关键影响因子研究[J].环境科学，2013，34（2）：698-704.

[8] NAZZAL Y，ROSEN M A，ABDULLA M.Assessment of metal pollution in urban road dusts from selected highways of the Greater Toronta Area in Canada[J].Environmental Monitoring and Assessment，2013，185（2）：1847-1858.

[9] 李仰征，马建华.高速公路旁土壤重金属污染及不同林带防护效应比较[J].水土保持学报，2011，25（1）：105-109.

[10] 叶华香，张思冲，辛 蕊，等.哈尔滨市郊菜地土壤重金属及土壤理化性质[J].中国农学通报，2011，27（2）：162-166.

[11] 张 腾，周 童，周 琳，等.湖北房县烟区土壤重金属含量状况及其与土壤肥力的关系[J].山西农业科学，2012，40（11）：1195-1199.

[12] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科学技术出版社，1999.106-226.

[13] 徐晓辉，袁 东，叶舜华.无铅汽油车排出颗粒物组分分析[J].中国卫生工程学，2003，2（1）：1-3.

[14] 王章玮，张晓山，张 逸，等.汞在不同粒径大气颗粒物中的分布[J].环境化学，2005，24（1）：72-75.

[15] 刘培桐，薛纪渝，王华东.环境学概论[M].北京：高等教育出版社，1995.4-6，46-51.

[16] BESNARD E， CHENU C， ROBERT M.Influence of organic amendments on copper distribution among particle-size and density fractions in Champagne vineyard soils[J].Environmental Pollution，2001，112：329-337.

[17] 张庆利，史学正，黄 标，等.南京城郊蔬菜基地土壤有效态铅锌铜和镉空间分异及其驱动因子研究[J].土壤，2005，37（1）：41-47.

[18] SCHEETZ C D. Dissolution， transport and fate of lead on shooting ranges [D].Blacksburg Virginia， USA： Virginia Polytechnic Institute and State University， 2004.

[19] 阮心玲，张甘霖，赵玉国，等.基于高密度采样的土壤重金属分布特征及迁移速率[J].环境科学，2006，27（5）：1020-1025.

[20] 白 梅，铁柏清，尹 倩.降雨对土壤中重金属淋失的影响[J].环境科学与技术，2010，33（12F）：80-82.

[21] 陈 苏，孙铁珩，孙丽娜，等.Cd2+、Pb2+在根际和非根际土壤中的吸附-解吸行为[J].环境科学，2007，28（4）：843-846.

[22] 陈怀满.环境土壤学[M].北京：科学出版社，2005.

[23] 徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京：高等教育出版社，2002.84-93，338-342.

[24] 邓聚龙.灰色系统理论[M].武汉：华中科技大学出版社，2005. 5-6.

[25] 钟晓兰，周生路，赵其国.土壤重金属的形态分布特征及其影响因素[J].生态环境，2009，18（4）：1266-1273.

[26] BANG J S. Dissolution of soil heavy metal contaminants as affected by pH and redox potential [D].Raleigh， North Carolina， USA： The Graduate Faculty of North Carolina State University，2002.

[27] 张金萍，张保华，秦耀辰.土壤重金属复合污染及其影响因素分析[J].河南大学学报（自然科学版），2009：39（6）：613-616.

[28] 张 剑，汪思龙，王清奎，等.不同森林植被下土壤活性有机碳含量及其季节变化[J].中国生态农业学报，2009，17（1）：41-47.

[8] NAZZAL Y，ROSEN M A，ABDULLA M.Assessment of metal pollution in urban road dusts from selected highways of the Greater Toronta Area in Canada[J].Environmental Monitoring and Assessment，2013，185（2）：1847-1858.

[9] 李仰征，马建华.高速公路旁土壤重金属污染及不同林带防护效应比较[J].水土保持学报，2011，25（1）：105-109.

[10] 叶华香，张思冲，辛 蕊，等.哈尔滨市郊菜地土壤重金属及土壤理化性质[J].中国农学通报，2011，27（2）：162-166.

[11] 张 腾，周 童，周 琳，等.湖北房县烟区土壤重金属含量状况及其与土壤肥力的关系[J].山西农业科学，2012，40（11）：1195-1199.

[12] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科学技术出版社，1999.106-226.

[13] 徐晓辉，袁 东，叶舜华.无铅汽油车排出颗粒物组分分析[J].中国卫生工程学，2003，2（1）：1-3.

[14] 王章玮，张晓山，张 逸，等.汞在不同粒径大气颗粒物中的分布[J].环境化学，2005，24（1）：72-75.

[15] 刘培桐，薛纪渝，王华东.环境学概论[M].北京：高等教育出版社，1995.4-6，46-51.

[16] BESNARD E， CHENU C， ROBERT M.Influence of organic amendments on copper distribution among particle-size and density fractions in Champagne vineyard soils[J].Environmental Pollution，2001，112：329-337.

[17] 张庆利，史学正，黄 标，等.南京城郊蔬菜基地土壤有效态铅锌铜和镉空间分异及其驱动因子研究[J].土壤，2005，37（1）：41-47.

[18] SCHEETZ C D. Dissolution， transport and fate of lead on shooting ranges [D].Blacksburg Virginia， USA： Virginia Polytechnic Institute and State University， 2004.

[19] 阮心玲，张甘霖，赵玉国，等.基于高密度采样的土壤重金属分布特征及迁移速率[J].环境科学，2006，27（5）：1020-1025.

[20] 白 梅，铁柏清，尹 倩.降雨对土壤中重金属淋失的影响[J].环境科学与技术，2010，33（12F）：80-82.

[21] 陈 苏，孙铁珩，孙丽娜，等.Cd2+、Pb2+在根际和非根际土壤中的吸附-解吸行为[J].环境科学，2007，28（4）：843-846.

[22] 陈怀满.环境土壤学[M].北京：科学出版社，2005.

[23] 徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京：高等教育出版社，2002.84-93，338-342.

[24] 邓聚龙.灰色系统理论[M].武汉：华中科技大学出版社，2005. 5-6.

[25] 钟晓兰，周生路，赵其国.土壤重金属的形态分布特征及其影响因素[J].生态环境，2009，18（4）：1266-1273.

[26] BANG J S. Dissolution of soil heavy metal contaminants as affected by pH and redox potential [D].Raleigh， North Carolina， USA： The Graduate Faculty of North Carolina State University，2002.

[27] 张金萍，张保华，秦耀辰.土壤重金属复合污染及其影响因素分析[J].河南大学学报（自然科学版），2009：39（6）：613-616.

[28] 张 剑，汪思龙，王清奎，等.不同森林植被下土壤活性有机碳含量及其季节变化[J].中国生态农业学报，2009，17（1）：41-47.

[8] NAZZAL Y，ROSEN M A，ABDULLA M.Assessment of metal pollution in urban road dusts from selected highways of the Greater Toronta Area in Canada[J].Environmental Monitoring and Assessment，2013，185（2）：1847-1858.

[9] 李仰征，马建华.高速公路旁土壤重金属污染及不同林带防护效应比较[J].水土保持学报，2011，25（1）：105-109.

[10] 叶华香，张思冲，辛 蕊，等.哈尔滨市郊菜地土壤重金属及土壤理化性质[J].中国农学通报，2011，27（2）：162-166.

[11] 张 腾，周 童，周 琳，等.湖北房县烟区土壤重金属含量状况及其与土壤肥力的关系[J].山西农业科学，2012，40（11）：1195-1199.

[12] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科学技术出版社，1999.106-226.

[13] 徐晓辉，袁 东，叶舜华.无铅汽油车排出颗粒物组分分析[J].中国卫生工程学，2003，2（1）：1-3.

[14] 王章玮，张晓山，张 逸，等.汞在不同粒径大气颗粒物中的分布[J].环境化学，2005，24（1）：72-75.

[15] 刘培桐，薛纪渝，王华东.环境学概论[M].北京：高等教育出版社，1995.4-6，46-51.

[16] BESNARD E， CHENU C， ROBERT M.Influence of organic amendments on copper distribution among particle-size and density fractions in Champagne vineyard soils[J].Environmental Pollution，2001，112：329-337.

[17] 张庆利，史学正，黄 标，等.南京城郊蔬菜基地土壤有效态铅锌铜和镉空间分异及其驱动因子研究[J].土壤，2005，37（1）：41-47.

[18] SCHEETZ C D. Dissolution， transport and fate of lead on shooting ranges [D].Blacksburg Virginia， USA： Virginia Polytechnic Institute and State University， 2004.

[19] 阮心玲，张甘霖，赵玉国，等.基于高密度采样的土壤重金属分布特征及迁移速率[J].环境科学，2006，27（5）：1020-1025.

[20] 白 梅，铁柏清，尹 倩.降雨对土壤中重金属淋失的影响[J].环境科学与技术，2010，33（12F）：80-82.

[21] 陈 苏，孙铁珩，孙丽娜，等.Cd2+、Pb2+在根际和非根际土壤中的吸附-解吸行为[J].环境科学，2007，28（4）：843-846.

[22] 陈怀满.环境土壤学[M].北京：科学出版社，2005.

[23] 徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京：高等教育出版社，2002.84-93，338-342.

[24] 邓聚龙.灰色系统理论[M].武汉：华中科技大学出版社，2005. 5-6.

[25] 钟晓兰，周生路，赵其国.土壤重金属的形态分布特征及其影响因素[J].生态环境，2009，18（4）：1266-1273.

[26] BANG J S. Dissolution of soil heavy metal contaminants as affected by pH and redox potential [D].Raleigh， North Carolina， USA： The Graduate Faculty of North Carolina State University，2002.

[27] 张金萍，张保华，秦耀辰.土壤重金属复合污染及其影响因素分析[J].河南大学学报（自然科学版），2009：39（6）：613-616.

[28] 张 剑，汪思龙，王清奎，等.不同森林植被下土壤活性有机碳含量及其季节变化[J].中国生态农业学报，2009，17（1）：41-47.