氯盐类融雪剂对路域植物和土壤的影响研究

单丽岩，田　霜，胡　清

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090;2.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090;3.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)



氯盐类融雪剂对路域植物和土壤的影响研究

单丽岩1,2，田霜2，胡清3

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090;2.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090;3.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

摘要：氯盐类融雪剂的使用对环境造成了严重危害，采用苗圃模拟法进行了氯盐类融雪剂对路域植物和土壤的影响试验研究。通过连续记录植物形态学特征以及对植物和土壤生理生化指标的测定，从而反映机体对逆境的响应与变化过程，深入了解融雪剂对植物和土壤的毒害发生机制。试验结果表明：随着氯盐类融雪剂喷洒次数的增加，植物中Cl-含量逐渐增加，植株发展表现为形态健康、亚致死效应、致死效应；对于所选的3种供试植物，草皮受氯盐类融雪剂的影响最大，紫薇其次，刺柏最小；随着氯盐类融雪剂喷洒次数的增加，土壤中Cl-含量、水溶性盐含量逐渐增加，pH值逐渐降低；植物和土壤中阳离子含量未呈现显著的规律性；植物形态的变化与植物和土壤中Cl-含量变化表现出一致性，结合植物生长条件和地面水环境《地表水环境质量标准》的规定，确定了植物和土壤中Cl-含量的临界值。

关键词：氯盐类融雪剂；路域植物；土壤；苗圃模拟法；形态学；Cl-含量

路面积雪、结冰阻碍了正常的交通运输和行车安全，同时给国家或个人造成巨大的经济损失[1-2]。道路除雪化冰的方法中，撒布融雪剂以其价格低廉、化雪迅速、操作简便、可提前布撒等优点成为我国道路除冰融雪的主要方式。近年来，氯盐类融雪剂的大量使用给环境造成了极大的危害，也引起了人们的广泛关注[3-4]。在对融雪剂生态环境影响研究方面，国内外学者大多关注于城市基础设施、土壤[5-6]、水体[7-9]、生物[10-12]等单一环境介质，且主要基于野外的观测试验，并取得了一定的成果，但针对不同融雪剂种类及用量条件下的环境作用机理及影响程度方面还缺乏定量研究。因此，本文从苗圃模拟法角度进行了不同氯盐类融雪剂对路域生态植物和土壤的污染过程的定量研究，并合理确定氯盐类融雪剂在植物和土壤中的安全浓度阙值，以期为环境影响评价指标及评价标准[13-16]、氯盐类融雪剂的规范使用及其危害防治技术等方面提供科学依据。

1材料与方法

本试验采用不同氯盐类融雪剂对三种公路绿化常用植物在苗圃环境中的污染过程进行了研究，该过程中连续观察记录并详述植物形态学特征变化，并对生长环境中的植物和土壤生理生化指标进行测定。

1.1试验材料

道路用氯盐类融雪剂分为A和B，其主要成分见表1。

表1　氯盐类融雪剂的主要成分

供试植物为刺柏、紫薇和草皮，分别用a、b、c表示，详见图1。

图1　供试植物Fig.1　Test plants

将每种供试植物的15株均随机分为甲、乙、丙组，分别为空白对照组、A类融雪剂试验组、B类融雪剂试验组，每组设5株重复。将氯盐类融雪剂用蒸馏水配制成浓度为100g/L的溶液，以每平方米0.5L作为标准，确定单次每株植物浇灌量。对乙、丙组植物在地表以上的植株体的根部浇灌融雪剂溶液，浇灌时间为每天浇灌1次，在整个试验周期内共浇灌9次；甲组浇灌等体积的蒸馏水作对照。

1.2试验方案

在未施用融雪剂溶液前采集1次样本，作为第1次取样；此后每隔3d采集1次样本，共采集3次，作为第2、3、4次取样。试验均取三份平行试样的平均值作为最终结果。

1.2.1植物样本试验方法

植物样品采样时分别对3组每种植物材料全株随机采集叶片，分别装入带编号的自封袋内密封，4℃以下冷藏保存。

(1) 植物形态的记录：在试验全程中，连续考察各组试验前后供试植物的形态变化。植物形态学特征观察主要为叶片，通过目视、触摸等方法判断其颜色、质地等反映形态健康水平的特征。当供试植株叶片2/3变黄时，记录该个体死亡。

(2) 离子含量的测定：试验对植物样品消解处理后采用离子色谱仪测定其Cl-含量，并采用ICP-AES测定其Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量。

1.2.2土壤样本试验方法

土壤样品采样时分别取3组每种植物根部区的土壤，分为地表、地下15cm的土两种。每份土样取50g左右，分别装入带编号的铝盒内，并将所取土壤样品(不包括水溶性盐试验土壤样品)置于105℃±5℃烘箱中烘干至恒重，用玛瑙研钵磨细，过2mm筛后备用。

(1) 离子含量的测定：试验对土壤样品消解处理后采用离子色谱仪测定其Cl-含量，并采用ICP-AES测定其Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量。

(2) 水溶性盐含量的测定[17]：试验采用水浴加热方法测定土壤样品中水溶性盐含量。

(3)pH值的测定：试验制备土壤处理溶液后，采用TES1380K型酸碱度测试仪测定土壤样品的pH值。

2结果与分析

2.1氯盐类融雪剂对植物形态的影响

试验观察并记录了氯盐融雪剂处理栽培土壤环境中供试植物叶片形态的动态变化情况，详见图2。

图2　不同取样次数时3种植物叶片的形态变化Fig.2　Morphologic changes of the three types of plant leaves of different samplings注：图中“1”、“2”、“3”、“4”分别代表在喷洒融雪剂前、喷洒融雪剂3 d后、喷洒融雪剂6 d后和喷洒融雪剂9 d后的取样次数；以下同。

试验观测期内，甲组空白对照组植物长势良好，全株形态健康。

由图2可见：

(1) 在融雪剂的污染下，刺柏在处理3d后叶片无显著的变化；处理6d后叶片开始泛黄，但枝条未出现萎蔫现象；在处理9d后，叶片开始出现萎蔫现象且叶片的尖端开始干枯，但未出现严重萎缩现象。

(2) 在融雪剂的污染下，紫薇在处理3d后部分叶片开始泛黄，但是叶片未丧失弹性；处理6d后，叶片丧失弹性，叶表面革质变薄、叶柄基部向下呈萎蔫状；处理9d后，顶芽处叶片严重萎缩，干枯呈黄褐色。

总体来看，在氯盐类融雪剂污染物作用下，植物形态动态变化过程如下：首先，植株形态健康，长势良好，具体形态表现为顶芽光洁、长势好，成熟叶片颜色翠绿光洁、具革质层且有弹力，叶柄与茎向上方呈锐角，枝条形态饱满、皮孔清晰、颜色呈绿色、具革质层，主干挺立饱满、有韧性；随后，植株逐渐出现亚致死效应，具体形态表现为顶芽长势弱，成熟叶片叶尖1/3及沿路叶脉泛黄、丧失弹性，叶表面革质层变薄，叶柄基部向下呈萎蔫状，枝条形态出现萎缩、颜色变暗，茎部出现萎蔫收缩症状，韧性差；最后，植株逐渐出现致死效应，具体形态表现为无顶芽，全株2/3及以上叶片完全枯黄、脱落，枝条严重萎缩、完全干枯呈黄褐色，茎部完全干枯、中空。

在整个观测期间氯盐融雪剂对植物产生的污染效应为：刺柏逐渐出现亚致死效应；蔷薇仅在顶芽等部分位置出现叶片严重萎缩情况，未出现全株的致死效应；草皮出现全株的致死效应。

2.2氯盐类融雪剂对土壤和植物中离子含量的影响

本试验对喷洒氯盐类融雪剂前后土壤和3种植物中生理生化指标Cl-、Ca2+、K+、Mg2+、Na+离子含量进行了测定，其试验结果见图3。

图3　不同取样次数时土壤和植物中离子含量的变化Fig.3　Changes of the content of the ions in soil and plants of different samplings注：“空”代表在喷洒融雪剂前所取的空白样本；“表”、“15”代表取样位置，即所取的样本分别来自土壤表面和土壤15 cm深处；“A”、“B”代表A类融雪剂和B类融雪剂；“a”、“b”和“c”代表刺柏、紫薇和草皮植物类型样本。

由图3(a)可见：

(1) 在融雪剂A或B的喷洒过程中，随着喷洒融雪剂次数(融雪剂的用量)的增加，土壤和植物中Cl-含量均呈现增加趋势。

图5为经过拾取分层得到的滑坡体厚度划分剖面，其中滑体厚度坡面未进行地形校正。结合现场地质环境，给定其波速为0.09 m/ns，利用层速度拾取，得出沿测线分布的滑坡体厚度。可以知道，其厚度最大约4 m，最小约2 m，平均厚度约为3 m左右，且滑坡体上部厚度大于滑坡体下部厚度，这也为滑坡提供了物源条件。综合采用现场测量和物探方法，假定滑坡体为一矩形模型，确定出滑坡体大致的尺寸为101 m×30 m×3 m，滑坡体方量大约在9 090 m3左右，综合判定该滑坡为一小型浅层滑坡。

(2) 对于使用同一类融雪剂的不同深度土壤而言，其受影响的程度不同。在喷洒融雪剂之前，土壤表面与土壤15cm深处Cl-含量基本相同；随着融雪剂的喷洒，土壤表面的Cl-含量增长速率约为土壤15cm深处Cl-含量增长速率的2～3倍。

(3) 对于使用同一类融雪剂的不同植物而言，其受影响的程度不同。在喷洒融雪剂之前，3种植物中刺柏Cl-含量最低，紫薇Cl-含量较低，草皮Cl-含量最高；随着融雪剂用量的增加，刺柏中Cl-含量变化幅度最小，紫薇中的Cl-含量变化幅度不大，草皮中Cl-含量明显增加且Cl-含量要远远大于刺柏和紫薇，且大于土壤15cm深处Cl-含量；刺柏、紫薇中Cl-含量增加幅度前3天较大，之后增幅较小；草皮中Cl-含量一直增加幅度较大。出现此现象的原因为，当土壤溶液中离子浓度很低时，根系吸收离子的速度随着浓度的增加而增加，但达到某一浓度时，由于离子载体的饱和效应，增加土壤溶液中离子浓度，根系对离子的吸收速度不再增加；当土壤溶液浓度过高，会引起水分的反渗透，导致“烧苗”。

(4) 在同一土壤深度上，A类和B类融雪剂产生的影响不同。在同一土壤深度上，喷洒A类融雪剂的土壤中Cl-含量比喷洒B类融雪剂的要高。

(5) 对于同一种植物而言，A类和B类融雪剂对其的影响也有所不同。对同一种植物，喷洒B类融雪剂(以氯化钠为主要成分)所吸收的Cl-含量比喷洒A类融雪剂(含多种成分)相对较高。其中，对于根系较深的植物紫薇和刺柏，A类和B类融雪剂的影响相差较小，对于草皮，A类和B类融雪剂的影响相差约为30%～50%左右。尽管A类融雪剂中的Cl-含量(质量分数)比B类融雪剂中的Cl-含量要高，但由于B类融雪剂盐类种类具有单一性，可引起植物的单盐毒害作用，会对植物的生长造成较大的危害；而A类融雪剂溶液在植物离子渗透过程中，成分中的多种离子共存产生离子拮抗，减轻或消除了单盐毒害作用。

综上可知：①随着融雪剂用量的增加，土壤和植物中Cl-含量增加；②在同一土壤深度上，A类融雪剂土壤中Cl-含量比B类融雪剂的要高，对同一种植物而言，B类融雪剂植物中的Cl-含量比A类融雪剂要高；③对于所选的3种供试植物，刺柏受融雪剂的影响最小，其次为紫薇，草皮受融雪剂的影响最大；④对于不同深度的土壤而言，土壤表面Cl-含量比土壤15cm深处的要高。

由图3(b)至图3(e)可见：

(1) 对于同一种融雪剂而言，喷洒融雪剂前土壤表面Na+含量较高，土壤15cm深处的Mg2+含量和Ca2+含量较高，随着融雪剂的喷洒，土壤表面Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量基本保持平衡，但土壤15cm深处的Ca2+、Mg2+、Na+含量不断减小。

(2) 对于同一种融雪剂而言，喷洒融雪剂后期，植物中离子含量基本处于平衡。

综上可知，土壤和植物中Ca2+、K+、Mg2+、Na+阳离子的含量没有呈现出显著的规律性，其原因可能与土壤和植物本身的理化特性有关，具体原因有待于进一步的研究。

2.3融雪剂对土壤中可溶性盐含量和酸碱度的影响

本试验对喷洒氯盐类融雪剂前后土壤中的水溶性盐和pH值进行了测定，其试验结果见图4和图5。

图4　土壤中水溶性盐含量的变化Fig.4　Changes of the content of the water-soluble　　　salts in the soil

图5　土壤中pH值的变化Fig.5　Changes of pH value in the soil

由图4可见：

(1) 在喷洒融雪剂A或B的过程中，土壤表面水溶性盐含量随着喷洒融雪剂次数的增加呈现增加趋势，土壤15cm深处水溶性盐含量随着喷洒融雪剂次数的增加基本无变化。

(2) 在同一土壤深度上，喷洒A类融雪剂土壤中水溶性盐含量比喷洒B类融雪剂的要高。

(3) 对于喷洒同一类融雪剂的不同深度土壤而言，土壤15cm深处的水溶性盐含量受影响的程度不明显，出现此种现象的原因可能与环境条件如降雨量和温度等因素有关。

由图5可见：

(1) 总体来看，不论是喷洒融雪剂A还是融雪剂B，土壤表面pH值随着喷洒融雪剂次数的增加呈现降低趋势，土壤15cm深处的pH值随着喷洒融雪剂次数的增加呈现先增加后减少。

(2) 在同一土壤深度上，A类融雪剂和B类融雪剂产生的影响相近。

(3) 对于喷洒同一类融雪剂的不同深度的土壤而言，其影响无明显规律性，出现此现象的原因可能与环境条件以及时间等因素有关。

2.4总体影响分析

由以上分析可知：土壤和植被中的Cl-含量对氯盐类融雪剂的喷洒量较为敏感，随着氯盐融雪剂用量的增加，土壤和植被中的Cl-含量也随之增加；同时，结合植物在各个阶段出现的形态变化，土壤和植物中的Cl-含量的变化与植物形态的变化也呈现一致性，土壤和植物中的Cl-含量越多，植物被融雪剂的污染越严重。因此，本试验进一步分析了植被形态的变化与植物和土壤中Cl-含量的关系，以氯盐类融雪剂对植物生命活动规律的污染效应未产生致死效应为植物中Cl-含量的临界浓度，确定植物和土壤中Cl-含量的临界值。

结合图2中3种植物的形态变化和图3(a)土壤和植物中Cl-含量的变化可知：在整个观测周期内，对于草皮来说，当其处于第二次取样(第3天)时，A类融雪剂处理下其Cl-含量为102mmol/kg，此时草皮出现部分叶片枯黄现象，没有出现显著的致死效应;刺柏和紫薇在整个试验过程中的Cl-含量均为102mmol/kg，且均没有出现严重的致死效应。此外，根据地面水环境《地表水环境质量标准》的规定，各类使用功能和生态环境质量要求的基本项目中，V类地面上水域氯化物(以Cl-含量计)的标准值为250mg/L。因此，本研究以该水域氯化物标准Cl-含量作为植物中Cl-含量的临界值。考虑植物样品Cl-测试试验中，制备25mL的植物溶液中样品干重为2g，计算得植物中Cl-含量临界值为184mmol/kg。

土壤作为植物吸收盐溶液的源头，其Cl-的评价标准应该与植物有所不同，没有植物要求苛刻。由上述分析可知，当植物中Cl-含量为184mmol/kg时，植物均没有出现显著的致死效应，说明当植物没有出现显著致死效应时(对于刺柏和紫薇来说是整个观测周期内，对于草皮来说是第二次采样时)的Cl-含量可以作为土壤中Cl-含量的临界值。由图3(a)可知，第二次取样(第3天)时，土壤表面的Cl-含量约为160mmol/kg，因此本次选择160mmol/kg作为土壤中Cl-含量的临界值。

3结论

本文根据氯盐类融雪剂对路域植物和土壤的影响试验研究，得出如下相关结论：

(1) 随着氯盐类融雪剂的喷洒，植物污染效应刚开始时植株出现形态健康、长势良好，然后渐渐出现亚致死效应，最后逐渐出现致死效应，其表现为无顶芽，全株2/3及以上叶片完全枯黄、脱落,枝条严重萎缩、完全干枯呈黄褐色，茎部完全干枯、中空。在整个观测期间，氯盐类融雪剂对刺柏的污染效应逐渐出现亚致死效应；对蔷薇的污染效应仅出现在顶芽等部分位置，未出现全株的致死效应；对草皮的污染效应出现了全株的致死效应。在植物的生理生化指标方面，植物中Cl-含量增加，阳离子含量未出现显著的规律性；对同一种植物而言，使用B类融雪剂植物中的Cl-含量比使用A类融雪剂的要高。

(2) 随着氯盐类融雪剂的喷洒，土壤中Cl-含量增加，阳离子含量未出现显著的规律性；土壤表面水溶性盐含量增加，土壤15cm深处水溶性盐含量基本无变化；土壤表面pH值降低，土壤15cm深处pH值先增加后降低。对同一土壤深度，喷洒A类融雪剂的土壤中Cl-含量比喷洒B类融雪剂的要高；喷洒A类融雪剂的土壤中水溶性盐含量比喷洒B类融雪剂的要高；喷洒A类融雪剂与喷洒B类融雪剂土壤表面的pH值相近。

(3) 植物形态的变化与植物和土壤中Cl-含量变化表现出一致性，以植物生命活动规律的污染效应未产生致死效应为植物生长条件，并结合地面水环境《地表水环境质量标准》的规定，得出以Cl-含量为184mmol/kg作为植物中Cl-含量的临界值，以Cl-含量为160mmol/kg作为土壤中Cl-含量的临界值。

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Effect of Deicing Chloride Salts on Roadside Plants and Soil

SHANLiyan1,2,TIANShuang2,HUQing3

(1.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China;2.School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China;3.School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China)

Abstract:Due to the negative harm caused by deicing chloride salts,this paper employs a nursery simulation method to explore the impact of deicing chloride salts on the roadside plants and soil.In order to deeply understand the toxicity mechanism of deicing chloride salts to plants and soil,the paper continuously observes the morphological features of the nursery-grown plants and determinates the physiological and biochemical indexes of plants and soil,which reflects the response and change process of the organism to adversity.The experimental results demonstrate that the content of Cl- in plants increases with increasing times of deicing chloride salts sprayed.The morphology of plants can be divided into 3 phases:health,sub-lethal effect and lethal effect.Also,the influence of deicing chloride salts is the largest on the sods,followed by Platycladus orientalis is the least.Furthermore,as the increasing times of deicing chloride salts sprayed,the pH value of the soil decreases with the increment of Cl- content and water soluble salts in the soil.However,the effects of positive cations on plants are still not observed.The phases of vegetation are in accordance with the fluctuation of Cl- content in plants and soil.Last,the thresholds of Cl- content in both plants and soil are determined based on the growing conditions of plants and the National Environmental Quality Standard for Surface Water.

Key words:deicing chloride salts;roadside plants;soil;nursery simulation method;morphology;Cl- content

文章编号：1671-1556(2016)03-0089-07

收稿日期：2015-10-18修回日期：2016-01-28

基金项目：交通运输部应用基础研究项目(2013319820220)

作者简介：单丽岩(1981—)，女，博士，副教授，主要从事路面除冰雪与冰冻损伤防护等方面的研究。E-mail:shanliyan@hit.edu.cn

中图分类号：X820.4;X833；X835

文献标识码：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.015