城市道路两侧土壤重金属分布特征及生态风险评价

2018-03-05武瑞平张婷瑜赵雪芹郑雅莉

四川环境 2018年1期

武瑞平，王莹，张婷瑜，赵雪芹，郑雅莉

(吕梁学院化学化工系，山西吕梁 033001)

随着工业的发展、农业生产的现代化和城市化进程的加剧，通过交通运输、工业排放、大气沉降、金属冶炼等造成城市土壤重金属污染越来越严重，而且污染范围在逐渐扩大。重金属进入土壤以后，不能被土壤微生物分解，数量也不会随时间推移而减少，只能在环境中迁移和转化[1]，不仅影响和改变城市土壤的生态功能，而且通过扬尘、食物链或直接接触危害人体健康。因此，研究城市道路土壤重金属污染特征，全面评价土壤重金属生态风险程度显得尤为重要。

目前，关于吕梁市道路土壤重金属的研究鲜有报道。本课题在对吕梁市道路两侧土壤重金属污染特征研究的基础上，分别运用单因子污染指数法和内罗梅污染综合指数法对道路两侧土壤重金属进行生态风险评价，以期为保障居民健康和改善城市环境质量提供科学依据。

1 研究区概况

吕梁市离石区地处山西省西部黄土高原，位于北纬37°21′～37°42′，东经110°55′～111°35′，气候属温带大陆性季风气候。有丰富的煤、铝土矿、铁矿、铝锌矿、铜矿、锗等矿产资源，是山西省重要的焦炭生产基地和出口基地。太中银铁路穿境而过，307国道与209国道纵横贯穿整个吕梁市，是吕梁与外部联系的重要通道。

2 研究方法

2.1 样品的采集与制备

本次研究对象为G209线吕梁市离石区路段。每隔200m取4个与公路垂直的断面，在距离公路两侧5m、10m、15m、20m处分别取样，取样深度为0～20cm处的表层土壤。对于农业用地土壤在距离公路10m、20m处进行分层取样，取样深度为0～20cm、20～40cm、40～60cm。在每个采样点各层次采集5个土壤样品就地混合为一个样品[2]。采到的土样装入塑封袋，注明采样日期、采样地点和采样土壤层后，带回实验室。

土壤样品经自然风干后，去除杂质，粉碎，并过 100 目筛，备用。

2.2 样品的测定和数据分析

盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消煮，用WFX-130B火焰原子吸收分光光度计测定土壤重金属镍、铜、铅、锌的含量[3-4]。实验测试每个土壤样品设3个重复，并插入标准样品，误差小于10%。

采用Excel2007和 SPSS13.0对数据进行方差分析和多重比较。

2.3 评价方法

2.3.1 单因子污染指数法

通过单因子评价，可以确定主要的重金属污染物及其危害程度。一般以污染指数来表示，计算公式为：

(1)

式中，Pi为土壤中污染物i的单因子指数，Ci为实测浓度(mg/kg)，Si为污染物i 的评价标准(mg/kg)。本次评价以山西省土壤背景值作为标准[5-7]，Pi≤1，未污染；15，重度污染[8]。

2.3.2 内梅罗综合污染指数[9～12]

单因子指数只能反映各个重金属元素的污染程度，不能全面地反映土壤的污染状况，而内梅罗综合污染指数兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，可以突出污染较重的重金属污染物的作用。综合污染指数计算公式为：

(2)

式中：Pn土壤综合污染指数，Pimax土壤污染指数中污染指数最大值，Piave为土壤各污染指数的平均值。

由于不同重金属对土壤环境、生态环境的影响不同，采用加权计算法来求平均值，计算公式如下：

(3)

对于权重w的确立，Swaine按照重金属对环境的影响程度，将环境研究中人们都比较关注的微量元素分成了三类，因一类、二类、三类微量元素环境重要性逐渐下降，分别赋值为3、2、1作为权重[10～12]。本研究涉及的几种重金属其类别和权重分配如表1所示。

表1 重金属污染物对环境的重要性分类和权重值Tab.1 Importance classification and weight values of heavy metal pollutants to the environment

综合污染指数分级标准见表2[13]。

表2 土壤综合污染程度分级标准Tab.2 The criterion of comprehensive pollution level of soil heavy metals

3 结果与讨论

3.1 城市道路土壤中重金属的分布特征

城市道路两侧土壤重金属横向分布特征如图1所示。由图1可知，土壤中重金属锌、铜、镍、铅含量均随采样点距公路距离的增大而降低，但显著性不大(P>0.05)。其中铅污染较为严重，在5～20m范围内均超过山西土壤铅的背景值(18.1 mg/kg)，其中距离最远20m处铅含量为背景值的3.5倍。铜污染次之，距离公路20m处土壤中铜的含量高出山西背景值0.63倍。而重金属镍在5～15m范围内均超过山西土壤镍的背景值(32 mg/kg)，在20m处时接近背景值。土壤中锌的含量均低于山西土壤锌的背景值，说明土壤中锌含量受人为污染源的影响较小。

注：用LSD法进行多重比较。同一曲线中标有不同小写字母者表示各组间差异显著(P<0.05)；标有相同小写字母者表示各组间差异不显著(P>0.05)。下同。图1 道路两侧土壤重金属横向分布特征Fig.1 Horizontal distribution characteristics of soil heavy metals on both sides of the road

进入土壤中的重金属大部分被土壤颗粒所吸附。在土壤剖面中，重金属无论是其总量还是存在形态，均表现出明显的垂直分布规律，其中可耕层成为重金属的富集层[1]。由图2可知，距离道路10m和20m处，土壤中重金属锌、铜、镍、铅主要在表层积累，均表现出明显的垂直递减规律，这是由于进入土壤的重金属被表层土壤的黏土矿物吸附，同时，表层土壤的有机质与重金属结合形成螯合物，使金属离子不容易向下层移动。其中，距离公路20m处表层土壤中铜、镍、铅分别超过土壤背景值21.73 mg/kg、14.03 mg/kg、82.04 mg/kg，说明汽车尾气的排放是土壤中重金属铜、镍、铅的主要来源，对于农业用地，化肥、农药的施用也是主要污染源。

图2 道路两侧土壤重金属纵向分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil heavy metals on both sides of the road

3.2 城市道路土壤中重金属的生态风险评价

城市道路两侧土壤重金属单因子污染指数和内梅罗综合污染指数见表3。

表3 道路两侧土壤重金属污染评价指数Tab.3 Soil heavy metal pollution indexes on both sides of the road

根据表3，距离公路两侧不同距离土壤重金属平均污染指数计算结果显示，土壤Zn的单项污染指数均小于1，在距离公路5～20m范围内未污染。土壤Cu、Ni的单项污染程度为轻微污染。土壤Pb的单项污染指数在距离公路20m处为3.46，污染程度为中度污染。离公路越近，重金属污染指数越大。

内梅罗污染指数计算结果显示，所测的4种重金属中，以土壤Pb的单项污染指数最高，Cu和Ni次之，综合污染指数在距离公路5m处最大为5.01，在20m处时为3.89均大于3，生态风险评价等级为Ⅴ，属于重污染(Pn>3.0，土壤、作物污染已相当严重)。可知，G209线两侧土壤受重金属污染严重与当地煤炭运输主要依靠货车运送有很大关系，同时污染严重的重金属Pb经高温燃烧更容易挥发，在距离公路5～20m范围内均为重污染，说明汽车尾气排放是造成重金属污染的主要原因，这与钱翌等人的研究结果一致[14～16]。另外，农村住户还是主要靠燃煤取暖，周边矿区和冶炼厂大量燃煤，Pb等重金属极易进入烟气，被颗粒物吸附，并随降尘返回地表造成土壤污染[15]。对于农业用地，农药、化肥的施用也是土壤重金属的主要来源。