環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)高速公路周邊土壤重金屬特征分析

吳 剛，鄭明新

（華東交通大學(xué)道橋與巖土工程研究所，江西南昌330013）

1 采樣中心概況

鄱陽(yáng)湖區(qū)位于長(zhǎng)江中下游的南岸，跨長(zhǎng)江中下游平原及華東南地區(qū)丘陵兩大地貌單元。湖區(qū)地勢(shì)低平，四周山丘環(huán)繞，在九江、湖口間向北開(kāi)敞。地貌形態(tài)多樣，有山、丘、崗地、平原4個(gè)類型，其中平原及崗地分布面積較大，一共占全區(qū)總面積的61.9%，為區(qū)內(nèi)的主要地貌地形。鄱陽(yáng)湖區(qū)土壤母質(zhì)以第四紀(jì)紅色黏土為主，土壤為紅壤及水稻土[1]。鄱陽(yáng)湖周邊有昌九高速、南昌繞城高速、昌樟高速、生厚高速、梨溫高速、景鷹高速、九景高速及彭湖高速8條高速公路。其中昌九高速、南昌東繞城高速、梨溫高速、景鷹高速、九景高速5條高速公路形成環(huán)繞鄱陽(yáng)湖的一個(gè)環(huán)形高速公路圈，本次試驗(yàn)選取高速公路圈沿線不同方位的7個(gè)采樣中心點(diǎn)進(jìn)行土壤采樣，如圖1所示。

2 研究方法

2.1 土樣采集地點(diǎn)和位置

本次試驗(yàn)只研究道路交通環(huán)境（即行駛車輛尾氣排放的重金屬）對(duì)道路周邊土壤的影響，所選采樣中心點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)遠(yuǎn)離明顯的其他干擾因子，如工廠、垃圾場(chǎng)、排污口、居民區(qū)等，從高速公路圈沿線不同方位各選取一到兩個(gè)適合取土的采樣中心，從而研究環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)不同方位的高速周邊地區(qū)重金屬含量差異。

從每個(gè)采樣中心點(diǎn)向高速公路一側(cè)布設(shè)各5個(gè)采樣點(diǎn)。采用點(diǎn)距道路邊際的距離分別為1，10，20，30，50 m。每個(gè)采樣點(diǎn)在1 m2范圍內(nèi)，以梅花形采集5個(gè)0～10 cm土壤表層樣本。采集的土樣應(yīng)用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定來(lái)測(cè)定Cd，Cr，Cu，Mn，Pb，Zn的含量。

圖1 土壤采樣中心位置圖Fig.1 Map of soil sampling location

2.2 土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用國(guó)家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中I類土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，I類為主要適用于國(guó)家規(guī)定的自然保護(hù)區(qū)（原有背景重金屬含量高的除外）、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場(chǎng)和其他保護(hù)地區(qū)的土壤，土壤質(zhì)量基本上保持自然背景水平，土壤質(zhì)量對(duì)植物和環(huán)境不造成危害和污染。參照江西省土壤環(huán)境背景值[2]，江西省中北部地區(qū)pH值為5.5～6.2。參照GB15618-1994《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的pH值小于6.5的I類土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為：Cu≤35mg·kg-1、Zn≤100mg·kg-1、Pb≤35mg·kg-1、Cd≤0.2mg·kg-1、Cr≤90mg·kg-1。

2.3 污染程度評(píng)價(jià)方法

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[3]對(duì)高速周邊土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種方法同時(shí)兼顧了單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值和綜合污染指數(shù)，既能反映土壤中單項(xiàng)重金屬污染程度，也能較全面地反映土壤樣本的總體質(zhì)量。

首先計(jì)算各個(gè)重金屬元素的污染分指數(shù)，Ii=Ci/Si，式中：Ii為土壤中第i種污染物的污染分指數(shù)；Ci為土壤中第i種污染物實(shí)測(cè)含量；Si為第i種污染物在中國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)I類土壤含量。然后計(jì)算內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，I={[average(Ci/Si)2+max(Ci/Si)2]/2}12式中，I為土壤重金屬綜合污染指數(shù)，average（Ci/S）i為土壤各重金屬污染分指數(shù)的平均值，max（Ci/S）i為土壤重金屬污染指數(shù)中最大的污染指數(shù)。污染程度的分級(jí)按照土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（HJ/T166-2004），基于土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分為5個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表1。

2.4 土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)法

為了確定鄱陽(yáng)湖周邊高速公路沿線土壤重金屬可能存在的生態(tài)危害效應(yīng)和反映特定區(qū)域的特殊性，本研究應(yīng)用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法[4-6]，以國(guó)家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中I類土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為參比值對(duì)陽(yáng)湖周邊高速公路沿線土壤重金屬潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

某類重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Ei的計(jì)算公式為：Ei=Ti×Ci，式中：Ci為重金屬污染分指數(shù)；Ti為重金屬的毒性系數(shù)（Cd=30，Cu=5，Pb=5，Cr=2，Zn=1）[7-8]。區(qū)域內(nèi)多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù) RI=∑Ei。

根據(jù)Ei和RI的值，參照土壤中重金屬潛在危害系數(shù)、生態(tài)危害指數(shù)與污染程度的關(guān)系（見(jiàn)表2），得出潛在重金屬生態(tài)危害。

表1 內(nèi)梅羅綜合污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standards of N.L.Newerow integrated pollution level

表2 土壤重金屬潛在生態(tài)危害等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Grading classification standards of soil potential ecological risk of heavy metals

3 結(jié)果與分析

3.1 不同采樣中心重金屬分布特征

對(duì)各個(gè)采樣中心重金屬含量分布結(jié)果（見(jiàn)表3）進(jìn)行對(duì)比可以得出，環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)道路邊際表層土壤的重金屬含量湖區(qū)西南部略大于東北部。各中心重金屬含量排序（見(jiàn)圖2）為：C＞D＞E＞B＞A＞F＞G。其中G點(diǎn)為西北部鄱陽(yáng)湖自然保護(hù)區(qū)[9]，人口稀少、交通量較小地區(qū)道路邊際重金屬濃度最低；C點(diǎn)距離南昌市、撫州市較近，屬于人口密集區(qū)，道路密度和交通量較大，重金屬濃度較高[10]。各采樣中心綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表4）表明：A點(diǎn)、B點(diǎn)、F點(diǎn)和G點(diǎn)綜合污染程度為警戒線范圍，大小分別為0.89，0.91，0.85和0.81；C點(diǎn)、D點(diǎn)和E點(diǎn)綜合污染程度為輕污染范圍，大小分別為1.26，1.24，1.16。應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)C點(diǎn)、D點(diǎn)和E點(diǎn)道路周邊區(qū)域土壤重金屬含量控制。

圖2 重金屬含量分布規(guī)律圖Fig.2 Distribution of heavy metals

表3 采樣中心重金屬含量分布表Tab.3 Distribution of the content of heavy metals in the central sampling location

表4 采樣中心重金屬污染指數(shù)分布表Tab.4 Pollution index of heavy metal in the central sampling location

3.2 不同重金屬含量特征及與當(dāng)?shù)乇尘爸祵?duì)比

不同重金屬在土壤含量分布大小排序（見(jiàn)表3）為：Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd，分別與選取采樣地區(qū)土壤環(huán)境背景值的5個(gè)參數(shù)[2]進(jìn)行綜合分析，分別包括采樣地區(qū)：中小地形、行政區(qū)劃、成土母巖與母質(zhì)、土地利用情況和植被情況。對(duì)不同參數(shù)下的土壤環(huán)境背景值進(jìn)行分析，得出采樣地區(qū)不同重金屬含量的綜合值和比值。以A點(diǎn)為例，采樣地區(qū)Cu，Pb，Zn，Cd，Cr綜合背景值（見(jiàn)表5）分別為17.93，33.22，69.35，0.10，47.04，實(shí)測(cè)值與綜合背景值比值分別為1.79，0.93，1.24，2.30，1.47，除Pb外其余4種重金屬均超過(guò)當(dāng)?shù)乇尘?。其?個(gè)采樣中心的金屬實(shí)測(cè)值與背景值比值范圍如下：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略高于當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境背景綜合值，Cd超出當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境背景綜合值較多，某些地區(qū)高達(dá)2倍多。

重金屬平均濃度與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，Zn，Cr，Cu，Pb都沒(méi)超過(guò)上限值，污染指數(shù)平均值（見(jiàn)表4）分別為0.92，0.89，0.88，0.64，污染水平屬于清潔范圍。但Cd污染較為嚴(yán)重，污染指數(shù)達(dá)到1.34，屬于輕度受污染范圍，污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)、背景兩值比較結(jié)果相吻合。

表5 A點(diǎn)土壤環(huán)境背景值及綜合值Tab.5 Background and comprehensive value of soil environmental at PointA mg·kg-1

3.3 不同重金屬的含量橫向空間變化規(guī)律

本次實(shí)驗(yàn)只研究地表（0～10 cm）重金屬含量，故只考慮橫向空間重金屬含量變化規(guī)律，不考慮縱向空間的變化規(guī)律。從采樣中心中取出A點(diǎn)為例，從土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)值（見(jiàn)表6）和重金屬橫向空間變化規(guī)律圖（見(jiàn)圖3）中的變化趨勢(shì)可以明顯看出，土壤中Cu，Cr，Pb，Cd的含量在距離道路1～20 m時(shí)呈上升趨勢(shì)，在20 m處達(dá)到最高值，而后在20～50 m處呈微弱下降趨勢(shì)，在50 m處含量達(dá)到最低值。土壤中Zn的含量在距離道路1～10 m時(shí)呈上升趨勢(shì)，在10 m處達(dá)到最高值，而后在10～50 m處呈微弱下降趨勢(shì)，在50 m處含量達(dá)到最低值（見(jiàn)圖3）。

圖3 A點(diǎn)重金屬含量變化規(guī)律圖Fig.3 Variation of the content of heavy metals at pointA

表6 A點(diǎn)土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)值Tab.6 Statistics of heavy metal content at PointA

3.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采樣中心潛在生態(tài)危害指數(shù)計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表7）表明，以國(guó)家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中I類土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為參照值時(shí)，環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)高速周邊土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）在34.47～56.18之間，平均值為47.43，為輕微生態(tài)危害程度，各采樣中心潛在生態(tài)危害指數(shù)大小排序?yàn)椋篊＞D＞E＞B＞A＞F＞G。對(duì)不同重金屬潛在危害指數(shù)大小進(jìn)行排序可得：Cd＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其中Cd離子指數(shù)最大，為36.24；Zn離子指數(shù)最小，為0.88。Cd為生物非必要元素，具有較大毒性，應(yīng)注意對(duì)道路邊際土壤中Cd離子濃度的控制[11]。

4 主要結(jié)論

通過(guò)對(duì)環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)道路邊際表層土壤的重金屬含量的調(diào)查（這里主要考慮道路車輛尾氣排放的影響），初步可以得到：

1）重金屬含量從湖區(qū)西南部略大于湖區(qū)東北部。其中在距離南昌市較近的西南區(qū)域高速交通量大，重金屬含量最高，綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)最大，分別為1.26和56.18，綜合污染程度和潛在生態(tài)危害程度評(píng)價(jià)分別達(dá)到輕污染和輕微污染；而湖區(qū)西北部為鄱陽(yáng)湖自然保護(hù)區(qū)，生態(tài)環(huán)境較好，人口密度低，交通量較小，重金屬含量最低，綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)最小，分別為0.81和47.43，綜合污染程度和潛在生態(tài)危害程度評(píng)價(jià)分別為警戒線和輕微污染。

2）在同一采樣中心，不同采樣點(diǎn)距路面的橫向距離不同，各點(diǎn)重金屬含量表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，即Cu，Cr，Pb，Cd的含量在距離道路1～20 m時(shí)呈上升趨勢(shì)，在20 m處達(dá)到最高值，而后20～50 m范圍呈微弱下降趨勢(shì)。土壤中Zn的含量在距離道路1～10 m時(shí)呈上升趨勢(shì)，在10 m處達(dá)到最高值，而后10～50 m范圍呈微弱下降趨勢(shì)。

3）在同一采樣點(diǎn)，不同重金屬在土壤中的含量不同，五種元素的平均含量大小依次為：Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd，其中Zn，Cr，Cu略高于當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境背景綜合值，分別為1.07～1.35倍、1.06～1.21倍和1.32～1.67倍。Cd的含量高出當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境背景綜合值1.33～2.08倍。有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)道路周邊土壤重金屬含量的控制，保證道路周邊居民的生活、生產(chǎn)安全。

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