北京城區道路沉積物污染特性

任玉芬，王效科，歐陽志云，王巧環，侯培強

(中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

城市道路沉積物通常含有較多的污染物質，其可能來源主要包括大氣灰塵沉降、汽車磨損物、物質燃燒、外來土等［1-7］這些污染物質在降雨產生時極易跟隨徑流進入水體，對城市水環境產生威脅［8-10］。目前城市的不透水覆蓋率高達60%—100%，大面積的不透水面成為地表沉積物的重要來源［11-12］。隨著城市化的發展和工業化的進程，城市的硬化地表覆蓋增多，城市商業、工業、居住面積迅速擴張，城市化的加劇導致了城市不透水面積的增加，而這些不透水材料多為石塊、瀝青和水泥等，是眾多污染物產生的載體［13-15］;城市化所致的人口增加同時也導致了交通量增加、工業生產活動和煤炭天然氣等能源的消耗加劇，這些人為的活動產生的大量廢棄物大大增加了城市地表沉積物的數量。這些人為活動帶來的污染物質在某些情況下又會進入空氣環境和水體環境，造成空氣質量和水環境的惡化［16］。

北京是城市化迅速的典型代表城市之一，目前北京市人口已超1900萬人，截止2012年底機動車保有量520萬輛。人類活動強度急劇增大，導致城市地表累計的污染物質數量和種類急劇增加［24］，對城市環境和暴雨季節的地表水環境造成相當大的威脅，因此研究城市化的典型地表上的沉積物污染特性將對其他城市的相關研究提供借鑒。在北京市開展城市道路沉積物的研究較為少見，自2004年開始，研究者主要針對北京市自通州貫穿城市中心道石景山沿線主干道的沉積物污染狀況［17］、北京六環以內城近郊區的主要道路污染物特性分析［18］以及趙洪濤等［15］沿城區-郊區-鄉村街道對不同粒級沉積物中重金屬特性的研究。以往的研究主要針對城市中心干道做了污染物的調查和研究，本研究在前人研究的基礎上，選取北京市核心城區的生活區、文教區、交通干線和公園綠地4種土地利用類型，進行道路沉積物的污染情況的對比研究，期望能反應北京市不同功能區的道路沉積物污染現狀，對比4種功能區道路沉積物污染物的差異和可能的來源情況，并對沉積物中溶解態污染物的狀況進行分析，力求能得到道路沉積物對城市地表徑流可能造成的威脅。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在北京市內共選擇34個道路沉積物樣品，每個采樣點采樣面積為3—4m2，采樣點布于距離街道邊坎1m之內，采樣時間遠離道路清掃時間，選擇3—4個道路沉積物樣品混合(每個點收集1m2之內的沉積物后混合)，混勻后裝入聚乙烯塑料袋。為避免人為干擾，用塑料毛刷和小鏟子收集沉積物樣品。樣品經室溫風干處理后，過2mm篩保存在塑料袋中。34個樣品采集點涵蓋生活區道路3個(中國科學院生態環境研究中心家屬區、北京林業大學家屬區、東王莊小區)、文教區道路3個(中國科學院生態環境研究中心、北京林業大學教學區、清華大學教學區)、交通干線道路24個和公園綠地道路4個(北京植物園)共四類區域。其中交通干線道路由于交通量巨大，受人為干擾強度巨大，因此加大采樣頻率，采樣點以“米”字型分布，主要集中在城市的主要交通要道，包括二環的德勝門橋、復興門橋、右安門橋、永定門橋、左安門橋、建國門橋、安定門橋、鼓樓橋，三環的蘇州橋、新興橋、玉泉營橋、木樨園橋、分鐘寺橋、國貿橋、三元橋、安華橋和四環的萬泉河橋、五棵松橋、科豐橋、大紅門橋、十八里店橋、四惠橋、四元橋、健翔橋等24個立交橋附近。

1.2 分析方法

道路沉積物的測試分析主要包括總氮、總磷、有機質以及重金屬(總量和溶解態)含量。總氮的測定采用凱氏定氮法，總磷的測定采用高氯酸-硫酸消煮和鉬銻抗比色法［25］。重金屬總量采用濃酸(HCl-HNO3-HFHClO4)消解并ICP-OES測定法(測定過程中，每測10個樣品就加測一次與被測樣品濃度最接近的標準物質的濃度，以確保監測結果的真實可靠)，溶解態重金屬首先用水萃取24h，然后用ICP測定［19］。有機質的測定采用重鉻酸鉀-硫酸法(GB 9834—88)。

圖1 交通干線路面沉積物采樣點位示意圖Fig.1 Road sediments sampling sites on main traffic lines

1.3 數據處理

數據處理及統計分析在Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件上進行，所有數據使用單因素方差分析，LSD 法顯著性檢驗(P＜0.05)。

2 結果與討論

2.1 城市功能區道路沉積物總氮和總磷污染

交通干線、文教區、生活區和公園綠地道路沉積物TN 均值分別為 0.1009、0.1440、0.1071、0.0974mg/kg，TP 均值分別為 0.0695、0.0729、0.0665、0.0608mg/kg;文教區道路沉積物的TN顯著高于其他類型道路沉積物(圖2);文教區道路沉積物的TP雖高于其他類型的道路沉積物，但未達到顯著性水平。僅就污染物的濃度，并不是所有污染物在交通干線道路上的含量最大，這與通常人們認為交通干線道路上的污染物累積量會較大［18］的結果不一致。

2.2 城市功能區道路沉積物有機質和重金屬污染

交通干線、文教區、生活區和公園綠地道路沉積物TOC 均值分別為 8.1467、7.3449、3.9471、4.2134mg/kg，其中交通干線和文教區道路沉積物TOC濃度顯著高于生活區和公園綠地(圖3)，主要原因可能是交通干線和文教區的人類活動和車輛交通量要明顯大于生活區和公園綠地，由人類活動產生的有機垃圾和車輛帶入大量的有機廢物脫落有直接關系。道路沉積物中的有機物質主要來源于交通釋放的有機污染物質如碳氫化合物、輪胎的磨損、土壤顆粒、風化的建筑材料、植物的殘體以及城市垃圾，而鎮江市的研究結果則顯示居民區和交通干線的沉積物有機質含量要低于公園綠地［26］，與本文的研究結果正好相反。

圖2 道路沉積物總氮和總磷污染Fig.2 Total nitrogen(TN)and total phosphorus(TP)in road sediments

總Zn在四類功能區道路沉積物中的含量(圖4)要高于總Cu、總Pb和總Cr。交通干線、文教區、生活區和公園綠地道路沉積物總 Zn 均值分別為 194.7459、158.4229、210.8810、125.2447 mg/kg，其中公園綠地道路沉積物的 Zn 含量顯著低于其他三類區域;總 Cu 均值分別為55.4339、49.1956、24.6424、17.5225mg/kg，總 Cr均值分別為 115.4278、59.8407、39.1407、24.4007mg/kg，總 Pb 均值分別為 44.2745、44.9171、75.5919、40.7109mg/kg。在各功能區上的變化趨勢可見，總Zn和總Pb在四類功能區上的含量具有相同的趨勢，即生活區＞交通干線和文教區＞公園綠地。總Cu和總Cr四類功能區上的含量具有相同的趨勢，即交通干線＞文教區＞生活區＞公園綠地，其中交通干線道路沉積物總Cu和總Cr的含量要顯著高于公園綠地。由研究數據可見，總體上，人流量和車流量大的交通干線、文教區和生活區道路沉積物重金屬的含量高于人流量和車流量都相對較小的公園綠地，這與國內外眾多的研究結果相似［26-28］，這說明，這類污染物主要來源于人類活動和交通污染源。

圖3 地表沉積物有機碳總量Fig.3 Total and dissolved organic carbon in road surface sediments

圖4 地表沉積物重金屬總量Fig.4 Total heavy metal concentration in road surface sediments

2.3 溶解態污染物與污染物總量的關系

對溶解態的道路沉積物進行的測試分析，交通干線、文教區、生活區和公園綠地溶解態氮(DN)均值分別為 0.0695、0.0729、0.0665、0.0608mg/kg，占總氮的比例分別是 69.11%、97.39%、93.22%、60.24%(圖 5)，即大部分氮屬于可溶態，而文教區和生活區道路沉積物中可溶態的氮所占的比例顯著高于交通干線和公園綠地，這說明文教區和生活區的道路沉積物中的氮在暴雨產生時更容易被徑流帶走進入水體，而對地表水體產生危害;溶解態磷(DP)均值分別為 0.0040、0.0097、0.0079、0.0086mg/kg，占總磷的比例分別是 5.26%、12.88%、12.22%、12.66%，總體來說溶解態磷所占的比例較小，也就是說磷主要以顆粒態賦存在沉積物中，并且交通干線道路沉積物中溶解態磷比例最低，與其他三類相比達到顯著性水平;溶解態有機碳(DOC)均值分別為 1.0750、1.6505、0.3103、1.2167mg/kg;占總有機碳的比例分別是 2.27%、9.05%、1.84%、3.10%，溶解態的有機質占有機質總量的比例文教區顯著高于交通干線、生活區和公園綠地;溶解態Zn濃度均值分別為0.4057、1.3734、0.6753、0.8207 mg/kg，占總 Zn 的比例分別是 0.16%、0.75%、0.35%、0.54%;溶解態 Cu 濃度均值分別為 2.6814、4.0323、1.8777、1.3039mg/kg，占總 Cu 的比例分別是 5.32%、8.82%、7.64%、6.83%;溶解態 Cr濃度均值分別為 0.1528、0.2570、0.1699、0.2033mg/kg，占總 Cr的比例分別是 0.17%、0.47%、0.40%、0.63%;溶解態 Pb 濃度均值分別為 0.0422、0.0983、0.0924、0.0759mg/kg，占總 Pb 的比例分別是0.10%、0.26%、0.18%、0.61%(圖6)。溶解態的重金屬占總量的比例均較低，只有溶解態Cu達到5%以上，說明重金屬主要賦存在顆粒態存在的沉積物中。

2.4 地表沉積物對地表徑流的影響

地表沉積物通常是地表徑流中固體物質的主要來源，分析其中污染物總量以及溶解態的污染物質含量有助于了解徑流中污染物的組成來源。為了說明道路沉積物對徑流水質的影響，本文對北京市的交通干道主要是環路的徑流水質進行了實驗觀測，如表1所示，可見總懸浮顆粒物(SS)濃度平均值為394.9 mg/L。TP平均值為0.813 mg/L，超出國家地表水V類水體標準(TP=0.4mg/L)2倍。TN平均值分別為7.55 mg/L，超出國家地表水V類水體標準(TN=2 mg/L)3.8倍。溶解態Cu、Cr濃度范圍分別為6.23—81.96μg/L和0.55—15.15μg/L，其平均值分別為28.81μg/L和3.97μg/L。由此可見，交通干道徑流污染相當嚴重，與國內外的徑流監測實驗對比，發現徑流中確實存在大量的污染物質［20-23］，這與地表沉積物的大量累積有著密切的關系，而沉積物中溶解態污染物質的大量存在將加重未來暴雨產生時徑流污染的程度。

圖5 地表沉積物溶解態氮磷和有機質與總量的關系Fig.5 Relationship between dissolved N，P and organic carbon and the total amount

圖6 地表沉積物溶解態重金屬與重金屬總量的關系Fig.6 Relationship between dissolved heavy metal and the total amount

表1 交通干道徑流各污染指標Table 1 Surface runoff quality on traffic lines

道路徑流中的顆粒態物質以及以顆粒態形式存在的污染物主要來源于機動車輛輪胎和路面材質的磨損以及運輸過程中的貨物灑落。汽車在行駛和剎車過程中，汽車輪胎與瀝青地面摩擦、腐蝕而產生道路灰塵，會帶來碳氫化合物、磷酸鹽及顆粒物等污染物［29］。另外由于汽車輪胎和路面材料均為瀝青，瀝青材料中含有大量的碳氫化合物及其非金屬衍生物，長時間的高溫暴曬，容易老化而發生分解，在降雨徑流的沖刷下，一部分物質溶入雨水中，另一部分則以顆粒的形態被雨水徑流沖洗下來而形成SS。黃金良［30］和Barrett［31］等也發現道路降雨徑流中的TOC和COD等有機物質主要來源于車輛輪胎損耗，且當路面類型為瀝青路面時，徑流中的COD和TOC的濃度是相同條件下混凝土路面徑流的3—5倍。在每天的凌晨期間，有大流量的貨車在交通干道上行駛，其載有的煤炭、建筑材料和廢料以及生活垃圾等會從車上灑落到路面而惡化交通干道的衛生狀況，在雨天，這些物質被雨水徑流沖洗下來而形成SS等，因此交通運輸物的灑落是交通干道徑流中的顆粒態物質以及以顆粒態形式存在的污染物另一主要來源。重金屬來源與車輛活動有關，如車輛尾氣、車輛部件的磨損和燃料的泄漏等。Peter等［32］的研究也表明交通活動對道路徑流中Cu、Zn的污染負荷有強烈影響。王海東［33］對蕪湖市不同功能區道路徑流中的重金屬含量進行研究，結果發現交通區道路徑流中的重金屬含量要高于文教區和居民區道路徑流中的重金屬含量，并認為主要是由于交通區車流量較大，汽車尾氣排放、輪胎磨損、剎車制動等排放的重金屬較高導致。這些研究均表明是道路沉積物或者外界帶入的物質是地表徑流污染物的重要來源。

3 結論

通過對北京市四類道路沉積物的實驗和分析研究，發現各類功能區道路沉積物中TN、TP和TOC的含量較高，交通干線、文教區、生活區和公園綠地道路沉積物 TN 均值分別為 0.1009、0.1440、0.1071、0.0974 mg/kg，文教區道路沉積物的TN顯著高于其他類型道路沉積物;TP均值分別為0.0695、0.0729、0.0665、0.0608mg/kg，以文教區最高，但未達顯著水平。

交通干線和文教區道路沉積物TOC濃度顯著高于生活區和公園綠地，交通干線、文教區和生活區道路沉積物重金屬的含量高于公園綠地。主要原因可能是人類活動和車輛交通量的影響。

四類功能區氮主要以可溶態賦存，磷主要以顆粒態賦存在沉積物中，并且交通干線道路沉積物中溶解態磷比例最低。溶解態的重金屬占總量的比例均較低，只有溶解態Cu達到5%以上，表明重金屬主要賦存在顆粒態存在的沉積物中。道路沉積物或者外界帶入的固體物質是地表徑流污染物的重要來源。

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