公路旁土壤重金屬空間分布及其與理化性質的關系

李仰征+莫世江+馬建華

摘要：為了探討公路旁土壤重金屬元素的水平與垂直分布特點及土壤理化性質與其關系，為土壤修復提供參考，采用標準方法測定重金屬含量和土壤理化性質，應用SPSS 10.0、CorelDRAW12等軟件進行數據統計與作圖研究土壤重金屬空間分布與理化性質的關聯性。結果表明，土壤重金屬水平方向分布總體表現為靠近公路區域積累較強。垂直方向分布表現為表層富集明顯，但是沒有隨剖面深度的加大而逐漸線性降低，這可能是農耕深翻、降水淋溶和土壤性質等多因素共同造成的。對于土壤重金屬，pH與它們的關系最為密切（Cu與Cr除外），其次是CEC和黏粒含量，密切程度最差的是SOC（Pb除外）。

關鍵詞：公路旁土壤；重金屬；空間分布；灰色關聯

中圖分類號：S151.9；X131.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0527-05

土壤是重要的農業資源，也是污染物重要的匯集地。公路運營、農藥與肥料的使用、污水灌溉和工業“三廢”排放均能造成土壤受到重金屬污染[1-3]。除此以外，土地利用方式[4]、重金屬形態特征[5]、土壤理化性質[6，7]都對它的遷移和固化過程有重要影響。雖然以公路旁土壤為載體的研究不少[8，9]，但專門探討公路旁土壤重金屬空間分布與理化性質關系的研究卻較少[10，11]。因此，研究土壤重金屬分布特點與土壤理化性質及周圍環境的關系，可為土壤修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣區概況

采樣路段位于連霍高速鄭汴間中牟段（1994年通車，車流量大），屬暖溫帶大陸性季風氣候：年均氣溫14.4 ℃，年降水量616 mm，平均風速3.0～3.5 m/s。成土母質為黃河沖積物，以沙質土為主。農作物有小麥、花生、棉花等，主要施用碳酸氫銨、磷肥和農家肥等。樣區周圍10 km內無“三廢”排放企業，3 km內無鄉鎮等人口稠密的居民點。農田灌溉均取自地下水，無污水灌溉現象。

1.2 樣品采集、處理及測定

前人研究表明，在靠近公路的100 m范圍內土壤受污染程度較為嚴重。本研究按距離路基0、5、15、25、35、50、75、100、200、300和1 000m布點（1 000 m樣點為對照點），共布設3個斷面（圖1，分別為萬勝、盧崗和林場斷面，彼此間距在4 km以上）。按梅花形布點和四分法取樣，共采集33個表層土樣。在距離路基30 m處挖掘剖面，采集9個土壤剖面樣品。經自然風干、研磨、過篩后裝袋備用。土壤重金屬均為徹底破壞礦物晶格的總量，試劑為優級純，用水為去離子水，原子吸收光譜儀為AA-6601F型（日本島津）。酸度計為PHS-3B型（上海）、重鉻酸鉀容量法（外加熱）測有機碳、PD型顆粒分析儀（成都）測土壤機械組成、醋酸銨法測陽離子交換量[12]。

2 結果與分析

2.1 3個斷面各表層土樣6種重金屬含量水平分布特征

由圖2可知，3個斷面各表層土樣6種重金屬含量在距路基0或5 m處均有一個較高值（林場的Cr和Cu例外），這是因為無鉛汽油燃燒尾氣顆粒物中仍含有鉛、鎳、鎘等多種元素[13]，含有多種重金屬的輪胎和筑路材料的磨損顆粒以及運輸物品的泄漏均以各種形式顆粒存在于路表，由于路面徑流或人為清掃，這些顆粒物質便排放到路基附近，因此導致距離公路較近地域的各種重金屬元素都相對較高。

其次，隨著離路基距離的增大，各曲線均沒有呈現出簡單的下降趨勢。這是因為汽車尾氣中重金屬元素是依賴顆粒大小不同粉塵的吸附作用而得以擴散。而且不同重金屬元素或是同一重金屬元素在不同粒徑粉塵中的吸附效果并不一致[14]。依據大氣污染物中的連續點源擴散模式[15]，這些粉塵除粒徑極小的部分直接逸散到大氣中以外，其他大部分均在高速公路兩側發生沉降，并且在遠離路基的某一距離范圍內出現沉降濃度最大區域。如萬勝的Cd（距路基75 m處）、Ni（距路基50 m處）、Pb（距路基75 m處）、Zn（距路基200 m處）、Cr（距路基200 m處）在遠離路基處出現了污染峰值點。

各斷面大部分元素在出現峰值（帶）后，曲線總體上呈現出較為明顯的下降趨勢（以萬勝的Cd、Pb和盧崗的Zn、Ni、Pb、Cu和林場的Pb、Cd、Zn、Ni曲線最為明顯）。但是，萬勝和林場斷面的Cu在1 000 m對照點的含量并沒有明顯低于整個斷面有些更靠近公路樣點的含量，這表明公路運營并不是造成路旁土壤出現重金屬污染的惟一原因。前人研究表明有機肥的施用可使農田土壤含銅量大幅度提高[16，17]。因此，公路運營、施肥及土壤背景都可對重金屬累積產生影響。

2.2 土壤重金屬含量垂直分布特征

剖面設計規格為80 cm×150 cm×100 cm，并根據土壤顏色、結構和質地等外部形態劃分土層。但由于黃河在其下游表現為地上懸河（導致兩側區域地下水位高），考慮到地下水對土壤重金屬遷移的影響，3個剖面均挖到地下水浸出為止，如林場剖面深度只有30 cm，土壤剖面不同深度重金屬含量見表1。鑒于林場與萬勝剖面挖掘較淺，土壤分層有限，因此主要分析盧崗剖面重金屬垂直分布規律（圖3）。由圖3可知，盧崗剖面土壤重金屬表層富集十分明顯，其他兩剖面也有類似特點（林場的Cd和萬勝的Ni例外）。在未受人為干擾的土壤剖面中，一般是隨著深度的增加重金屬含量逐漸減少。這主要是進入土壤的重金屬受到土壤膠體的吸附、代換、絡合和螯合作用，大部分被固定在表層中。Scheetz[18]對位于美國某狩獵場土壤研究發現，由于受到有機質的吸附，Pb在垂直方向的遷移能力較弱。但是，圖3中重金屬含量并沒有隨剖面深度加大逐漸線性降低，表現在土層Plg-3時，6種元素下降趨勢停止，并出現了“反彈”，到Plg-4時又表現出明顯的下降趨勢（表1中萬勝的Cd和Cr也有此現象，但該斷面其他元素不明顯）。前人研究發現，在農業活動[19]、降水淋溶[20]、植物根系作用[21]、動物活動和土壤理化性質等條件影響下，隨著深度的增加重金屬含量減少這種規律可發生改變。

盧崗剖面“反彈”現象的出現，很可能也與上述原因有關。耕作農田土壤逐年深翻以及淋溶作用，導致了近地表層土壤中的重金屬垂直方向發生了較強的遷移。在野外挖掘到Plg-3深度（犁底層）時發現土壤呈膠泥態的片狀結構（黏粒含量達173.956 g/kg，為整個剖面的最大值），這可能阻礙了重金屬的進一步下移，以致于表層重金屬元素無法下移至Plg-4深度，并在Plg-3深度附近出現了富集。陳懷滿[22]也指出，土壤質地越黏重，它對進入土壤中重金屬的持留性就越大。所以，盧崗剖面重金屬垂直分布中的“反彈”現象，是農耕深翻、降水淋溶和土壤性質等多因素共同造成的，其中土壤質地對“反彈”現象影響最大。

2.3 3個斷面各樣點土壤理化指標及其與重金屬的灰色關聯分析

土壤中重金屬遷移與富集受多種因素的影響，其中土壤有機碳含量（SOC）、陽離子交換量（CEC）、pH和黏粒含量等理化性質是重要的影響因素。傳統的分析是相關分析，但在相關分析中因素y對x的相關程度與因素x對y的相關程度相等，其實是與實際情況不太相符的[23]。由于自然現象與問題的復雜性，傳統的相關分析方法對數據變化的靈敏度高，有可能出現反常的結論[24]。而灰色系統理論的關聯度分析能分析各變量之間相關關系的緊密程度，并可以對這種程度的親疏進行排序。分別以6種重金屬元素作為母序列，表2中4種土壤指標作為子序列，經過原始數據變換、計算絕對差和關聯系數，得到了每種重金屬元素與各理化指標的灰色關聯度（表3）。

由表3可以看出，pH與Zn、Ni、Cd和Pb的關聯度高，表明在這4個土壤理化指標當中，pH與這4種元素關系最為密切。這是因為它的變化會導致土壤膠體總電荷發生變化，其吸附陽離子的能力也發生變化。鐘曉蘭等[25]認為pH與土壤膠體（黏粒、有機質和鐵錳氧化物等）對重金屬的吸附能力呈現出很好的相關性。Bang[26]研究發現，當pH大于5時Cu、Pb和Cr的移動性仍將保持在一個較低的水平。

CEC與Cu、Cr的關系密切（其他4種重金屬均與pH關聯度高），這是因為CEC反映了土壤負電荷量的多少，其大小可表示土壤保蓄能力的高低，因此它對重金屬元素的累積有著重要影響。黏粒與重金屬關系較弱可能是樣區主要為沙質土壤，淋溶作用導致表層富集的重金屬遷移能力較強。有學者對同處黃河下游某地研究表明，土壤沙粒含量與重金屬含量有極顯著的負相關關系[27]。

相對于其他理化指標，SOC總體上與6種重金屬的關系都較為疏遠。張劍等[28]研究表明，土壤中各種有機碳都有季節性變化特點，且基本上都是冬季處于四季中的最低值。表3中SOC與6種重金屬的關聯度不理想，可能是與此有關。因為冬季微生物活性和數量都處于較低值，植物基本停止生長，凋落物分解緩慢，再加上大部分樣點集中在農田，冬季土地賦閑、土壤有機肥料得不到補充，所以這些原因共同導致了土壤有機碳和6種重金屬的關聯度均較低。

3 小結與討論

路旁土壤出現了不同程度的重金屬積累。公路運營并不是造成路旁土壤出現重金屬污染的惟一原因。土壤重金屬水平方向分布總體表現為靠近公路區域積累程度較強。垂直方向分布總體表現為表層富集明顯，但其含量并沒有隨剖面深度的加大而逐漸線性降低。在典型剖面土層Plg-3出現了“反彈”，它是農耕深翻、降水淋溶和土壤性質等多因素共同造成的，其中該剖面土壤質地對這一現象影響最大。對于這6種土壤重金屬來說，總體上pH與它們的關系最為密切，其次是CEC和黏粒含量，密切程度最差的是SOC。分析是建立在重金屬元素總量基礎上的，并沒有測試其不同形態的含量及分布特點。氧化還原電位、不同類型有機質、電導率和土壤動物等其他要素與其關系并沒有涉及。

參考文獻：

[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] 楊海征，胡紅青，黃巧云，等.堆肥對重金屬污染土壤Cu、Cd形態變化的影響[J].環境科學學報，2009，29（9）：1842-1848.

[3] 劉小林.礦區水稻土壤重金屬污染及其施肥調控技術[J].湖北農業科學，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] 鄭順安，鄭向群，李曉辰，等.外源Cr（Ⅲ）在我國22種典型土壤中的老化特征及關鍵影響因子研究[J].環境科學，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，馬建華.高速公路旁土壤重金屬污染及不同林帶防護效應比較[J].水土保持學報，2011，25（1）：105-109.

[10] 葉華香，張思沖，辛 蕊，等.哈爾濱市郊菜地土壤重金屬及土壤理化性質[J].中國農學通報，2011，27（2）：162-166.

[11] 張 騰，周 童，周 琳，等.湖北房縣煙區土壤重金屬含量狀況及其與土壤肥力的關系[J].山西農業科學，2012，40（11）：1195-1199.

[12] 魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京：中國農業科學技術出版社，1999.106-226.

[13] 徐曉輝，袁 東，葉舜華.無鉛汽油車排出顆粒物組分分析[J].中國衛生工程學，2003，2（1）：1-3.

[14] 王章瑋，張曉山，張 逸，等.汞在不同粒徑大氣顆粒物中的分布[J].環境化學，2005，24（1）：72-75.

[15] 劉培桐，薛紀渝，王華東.環境學概論[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] 張慶利，史學正，黃 標，等.南京城郊蔬菜基地土壤有效態鉛鋅銅和鎘空間分異及其驅動因子研究[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，張甘霖，趙玉國，等.基于高密度采樣的土壤重金屬分布特征及遷移速率[J].環境科學，2006，27（5）：1020-1025.

[20] 白 梅，鐵柏清，尹 倩.降雨對土壤中重金屬淋失的影響[J].環境科學與技術，2010，33（12F）：80-82.

[21] 陳 蘇，孫鐵珩，孫麗娜，等.Cd2+、Pb2+在根際和非根際土壤中的吸附-解吸行為[J].環境科學，2007，28（4）：843-846.

[22] 陳懷滿.環境土壤學[M].北京：科學出版社，2005.

[23] 徐建華.現代地理學中的數學方法[M].北京：高等教育出版社，2002.84-93，338-342.

[24] 鄧聚龍.灰色系統理論[M].武漢：華中科技大學出版社，2005. 5-6.

[25] 鐘曉蘭，周生路，趙其國.土壤重金屬的形態分布特征及其影響因素[J].生態環境，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] 張金萍，張保華，秦耀辰.土壤重金屬復合污染及其影響因素分析[J].河南大學學報（自然科學版），2009：39（6）：613-616.

[28] 張 劍，汪思龍，王清奎，等.不同森林植被下土壤活性有機碳含量及其季節變化[J].中國生態農業學報，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，馬建華.高速公路旁土壤重金屬污染及不同林帶防護效應比較[J].水土保持學報，2011，25（1）：105-109.

[10] 葉華香，張思沖，辛 蕊，等.哈爾濱市郊菜地土壤重金屬及土壤理化性質[J].中國農學通報，2011，27（2）：162-166.

[11] 張 騰，周 童，周 琳，等.湖北房縣煙區土壤重金屬含量狀況及其與土壤肥力的關系[J].山西農業科學，2012，40（11）：1195-1199.

[12] 魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京：中國農業科學技術出版社，1999.106-226.

[13] 徐曉輝，袁 東，葉舜華.無鉛汽油車排出顆粒物組分分析[J].中國衛生工程學，2003，2（1）：1-3.

[14] 王章瑋，張曉山，張 逸，等.汞在不同粒徑大氣顆粒物中的分布[J].環境化學，2005，24（1）：72-75.

[15] 劉培桐，薛紀渝，王華東.環境學概論[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] 張慶利，史學正，黃 標，等.南京城郊蔬菜基地土壤有效態鉛鋅銅和鎘空間分異及其驅動因子研究[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，張甘霖，趙玉國，等.基于高密度采樣的土壤重金屬分布特征及遷移速率[J].環境科學，2006，27（5）：1020-1025.

[20] 白 梅，鐵柏清，尹 倩.降雨對土壤中重金屬淋失的影響[J].環境科學與技術，2010，33（12F）：80-82.

[21] 陳 蘇，孫鐵珩，孫麗娜，等.Cd2+、Pb2+在根際和非根際土壤中的吸附-解吸行為[J].環境科學，2007，28（4）：843-846.

[22] 陳懷滿.環境土壤學[M].北京：科學出版社，2005.

[23] 徐建華.現代地理學中的數學方法[M].北京：高等教育出版社，2002.84-93，338-342.

[24] 鄧聚龍.灰色系統理論[M].武漢：華中科技大學出版社，2005. 5-6.

[25] 鐘曉蘭，周生路，趙其國.土壤重金屬的形態分布特征及其影響因素[J].生態環境，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] 張金萍，張保華，秦耀辰.土壤重金屬復合污染及其影響因素分析[J].河南大學學報（自然科學版），2009：39（6）：613-616.

[28] 張 劍，汪思龍，王清奎，等.不同森林植被下土壤活性有機碳含量及其季節變化[J].中國生態農業學報，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，馬建華.高速公路旁土壤重金屬污染及不同林帶防護效應比較[J].水土保持學報，2011，25（1）：105-109.

[10] 葉華香，張思沖，辛 蕊，等.哈爾濱市郊菜地土壤重金屬及土壤理化性質[J].中國農學通報，2011，27（2）：162-166.

[11] 張 騰，周 童，周 琳，等.湖北房縣煙區土壤重金屬含量狀況及其與土壤肥力的關系[J].山西農業科學，2012，40（11）：1195-1199.

[12] 魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京：中國農業科學技術出版社，1999.106-226.

[13] 徐曉輝，袁 東，葉舜華.無鉛汽油車排出顆粒物組分分析[J].中國衛生工程學，2003，2（1）：1-3.

[14] 王章瑋，張曉山，張 逸，等.汞在不同粒徑大氣顆粒物中的分布[J].環境化學，2005，24（1）：72-75.

[15] 劉培桐，薛紀渝，王華東.環境學概論[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] 張慶利，史學正，黃 標，等.南京城郊蔬菜基地土壤有效態鉛鋅銅和鎘空間分異及其驅動因子研究[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，張甘霖，趙玉國，等.基于高密度采樣的土壤重金屬分布特征及遷移速率[J].環境科學，2006，27（5）：1020-1025.

[20] 白 梅，鐵柏清，尹 倩.降雨對土壤中重金屬淋失的影響[J].環境科學與技術，2010，33（12F）：80-82.

[21] 陳 蘇，孫鐵珩，孫麗娜，等.Cd2+、Pb2+在根際和非根際土壤中的吸附-解吸行為[J].環境科學，2007，28（4）：843-846.

[22] 陳懷滿.環境土壤學[M].北京：科學出版社，2005.

[23] 徐建華.現代地理學中的數學方法[M].北京：高等教育出版社，2002.84-93，338-342.

[24] 鄧聚龍.灰色系統理論[M].武漢：華中科技大學出版社，2005. 5-6.

[25] 鐘曉蘭，周生路，趙其國.土壤重金屬的形態分布特征及其影響因素[J].生態環境，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] 張金萍，張保華，秦耀辰.土壤重金屬復合污染及其影響因素分析[J].河南大學學報（自然科學版），2009：39（6）：613-616.

[28] 張 劍，汪思龍，王清奎，等.不同森林植被下土壤活性有機碳含量及其季節變化[J].中國生態農業學報，2009，17（1）：41-47.