高原路側(cè)草地土壤重金屬空間分布特征及生態(tài)風(fēng)險評價

中圖分類號 X53 文獻標(biāo)識碼A 文章編號 1007-7731（2025）16-0069-07

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.16.016

AbstractTo explore the spatial distribution characteristics of heavy metals in grassland soil along the plateau highways，thesoilsamplesfromthetypical national highway grassand inthestudyarea were selectedastheresearch object.Thecontents of six heavy metals （Pb，Zn，Cu，Cd，Niand Cr）inthe soil were studied，andtheir spatial distribution characteristics and patterns were analyzedto evaluate the soil heavy metal polutionand potential ecological risks. The results showed that the Pb content in the surface soil （O-1O cm） increased with the increase of the distance fromthe road.At diferent distances，Niand Cr tended to accumulate inthelowerlayer，whilePb，Znand Cd tended to accumulate in the surface layer.The stability of Pb and Cu in soil along the highway was relatively poor，whichwas greatly affcted bytraffic activities，while the stabilityof Cd wasrelatively good.There was a highly significant positive correlation between Cu， Pb and Zn （Plt;0.01） ，and a significant positive correlation between Pb ，Cr and Cu （ P lt;0.05）. The heavy metals Pb，Cd，Ni，CrandCu in the surface soil of grassandalong the road all reached the pollutionlevel.The degree of heavy metal pollution inthegrassandsoil at differentdistances wasrelativelyhigh，andthepotential ecological riskof heavymetals inthesoil wasslightto moderate.As the economyand tourism are developingrapidly，the potentialecologicalriskofsoilheavy metalpolutionwillincrease with growing trafic volume.Therefore，the prevention and control of heavy metal pollution in grassand soil along the highway should be given due attention.

KeywordsNorthwest Sichuan Plateau; grassland; soil heavy metals;spatial distribution characteristics; ecological risk

1材料與方法

草地生態(tài)系統(tǒng)不僅是發(fā)展畜牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且在水源保護、水土保持和氣候調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著重要作用。作為三大陸地生態(tài)系統(tǒng)之一的草地生態(tài)系統(tǒng)，其對全球氣候變化和人類活動的反應(yīng)較敏感[2-3]。草地生態(tài)系統(tǒng)在實現(xiàn)我國畜牧業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展以及維護區(qū)域生態(tài)健康中具有不可替代的作用[4。高山草甸的碳儲量大概是我國草地生態(tài)系統(tǒng)的 30% ，因此被認(rèn)為是重要的陸地碳匯之一，對碳循環(huán)同樣具有不可忽視的影響[5-6]。

川西北高原分布有規(guī)模較大、分布較集中的高寒泥炭沼澤區(qū)，是重要的畜牧基地，在養(yǎng)分循環(huán)和區(qū)域氣候調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著重要作用。若爾蓋草原是川西北高原典型的草地生態(tài)系統(tǒng)，分布面積約65.2萬 hm^2∣ 8，是黃河上游重要的水源補給區(qū)，也是當(dāng)?shù)匦竽辽a(chǎn)與生態(tài)保護協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障。川西北高原豐富的景觀資源，促進了其旅游業(yè)的發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施得到大幅改善，國省干線車流量隨之增加，而車輛通行產(chǎn)生的重金屬的積累可能會影響草原生態(tài)系統(tǒng)平衡。土壤中重金屬積累可能會導(dǎo)致草地植被退化，土壤質(zhì)量下降，草地生產(chǎn)力和生態(tài)調(diào)節(jié)功能降低等風(fēng)險。近幾十年來，相關(guān)學(xué)者對土壤重金屬污染進行了大量研究，其研究成果主要集中在城市區(qū)域，對天然草地的研究則較少[10]。開展高原路側(cè)土壤重金屬研究，對公路沿線草地土壤中重金屬的污染狀況及其生態(tài)風(fēng)險進行分析和評價，可為高原地區(qū)的草原生態(tài)保護與科學(xué)管理提供重要支撐，對促進高原生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。因此，本研究以典型國道沿線草地土壤為研究對象，對土壤中6種重金屬（Pb、Zn、Cu、Cd、Ni和Cr）含量進行研究，分析其空間分布特征和規(guī)律，評價土壤重金屬污染情況和潛在的生態(tài)風(fēng)險。

1.1 研究區(qū)基本情況

研究區(qū)域位于川西北高原典型草地區(qū)域，地理坐標(biāo) 102^°08^′-103^°39^′E，32^°56^′-34^°19^′N ，平均海拔在3500m 。屬高原寒溫帶濕潤季風(fēng)氣候，常年無夏，年均相對濕度 69% ，年均氣溫 1.1^°C ，年降水量648.5mm ，無絕對無霜期，每年9月下旬至第二年5月中旬處于冰凍期。該區(qū)域是重要的草原濕地保護區(qū)，屬于亞高山草甸，植被以喜馬拉雅嵩草（Carexkokanica）、高山嵩草（Carexparvula）和垂穗披堿草（Elymusnutans）等莎草科和禾本科植物為主[1]。

1.2樣品采集

在研究區(qū)國道典型路段沿線設(shè)3條樣線，參考穆德苗等[12的研究方法，在剔除采樣點周圍的腐殖質(zhì)層后，使用土壤采樣器按照“等量”和“多點混合”的原則進行樣品采集，分別在距離公路邊緣10、50、100和 200m 處采集土壤剖面樣品，采樣深度為 0～10.10～20 和 20～30cm ，采樣點分布如圖1所示。

圖1采樣點分布示意

1.3樣品處理

取土壤風(fēng)干樣品，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，Agilent7900，USA）測定土壤樣品中重金屬鋅 （Zn） 、銅 （cu） 、鎳（Ni）、鉻 （Cr） 、鉛（Pb）與鎘（Cd）元素含量，分析土壤重金屬空間分布特征。

1.4土壤中各重金屬之間的相關(guān)性

利用SPSS軟件對草地土壤中重金屬元素進行Pearson相關(guān)性數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

1.5表層土壤中重金屬污染評價

1.5.1單因子污染指數(shù)法 該指數(shù)法[13]是以土壤元素背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)，對單一重金屬元素的累計污染水平進行評價，計算如式（1）。

式（1）中， P_i 為重金屬元素 i 的單因子污染指數(shù)，C_i 為重金屬元素 i 在公路沿線表層土壤中的實測濃度， S_i 為重金屬元素 i 的土壤環(huán)境背景值。

參考GB15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中土壤分級標(biāo)準(zhǔn)： P_ilt; 1，無污染； 1?P_ilt;2 ，輕度污染； 2?P_ilt;3 ，中度污染； P_i? 3，重度污染。

1.5.2內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 該污染指數(shù)法[14]計算如式（2）。

式（2）中， P_N 為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)， P_imax 為單因子污染指數(shù)的最大值， P_iave 為各個污染元素指數(shù)的算術(shù)平均值。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法將污染分為5個等級： P_N? 0.7，清潔； 0.7?N?1.0 ，尚清潔； ，輕度污染； ，中度污染； P_?Ngt;3.0 ，重度污染。

1.6表層土壤潛在生態(tài)風(fēng)險評價

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法的重點是確定不同重金屬的毒性系數(shù)，并通過不同重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù) T_i（Cu=Ni=Pb=5，Zn=1，Cr=2，Cd=30） 的差異[15]，全面綜合評價土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)的綜合值[]。計算如式（3）～（4）。

E_i=T_i×P_i

式 （3）～（4） 中， E_i 為重金屬 i 的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)， T_i 為重金屬 i 的毒性響應(yīng)系數(shù)， P_i 為重金屬 i 的單因子污染指數(shù)， RI 為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。 E_i 及RI的生態(tài)風(fēng)險程度等級劃分如表1所示， E_i 和 RI 的值越高，表明土壤中重金屬危害生態(tài)環(huán)境的可能性越大。

表1土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)、綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)與危害程度的關(guān)系

1.7數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS軟件進行土壤重金屬含量、評價指標(biāo)的統(tǒng)計和分析，采用Origin軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬空間分布特征

如圖2所示，水平方向上土壤重金屬含量隨著采樣點與公路邊緣距離的增加，在不同土層中表現(xiàn)出不同變化趨勢。在 0～10cm 土層，Pb含量呈波動變化，總體呈增加趨勢； Z_n 和Cu的含量先增加后減少，總體呈減少趨勢；Cd的含量先增加后減少；而Ni和 Cr 的含量總體呈減少趨勢。在 10～ 20cm 土層， Pb 和Ni的含量先減少后增加，總體呈減少趨勢； Zn，Cu，Cd 和Cr的含量總體呈減少趨勢。在 20～30cm 土層， Pb 和Ni的含量總體呈增加趨勢； Zn，Cu 和 Cr 的含量先增加后減少，總體呈增加趨勢；Cd的含量先增加后減少，總體呈減少趨勢。

距離公路 10m 的土壤中，中層土壤（ 10～ 20cm ）中各重金屬含量最高，其次是表層土壤（ （0～ 10cm ），底層土壤中（ 20～30cm） 各重金屬含量最低。隨著土層深度的增加，與公路邊緣不同距離草地土壤中重金屬含量呈現(xiàn)不同趨勢，表現(xiàn)為距離10m 時，總體上Pb和 Z_n 含量降低， Cr 含量表現(xiàn)為中部高兩端低分布，而Ni含量呈增加趨勢；距離 100m 的土壤中， Pb 和 Z_n 含量先降低后升高，總體呈下降趨勢， Cu，Ni 和Cr含量呈增加趨勢，而Cd含量則降低；距離 200m 的土壤中，Ni和 Cr 含量呈增加趨勢，Cd含量則呈減少趨勢。距離公路 200m 的土壤中，Pb和 Cu 在 10～20cm 土層中含量最高，其次是20～30cm ，表層土中含量最低； Z_n 在表層土和 10～ 20cm 土層中含量一致，在底層土壤中含量則稍有降低（圖2）。

2.2土壤中各重金屬含量之間的相關(guān)性

公路沿線草地土壤中除 Z_n 之外，其他5種重金屬 （Pb，Cu，Cd，Ni，Cr） 含量平均值均高于土壤背景值（表2）。通過變異系數(shù)對比可知，Pb和Cu含量的變異系數(shù)最大，Cd含量的變異系數(shù)最小。

表2土壤重金屬含量描述統(tǒng)計特征

土壤重金屬 Pb，Zn，Cu，Cd，Ni 和Cr含量之間的相關(guān)性如表3所示。 Z_n 和 Pb，Cu 和 Zn，Cr 和Ni含量之間呈極顯著正相關(guān) r=0.759，Plt;0.01;r=0.833，Plt; 0.01;r=0.747，Plt;0.01 ）， Cu 和 Pb，Cr 和 Cu 含量之間呈顯著正相關(guān) （r=0.668，Plt;0.05;r=0.645，Plt;0.05） 。

表3土壤重金屬含量相關(guān)性分析

注：**表示在0.01水平（雙側(cè)）上相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義；*表示在0.05水平（雙側(cè)）上相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2.3表層土壤重金屬污染情況評價

研究區(qū)公路沿線表層土壤中重金屬的平均單因子污染指數(shù) （Pi） 存在差異。通過對比不同距離的土壤重金屬單因子污染指數(shù)發(fā)現(xiàn)，距離公路10、50和200m 的土壤中，土壤重金屬的污染程度排序為 Pbgt; Cdgt;Nigt;Crgt;Cugt;Zn ；距離公路 100m 的土壤中，土壤重金屬的污染程度排序為 Cdgt;Pbgt;Nigt;Crgt;Cugt;Z_n （圖3）。

不同距離下土壤中6種重金屬元素的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)在 2.22～2.36 其中，距離公路 100m 的土壤重金屬污染指數(shù)最大，為2.36；而距離公路 10m 的土壤污染指數(shù)最小，為2.22。

圖3表層土壤 （0～10cm 中重金屬單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

2.4表層土壤潛在生態(tài)風(fēng)險評價

由圖4可知，研究區(qū)公路沿線草地表層土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù) （RI） 均小于150，與公路邊緣的距離對RI的影響是有限的，距離公路 100m 的草地土壤中重金屬的 RI 最大，距離公路 200m 的土壤中重金屬的 RI 最小，其中 RI 主要來自Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù) （E_i） 的貢獻，其 E_i 超過了40，說明研究區(qū)道路旁土壤中重金屬危害程度總體處于輕微生態(tài)風(fēng)險，但Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險較大。

研究區(qū)公路兩側(cè)表層土壤6種重金屬元素中，單一重金屬的 E_i 值依次為 Cdgt;Pbgt;Nigt;Cugt;Crgt;Zn ，重金屬Cd的最大潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)較高，達到82.5，其余5種重金屬的 E_i 值均在40以下，說明研究區(qū)公路兩側(cè)表層土壤中Cd的污染程度處于中等生態(tài)風(fēng)險。

圖4表層土壤 （0～10cm 中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

3結(jié)論與討論

研究結(jié)果顯示，公路沿線草地土壤中部分采樣點重金屬 （Zn，Cu，Ni，Cr，Pb 和Cd）的含量處于較高水平。土壤中的 Pb 主要來源于車輛行駛排出的廢氣，而汽車潤滑油燃燒以及車輪的磨損都會產(chǎn)生 Zn，Cd 和Pb等，剎車?yán)镆r的磨損也是Cd、Cu和 Z_n 等重金屬的來源之一，除此之外，汽車的不銹鋼成分及剎車系統(tǒng)也是造成公路旁土壤重金屬 Cr，Zn，Cu 和Ni等積累的重要原因[17-19]。與此相似的是，徐玉玲等[20研究發(fā)現(xiàn)，交通運輸會造成交通干道土壤中 Pb，Cr，Cu，Zn 和Ni等重金屬含量明顯增加;劉玉燕等21研究發(fā)現(xiàn)，城市土壤重金屬含量高主要受較大的交通流量影響。本研究中，表層土壤（ （0～10cm） 中Pb含量隨與公路邊緣距離的增加總體呈增加趨勢，可能是由于Pb主要隨尾氣 PM₁₀ 顆粒向公路周圍擴散，能夠擴散至幾百米甚至上千米的地方[22]。此外，與公路邊緣不同距離的土壤中Ni和Cr具有向下層積聚的趨勢，而 PbZn 和Cd則具有表層積聚的趨勢。

變異系數(shù)對重金屬的空間分布變化具有一定的指示作用，變異系數(shù)越小，重金屬的空間分布特征越趨于一致[23]。本研究中公路沿線土壤中各重金屬含量變化范圍較大，除 Z_n 之外，其他5種重金屬（Pb、Cu，Cd，Ni，Cr） 含量均超過土壤背景值，表明這5種重金屬在公路沿線土壤中富集較明顯，從長遠(yuǎn)來看，其將對公路兩側(cè)的草地土壤造成嚴(yán)重污染。土壤中Pb.Zn.Cu.Cd.Ni 和Cr的變異系數(shù)均小于0.5，表明其空間分布特征較一致。Pb和 Cu 的變異系數(shù)最大，Cd的變異系數(shù)最小，表明公路沿線草地土壤中Pb和Cu的穩(wěn)定性相對較差，受交通活動影響較大，而Cd的穩(wěn)定性相對較好。本研究中各重金屬元素的變異系數(shù)呈相對復(fù)雜的變化趨勢，與研究區(qū)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、牧民居住和遷徙以及游客的活動等有關(guān)。

川西北高原海拔較高，氣溫較低，社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)單一，其他工業(yè)污染較少見，可通過不同重金屬元素之間的相關(guān)性，推測其來源是否一致。如表3所示，Cu和 Zn，Cu 和Pb、Cu和 Cr 以及 Pb 和 Z_n 之間分別存在極顯著或顯著的正相關(guān)性，表明 Zn，Cu，Pb 和Cr等重金屬的來源一致。根據(jù)馮金飛的研究， Z_n 和Cu等重金屬主要通過道路粉塵擴散或地表徑流進入道路兩側(cè)的土壤中。因此，推測本研究中 Zn，Cu 、Pb和Cr等重金屬主要通過道路粉塵擴散或地表徑流進入草地土壤中。

研究區(qū)公路沿線草地表層土壤中重金屬Pb、Cd、Ni、Cr和Cu均達到污染程度，表明該公路沿線草地土壤受交通運輸?shù)挠绊懘嬖谥亟饘倮鄯e的現(xiàn)象。與公路邊緣不同距離的草地土壤均呈中度污染，Pb和Cd均達到中度污染。王楨等24研究發(fā)現(xiàn)，Pb是道路粉塵中常見的元素，頻繁的剎車會導(dǎo)致土壤中Pb含量高于背景值。公路沿線土壤中重金屬Cd主要來自車輛內(nèi)部潤滑油的燃燒以及車胎與道路摩擦產(chǎn)生的粉塵[25]，由于Cd活性較強、顆粒較大、容易被土壤吸附并在附近土壤中積累[2。因此，要重視重金屬Pb、Cd對川西北高原公路兩側(cè)草地土壤的污染。

采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法結(jié)合重金屬的累積和毒性效應(yīng)，開展重金屬的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)研究，可為評價土壤污染狀況提供良好的參考依據(jù)[5]。陳為峰等[0通過對不同城市功能區(qū)綠地土壤重金屬分布及其生態(tài)風(fēng)險進行研究，發(fā)現(xiàn)其Cd污染已達到中度生態(tài)風(fēng)險，有必要加強對Cd污染的關(guān)注。劉丹等25對贛南某鎢礦區(qū)土壤重金屬進行研究，發(fā)現(xiàn)造成周圍土壤潛在生態(tài)風(fēng)險的主要因素是Cd，因此在對其土壤進行修復(fù)時，應(yīng)注重Cd污染的修復(fù)和防治。本研究結(jié)果也表明，Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù) （E_i） 對公路沿線表層土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI的貢獻最大，其 E_i 超過了40。因此，控制川西北高原公路兩側(cè)草地中Cd污染的來源、重視對土壤中Cd污染的治理十分必要。本研究區(qū)域主要是川西高原國道沿線的草地，車流量較大，草地土壤中的重金屬污染程度處于輕度至中度水平，其潛在生態(tài)風(fēng)險也是輕微至中等水平。由于川西北高原的旅游業(yè)目前正處于發(fā)展階段，其公路沿線草地土壤的重金屬污染程度以及潛在生態(tài)風(fēng)險將隨車流量的增加而增加。因此，亟須重視公路沿線草地土壤中重金屬污染的來源，以及對土壤重金屬污染的科學(xué)防治。

研究區(qū)公路沿線草地土壤中Ni和Cr具有向下層積聚的趨勢，而Pb 、2n 和Cd則具有表層積聚的趨勢。公路沿線草地土壤中 Pb 和 Cu 的穩(wěn)定性相對較差，受交通活動影響較大，而Cd的穩(wěn)定性相對較好。草地土壤中 Zn，Cu，Pb 和 Cr 等重金屬均來源于道路粉塵或地表徑流。公路沿線草地表層土壤中重金屬Pb、Cd、Ni、Cr和 Cu 均達到中度污染程度，其潛在生態(tài)風(fēng)險為輕微至中等水平，并將隨車流量的增大而增加。因此，研究區(qū)公路沿線草地需進一步采取有效監(jiān)管措施，防止重金屬元素通過植被吸收與牲畜啃食過程的傳播和積累效應(yīng)而影響動物和人體健康。

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