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公路源重金属对路域环境的影响及其迁移规律

仝致琦  
【摘要】:公路建设在带动经济发展的同时,也导致了一些环境问题,并引起学术界的广泛关注。本文运用系统科学理论与方法,将路域环境各因素看作是相互联系的统一整体,从重金属“源→路径→汇→影响”角度出发,研究交通源重金属迁移及对路域环境的影响。以河南省公路(G310、S337)为例,采集路旁土壤、小麦、水稻、大气颗粒物、降水、地表水样品,用ICP-MS分析其Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等重金属含量。对不同耕作方式下路旁土壤重金属含量进行泛克里格插值分析,开展路旁土壤、小麦、水稻、地表水公路源重金属含量、分布、污染状况和风险评价,从线源颗粒物扩散模型出发,对路旁大气颗粒物和路旁土壤重金属空间分步进行拟合,较好地揭示了路源重金属迁移和沉降规律。经研究,得出以下主要结论: (1)公路交通对路域土壤、水体、生物、大气环境都有重大影响。公路源重金属产生后,赋存于大气颗粒物中,随其进行干湿沉降,最终通过干湿沉降汇于地表水及土壤,引起路域环境重金属积累,甚至发生污染。建立公路源重金属迁移模型和路旁土壤重金属空间分布模型,并使用大气颗粒物、大气颗粒物重金属及土壤重金属含量进行模型验证。该模型对于大气颗粒物、大气颗粒物重金属含量实测值拟合效果较好,对土壤重金属含量实测值拟合效果很好。 (2)耕作方式及重金属特性对路旁土壤重金属空间分布具有强烈影响。克里格空进插值分析表明,杏花营断面旱旱轮作的路旁土壤重金属呈现出与道路平行的条带状空间分布,其中Cr和Cu含量呈指数递减分布,Pb、Ni、Zn和Cd呈偏态分布,峰值出现在距路基30~50m之间。重金属分布类型与该元素主要赋存的大气颗粒物粒径有关,赋存于较大颗粒物上的重金属在道路两侧呈指数递减分布模式,相反则呈偏态分布模式。与此相反,杜良段面水旱轮作的土壤重金属含量呈斑点状或斑块状分布,与距路基距离的相关性较差。这主要是淹水条件增强了重金属水平迁移所致。 (3)路旁土壤环境已发生不同程度重金属污染,存在一定的潜在生态风险、健康风险。以国家土壤环境二级质量标准为基准的重金属污染指数法评价表明,杏花营断面和项店断面路旁土壤重金属单项、综合污染均为安全级别;杜良断面土壤Ni在路基100m(南侧)和500m(北侧)范围内达到轻度污染,Zn在距路基140和150m(南侧)处的样点达到轻度污染,Cu、Cd、Pb和Cr均为安全级别,杜良断面土壤重金属综合污染总体为安全级别。以对照样土壤重金属含量为基准的地积累指数评价表明,土壤6种重金属均出现不同程度的污染。杏花营断面南侧土壤Cr在距路基0~30m之间达到中度污染,35~120m之间达到轻度污染;北侧土壤Cr在距路基15m左右达到中度污染,0~10、20~120m之间达到轻度污染;杏花营断面Cu、Zn、Ni、Cd和Pb的轻度污染带出现在距路基80m范围之内。杜良断面土壤Pb、Ni、Zn、Cr、Cu出现局部区域的中度污染,Cd造成局部区域的轻度污染;项店断面土壤Cr、Ni、Zn、Cu、Cd局部达到轻度污染,Pb为安全级别。以对照样土壤重金属含量为基准的潜在生态风险指数评价表明,杏花营土壤Cd达到中等生态风险的样点数占总样数的82.43%,杜良断面为45.07%,项店断面为87.83%;杜良断面土壤Pb达到中等生态风险的样点数占总样点的8.45%,其余样点均为轻微风险。3个断面土壤均存在重金属综合潜在生态风险。3个断面土壤重金属的单项和综合非致癌和致癌健康风险甚小,可忽略。 (4)G310公路两侧200m范围内粮食作物(水稻、小麦)重金属含量显著高于对照样点。样点小麦籽粒Cr、Ni和Pb全部污染,其中Pb属于重度污染,Cr达到轻度污染、中度污染和重度污染的样点数分别占总样数的2.70%、16.22%和81.08%,Ni达到轻度污染、中度污染和重度污染的样点数占总样数分别为8.11%、40.54%和51.35%,Cu、Cd和Zn达到分轻度污染的样点数占总样数的89.19%、9.11%和45.95%。水稻Cr为重度污染,Ni达到轻度污染、中度污染和重度污染的样点数分别占总样数的19.44%、16.67%和11.11%;Pb达到轻度污染的样点数占总样数的25.00%;Cu、Zn和Cd为未污染。小麦籽粒综合污染指数达到重度污染水平。水稻籽粒重金属多为中度污染,部分达到重度污染。小麦Cr、Pb存在非致癌健康风险,Cu、Cd、Zn和Ni无明显的非致癌健康风险,有综合非致癌健康风险,小麦Cr风险占总风险的52.16%,为主要非致癌风险因子,Pb风险占总风险的26.59%,为次要风险因子。水稻Cr存在非致癌健康风险,Cu、Pb、Zn、Cd和Ni无明显的非致癌健康风险,Cr风险占总风险82.90%,也是主要非致癌风险因子。小麦和水稻的Cr、Pb存在非致癌健康总风险,Cu总体存在健康总风险,Zn、Cd和Ni的不存在健康总风险,小麦和水稻存在重金属综合非致癌健康总风险。 (5)与对照样点相比,距路基200m范围内的地表水体6种重金属含量显著升高,造成部分地表水环境的污染。地表水Cu达到轻度污染、中度污染和重度污染的样点数分别占总样数的16.67%、8.33%和8.33%;Zn达到轻度污染的样点数占总样数的4.17%。路域降水中的重金属含量也高于对照样点,但没有造成污染。 (6)路域大气颗粒物迁移距离与其粒径呈负相关,粒径越小,迁移越远。大气颗粒物重金属含量空间分布有指数和偏态两种分布类型,其中Pb和Cr属于指数递减分布趋势,Cd、Cu、Ni和Zn属于偏态分布。重金属所赋存颗粒物粒径从大到小依次为Cd=CuCrNiPb。路域大气环境出现Pb的中度或重度污染,颗粒物的粒径越小,污染程度越重。路域大气颗粒物重金属存在综合非致癌和致癌健康风险,Cr为主要健康风险因子。


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