HJSS Hans Journal of Soil Science 2329-7255 Scientific Research Publishing 10.12677/HJSS.2024.121003 HJSS-79040 HJSS20240100000_69614890.pdf 地球与环境 环境监测在公路两旁农田土壤重金属的分析与评价上的应用 Application of Environmental Monitoring in the Analysis and Evaluation of Heavy Metals in Farmland Soils on Both Sides of Highways 黄 蕾 2 1 商 景阁 3 1 刘 伟 2 1 陈 帅 2 1 中国药科大学工学院，江苏 南京 新疆工程学院化学与环境工程学院，新疆 乌鲁木齐 null 09 01 2024 12 01 17 26 © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 2014 This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

随着交通运输业的迅速发展，公路两旁农田表层土壤重金属污染日益突出，本文选取乌昌快速公路为研究对象，经过野外调查取样进行室内分析，依据《土壤和沉积物铜、锌、铅、镍、铬的测定火焰原子吸收分光光度法》(HJ491-2019)，对该路段两侧农田土壤样品中的铜、铬、铅和锌4种金属元素进行了测定。测定结果显示，该公路两侧农田土壤重金属污染随距路基距离的增加整体呈降低的趋势；路边防护林和绿化带对重金属的累积和迁移有重要影响；结合重金属单因子和综合污染指数评价可知，重金属Cu、Cr、Zn和Pb均未对土壤造成危害，但Cu有污染土壤的潜在风险，主要来自于刹车和散热器的腐蚀磨损。 With the rapid development of transportation industry, heavy meal pollution of farmland topsoil on both sides of highway is increasingly prominent. In this paper, the Wuchang expressway was selected as the research object, and indoor analysis was carried out through field investigation and sampling, and the contents of copper, chromium, lead and zinc in soils samples from farmland on both sides of the road were determined based on the flame atomic absorption spectrophotometer for the determination of copper, zinc, nickel and chromium in soils and sediments (HJ491-2019). The results showed that the heavy metal pollution of farmland soil on both sides of the highway decreased with the increase of the distance from the roadbed, roadside shelterbelts and green belts had an important effect on the accumulation and migration of heavy metals. Combined with the evaluation of single factor and comprehensive pollution index of heavy metals, it can be seen that heavy metals Cu, Cr, Zn and Pb do not harm the soil, but Cu has the potential risk of polluting the soil, mainly from the corrosion and wear of brakes and radiators.

 重金属，公路交通，农田土壤，污染指数评价, Heavy Metals Road Traffic Farmland Soil Pollution Index Evaluation 摘要

随着交通运输业的迅速发展，公路两旁农田表层土壤重金属污染日益突出，本文选取乌昌快速公路为研究对象，经过野外调查取样进行室内分析，依据《土壤和沉积物铜、锌、铅、镍、铬的测定火焰原子吸收分光光度法》(HJ491-2019)，对该路段两侧农田土壤样品中的铜、铬、铅和锌4种金属元素进行了测定。测定结果显示，该公路两侧农田土壤重金属污染随距路基距离的增加整体呈降低的趋势；路边防护林和绿化带对重金属的累积和迁移有重要影响；结合重金属单因子和综合污染指数评价可知，重金属Cu、Cr、Zn和Pb均未对土壤造成危害，但Cu有污染土壤的潜在风险，主要来自于刹车和散热器的腐蚀磨损。

 关键词

重金属，公路交通，农田土壤，污染指数评价

 Application of Environmental Monitoring in the Analysis and Evaluation of Heavy Metals in Farmland Soils on Both Sides of Highways<sup> </sup>

Lei Huang1, Jingge Shang2, Wei Liu1*, Shuai Chen1

1College of Chemical and Environmental Engineering, Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi Xinjiang

2College of Engineering, China Pharmaceutical University, Nanjing Jiangsu

Received: Dec. 3rd, 2023; accepted: Jan. 4th, 2024; published: Jan. 11th, 2024

 ABSTRACT

With the rapid development of transportation industry, heavy meal pollution of farmland topsoil on both sides of highway is increasingly prominent. In this paper, the Wuchang expressway was selected as the research object, and indoor analysis was carried out through field investigation and sampling, and the contents of copper, chromium, lead and zinc in soils samples from farmland on both sides of the road were determined based on the flame atomic absorption spectrophotometer for the determination of copper, zinc, nickel and chromium in soils and sediments (HJ491-2019). The results showed that the heavy metal pollution of farmland soil on both sides of the highway decreased with the increase of the distance from the roadbed, roadside shelterbelts and green belts had an important effect on the accumulation and migration of heavy metals. Combined with the evaluation of single factor and comprehensive pollution index of heavy metals, it can be seen that heavy metals Cu, Cr, Zn and Pb do not harm the soil, but Cu has the potential risk of polluting the soil, mainly from the corrosion and wear of brakes and radiators.

Keywords:Heavy Metals, Road Traffic, Farmland Soil, Pollution Index Evaluation

Copyright © 2024 by author(s) and beplay安卓登录

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 1. 引言

随着经济全球化带动了交通业和运输业的快速发展，全球的机动车和道路数量急剧上升，同时繁忙的交通也让道路两旁的土壤重金属污染越来越突出。这些重金属污染物主要来自机动车辆燃料的燃烧、汽车引擎以及刹车时的磨损，冷却剂的渗漏和腐蚀等 [ 1 ] [ 2 ] 。由于重金属难以降解，一旦进入环境就很难消除，具有不可逆转性。当土壤重金属含量超过了它自身的自净能力时，就会改变土壤自身原有的系统平衡，导致土壤的组成结构和功能性质发生变化，然后更进一步致使土壤的生产能力下降，影响农作物质量和产量，也可导致大气和水等环境质量恶化，并通过食物链危机人类生存 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 。乌鲁木齐至昌吉公路(乌昌快速)作为一条主要交通干道，交通繁忙，而两侧也存在农田，土壤环境质量与当地居民的健康有着密切的联系，因此有必要开展公路沿线土壤重金属污染研究。

本文以乌昌快速公路为研究对象，利用火焰原子吸收分光光度法，对公路两侧土壤中铜、铬、铅和锌4种金属元素的总量进行了测定，探讨了公路两侧土壤重金属污染的空间分布规律，运用单因子和综合污染指数评价了土壤重金属的污染程度，揭示了重金属对土壤环境产生污染的影响程度，为公路两侧土壤的合理使用和污染防治提供了科学依据。

 2. 材料和方法 2.1. 采样断面的布置

本文研究区域选取乌昌快速公路，具体选取路段为新疆大光华国际学校至新疆生产建设兵团兴新职业技术学院。根据地形特征，研究断面以公路为对称轴设立三组断面(图1)，其中，1号断面位于靠近昌吉市方向新疆生产建设兵团兴新职业技术学院附近的开阔地带，均为农田，周围无重点污染源；2号断面位于亚心文旅产业园和交警大队附近，向北延伸到五一农场，向南有亚心花海，3号断面位于新疆大光华国际学校附近，近靠乌昌立交桥，南北与乌奎高速并行，附近有机场高速等主要交通干线，日常交通运输繁忙。

图1. 采样断面分布

 2.2. 样品的采集及制备

样品采集采用的是等间距采样方法 [ 7 ] 。在选择具有代表性的采样断面上，避开人工填充物，如沙层、砖瓦砾石、混凝土碎屑、生活垃圾等。以公路为对称轴布三组断面，在每个断面上按距路肩5 m、10 m、20 m、30 m、50 m、75 m、100 m的距离，在道路两侧对称布置。在采样断面每个采样点单元内采用梅花形布点法采集5个子样，每个采样点采集约为100 g左右的土壤表层样品，最后将各个采样点的样品充分混合，按“四分法”获得0.5 kg左右的土壤混合样品，然后装在聚乙烯袋中带回实验室。

将土壤样品置于阴凉通风、无阳光直射的室内，使其均匀干燥。在风干过程中，砾石、植物残渣等杂质被挑出。用四分法分离所需土样，研磨通过0.149 mm (100目)尼龙筛。将筛选后的土样装入样品瓶或袋中，及时填写标签。

 2.3. 仪器与试剂

火焰原子吸收分光光度计采用北京普析TAS-990 (附带所测元素的空心阴极灯)；电子天平由梅特勒–托利多集团生产，型号为ME104E，精度达到0.0001 g。铜、铬、锌和铅4种金属标准溶液均购于国家有色金属及电子材料分析测试中心；硝酸、氢氟酸、高氯酸均购于国药集团药业股份有限公司(优级纯)。

 2.4. 土壤样品的预处理及分析

土壤样品采用电热板–坩埚消解法 [ 8 ] 。用电子天平称取0.5000 g样品于聚四氟乙烯坩埚中，加入10 mL硝酸，10 mL氢氟酸，5 mL高氯酸，置于电热板上在175℃下加热，开始冒白烟后，升温至200℃继续赶酸至无白烟，加入8 mL王水，继续加热赶酸，待坩埚内剩极少量王水时取下，冷却后转移至50 mL容量瓶内，定容后测其含量。

分析方法采用火焰原子吸收分光光度计(北京普析TAS-990)测定土壤重金属Cu、Cr、Zn和Pb总量 [ 9 ] ，为保证土壤重金属含量测定结果的可靠性，测定过程中加入定量的待测金属元素标准物质进行质量控制，按金属元素的测定步骤分析。pH值用1:2.5水土比浸提pH玻璃电极法测定 [ 10 ] 。

 2.5. 数据处理方法 2.5.1. 标准曲线

铜、铬的标准系列溶液浓度均为0.00 mg/L、0.10 mg/L、0.30 mg/L、0.50 mg/L、0.70 mg/L、1.00 mg/L；铅的标准系列溶液浓度为0.00 mg/L、0.50 mg/L、1.00 mg/L、3.00 mg/L、5.00 mg/L、7.00 mg/L。锌的标准系列溶液为0.00 mg/L、0.05 mg/L、0.10 mg/L、0.20 mg/L、0.30 mg/L、0.40 mg/L；由低浓度到高浓度依次测定标准系列溶液的吸光度，重金属的浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。曲线回归方程如表1所示。

Standard curve regression equatio
重金属元素 回归方程 相关系数r
铜 y = 0.215x + 0.002 0.9995
铬 y = 0.119x + 0.002 0.9997
铅 y = 0.122x + 0.002 0.9998
锌 y = 0.560x + 0.001 0.9990

表1. 标准曲线回归方程

仪器测定条件见表2所示。

Instrument measurement condition
项目 铅 锌 铜 镉
测定波长 283.3 213.8 324.7 228.8
燃气 乙炔 乙炔 乙炔 乙炔
助燃器 空气 空气 空气 空气
测定相 有机相 水相 水相(或有机相) 有机相
火焰类型 氧化型 氧化型 氧化型 氧化型
曲线范围 0.5~10.0 0.5~10.0 0.5~10.0 0.05~1.0

表2. 仪器测定条件

 2.5.2. 评价标准与方法

1) 评价标准

本文采用了单因子指数法和综合污染指数法 [ 11 ] 对农田土壤受污染程度进行分析和评价。各个采样断面中的pH值范围均在7.1~7.5之间，土壤pH值总体偏碱性。因此采用GB15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》中风险筛选值6.5 ≤ pH ≤ 7.5。重金属筛选值如表3所示。

Heavy metal screening values (mg/kg
元素 Cu Cr Zn Pb
浓度(mg/kg) 100 200 250 120

表3. 重金属筛选值(mg/kg)

2) 评价方法

单因子指数法所用公式为 [ 12 ] ：

P i = C i S i (1)

式(1)中：Pi为土壤中污染物i的污染指数；Ci为调查点污染物i的实测浓度(mg/kg)；Si为污染物i的评价标准(mg/kg)。若Pi≥ 1则存在污染；反之若Pi< 1则不存在污染。

综合污染指数法计算公式为 [ 13 ] ：

I = { 1 / 2 [ a v e r a g e ( C i / S i ) 2 + max ( C i / S i ) 2 ] } 1 / 2 (2)

式(2)中， I 为土壤重金属综合污染指数； a v e r a g e ( C i / S i ) 为土壤各重金属污染分指数的平均值； max ( C i / S i ) 为土壤重金属污染指数中最大的污染指数。

土壤重金属综合污染指数法的分级标准为：

Ii≤ 1非污染，1 < Ii≤ 2轻污染，2 < Ii≤ 3中污染，Ii> 3重污染 [ 14 ] 。

 3. 结果与讨论

1) 表层土壤重金属测定结果

对采自乌昌快速公路两侧的表层土壤样品重金属进行监测分析，结果见表4所示。

Statistical results of heavy metal content in surface soil of farmland on both sides of Wuchang expresswa
采样断面 编号 距路基距离(m) 重金属含量(mg/kg)
Cu Cr Zn Pb
1北 0 72.74 61.72 189.91 70.13
5 58.62 62.50 162.30 62.93
10 68.23 77.35 162.86 44.51
20 67.70 75.92 163.09 43.31
30 72.72 56.02 155.38 41.50
50 57.60 54.93 132.44 41.04
75 57.33 49.03 128.45 35.25
100 55.12 27.81 126.75 34.31
均值 63.75 58.16 152.65 40.62
1南 0 63.77 38.46 185.62 59.91
5 67.55 50.39 247.78 60.26
10 78.03 51.06 299.16 76.92
20 59.53 63.52 168.23 53.32
30 52.92 24.56 132.95 50.92
50 51.31 23.50 112.72 37.04
75 50.22 22.69 110.52 35.26
100 49.25 21.47 109.43 35.05
均值 59.07 36.96 170.80 51.09
2北 0 88.73 55.41 306.62 103.39
5 83.73 62.71 326.52 82.25
10 68.56 73.77 317.23 76.99
20 104.21 49.51 236.56 69.11
30 110.08 25.74 251.04 64.10
50 82.08 25.09 243.81 62.53
75 63.45 19.92 164.92 55.04
100 43.37 12.17 132.97 48.05
均值 80.53 40.54 247.45 70.18
2南 0 59.78 57.25 119.77 69.45
5 66.05 67.83 137.38 73.29
10 69.34 94.46 149.05 76.62
20 48.20 98.70 152.88 66.80
30 49.053 46.97 151.77 47.45
50 44.03 34.73 135.50 46.23
75 43.16 32.89 130.36 45.79
100 40.76 29.26 127.89 44.78
均值 52.55 57.76 138.08 58.80
3北 0 75.67 86.59 216.49 166.50
5 86.43 115.17 255.67 158.88
10 78.52 203.06 261.10 117.09
20 77.30 115.69 168.08 112.58
30 61.63 107.46 144.70 107.61
50 54.05 39.64 120.23 75.95
75 52.67 37.89 116.45 70.67
100 40.23 35.15 107.14 68.34
均值 65.81 92.58 173.73 109.70
3南 0 110.60 97.57 201.88 129.20
5 122.71 126.08 225.20 130.99
10 110.17 190.59 236.65 101.48
20 121.86 126.91 214.70 80.34
30 65.34 70.27 156.23 78.62
50 60.89 68.56 136.38 76.56
75 59.25 66.48 110.15 73.28
100 57.45 65.83 90.79 70.12
均值 88.53 101.54 171.50 92.57

表4. 乌昌快速公路两旁农田表层土壤重金属含量统计结果

3个采样断面均是土壤重金属Zn含量较高，而Cu、Cr和Pb含量均较小。其中，Cu含量的分布范围在40.23~122.71 mg/kg之间，均值为68.37 mg/kg，Cr含量的分布范围在12.17~203.06 mg/kg之间，均值为64.59 mg/kg；Zn含量的分布范围在90.79~326.52 mg/kg之间，均值为175.70 mg/kg，Pb含量的分布范围在34.31~166.50 mg/kg之间，均值为71.49 mg/kg。结合表3重金属的标准值可知，四种重金属的均值均小于其相对应的标准值。

2、公路两侧土壤Cu含量水平分布

重金属Cu在公路两侧土壤中的水平分布如图2所示。公路两侧土壤重金属Cu含量整体上随着距路基距离的增加处于减少的趋势。

在公路北侧1、2号断面上重金属Cu呈先降低后增长再降低的趋势，原因是这两个断面20~30 m处均另有一辅路，Cu的变化显得比较大。3号断面上5 m处出现峰值，应该是1~5 m处绿化带阻滞了重金属的迁移，导致其含量累积增长。

在公路南侧1、2号断面呈先增长再降低的趋势，说明道路边绿化带起到了阻滞作用，在3号断面出现了两个增加峰值，分别在5 m和20 m处，导致第一个峰出现的原因是5 m处有绿化带阻滞，重金属沉降下来，第二个峰出现在20 m处，原因在于有工业区，工业区的排放对其有一定的影响。

图2. Cu在公路两侧土壤中的水平分布

3、公路两侧土壤Cr含量水平分布

不同断面重金属Cr在公路两侧土壤中的水平分布如图3所示。由图3可以看出，整个公路两侧土壤重金属Cr含量整体上处于减少的趋势。

图3. Cr在公路两侧土壤中的水平分布

1号、2号和3号断面路基处虽有防护林的遮挡，但Cr容易被粒径较小的颗粒吸附，因而Cr具有较强的迁移能力，能穿过防护林沉降下来，因而1号、2号和3号断面Cr含量峰值并不是出现在路基处，而是出现在距路基10 m远的地方，之后含量随着距路基距离的增大而逐渐减小。

4、公路两侧土壤Zn含量水平分布

不同断面重金属Zn在公路两侧土壤中的水平分布如图4所示。

图4. Zn在公路两侧土壤中的水平分布

由图4可知，重金属Zn在各断面变化差异巨大，南北两侧和各断面之间都有不同，在北侧1号断面处呈下降趋势，2号断面先增长后降低，而北侧交警大队车辆集中，进出车辆对Zn的影响较大。3号断面呈先增长后降低趋势，是因为5 m处有绿化带阻滞迁移导致，Zn含量在5 m处出现了峰值，随后含量逐渐降低。

在南侧，1号、2号和3号断面Zn含量随距路肩距离的增加基本呈先增后降的趋势，主要是因为绿化带稠密度对重金属的富集迁移程度影响较大。

5、公路两侧土壤Pb含量水平分布

不同断面重金属Pb在公路两侧土壤中的水平分布如图5所示。

图5. Pb在公路两侧土壤中的水平分布

1号、2号和3号断面北边路基处有防护林，防护林有较强的阻挡作用，可以有效保护路侧0~10 m范围内的土壤。Pb微粒遇到防护林的阻挡，便沉降下来，于是路基处Pb含量较高，穿过防护林后Pb含量便逐渐减少。南侧Pb含量先增加后减少，主要原因在于绿化带的作用。

6、土壤重金属污染程度评价

根据采样点的实际情况和测得的土壤pH值，根据选择的评价标准对土壤重金属污染程度进行评价。评价结果见表5所示。

One-way pollution index and comprehensive pollution index of heavy metals in surface soil of farmland on both sides of Wuchang expresswa
采样断面编号 单向污染指数(Pi) 综合污染指数(I)
Cu Cr Zn Pb
1北 0.64 0.29 0.61 0.34 0.56
1南 0.59 0.18 0.68 0.43 0.58
2北 0.81 0.20 0.98 0.58 0.83
2南 0.53 0.29 0.55 0.49 0.51
3北 0.65 0.46 0.69 0.91 0.81
3南 0.88 0.51 0.69 0.77 0.80

表5. 乌昌快速公路两旁农田表层土壤重金属单向污染指数和综合污染指数

从各采样断面的单项污染指数分析：重金属的污染次序中，1号断面路北表现为Cu > Zn > Pb > Cr；1号断面路南、2号断面路北和路南均表现为Zn > Cu > Pb > Cr；3号断面路北表现为Pb > Zn > Cu > Cr；3号断面路南表现为Cu > Pb > Zn > Cr。

各断面南北两侧土壤重金属的单项污染指数均小于1，说明其实际含量均低于标准值，表明重金属Cu、Cr、Zn和Pb均未对土壤造成危害。

从各断面的综合污染指数来看，不同断面土壤重金属污染程度顺序为：2号断面北侧 > 3号断面北侧 > 3号断面南侧 > 1号断面南侧 > 1号断面北侧 > 2号断面南侧；各断面土壤重金属综合污染指数均小于1，与单项污染指数结果相同，表明土壤均未受到重金属Cu、Cr、Zn和Pb的污染。

土壤虽未受到重金属的污染，但由表5可知，1号、2号断面和3号断面路南土壤中Cu的含量较高，存在潜在的污染风险。依据 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Cu主要来自刹车和散热器的腐蚀磨损，Cr主要来自废气和轮胎磨损，Zn主要来自轮胎磨损，Pb主要来自废气可知，公路交通对路旁土壤环境的污染主要来自机动车的刹车和散热器的腐蚀磨损，排放到空气中的Cu扩散后对土壤存在潜在的污染风险。

 4. 结论

(1) 乌昌快速公路两旁农田表层土壤重金属含量整体上呈现随距路肩距离的增加而减少的趋势；该路段两侧土壤重金属累计峰值集中于5 m~20 m之内，路边绿化带是该整体趋势的共性因素。

(2) 结合重金属污染指数评价可知，重金属Cu、Cr、Zn和Pb的含量均低于土壤环境背景值，均达到污染水平。但Cu有对土壤污染的潜在风险，其主要来自于刹车和散热器的腐蚀磨损，受人为来源程度较明显。

 基金项目

新疆教育厅教改项目(XJGXPTJG-202265)；新疆教育厅高校基本科研业务费科研项目(XJEDU2023P135)；新疆工程学院校级教学改革项目(XJGCJGB202308)；新疆维吾尔自治区创新训练项目(S202210994036)。

 文章引用

黄 蕾,商景阁,刘 伟,陈 帅. 环境监测在公路两旁农田土壤重金属的分析与评价上的应用Application of Environmental Monitoring in the Analysis and Evaluation of Heavy Metals in Farmland Soils on Both Sides of Highways[J]. 土壤科学, 2024, 12(01): 17-26. https://doi.org/10.12677/HJSS.2024.121003

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