遼寧濱海公路路域土壤污染及植物凈化能力

趙彥博+閻文志+閆紅偉

摘要：對遼寧濱海公路路域土壤污染進行了調查，確定了土壤污染的空間范圍，并利用數學模型計算了綠化植物凈化土壤的平均能力。結果表明，在距公路40 m的垂直距離范圍以內，重金屬含量相對較高;重金屬含量峰值出現在路基處，在距公路20 m或30 m處出現次高峰;各重金屬主要積累在0～20 cm土壤;Cd是制約公路全線綠化的關鍵元素，建議選擇對Cd富集系數較大的植物進行全線綠化;除Cd以外，Pb、Cu、Zn可在一年內被一般綠化喬木的根系吸收。

關鍵詞：土壤污染;綠化植物;凈化能力;預測;濱海公路

中圖分類號：X53 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）12-2776-04

Status of Soil Pollution and Purification Ability of Greening Plants in the Roadside of Coastal Highway in Liaoning Province

ZHAO Yan-bo1，YAN Wen-zhi2，YAN Hong-wei1

（1. Shenyang Agricultural University/Key Laboratory of Northern Landscape Plants and Regional Landscape， Educational Department of Liaoning Province， College of Horticulture， Shenyang 110161， China; 2. Housing， Urban and Rural Construction Department of Liaoning Province， Shenyang 110001， China）

Abstract： Soil pollution was investigated and the spatial scope of it was determined in the roadside of coastal highway in Liaoning province. The average ability of purification of greening plants was calculated by mathematical model. Results showed that contents of heavy metals was high within the scope of 40 m vertical distance from highway and 20～30 m distance was in its common peaks. The main accumulation of heavy metals was in the surface soil of 0～20 cm depth. Cd was the key elements of restricting the whole highway greening. The choice of plants larger for Cd enrichment coefficient was recommended for the whole greening. In addition to Cd， Pb Cu Zn could be absorbed by general greening tree roots in one year. The critical value of these heavy metals could be absorbed by trees.

Key words： soil pollution; greening plants; purification ability; prediction; coastal highway

伴隨著經濟的繁榮，交通事業發展迅猛，公路在運營期間對路域土壤的污染引起人們的普遍關注。一般來說，路域土壤的污染源主要是汽車尾氣、泄油、路面徑流污染物等[1]。具體表現為以重金屬為主的無機污染，經研究證實Pb、Cd、Cu、Zn是典型的交通源重金屬元素[2，3]。

利用超積累植物（Hyperaccumulator）對土壤重金屬進行植物修復不能替代公路綠化工程。目前，世界上共發現的500多種重金屬超積累植物多為草本植物[4]，種植后需要通過收割的過程去除土壤重金屬，植物只是這一過程中的媒介，其繁雜的工序和長的時間周期使得植物修復措施多集中在土壤污染較為嚴重的局部區域進行應用，而公路綠化通常以喬木為主體，旨在充分發揮植物的綜合防護效應[5]，在營造植物景觀的同時兼顧對污染的凈化能力，并永久性地覆蓋裸露的地表。因此，對于污染程度較低的路域土壤來說，預測一般綠化植物凈化土壤的平均能力可直接為路域土壤污染的綜合治理提供決策依據。

本研究對遼寧濱海公路既有線路的土壤污染現狀進行了調查，確定了公路對兩側土壤污染的空間范圍，利用數學模型計算綠化植物凈化土壤的平均能力，通過比較分析確定了制約公路全線綠化的關鍵重金屬元素和一般綠化喬木吸收土壤重金屬的臨界值。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區概況

遼寧濱海公路是遼寧省“五點一線”戰略規劃中的“一線”，是拉動遼寧沿海經濟發展的交通樞紐，同時被譽為中國最長的沿海公路[6]。它西起葫蘆島的綏中縣，東至丹東的東港市，連接沿海的6個省轄市和7個縣級市[7]。沿線海拔高度2～485 m，年降水量540～1 200 mm，極端最低氣溫-27.3 ℃，最高氣溫37.4 ℃[8]。endprint

經初步調查，濱海公路沿線最主要的生態景觀類型是濕地，長462 km，占全長的40.1%;第二大類是耕地，長306 km，占全長的26.5%;第三大類是城鎮，包括工礦企業用地，長154 km，占全長的13.4%;第四類是草地，長111 km，占全長的9.6%;未利用地長62 km，占全長的5.4%;林地最小，長56 km，占全長的4.9%（除去盤錦濕地繞行路段和大連市內部分未建設路段，全長按1 153 km計）。

1.2 ?路域土壤污染調查方法

1.2.1 ?采樣點分布 ?為了盡可能排除不同植被類型以及其他人為因素對土壤的影響，采樣地點選擇沿濱海公路兩側為未利用地、稀疏的草地或者無植被的灘涂地，并保證沒有建筑物及綠化帶的遮擋，周邊沒有工礦企業。在滿足上述要求的前提下，每隔約50 km設置1個區域樣點，全線共設置20個樣點，如圖1所示。

1.2.2 ?樣品采集 ?于2013年的5月采集樣品，采用多點取樣組合分析的方法，在每個區域樣點內根據場地情況選擇公路一側且垂直于公路5、10、20、30、40、50、100、200 m的不同距離設置采樣點，在每個采樣點上畫出一條長100 m且與公路平行的線段，等距布設5個采樣單元，每處分別在土壤深度為10、20、30 cm處采集1 kg土樣，然后按3個不同的深度類別將5個采樣單元的樣品充分混合，按“四分法”舍棄多余樣品，保留約1 kg土壤分析樣品。同理，在垂直于公路2 km以外的區域，以“蛇”形布點法選擇人為干擾較少的5個采樣單元，采集10 cm深度處的土壤樣品，以該樣品的分析結果作為對照。

1.2.3 ?樣品處理 ?樣品經自然烘干、剔除雜物、木棍碾碎后，過孔徑1 mm的尼龍篩。

1.2.4 ?樣品分析 ?采用火焰原子吸收法和石墨爐原子吸收分光光度法對重金屬元素Pb、Cd、Cu、Zn進行測定;在不同土水比（m/V，1∶1，1∶2.5，1∶5，1∶10）情況下，用DCP直流氬等離子體光譜測定土壤溶液的重金屬濃度;采用放射性同位素示蹤法測定金屬的擴散系數。

1.3 ?植物吸收土壤重金屬的數學模型

吳啟堂[9]根據土壤重金屬向植物體轉移的機理，提出了土壤-植物系統中元素解吸、遷移、吸收的聯合數學模型。

A=Qmf+Qd≈■·Ci·b·d·R0·L1·（πDT1）1/2+CiUB

式中，A為植物根系總吸收量;Qmf為質流運輸元素總量;Qd為擴散作用提供的元素總量;Ci為土壤溶液濃度，b為相應的平均緩沖能力系數，二者可用解吸模型來測定;d為土壤容重;D為擴散系數;T1為根系生長時間;B為修正系數，根據b而定，若土壤緩沖能力弱（b≤3），B可取0.90，若緩沖能力中等（310），B可取0.98;R0為根的平均半徑;L1為總根長;U為植物吸水量。其中，B、D、Ci、b為土壤參數，R0、L1、U為植物參數。

2 ?結果與分析

2.1 ?路域土壤污染規律

根據測定結果，計算出20個區域樣點內距道路不同水平距離及其不同深度土壤污染物的平均值，詳見表1。由表1可知，路域土壤中重金屬平均含量由大到小為Zn、Pb、Cu、Cd;重金屬污染隨著距公路距離的增加而降低;在距公路40 m范圍以內，重金屬含量相對較高;土壤各重金屬含量峰值出現在路基處，在距公路20 m或30 m處土壤重金屬含量出現次高峰;土壤重金屬含量隨著土壤深度的增加而急劇下降，各重金屬主要積累在0～20 cm土壤內，而在土壤深度為30 cm時，各重金屬不同距離采樣點平均含量低于對照。

2.2 ?土壤特征參數的測定結果

由于植物體地上重金屬含量與土壤中重金屬總量有很好的線性關系[10]，因此在利用數學模型估算一般綠化植物吸收土壤重金屬的平均含量時，首先要測定土壤的特征參數。測定的土壤取自距公路30 m處10 cm深的表層土壤，因為此處正值道路綠化明顯發揮其生態效應的區域。根據數學模型的需求，測定如表2所示的土壤特征參數。通過測定不同土水比情況下的土壤溶液濃度獲得回歸常數;再根據公式Ci=C1·Hi-a和b=Q/Ci計算在土壤平均濕度條件下的土壤溶液濃度（Ci）和相應的平均緩沖能力系數（b）;此外，路域土壤平均濕度Hi取34%;土壤容重d取1.32 g/cm3。各土壤參數的測定結果如表2所示。

2.3 ?植物根系特征參數的測定結果

被污染的土壤必須處于植物根系延伸所能達到的范圍才能獲得充分的凈化。從路域土壤污染的水平分布上看，單側40 m寬的公路綠化帶就能夠覆蓋大部分已被污染的土壤;另據相關研究[11]，建成后的公路綠化帶對重金屬的防護效應顯著，40 m寬的綠化帶能達到最基本的防護要求，70 m寬的綠化帶即可滿足控制重金屬污染的要求;同時，保證足夠的種植密度，使得根與根之間產生競爭性吸收，更有利于對污染物的吸收。

從植物根系的垂直分布上看，根系生物量隨土壤深度呈“T”形分布，即隨著土層加深，生物量呈倒金字塔逐層遞減。一般來說，喬木的細根大部分位于50 cm土層以上，且多集中于枯落物層和10 cm以上礦質土壤表層;灌木主要集中在0～20 cm土層中;草本主要集中在0～10 cm土層中[12]。對比路域土壤污染的垂直分布特征，一般喬木和灌木的根系即能達到凈化土壤的要求;而喬灌草相結合的配置模式更有利于加強植物對表層土壤的凈化功能。依據相關研究成果[13-17]，結合數學模型的數據需求，估算0～10 cm深的土層中正常生長的單株喬木、灌木、草本的根系在單位體積內的特征參數，具體結果見表3。

2.4 ?綠化植物凈化土壤能力預測

將土壤特征參數與植物根系特征參數代入數學模型，計算綠化植物吸收單位體積表層土壤重金屬的量;同時，折算距公路30 m處單位體積表層土壤（0～10 cm）的重金屬含量與之對比，計算結果如表4所示。由表4可知，雖然土壤中Cd的含量最少，但一般綠化植物對Cd的吸收能力也最差，無論是喬木、灌木還是草本，對Cd的吸收量都十分有限，難以實現凈化需求;除Cd以外，草本植物吸收重金屬的預測量遠遠超出土壤中的實際含量，而且其吸收量要比喬木和灌木大很多，這主要與草本植物位于土壤表層的細根根長密度大有關;除Cd以外，喬木吸收重金屬量的預測值大于土壤中的實際含量，說明一般喬木植物基本滿足凈化土壤的需求。需要指出的是，所應用的數學模型對于污染相對嚴重的土壤來說，預測吸收量會高于實際吸收量[9]，但不影響不同金屬元素之間以及不同植物類別之間的比較。表4中喬木的吸收量可看作土壤重金屬被喬木修復的臨界值，經換算得Pb為213.0 mg/kg、Cu為94.7 mg/kg、Zn為115.1 mg/kg，可作為判定公路個別區段的土壤重金屬含量是否超越一般綠化喬木根系的吸收能力，。

3 ?結論與討論

濱海公路路域土壤中重金屬平均含量由大到小依次為Zn、Pb、Cu、Cd;在距公路40 m的垂直距離范圍以內，重金屬含量相對較高;各種重金屬主要積累在0～20 cm土壤內;Cd成為制約公路全線綠化的關鍵元素，局部證實了Cd具有極強的生態危害等級[18，19]，建議在Cd污染相對嚴重的路段先進行植物修復，再進行綠化;公路全線綠化植物可選擇對Cd富集系數較大的紅松、毛白楊、旱柳、秋子梨以及具有緩解Cd脅迫機制的美人蕉[20，21]。

喬木除了吸收一定量的土壤重金屬以外，還對道路運營期間產生的粉塵污染具有顯著的防護效應[21]，因此，喬木是道路綠化的主體。從全線土壤重金屬的均值來看，除Cd以外，Pb、Cu、Zn可在一年內被一般綠化喬木的根系充分吸收。草本植物能夠極大地改善路域土壤的污染狀況，其根系吸收表層土壤重金屬的能力遠遠高于喬木和灌木，但前提是必須保證草本植物足夠的種植密度，這對于較長距離的公路綠化來說具有一定的難度。

預測一般綠化植物凈化土壤的平均能力可直接為路域土壤污染的綜合治理提供決策依據，需要做到以下幾點：①判定公路沿線個別污染嚴重的區段是否需要采用植物修復措施;②針對土壤污染物中的主要限制性因子，選擇吸收能力強的植物品種，這樣既可以解決由于植物富集污染物的不同生理機制而導致的無法決策問題，又可以把污染治理與公路綠化相結合，一步到位;③可以退而求其次，選擇對污染物具有高度避性能力（不吸收或極少吸收）的植物，防止污染物在食物鏈中傳遞，以避免其對動物和人類的危害。對于土壤污染并不嚴重的場地進行植物綠化，尤其像公路路域這樣范圍較廣的帶狀綠化，這種預測更具有現實意義。

本研究所用數學模型綜合考慮了土壤性質和植物特征，對于預測植物對某一土壤元素的吸收具有廣泛的意義。但模型未考慮植物本身對重金屬吸收的調節機理，未考慮重金屬的生物有效性，這些還有待進一步深入研究。

參考文獻：

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[20] 張慶費，鄭思俊，夏 ?檑. 環境修復綠化植物[M].北京：化學工業出版社，2009.

[21] 徐永榮，馮宗煒，王春夏，等. 綠帶對公路兩側土壤重金屬含量的影響研究[J]. 湖北農業科學，2002（5）：75-77.endprint

2.4 ?綠化植物凈化土壤能力預測

將土壤特征參數與植物根系特征參數代入數學模型，計算綠化植物吸收單位體積表層土壤重金屬的量;同時，折算距公路30 m處單位體積表層土壤（0～10 cm）的重金屬含量與之對比，計算結果如表4所示。由表4可知，雖然土壤中Cd的含量最少，但一般綠化植物對Cd的吸收能力也最差，無論是喬木、灌木還是草本，對Cd的吸收量都十分有限，難以實現凈化需求;除Cd以外，草本植物吸收重金屬的預測量遠遠超出土壤中的實際含量，而且其吸收量要比喬木和灌木大很多，這主要與草本植物位于土壤表層的細根根長密度大有關;除Cd以外，喬木吸收重金屬量的預測值大于土壤中的實際含量，說明一般喬木植物基本滿足凈化土壤的需求。需要指出的是，所應用的數學模型對于污染相對嚴重的土壤來說，預測吸收量會高于實際吸收量[9]，但不影響不同金屬元素之間以及不同植物類別之間的比較。表4中喬木的吸收量可看作土壤重金屬被喬木修復的臨界值，經換算得Pb為213.0 mg/kg、Cu為94.7 mg/kg、Zn為115.1 mg/kg，可作為判定公路個別區段的土壤重金屬含量是否超越一般綠化喬木根系的吸收能力，。

3 ?結論與討論

濱海公路路域土壤中重金屬平均含量由大到小依次為Zn、Pb、Cu、Cd;在距公路40 m的垂直距離范圍以內，重金屬含量相對較高;各種重金屬主要積累在0～20 cm土壤內;Cd成為制約公路全線綠化的關鍵元素，局部證實了Cd具有極強的生態危害等級[18，19]，建議在Cd污染相對嚴重的路段先進行植物修復，再進行綠化;公路全線綠化植物可選擇對Cd富集系數較大的紅松、毛白楊、旱柳、秋子梨以及具有緩解Cd脅迫機制的美人蕉[20，21]。

喬木除了吸收一定量的土壤重金屬以外，還對道路運營期間產生的粉塵污染具有顯著的防護效應[21]，因此，喬木是道路綠化的主體。從全線土壤重金屬的均值來看，除Cd以外，Pb、Cu、Zn可在一年內被一般綠化喬木的根系充分吸收。草本植物能夠極大地改善路域土壤的污染狀況，其根系吸收表層土壤重金屬的能力遠遠高于喬木和灌木，但前提是必須保證草本植物足夠的種植密度，這對于較長距離的公路綠化來說具有一定的難度。

預測一般綠化植物凈化土壤的平均能力可直接為路域土壤污染的綜合治理提供決策依據，需要做到以下幾點：①判定公路沿線個別污染嚴重的區段是否需要采用植物修復措施;②針對土壤污染物中的主要限制性因子，選擇吸收能力強的植物品種，這樣既可以解決由于植物富集污染物的不同生理機制而導致的無法決策問題，又可以把污染治理與公路綠化相結合，一步到位;③可以退而求其次，選擇對污染物具有高度避性能力（不吸收或極少吸收）的植物，防止污染物在食物鏈中傳遞，以避免其對動物和人類的危害。對于土壤污染并不嚴重的場地進行植物綠化，尤其像公路路域這樣范圍較廣的帶狀綠化，這種預測更具有現實意義。

本研究所用數學模型綜合考慮了土壤性質和植物特征，對于預測植物對某一土壤元素的吸收具有廣泛的意義。但模型未考慮植物本身對重金屬吸收的調節機理，未考慮重金屬的生物有效性，這些還有待進一步深入研究。

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[20] 張慶費，鄭思俊，夏 ?檑. 環境修復綠化植物[M].北京：化學工業出版社，2009.

[21] 徐永榮，馮宗煒，王春夏，等. 綠帶對公路兩側土壤重金屬含量的影響研究[J]. 湖北農業科學，2002（5）：75-77.endprint

2.4 ?綠化植物凈化土壤能力預測

將土壤特征參數與植物根系特征參數代入數學模型，計算綠化植物吸收單位體積表層土壤重金屬的量;同時，折算距公路30 m處單位體積表層土壤（0～10 cm）的重金屬含量與之對比，計算結果如表4所示。由表4可知，雖然土壤中Cd的含量最少，但一般綠化植物對Cd的吸收能力也最差，無論是喬木、灌木還是草本，對Cd的吸收量都十分有限，難以實現凈化需求;除Cd以外，草本植物吸收重金屬的預測量遠遠超出土壤中的實際含量，而且其吸收量要比喬木和灌木大很多，這主要與草本植物位于土壤表層的細根根長密度大有關;除Cd以外，喬木吸收重金屬量的預測值大于土壤中的實際含量，說明一般喬木植物基本滿足凈化土壤的需求。需要指出的是，所應用的數學模型對于污染相對嚴重的土壤來說，預測吸收量會高于實際吸收量[9]，但不影響不同金屬元素之間以及不同植物類別之間的比較。表4中喬木的吸收量可看作土壤重金屬被喬木修復的臨界值，經換算得Pb為213.0 mg/kg、Cu為94.7 mg/kg、Zn為115.1 mg/kg，可作為判定公路個別區段的土壤重金屬含量是否超越一般綠化喬木根系的吸收能力，。

3 ?結論與討論

濱海公路路域土壤中重金屬平均含量由大到小依次為Zn、Pb、Cu、Cd;在距公路40 m的垂直距離范圍以內，重金屬含量相對較高;各種重金屬主要積累在0～20 cm土壤內;Cd成為制約公路全線綠化的關鍵元素，局部證實了Cd具有極強的生態危害等級[18，19]，建議在Cd污染相對嚴重的路段先進行植物修復，再進行綠化;公路全線綠化植物可選擇對Cd富集系數較大的紅松、毛白楊、旱柳、秋子梨以及具有緩解Cd脅迫機制的美人蕉[20，21]。

喬木除了吸收一定量的土壤重金屬以外，還對道路運營期間產生的粉塵污染具有顯著的防護效應[21]，因此，喬木是道路綠化的主體。從全線土壤重金屬的均值來看，除Cd以外，Pb、Cu、Zn可在一年內被一般綠化喬木的根系充分吸收。草本植物能夠極大地改善路域土壤的污染狀況，其根系吸收表層土壤重金屬的能力遠遠高于喬木和灌木，但前提是必須保證草本植物足夠的種植密度，這對于較長距離的公路綠化來說具有一定的難度。

預測一般綠化植物凈化土壤的平均能力可直接為路域土壤污染的綜合治理提供決策依據，需要做到以下幾點：①判定公路沿線個別污染嚴重的區段是否需要采用植物修復措施;②針對土壤污染物中的主要限制性因子，選擇吸收能力強的植物品種，這樣既可以解決由于植物富集污染物的不同生理機制而導致的無法決策問題，又可以把污染治理與公路綠化相結合，一步到位;③可以退而求其次，選擇對污染物具有高度避性能力（不吸收或極少吸收）的植物，防止污染物在食物鏈中傳遞，以避免其對動物和人類的危害。對于土壤污染并不嚴重的場地進行植物綠化，尤其像公路路域這樣范圍較廣的帶狀綠化，這種預測更具有現實意義。

本研究所用數學模型綜合考慮了土壤性質和植物特征，對于預測植物對某一土壤元素的吸收具有廣泛的意義。但模型未考慮植物本身對重金屬吸收的調節機理，未考慮重金屬的生物有效性，這些還有待進一步深入研究。

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