氯鹽類融雪劑對路域植物和土壤的影響研究

單麗巖，田　霜，胡　清

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090;2.哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090;3.哈爾濱工業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

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氯鹽類融雪劑對路域植物和土壤的影響研究

單麗巖1,2，田霜2，胡清3

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090;2.哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090;3.哈爾濱工業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

摘要：氯鹽類融雪劑的使用對環境造成了嚴重危害，采用苗圃模擬法進行了氯鹽類融雪劑對路域植物和土壤的影響試驗研究。通過連續記錄植物形態學特征以及對植物和土壤生理生化指標的測定，從而反映機體對逆境的響應與變化過程，深入了解融雪劑對植物和土壤的毒害發生機制。試驗結果表明：隨著氯鹽類融雪劑噴灑次數的增加，植物中Cl-含量逐漸增加，植株發展表現為形態健康、亞致死效應、致死效應；對于所選的3種供試植物，草皮受氯鹽類融雪劑的影響最大，紫薇其次，刺柏最??；隨著氯鹽類融雪劑噴灑次數的增加，土壤中Cl-含量、水溶性鹽含量逐漸增加，pH值逐漸降低；植物和土壤中陽離子含量未呈現顯著的規律性；植物形態的變化與植物和土壤中Cl-含量變化表現出一致性，結合植物生長條件和地面水環境《地表水環境質量標準》的規定，確定了植物和土壤中Cl-含量的臨界值。

關鍵詞：氯鹽類融雪劑；路域植物；土壤；苗圃模擬法；形態學；Cl-含量

路面積雪、結冰阻礙了正常的交通運輸和行車安全，同時給國家或個人造成巨大的經濟損失[1-2]。道路除雪化冰的方法中，撒布融雪劑以其價格低廉、化雪迅速、操作簡便、可提前布撒等優點成為我國道路除冰融雪的主要方式。近年來，氯鹽類融雪劑的大量使用給環境造成了極大的危害，也引起了人們的廣泛關注[3-4]。在對融雪劑生態環境影響研究方面，國內外學者大多關注于城市基礎設施、土壤[5-6]、水體[7-9]、生物[10-12]等單一環境介質，且主要基于野外的觀測試驗，并取得了一定的成果，但針對不同融雪劑種類及用量條件下的環境作用機理及影響程度方面還缺乏定量研究。因此，本文從苗圃模擬法角度進行了不同氯鹽類融雪劑對路域生態植物和土壤的污染過程的定量研究，并合理確定氯鹽類融雪劑在植物和土壤中的安全濃度闕值，以期為環境影響評價指標及評價標準[13-16]、氯鹽類融雪劑的規范使用及其危害防治技術等方面提供科學依據。

1材料與方法

本試驗采用不同氯鹽類融雪劑對三種公路綠化常用植物在苗圃環境中的污染過程進行了研究，該過程中連續觀察記錄并詳述植物形態學特征變化，并對生長環境中的植物和土壤生理生化指標進行測定。

1.1試驗材料

道路用氯鹽類融雪劑分為A和B，其主要成分見表1。

表1　氯鹽類融雪劑的主要成分

供試植物為刺柏、紫薇和草皮，分別用a、b、c表示，詳見圖1。

圖1　供試植物Fig.1　Test plants

將每種供試植物的15株均隨機分為甲、乙、丙組，分別為空白對照組、A類融雪劑試驗組、B類融雪劑試驗組，每組設5株重復。將氯鹽類融雪劑用蒸餾水配制成濃度為100g/L的溶液，以每平方米0.5L作為標準，確定單次每株植物澆灌量。對乙、丙組植物在地表以上的植株體的根部澆灌融雪劑溶液，澆灌時間為每天澆灌1次，在整個試驗周期內共澆灌9次；甲組澆灌等體積的蒸餾水作對照。

1.2試驗方案

在未施用融雪劑溶液前采集1次樣本，作為第1次取樣；此后每隔3d采集1次樣本，共采集3次，作為第2、3、4次取樣。試驗均取三份平行試樣的平均值作為最終結果。

1.2.1植物樣本試驗方法

植物樣品采樣時分別對3組每種植物材料全株隨機采集葉片，分別裝入帶編號的自封袋內密封，4℃以下冷藏保存。

(1) 植物形態的記錄：在試驗全程中，連續考察各組試驗前后供試植物的形態變化。植物形態學特征觀察主要為葉片，通過目視、觸摸等方法判斷其顏色、質地等反映形態健康水平的特征。當供試植株葉片2/3變黃時，記錄該個體死亡。

(2) 離子含量的測定：試驗對植物樣品消解處理后采用離子色譜儀測定其Cl-含量，并采用ICP-AES測定其Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量。

1.2.2土壤樣本試驗方法

土壤樣品采樣時分別取3組每種植物根部區的土壤，分為地表、地下15cm的土兩種。每份土樣取50g左右，分別裝入帶編號的鋁盒內，并將所取土壤樣品(不包括水溶性鹽試驗土壤樣品)置于105℃±5℃烘箱中烘干至恒重，用瑪瑙研缽磨細，過2mm篩后備用。

(1) 離子含量的測定：試驗對土壤樣品消解處理后采用離子色譜儀測定其Cl-含量，并采用ICP-AES測定其Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量。

(2) 水溶性鹽含量的測定[17]：試驗采用水浴加熱方法測定土壤樣品中水溶性鹽含量。

(3)pH值的測定：試驗制備土壤處理溶液后，采用TES1380K型酸堿度測試儀測定土壤樣品的pH值。

2結果與分析

2.1氯鹽類融雪劑對植物形態的影響

試驗觀察并記錄了氯鹽融雪劑處理栽培土壤環境中供試植物葉片形態的動態變化情況，詳見圖2。

圖2　不同取樣次數時3種植物葉片的形態變化Fig.2　Morphologic changes of the three types of plant leaves of different samplings注：圖中“1”、“2”、“3”、“4”分別代表在噴灑融雪劑前、噴灑融雪劑3 d后、噴灑融雪劑6 d后和噴灑融雪劑9 d后的取樣次數；以下同。

試驗觀測期內，甲組空白對照組植物長勢良好，全株形態健康。

由圖2可見：

(1) 在融雪劑的污染下，刺柏在處理3d后葉片無顯著的變化；處理6d后葉片開始泛黃，但枝條未出現萎蔫現象；在處理9d后，葉片開始出現萎蔫現象且葉片的尖端開始干枯，但未出現嚴重萎縮現象。

(2) 在融雪劑的污染下，紫薇在處理3d后部分葉片開始泛黃，但是葉片未喪失彈性；處理6d后，葉片喪失彈性，葉表面革質變薄、葉柄基部向下呈萎蔫狀；處理9d后，頂芽處葉片嚴重萎縮，干枯呈黃褐色。

總體來看，在氯鹽類融雪劑污染物作用下，植物形態動態變化過程如下：首先，植株形態健康，長勢良好，具體形態表現為頂芽光潔、長勢好，成熟葉片顏色翠綠光潔、具革質層且有彈力，葉柄與莖向上方呈銳角，枝條形態飽滿、皮孔清晰、顏色呈綠色、具革質層，主干挺立飽滿、有韌性；隨后，植株逐漸出現亞致死效應，具體形態表現為頂芽長勢弱，成熟葉片葉尖1/3及沿路葉脈泛黃、喪失彈性，葉表面革質層變薄，葉柄基部向下呈萎蔫狀，枝條形態出現萎縮、顏色變暗，莖部出現萎蔫收縮癥狀，韌性差；最后，植株逐漸出現致死效應，具體形態表現為無頂芽，全株2/3及以上葉片完全枯黃、脫落，枝條嚴重萎縮、完全干枯呈黃褐色，莖部完全干枯、中空。

在整個觀測期間氯鹽融雪劑對植物產生的污染效應為：刺柏逐漸出現亞致死效應；薔薇僅在頂芽等部分位置出現葉片嚴重萎縮情況，未出現全株的致死效應；草皮出現全株的致死效應。

2.2氯鹽類融雪劑對土壤和植物中離子含量的影響

本試驗對噴灑氯鹽類融雪劑前后土壤和3種植物中生理生化指標Cl-、Ca2+、K+、Mg2+、Na+離子含量進行了測定，其試驗結果見圖3。

圖3　不同取樣次數時土壤和植物中離子含量的變化Fig.3　Changes of the content of the ions in soil and plants of different samplings注：“空”代表在噴灑融雪劑前所取的空白樣本；“表”、“15”代表取樣位置，即所取的樣本分別來自土壤表面和土壤15 cm深處；“A”、“B”代表A類融雪劑和B類融雪劑；“a”、“b”和“c”代表刺柏、紫薇和草皮植物類型樣本。

由圖3(a)可見：

(1) 在融雪劑A或B的噴灑過程中，隨著噴灑融雪劑次數(融雪劑的用量)的增加，土壤和植物中Cl-含量均呈現增加趨勢。

圖5為經過拾取分層得到的滑坡體厚度劃分剖面，其中滑體厚度坡面未進行地形校正。結合現場地質環境，給定其波速為0.09 m/ns，利用層速度拾取，得出沿測線分布的滑坡體厚度?？梢灾?，其厚度最大約4 m，最小約2 m，平均厚度約為3 m左右，且滑坡體上部厚度大于滑坡體下部厚度，這也為滑坡提供了物源條件。綜合采用現場測量和物探方法，假定滑坡體為一矩形模型，確定出滑坡體大致的尺寸為101 m×30 m×3 m，滑坡體方量大約在9 090 m3左右，綜合判定該滑坡為一小型淺層滑坡。

(2) 對于使用同一類融雪劑的不同深度土壤而言，其受影響的程度不同。在噴灑融雪劑之前，土壤表面與土壤15cm深處Cl-含量基本相同；隨著融雪劑的噴灑，土壤表面的Cl-含量增長速率約為土壤15cm深處Cl-含量增長速率的2～3倍。

(3) 對于使用同一類融雪劑的不同植物而言，其受影響的程度不同。在噴灑融雪劑之前，3種植物中刺柏Cl-含量最低，紫薇Cl-含量較低，草皮Cl-含量最高；隨著融雪劑用量的增加，刺柏中Cl-含量變化幅度最小，紫薇中的Cl-含量變化幅度不大，草皮中Cl-含量明顯增加且Cl-含量要遠遠大于刺柏和紫薇，且大于土壤15cm深處Cl-含量；刺柏、紫薇中Cl-含量增加幅度前3天較大，之后增幅較??；草皮中Cl-含量一直增加幅度較大。出現此現象的原因為，當土壤溶液中離子濃度很低時，根系吸收離子的速度隨著濃度的增加而增加，但達到某一濃度時，由于離子載體的飽和效應，增加土壤溶液中離子濃度，根系對離子的吸收速度不再增加；當土壤溶液濃度過高，會引起水分的反滲透，導致“燒苗”。

(4) 在同一土壤深度上，A類和B類融雪劑產生的影響不同。在同一土壤深度上，噴灑A類融雪劑的土壤中Cl-含量比噴灑B類融雪劑的要高。

(5) 對于同一種植物而言，A類和B類融雪劑對其的影響也有所不同。對同一種植物，噴灑B類融雪劑(以氯化鈉為主要成分)所吸收的Cl-含量比噴灑A類融雪劑(含多種成分)相對較高。其中，對于根系較深的植物紫薇和刺柏，A類和B類融雪劑的影響相差較小，對于草皮，A類和B類融雪劑的影響相差約為30%～50%左右。盡管A類融雪劑中的Cl-含量(質量分數)比B類融雪劑中的Cl-含量要高，但由于B類融雪劑鹽類種類具有單一性，可引起植物的單鹽毒害作用，會對植物的生長造成較大的危害；而A類融雪劑溶液在植物離子滲透過程中，成分中的多種離子共存產生離子拮抗，減輕或消除了單鹽毒害作用。

綜上可知：①隨著融雪劑用量的增加，土壤和植物中Cl-含量增加；②在同一土壤深度上，A類融雪劑土壤中Cl-含量比B類融雪劑的要高，對同一種植物而言，B類融雪劑植物中的Cl-含量比A類融雪劑要高；③對于所選的3種供試植物，刺柏受融雪劑的影響最小，其次為紫薇，草皮受融雪劑的影響最大；④對于不同深度的土壤而言，土壤表面Cl-含量比土壤15cm深處的要高。

由圖3(b)至圖3(e)可見：

(1) 對于同一種融雪劑而言，噴灑融雪劑前土壤表面Na+含量較高，土壤15cm深處的Mg2+含量和Ca2+含量較高，隨著融雪劑的噴灑，土壤表面Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量基本保持平衡，但土壤15cm深處的Ca2+、Mg2+、Na+含量不斷減小。

(2) 對于同一種融雪劑而言，噴灑融雪劑后期，植物中離子含量基本處于平衡。

綜上可知，土壤和植物中Ca2+、K+、Mg2+、Na+陽離子的含量沒有呈現出顯著的規律性，其原因可能與土壤和植物本身的理化特性有關，具體原因有待于進一步的研究。

2.3融雪劑對土壤中可溶性鹽含量和酸堿度的影響

本試驗對噴灑氯鹽類融雪劑前后土壤中的水溶性鹽和pH值進行了測定，其試驗結果見圖4和圖5。

圖4　土壤中水溶性鹽含量的變化Fig.4　Changes of the content of the water-soluble　　　salts in the soil

圖5　土壤中pH值的變化Fig.5　Changes of pH value in the soil

由圖4可見：

(1) 在噴灑融雪劑A或B的過程中，土壤表面水溶性鹽含量隨著噴灑融雪劑次數的增加呈現增加趨勢，土壤15cm深處水溶性鹽含量隨著噴灑融雪劑次數的增加基本無變化。

(2) 在同一土壤深度上，噴灑A類融雪劑土壤中水溶性鹽含量比噴灑B類融雪劑的要高。

(3) 對于噴灑同一類融雪劑的不同深度土壤而言，土壤15cm深處的水溶性鹽含量受影響的程度不明顯，出現此種現象的原因可能與環境條件如降雨量和溫度等因素有關。

由圖5可見：

(1) 總體來看，不論是噴灑融雪劑A還是融雪劑B，土壤表面pH值隨著噴灑融雪劑次數的增加呈現降低趨勢，土壤15cm深處的pH值隨著噴灑融雪劑次數的增加呈現先增加后減少。

(2) 在同一土壤深度上，A類融雪劑和B類融雪劑產生的影響相近。

(3) 對于噴灑同一類融雪劑的不同深度的土壤而言，其影響無明顯規律性，出現此現象的原因可能與環境條件以及時間等因素有關。

2.4總體影響分析

由以上分析可知：土壤和植被中的Cl-含量對氯鹽類融雪劑的噴灑量較為敏感，隨著氯鹽融雪劑用量的增加，土壤和植被中的Cl-含量也隨之增加；同時，結合植物在各個階段出現的形態變化，土壤和植物中的Cl-含量的變化與植物形態的變化也呈現一致性，土壤和植物中的Cl-含量越多，植物被融雪劑的污染越嚴重。因此，本試驗進一步分析了植被形態的變化與植物和土壤中Cl-含量的關系，以氯鹽類融雪劑對植物生命活動規律的污染效應未產生致死效應為植物中Cl-含量的臨界濃度，確定植物和土壤中Cl-含量的臨界值。

結合圖2中3種植物的形態變化和圖3(a)土壤和植物中Cl-含量的變化可知：在整個觀測周期內，對于草皮來說，當其處于第二次取樣(第3天)時，A類融雪劑處理下其Cl-含量為102mmol/kg，此時草皮出現部分葉片枯黃現象，沒有出現顯著的致死效應;刺柏和紫薇在整個試驗過程中的Cl-含量均為102mmol/kg，且均沒有出現嚴重的致死效應。此外，根據地面水環境《地表水環境質量標準》的規定，各類使用功能和生態環境質量要求的基本項目中，V類地面上水域氯化物(以Cl-含量計)的標準值為250mg/L。因此，本研究以該水域氯化物標準Cl-含量作為植物中Cl-含量的臨界值?？紤]植物樣品Cl-測試試驗中，制備25mL的植物溶液中樣品干重為2g，計算得植物中Cl-含量臨界值為184mmol/kg。

土壤作為植物吸收鹽溶液的源頭，其Cl-的評價標準應該與植物有所不同，沒有植物要求苛刻。由上述分析可知，當植物中Cl-含量為184mmol/kg時，植物均沒有出現顯著的致死效應，說明當植物沒有出現顯著致死效應時(對于刺柏和紫薇來說是整個觀測周期內，對于草皮來說是第二次采樣時)的Cl-含量可以作為土壤中Cl-含量的臨界值。由圖3(a)可知，第二次取樣(第3天)時，土壤表面的Cl-含量約為160mmol/kg，因此本次選擇160mmol/kg作為土壤中Cl-含量的臨界值。

3結論

本文根據氯鹽類融雪劑對路域植物和土壤的影響試驗研究，得出如下相關結論：

(1) 隨著氯鹽類融雪劑的噴灑，植物污染效應剛開始時植株出現形態健康、長勢良好，然后漸漸出現亞致死效應，最后逐漸出現致死效應，其表現為無頂芽，全株2/3及以上葉片完全枯黃、脫落,枝條嚴重萎縮、完全干枯呈黃褐色，莖部完全干枯、中空。在整個觀測期間，氯鹽類融雪劑對刺柏的污染效應逐漸出現亞致死效應；對薔薇的污染效應僅出現在頂芽等部分位置，未出現全株的致死效應；對草皮的污染效應出現了全株的致死效應。在植物的生理生化指標方面，植物中Cl-含量增加，陽離子含量未出現顯著的規律性；對同一種植物而言，使用B類融雪劑植物中的Cl-含量比使用A類融雪劑的要高。

(2) 隨著氯鹽類融雪劑的噴灑，土壤中Cl-含量增加，陽離子含量未出現顯著的規律性；土壤表面水溶性鹽含量增加，土壤15cm深處水溶性鹽含量基本無變化；土壤表面pH值降低，土壤15cm深處pH值先增加后降低。對同一土壤深度，噴灑A類融雪劑的土壤中Cl-含量比噴灑B類融雪劑的要高；噴灑A類融雪劑的土壤中水溶性鹽含量比噴灑B類融雪劑的要高；噴灑A類融雪劑與噴灑B類融雪劑土壤表面的pH值相近。

(3) 植物形態的變化與植物和土壤中Cl-含量變化表現出一致性，以植物生命活動規律的污染效應未產生致死效應為植物生長條件，并結合地面水環境《地表水環境質量標準》的規定，得出以Cl-含量為184mmol/kg作為植物中Cl-含量的臨界值，以Cl-含量為160mmol/kg作為土壤中Cl-含量的臨界值。

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Effect of Deicing Chloride Salts on Roadside Plants and Soil

SHANLiyan1,2,TIANShuang2,HUQing3

(1.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China;2.School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China;3.School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China)

Abstract:Due to the negative harm caused by deicing chloride salts,this paper employs a nursery simulation method to explore the impact of deicing chloride salts on the roadside plants and soil.In order to deeply understand the toxicity mechanism of deicing chloride salts to plants and soil,the paper continuously observes the morphological features of the nursery-grown plants and determinates the physiological and biochemical indexes of plants and soil,which reflects the response and change process of the organism to adversity.The experimental results demonstrate that the content of Cl- in plants increases with increasing times of deicing chloride salts sprayed.The morphology of plants can be divided into 3 phases:health,sub-lethal effect and lethal effect.Also,the influence of deicing chloride salts is the largest on the sods,followed by Platycladus orientalis is the least.Furthermore,as the increasing times of deicing chloride salts sprayed,the pH value of the soil decreases with the increment of Cl- content and water soluble salts in the soil.However,the effects of positive cations on plants are still not observed.The phases of vegetation are in accordance with the fluctuation of Cl- content in plants and soil.Last,the thresholds of Cl- content in both plants and soil are determined based on the growing conditions of plants and the National Environmental Quality Standard for Surface Water.

Key words:deicing chloride salts;roadside plants;soil;nursery simulation method;morphology;Cl- content

文章編號：1671-1556(2016)03-0089-07

收稿日期：2015-10-18修回日期：2016-01-28

基金項目：交通運輸部應用基礎研究項目(2013319820220)

作者簡介：單麗巖(1981—)，女，博士，副教授，主要從事路面除冰雪與冰凍損傷防護等方面的研究。E-mail:shanliyan@hit.edu.cn

中圖分類號：X820.4;X833；X835

文獻標識碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.015