高速公路土壤重金属污染状况及健康风险评价

翟云波 戴青云 蒋康 朱云

摘要：为探讨高速公路路域土壤重金属污染分布特征和对周围居民的影响，检测了高速公路G4和G60的临长段、长潭段和潭邵段 5 m，10 m，15 m，40 m和80 m处土壤中重金属（Zn，Pb，Cd，Cr和Cu）的浓度，分析了它们的分布特征和污染状况，并进行健康风险评价.结果表明：重金属的浓度随高速公路的距离的增加而降低，其中近高速公路点Cd和Cr超过了土壤环境二级标准；地累积指数和潜在生态风险指数显示，所检测的5种重金属的污染状况是Cd>Pb>Cr>Zn>Cu，其中Cd为主要污染物，研究的3个路段5 m处Cd为重度污染，80 m处仍有轻度污染，其它重金属分别为轻度污染或无污染；健康风险评价表明Cd，Cr和Pb对成年人和未成年人都存在潜在的健康伤害风险且随距离的增加而降低.其中3个路段80 m处Cr对未成年人仍有轻微的致癌风险（致癌风险在可接受范围内），说明高速公路两侧的居民应居住在距离高速公路80 m之外.

关键词：高速公路路域土壤；重金属污染；健康风险评价；潜在生态风险评价；地积累指数

中图分类号：X825 文献标识码：A

随着交通运输业的发展，居民对交通的依赖程度越来越高，车辆流通量也随之迅猛增加.但是交通运输给居民生活带来方便的同时也产生了很多环境问题，成为城市土壤污染的主要来源之一[1-2].Bergbck等发现交通工具为高速公路土壤重金属污染主要来源，其中Cd，Cu，Cr，Pb和Zn分别占90%，40%，99%，85%和80%[3].主要来源于交通工具的燃油、刹车、轮胎、离合器、发动机及触媒转换器等[4].通过大气干沉积或湿沉降沉积在公路两侧土壤中.

2013年第68届联合国大会决议通过了每年的12月5日为世界土壤日，并宣布2015年为“国际土壤年”，以国际社会对土壤安全问题的高度重视.土壤重金属污染不仅可使土壤的肥力下降，降低农作物产量，且其不易降解而在生物体内传递，并通过食物链最终累积于人体中，当其达到一定浓度后将对人体产生毒害作用[5].土壤作为重金属的沉积池，可通过风力和降雨进入大气环境和周围水域，而对周围环境和人体健康产生二次污染.因此，研究高速公路对路域土壤的重金属污染现状对公路旁土壤重金属污染的防治和公路旁土地合理利用、规划和管理提供依据，具有重要的现实意义.

健康风险评价（Health Risk Assessment）是对暴露在污染物中的人群可能产生的伤害、疾病或者死亡的可能性进行的定性或定量的评价，作为污染物防治的辅助工具已经得到国际上的广泛认可.近年来，学者们纷纷对高速公路两侧路尘的重金属污染进行健康风险评价[6-7]，但对高速公路路域土壤重金属健康风险的研究很少.健康风险评价是根据不同的吸收途径和每日暴露剂量来估算有毒重金属对人体的健康风险进行评价.因此，高速公路土壤重金属健康风险评价对居民和政府缓解有毒重金属污染及对居民采取有效保护措施具有十分重要的意义.

1材料及分析方法

1.1采样点概况及样品采集

2014年湖南全省高速公路完成投资390亿元，通车总里程达到5 493 km，位居全国第五.其中京港澳高速（G4）和沪昆高速公路（G60）属于中国高速公路网的“五纵七横”主骨架网，相交于湖南湘潭市岳塘区的殷家坳，为湖南省交通承东启西、南联北进的代表.因此，本文以这两条高速公路展开调查研究.

本研究根据不同的开通时间和交通量，选取了3个采样路段分别为G4高速公路的临长段（LC）和长潭段（CT），G60高速公路的潭邵段（TS），具体采样位置见图1.每个采样地段根据与高速公路垂直距离（5 m，10 m，15 m，40 m 和 80 m），用采样器采取0～10 cm的土壤1 kg，每个采样点设3个平行样，总共采取45个土壤样品.采取的土壤样品在实验室进行自然风干，研磨后过筛网，储存于聚丙烯容器内，并将容器存放于4 ℃的冰箱内等待进一步检测.

2分析与讨论

2.1土壤特性、重金属浓度及其与距离的关系

高速公路路边土壤中的重金属浓度受土壤特性、交通量和气象条件的影响[22].本研究中的土壤样品的物理化学特性的分析结果见表3.土壤粒径分级显示本研究土壤样品的粒径较粗，特别是TS的土样.黏土含量为12.76%～34.13%，且越靠近高速公路的土样的黏土含量越少.可能是因为公路建设时填入的建筑材料的影响，如沙子，砾石.pH值表明本研究区域的土壤为酸性，LC，CT和TS的土壤pH值分别为4.14～6.53，4.42～4.98和5.06～6.45.表3显示，pH值和有机物含量随离高速公路的距离的增加而减少，可能是高速公路建设时在路边填入的石灰等碱性材料和路面缺少植被等原因造成.

重金属浓度的平均值、标准偏差见表4.大体上，此5种重金属的浓度随距离的增加而降低，显示其与交通的相关性.它们在LC，CT和TS路段的浓度梯度分别为Cr > Zn > Pb > Cu > Cd， Cr > Zn > Pb > Cu > Cd和Zn>Cr> Pb > Cu > Cd，此结果与孔德秀等人对衡枣高速公路的研究一致[23].

表3中显示LC和TS的运行年限都为13a，但是LC段的交通量为70 903 veh/d远大于TS段49 601 veh/d的交通量.LC段所研究的5种重金属的浓度大于TS段（表4），表明重金属的浓度与交通量成正比.再一次说明研究的5种重金属与交通状况的相关性.

由表4可见，5种重金属除了Cd和距离高速公路5 m处Cr的浓度外，其它重金属的浓度都低于中华人民共和国土壤标准值.重金属Cd在LC，CT和TS的浓度分别为0.2～1.0 mg/kg，0.3～1.4 mg/kg和0.1～1.0 mg/kg.其中距离高速公路5 m处Cd的浓度几乎是土壤标准值的4～5倍.可能的原因有：第一，高速公路来往车辆磨损并长期的积累.第二，中华人民共和国的土壤标准值是很早以前制定的，比其它国际的标准值都小，从而增大了比值.比如，在美国，其土壤污染等级划分为：0～1 mg/kg，无污染；1～3 mg/kg，轻度污染；3～10 mg/kg，重度污染[24].柏林的Cd的土壤背景值为1.05 mg/kg[25].

LC，CT和TS路段距离高速公路5 m处Zn的浓度分别为122.09 mg/kg，102.37 mg/kg和143.86 mg/kg，其它在37～75 mg/kg之间波动.Zn的浓度在5～10 m之间急剧减少表明其与交通工具的正相关性.有研究显示，Zn以锌氧化物添加在车轮中，它是橡胶硫化的重要反应物.Cr在LC段距离公路5 m处的浓度最大，为135.99 mg/kg，其它研究区的浓度在30～90 mg/kg之间波动.Pb和Cu的浓度稍微偏低，分别为25～61 mg/kg和15～25 mg/kg.

重金属的浓度结合表3中的交通量和运行年限，可以看出重金属Cd，Pb和Cu与交通量及运行年限成正相关.Othman等人也发现了高速公路路域土壤中Pb浓度和交通量这种正相关的关系[26].Zn和Cr与交通量及运行年限的关系并不明显.

2.2重金属的污染程度评估

地积累指数（Igeo）评估结果见表4.重金属Cd的Igeo值最大，距离高速公路5 m处的Igeo>3，表明该区域的Cd为重度污染.其污染程度随距离的增加而降低，但是远到距离高速公路80 m处仍有轻度污染.Cu的Igeo都小于零，表明其无污染.其它3种重金属（Pb，Zn和Cr）分别在5 m处显示了轻度污染，其它地方都为无污染.

5种重金属的潜在生态风险评估结果见图2.它们的潜在生态风险指数梯度为Cd>Pb>Cu>Cr>Zn.其数值随着与高速公路的垂直距离的增加而减小.表中显示除了Cd其它重金属的单项重金属潜在生态风险指数都小于40，表明都对当地的土壤系统无潜在危害.因此，研究区域土壤环境主要的污染物为Cd.其在距离高速公路5 m处的Eir>320，表明其生态风险危害程度高.且其在80 m处仍为轻微的生态风险.

在研究的3个路段中，潜在生态风险指数的大小为CT > LC > TS.3个研究路段距离高速公路5 m处的RI值都大于300，表明都有中度的生态风险.

从以上的讨论可以看出，地积累指数和潜在生态风险指数两种重金属污染程度评价存在一些分歧.比如，按地积累指数评价法重金属Pb几乎是无污染的，但是由于其高毒性，按潜在生态风险指数法为低污染程度.翟云波等也发现它们存在一些分歧[27].但是，根据定义，地积累指数侧重于单项的金属污染程度，但并没有考虑单项重金属的毒性.而潜在生态风险指数更注重评价的重金属的综合污染程度.因此，为了获得更全面的和精确的评价结果，本文采用了2种评价方法.

2.3健康风险评价

图3和图4分别给出了消化道、皮肤接触和呼吸（空气）3种暴露途径下生活在高速公路路域的成年人和未成年人的非致癌风险商数.整体而言，未成年人的非致癌风险商数要大于成年人的.5种重金属通过呼吸道，皮肤接触和呼吸3种暴露途径的非致癌风险商数的大小为：Cr>Pb>Cd>Cu>Zn，Cr>Cd>Pb>Cu>Zn 和Cr>Pb>Cd>Cu>Zn.

3种暴露途径的非致癌风险商数之和为非致癌污染指数.5种重金属的非致癌污染指数见图5.从图中可以看出，Cr的非致癌污染指数是最大的，其次分别是Cd，Pb，Cu和Zn，且随高速公路的距离的增加而降低.根据美国环保局的健康风险评估条例[28]：如评价的单项重金属的HQ或者HI<1，则其对居民，甚至是敏感居民的健康危害风险较小或可以忽略；但如果HQ或者HI>1，则其对周围的居民存在慢性的健康危害风险.不难看出，图5 Cd和Cr的非致癌污染指数超过了1，且对于未成年人，3个研究路段80 m处，Cd和Pb的非致癌污染指数也超过了1，表明它们对周围居民有潜在的健康风险危害.有研究显示，过量摄入Cr，可能会触发肺癌和胃癌.在3个研究路段非致癌污染主要来源于皮肤接触，其次是经口摄入被消化道吸收.因此，周围的居民应注意饮食摄入，最好不要让皮肤直接接触土壤，且最好居住于距离高速公路80 m 以外.

另一个健康分析评价的重要参数是致癌风险.3个研究路段中重金属对成年人和未成年人的致癌风险值见图6.由于缺少Pb，Cu和Zn的致癌坡度因子，本文只讨论了Cd和Cr的致癌风险.显然，Cr的致癌风险要大于Cd，且二者的致癌风险随距离高速公路的距离的增加而降低.根据Fryer等人的评估[29]，CR>1×10 4，则其致癌风险是不能接受的，CR值在10 6～10 4之间，则表示存在致癌风险，但在可容忍的范围内.从图6可以看出，重金属Cr对未成年人的致癌风险在10 6～10 4之间，属于可以接受的范围，但也存在轻微的致癌风险.其致癌风险随高速公路距离的增加而降低，LC和CT远在80 m处仍明显大于10 6，TS段80 m处降至接近10 6.对于成年人，两种重金属Cr和Cd的致癌风险都在安全范围内.

综上所述，高速公路G4和G60的3个研究路段（LC，CT和TS）的健康风险评价结果表明，5种重金属对周围居民的健康危害风险随与高速公路距离的增加而降低.其中Cr，Cd和Pb对周围的居民存在潜在的健康危害风险.Cr的致癌风险要大于Cd，且Cr对未成年人有轻微的致癌风险.但总体而言，致癌风险都在安全范围内.非致癌污染指数和致癌风险指数表明高速公路周围的居民应居住在距离高速公路80 m之外.

3结论

受交通运输的影响，G4和G60高速公路路域土壤中所研究的5种重金属的浓度较高，靠近高速公路的采样点中Cd和Cr浓度超过了土壤环境二级标准.重金属浓度随离公路的距离的增加而降低，且与高速公路的交通量成正比.所检测的5种重金属的污染状况是Cd>Pb>Cr>Zn>Cu，其中Cd超过了国家土壤质量标准值的3～4倍，为重度污染，存在严重生态风险.在CT路段远到80 m处Cd仍显示轻微的污染.其它重金属为轻度污染或者无污染.健康风险评价表明，所研究的5种重金属对未成年人的非致癌伤害大于成年人的.其中Cd，Cr和Pb对周围的居民存在潜在的非致癌污染.3个研究路段80 m处，Cr和Cd对未成年人有轻微的致癌风险，但在可接受的范围内.因此，周围的居民应注意饮食摄入，最好不要让皮肤直接接触路域土壤，且应居住于高速公路80 m之外.

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