高速路林带对车辆尾气重金属污染的屏障作用

第４３卷第３期

２００７年３月林ＳＣＩＥＮＴＩＡ业科ＳＩＬＶＡＥ学ＳＩＮＩＣＡＥＶ０１．４３．Ｎｏ．３Ｍａｒ．，２００７

高速路林带对车辆尾气重金属污染的屏障作用

王成郄光发杨颖任启文

（中国林业科学研究院林业研究所国家林业局林木培育重点实验室北京１０００９１）

摘要：测定京石、京津塘和首都机场高速公路两侧植物枝叶和路边土壤Ｐｂ、ｃｄ、Ｃｕ、ｃｒ含量，研究４种重金属元

素在高速公路两侧的扩散特征以及车流量大小与重金属含量间的相关关系。结果表明：Ｐｂ是车辆尾气重金属污染

的主要污染源之一，高速公路两侧树木器官和不同土层Ｐｂ含量均随距路距离的增大而逐渐降低。ｃｕ含量与距离

高速公路的远近有一定关系，但变化情况因道路而异，且受车辆类型影响较大。而ｃｄ、ｃｒ含量和林带状况无明显

关系。研究结果还进一步表明：高速公路沿线的重金属污染程度与车流量大小密切相关，对于日均车流６万辆的

公路而言，高速公路两侧８０ｉｎ范围是重金属污染最集中的扩散区域；而４０一６０ｍ的毛白杨林带（高度≥１０ｉｎ）对高

速公路（日均车流量５万一８万辆）车辆尾气重金属污染有较好的吸收屏障效果。在此基础上，针对高速公路沿线

防护林带配置策略和宽度问题进行深入探讨，基于林带防护功能和沿线农业生产食品安全角度，提出从路基向外，

按照养护带、自然带和缓冲带３种土地利用类型配置防护林带，并分别提出建设模式和管理方式。

关键词：高速路；林带；车辆尾气；重金属污染；屏障作用；配置策略

中图分类号：￥７３１．８；Ｘ１７１．５文献标识码：Ａ文章编号：１００１—７４８８｛２００７）０３—０００１—０７

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｗａｙ；ｆｏｒｅｓｔｂｅｌｔ；ｔａｉｌｇａｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅｓ；ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ；ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙ

近年来，北京市道路建设规模不断扩大，机动车保有量持续高速增长，仅２００４年ｌ一６月份，北京市机动车销售量就达２３．９万辆，比去年同期机动车销售量增加５８％。汽车工业和交通运输业的快速发展对促进社

收稿日期：２００６—１０—３０。基金项目：国家科技部十一五攻关重大专项课题（２００６ＢＡＤ０３Ａ１９和２００６ＢＡＤ０３Ａ０６）。

２林业科学

会经济发展和文化交流起到了十分重要的作用。然而，汽车及交通运输也是主要的环境污染源之一，高等级公路的汽车运输更以其车流量大、流动性强、扩散面广等特点对生态环境造成了严重影响。尤其是Ｐｂ、ｃｄ、ｃｕ、ｃｒ、ｚｎ、Ｎｉ、Ｍｎ等与车辆尾气排放和运输货物有关的重金属污染问题尤为突出（刘英对等，１９９９；阮宏华等，１９９９；Ｈａｎｋ，１９９８；庄树宏等，２０００；梁景森等，１９９８）。通常情况下，重金属大多不是植物体的必需元素，但一旦进入植物体内，就会参与植物的生理循环，对植物正常生长造成影响。同时，富集在粮食、蔬菜内的重金属物质，在被人们食入后还会侵犯人体的造血、消化及神经等系统，对人类健康造成严重危害（胡迪琴，１９９７；马跃良等，２００１）。

目前，由车辆活动所造成的环境污染和生态破坏问题越来越受到社会的广泛关注，世界各国在努力控制汽车尾气排放、改进公路设计的同时，也把公路绿化作为改善公路生态环境、减轻道路不利生态影响的重要措施（徐永荣等，２００２；Ｏｇｕｎｓｏｌａ，１９９４；Ｐｉｒｏｎ，１９９４），而由此产生的绿化占地问题，也引发了对高速公路防护林宽度的争议。本文以北京市京石高速（南梨园村段）、京津塘高速（长子营段）和机场高速（北皋段）３条主要高速公路为研究对象，针对毛白杨（Ｐｏｐｕｌｕｓｔｏｍｅｎｔｏｓａ）这一北方地区的主要道路绿化树种，研究了道路林带对Ｐｂ、ｃｄ、ｃｕ、Ｃｒ等４种重金属的屏障作用及道路两侧土壤中的重金属含量和分布规律，旨在了解和掌握车辆重金属污染对高速公路两侧的生态影响，探讨不同林带建设模式对降低车辆重金属污染的影响，这不仅可以为我国合理确定道路两侧林带类型和建设宽度提供理论参考，而且还有助于科学配置公路沿线的农业生产布局，保护食品生产安全环境，保障人类健康（彭镇华，２００２；王成等，２００４）。

１研究区概况

京石高速（双向４车道，１９９４年通车）、京津塘高速（双向４车道，１９９４年通车）和首都机场高速（双向６车道，１９９３年通车）是我国最早建设的３条高速公路，目前的日均车流量分别达到１０、５．９和８万辆。采样地距离市区较远，分别位于京石高速的南梨园村段（Ａ区）、京津塘高速的长子营段（Ｂ区）、首都机场高速的北皋段（Ｃ区），道路两侧均为对称分布、生长整齐的毛白杨林带，且全为单层结构，林下地表裸露。其中，Ａ区林带格局为：４６排，包括紧邻道路的４排株高较高树木（高１９．８ｍ，胸径２１ｃｍ，株行距３．５ｍＸ４ｍ）和外围４２排株高相对低的树木（高１０．２ｍ，胸径１１．７ｃｍ，株行距２ｍ×５ｍ）；Ｂ区林带格局为：２８排，高７．８ｍ，胸径８．０ｃｍ，株行距３ｍＸ５ｍ；Ｃ区林带格局为：２０排，高１７．８ｍ，胸径１９ｃｍ，株行距５ｍ×４ｍ。同时，本研究还选择了京津塘高速（亦庄段）一无林开阔地作为对照区（Ｄ区）。

２研究方法

２．１植物样品

根据采样区的林带宽度分别设计不同的取样梯度，Ａ区分别按距公路１０、２０、４０、６０、８０、１００、１５０和２００ｍ的梯度进行采样；Ｂ区分别按距公路１０、２０、４０、６０、８０、１００和１５０ｍ的梯度进行采样；Ｃ区分别按距公路１０、２０、３０、４０、５０和７０ｍ的梯度进行采样。

Ａ、Ｂ、Ｃ区采样：按各区采样梯度选择相应距离处的健康、无病虫害植株，分别在树冠的东、南、西、北４个部位（距地面４～６ｍ处）采取植株的叶与新枝（１～２年生）。在各区每一采样梯度分别选取３棵植株，隔树取样，枝条剪下后，分离叶片与新枝，按比例混匀。

２．２土壤样品

分别在Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ区，按距路５、１０、２０、４０、８０和２００ｍ的横向梯度，并按０—２０、２０～４０和４０～６０ｃｍ的土层梯度，使用土壤采样器各采３个平行样（间隔２ｍ），并充分混合。

２．３测定方法

植物样品经毛刷刷净后，６５℃烘干、粉碎并过６０目筛。土壤样品经风干、玛瑙研钵研磨后，过１００目筛。用火焰原子吸收光谱法测定Ｐｂ、ｃｄ、Ｃｕ含量，用二苯碳酰二肼光度法测定Ｃｒ的含量。

３结果与讨论

３．１高速路林带叶片中Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ含量随距离的变化图１表明，叶片中Ｐｂ含量的变化与距离公路的远近密切相关，而ｃｄ、Ｃｒ的变化趋势与林带宽度的关系　

第３期王成等：高速路林带对车辆尾气重金属污染的屏障作用

不大。从图可知，毛白杨叶片中Ｐｂ的含量随距路远近的增加而逐渐降低。京石、京津塘和机场高速毛白杨叶片中Ｐｂ的含量分别在距离公路６０、８０和４０ｍ处降到一个较低值，分别为５．１８、４．５５和４．９７ｍｇ?ｋｇ～，此后叶片中的Ｐｂ含量虽继续降低，但变化幅度较小。同时，京石和京津塘高速毛白杨叶片在距路１５０ｉｎ处时的Ｐｂ含量（分别为３．８９和３．４３ｍｇ?ｋｇ叫）与机场高速７０ｍ处时的Ｐｂ含量（３．６５ｍｇ?ｋｇ一）大体一致。机场高速毛白杨林带的平均高度为１７．８ｍ，分别是京石和京津塘高速被测区段毛白杨林带平均高度的１．７５和２．２８倍，在空间上具有更大的吸收能力，说明林带高度对减小重金属的污染范围十分重要。另外，京石和机场高速毛白杨叶片中的Ｐｂ含量在路边４０ｍ范围内的下降速度要明显快于京津塘高速，这可能与这２条道路路边４０ｍ范围内高大植株的屏蔽吸收作用有很大关系。

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图１

Ｆｉｇ．１Ｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆ高速路林带叶片中Ｐｂ、ｃｄ、ｃｕ、ｃｒ含量随距离的变化ｉｎＰｏｐｕｌｕｓｔｏｇｔｚｅｔｌｔｏｓａＰｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒｌｅａｖｅｓｖａｒｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅａｗａｙｆｒｏｍｔｈｅｈｉｇｈｗａｙ

同时，ｃｕ的含量在某种程度上也与距路距离的大小存在一定的相关关系，但其变化趋势不十分明显，且在不同道路间相差较大（图１）。对于京石、京津塘高速来说，毛白杨叶片中的含ｃｕ量随距离增大而逐渐降低，但变化趋势不十分显著，而在机场高速中ｃｕ含量的变化规律不强。京石与京津塘高速载货车辆较多，除机动车尾气污染外，车辆携带的其他飘散颗粒物的污染也比较严重，这可能是造成道路附近ｃｕ含量略微升高的一个重要原因。而机场高速主要是载客车辆，车辆飘散颗粒物较少，ｃｕ含量的不规则变化可能与树木对土壤重金属的吸收差异有关，也可能与此处大气中的重金属含量有关。有研究结果表明（庄树宏等，２０００），植物叶片中的重金属富积量与大气中重金属的相对含量呈显著性正相关关系。机场路周围人口相对密集，生产、生活区遍布，大气污染相对严重，这对附近树木造成的危害较大。另外，从整个变化趋势来看，毛白杨叶片中具有较高的ｃｕ含量水平，叶片中４种重金属含量大小顺序依次为：Ｃｕ＞Ｃｒ＞Ｐｂ＞Ｃｄ。

３．２高速路林带新枝中Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ含量随距路距离的变化

毛白杨新枝与叶片Ｐｂ含量有相同的变化趋势，ｃｕ、ｃｒ和ｃｄ的含量情况也与叶片存在许多相似之处（图２）。由于Ｐｂ是汽车尾气中的主要污染物之一，其污染程度与车辆尾气排放量密切相关。因此，毛白杨新枝与叶片Ｐｂ含量的变化趋势十分明显，都随距路距离增加而显著降低，并分别在距离公路４０ｍ（机场高速）、６０ｍ（京石高速）和８０ｍ（京津塘）处降到一个稳定的低值，以后含量虽有所降低，但下降幅度较小，这一结果也与阮宏华等（１９９９）在火炬松、杉木、栎树上的研究结果接近，却与Ｋｅｌｅｍｅｎ等（１９９６）在其他植物材料上的研究结果相差很大。同时，由于受道路行驶车辆类型及道路附近厂矿污染的影响，京石和京津塘高速道路两侧的毛白杨新枝也在一定程度上受到了ｃｕ的污染，并随距路距离的增大而不断降低。另外，毛白杨新枝叶中ｃｄ、ｃｒ含量都与距离道路的远近没有明显关系，这一结果也与Ｇｕｔｔｏｒｍｓｅｎ（１９９３）的研究结果基本一致。比较图１和图２的整个变化情况还可以看出，毛白杨新枝与叶片中重金属含量的大小次序略有不同，这种吸收程度上的差异与不同树木器官富集重金属的能力和不同地区土壤重金属背景值的差异有密切关系，同时车辆所带来的重金属污染物也在一定程度上对其产生了十分重要的影响。

３．３林带下不同层次土壤中Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ含量随距路距离的变化

从图３可以看出，不同土层的Ｐｂ含量均随距路距离的增大而呈逐渐降低的趋势，而ｃｄ、ｃｕ、ｃｒ的含量则与距路距离的关系不大。京石、京津塘和机场高速两侧不同土层的含Ｐｂ量分别在距离公路４０、６０和８０ｍ处降到一个较稳定的值，这与地上树木器官中含Ｐｂ量的变化趋势完全一致，这也说明车辆尾气污染是路边　

土壤Ｐｂ含量升高的一个主要原因。从整个变化情况来看，表土层的Ｐｂ含量要略微高于深土层，这与前人的

４

林业科学４３卷

１０４０７０１００１３０１６０１９０１０３０５０７０９０１１０１３０１５０１０２０３０４０５０６０７０

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图２高速路林带新枝中Ｐｂ、ｃｄ、ｃｕ、ｃｒ含量随距离的变化

Ｆｉｇ．２

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研究结果基本一致（阮宏华等，１９９９），原因可能在于表土是重金属的首要聚集位置，因此具有较高的重金属

含量。同时在雨水下渗、翻地等外力作用下，表土层中积累的Ｐｂ又逐渐下移，使得下面土层中的含Ｐｂ量也有所增加，因此近路区域内各土层的含Ｐｂ量也都要明显高于距路较远区域内相应土层的Ｐｂ含量水平。而

不同土层中Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ的含量与北京市土壤背景值相差不大，且与林带宽度没有明显关系，可见土壤受Ｃｄ、ｃｕ、ｃｒ的影响较小。另外，从整个变化趋势来看，土壤中的重金属含量大小顺序依次为：Ｐｂ＞Ｃｒ＞Ｃｕ＞Ｃｄ，这与地上植株枝叶里的重金属含量明显不同。同时，从图３与图１、２的比较还可以看出，土壤中的含Ｐｂ量是

地上叶片含Ｐｂ量的６．１～２５．８倍，是新枝含Ｐｂ量的１０．４～６４．９倍；土壤中ｃｕ、Ｃｒ的含量也要显著高于地上树木枝叶的水平。

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图３林带下不同土层中Ｐｂ、ｃｄ、ｃｕ、Ｃｒ含量随距离的变化

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第３期王成等：高速路林带对车辆尾气重金属污染的屏障作用

５

３．４有林地和无林地土壤中Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ含量随距离的变化

如图４所示，无林地表土层的含Ｐｂ量要显著高于有林地的水平，并且这种差异随着距路距离的增加而逐渐减小。在路边５～２００ｍ范围内，京津塘高速无林试验地（Ｄ）表土层Ｐｂ、Ｃｕ含量的变化幅度分别为：５１．６

～１１９．４和１０．７～２５．８ｍｇ?ｋｇ～。而有林试验地（Ｂ）表土层的Ｐｂ、Ｃｕ含量变化幅度分别为：４４～５９和１０．４～

１３．３

ｍｇ?ｋｇ～，可见同一道路两侧有林地与无林地表土层的重金属含量相差较大。进一步的分析结果表明：

路边（距路５ｍ处）无林地土层的含Ｐｂ量最大可以是有林地相同距离处的２．０２倍，而相同距离处的含Ｃｕ量之比也高达１．９３倍。同时，京津塘高速无林地的含Ｐｂ量及路边（２０ｍ内）表土的含Ｃｕ量也明显高于其他两条高速路相同距离处有林地的Ｐｂ、ｃｕ含量水平，这一结果也进一步表明林带对重金属具有显著的吸收效果。另外，随着距路距离的逐渐增大，京津塘高速无林地和有林地表土层的含Ｐｂ量差距逐渐减小，８０ｍ处的重金属含量差距已缩小到一个很小的范围，这也进一步说明该道路两侧８０ｍ的范围是重金属最集中的扩散区域。这与前人在另外一些不同道路上４０（阮宏华等，１９９９）、５０（曹立新等，１９９５）、６０（吴永刚等，２００２）和１００

ｍ

（刘英对等，１９９９）的研究结果不同，主要原因可能在于车流量大小和道路宽度的不同对公路周边环境的影响

程度不同。从图中还可以看出，无林地表土中ｃｒ的变化也有随距路距离增加而逐渐降低的趋势，但不很明显。同时其表土层的ｃｒ含量始终低于同一道路的有林地，这可能与实验地的土壤背景值有关，该区域原来

是一片鱼塘，２年前刚刚挖土填平，形成时间不长，土壤含ｃｒ量相对较低。另外，土壤含ｃｄ量变化与林带的

宽度关系不大，说明土壤中Ｃｄ与公路影响的关系不大。

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图４有林地和无林地表土层Ｐｂ、ｃｄ、ｃｕ、ｃｒ含量随距离的变化

Ｆｉｇ．４

Ｃｏｎｔｅｎｔｓ

ｏｆ

Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒｉｎｃｏｖｅｒｓｏｉｌｉｎｆｏｒｅｓｔｌａｎｄａｎｄｎｏｎ－ｆｏｒｅｓｔｌａｎｄｖａｒｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅ

ａｗａｙ

ｆｒｏｍｔｈｅｈｉｇｈｗａｙ

３．５

高速公路车流量与道路两侧Ｐｂ含量变化趋势的关系

高速路边树木器官和林下表土层中的含Ｐｂ量与高速路车流量的大小密切相关。国外有研究（Ｇｕｔｔｏｒｍｓｅｎ，１９９３）认为，日均车流１．２万辆的公路两侧２０ｍ以内所受的污染较重。比较３个试验区路边第一排毛白杨（距路１０ｍ）叶片铅含量的大小，可以看出，Ａ区（８．７８ｍｇ?ｋｇ。１）＞Ｃ区（８．０１ｍｇ?ｋｇ。１）＞Ｂ区

（７．０８ｍｇ?ｋｇ。１）（图５）。同时，从路边前几排树木器官Ｐｂ含量的整体情况来看，Ａ区高于Ｃ区，并且Ａ区、ｃ

区明显高于Ｂ区，这种变化情况与３条高速公路目前的日均车流量的大小完全一致，依次为：京石高速（１０万辆）＞首都机场高速（８万辆）＞京津塘高速（５．９万辆）。但Ａ区和Ｃ区路边６０ｍ以外树木器官的含Ｐｂ量与Ｂ区相应位置树木器官的含量水平相差不大，甚至低于Ｂ区，这可能主要与Ａ区、Ｃ区路边（４０ｍ范围内）树木植株相对高大，对Ｐｂ有更好的屏蔽与吸收作用有关。另外，３个区域的Ｐｂ含量水平都随着距路距离的增加而逐渐降低，从距路１０ｍ范围内表土层的Ｐｂ含量情况还可以进一步看出，Ａ区和Ｃ区的Ｐｂ含量要明