第43卷第3期
2007年3月林业科学SCIE NT IA SILVAE SINICAE Vol 43,No 3Mar.,2007
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80m 范围是重金属污染最集中的扩散区域；而40~60m 的毛白杨林带(高度 10m)对高
速公路(日均车流量5万~8万辆)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:S731 8;X171 5 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2007)03-0001-07
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)。
Effects of Highway Forest Belts on Heavy Metals Pollution
from Tail Gas of Vehicles
Wang Cheng Qie Guangfa Yang Ying Ren Qiwen
(Key L a bo ra to ry o f Forestry Sil vicultu re o f th e Sta te Fore stry Administra tion Re sea rch In stitu te o f Forestry ,CAF Be ijin g 100091)
Abstract : Heavy metals pollution of auto mobile partic le matter is more and more se rious wi th the de velopment of vehicles industry and highway construc tion.And the forest belts along the road have been greatly emphasized on their func t ions of decreasing pollution.This article summarized the ecological influe nce of pollution of automobile pa rticle ma tter,scope of heavy metal dispersion,sc reen effect of highwa y greenbelt and the use strategy of land along the high ways.Three highways (Beijing Shijiazhuang highway,Beijing T ianjin Tanggu highwa y,Airport highway)we re used to study the characte ristic of heavy metal dispersion and the relationship between traffic flows and hea vy metal c ontent.And the traffic flo ws of three highwa ys are respectively 100000,59000and 80000 The contents of Pb 、Cd 、Cu 、Cr in soil and organs of trees(Po pulus tomentosa )along the high way were measured.The results sho wed that Pb was the main source of traffic tail gas pollution and its con
tent decreased in different soil layers and tree organs with e xtends of the distance away from the highway.The content of Cu was also related with the distance away from the highwa y,but it was greatly influenced by the cha racteristic of the road and vehicles.There was little c orrelation between the contents and distributiong of Cd 、Cr and forest belt width.The range of heavy metals dispersion was mainly within 80m apart fro m the highway.And the heavy metal pollution made by tail gas of vehicles on the highway (50000<ave ra ge traffic flow per day<80000)c ould be effectively dec reased by 40~60m poplar forest belt (height 10m).In addition,the a rrange ment strategy and width of protective forest along the highways we re also compre hensively studied in this paper.Acc ording to the pollution grades of road and spatial diffe rentiation of land near the road,the differe nt managing stra tegy with different disturbance de gree were carried out for differe nt reach of the road.And the utilization strategy should be classified and ai med a t maintain zone,na tural zone and buffer zone respec tively with the distance a wa y from the highway.Some scientific suggestions on highway de sign and c onstruction,pa ttern of agricultural production along highwa y and highwa y environmental protection we re also provided.
Key words : highway;forest belt;tail gas of vehicles;hea vy metals pollution;pollution controlling;arrange ment strategy
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1\ 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
2林业科学43卷
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、C r、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(Po pulus tomentosa)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 5m4m)和外围42排株高相对低的树木(高10 2m，胸径11 7cm，株行距2m5m);B区林带格局为:28排，高7 8m，胸径8 0 c m，株行距3m5m;C区林带格局为:20排，高17 8m，胸径19cm，株行距5m4m。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40~60c m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、C r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
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 -1
，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150m 处时的
Pb 含量(分别为3 89和3 43mg ∀kg -1)与机场高速70m 处时的Pb 含量(3 65mg ∀kg -1)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。图1 高速路林带叶片中Pb 、Cd 、Cu 、Cr 含量随距离的变化
Fig.1 Contents of Pb 、Cd 、Cu 、Cr i n Populus tomentosa leaves varied wi th the distance away from the highway
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C u 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
汽车尾气对人体的危害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 、C r 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C u 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 、C r 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
3 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
图2 高速路林带新枝中Pb 、Cd 、Cu 、Cr 含量随距离的变化
Fig.2 Contents of Pb 、Cd 、Cu 、Cr in new branches of Populus tome ntosa varied wi th the distance away from the highway
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>C u>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。
图3 林带下不同土层中Pb 、Cd 、Cu 、Cr 含量随距离的变化
Fig.3 Contents of Pb 、Cd 、Cu 、Cr in different soil layer varied with the dis tance away from the highway
#:0~20cm 土层0~20c m soil layer;∃:20~40cm 土层20~40c m soil layer;%:40~60cm 土层40~60c m soil la yer 。下同。The sa me belo w.
4林业科学43卷
3 4 有林地和无林地土壤中Pb 、Cd 、Cu 、C r 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 -1。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 3mg ∀kg -1
，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100m (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。图4 有林地和无林地表土层Pb 、Cd 、Cu 、Cr 含量随距离的变化
Fi g.4 Contents of Pb 、Cd 、Cu 、Cr in cover soil in forest land and non forest land varied with the dis tance a way from the hi ghway
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5 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
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