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Spatial distribution and variability of heavy metals contents in the topsoil along roadside in the Longitudinal Range-Gorge Region in Yunnan Province

纵向岭谷区公路沿线土壤表层重金属空间分异特征



全 文 :第26卷第 1期
2006年 1月
生 态 学 报
ACTA EC0L0GICA SINICA
Vo1.26。No.1
Jan.,2006
纵向岭谷区公路沿线土壤表层重金属空间分异特征
朱建军,崔保山,杨志峰 ,董世魁 ,姚华荣
(水环境模拟国家重点实验室,北京师范大学环境学院,北京 100875)
摘要:以纵向岭谷区内云南省境内的丽江一景洪公路沿线作为案例研究区,根据路段所处的地理位置、公路等级、修建的时段 ,
将其分为北段、中段和南段。通过公路沿线 94个样点的土壤表层重金属全量分析,研究了土壤重金属沿公路的纵向、横向和垂
向分异特征性。在纵向上,Cu,zn,Pb,Cr,Cd,As,Mg和 Mn等 8种重金属全量存在北段高于中段和南段的特征;相关性分析结果
表明公路建设对铅、镉、锌的纵向差异存在一定影响。横向空间分异性显示,虽然在不同的土壤种类和利用方式下,土壤重金属
含量值差异很大,但公路沿线重金属与公路距离之间存在显著相关关系,表明公路对横向的空间分异性存在决定性影响,影响
带宽度约为 50m;垂向分析结果表明,自然土壤中重金属的垂向分异性不如横向分异明显,仅显示在近公路处有重金属富集现
象;而在公路施工区,受人工护坡等工程的局部影响,垂向分异性不显著。
关键词:重金属;“三向”分异特征;公路沿线;纵向岭谷区
文章编号:11300—0933(2006)01.0146.08 中圈分类号:Q149,$154,s158.2 文献标识码:A
Spatial distribution and variability of heavy metals contents in the topsoil along
roadside in the Longitudinal Range-Gorge Region in Yunnan Province
ZHU Jian—Jun,CUI Bao—Shan,YANG Zhi-Feng ,DONG Shi-Kui,YAO Hua-Rong (State研 60rat。 o/Water Environmental
Simulation,School of e ,Ⅲ村BeijingNormal University,Belting 100875,China).ActsEcologies Sinlca,2OO6。26(I):146—153.
Abstract:Heavy metals accumulated in soils were characterized by poluting large area,non—degradation,and dificulty to clean
etc.With human activities, the pollution of heavy metals becomes more and more serious and arouses more atentions by
environmentalists and correlative scholars.Longitudinal Range—Gorge Region,located in South—West of China,has many mountain
ridges and valleys stretching from north to south.Because of the local native environment,road is the major trafic method.By far
the majority of the studies on the impact of road construction on the contents of heavy metals in roadside soils was conducted on the
small scale.We report the spatial distribution and variation of heavy metal contents in the roadside topsoils along the longitudinal,
transverse and upright directions on the large scale.
In order to provide available study instruct and method on macroscopy scale,the road was divided into three segments:
north,middle and south segment.Soil samples were taken at 94 locations from roadside soils along the north,middle and south
parts of the Lijiang—Jinghong road in Yunnan Province.The total contents of heavy metals in the soil samples were determined.The
following results were found:
(1)In longitudinal direction,the concentrations of Cu,Zn,Pb,Cr,Cd,As,Mg and Mn in roadside soils were higher for
the north segment than those for the middle and south segments.Correlation analysis indicated that the construction of road
absolutely impacted the longitudinal distribution of Pb,Cd and Zn content in the roadside soils.
(2)In transverse direction,the contents of heavy metal8 in roadside soils varied in unifoFil trend with soil types and so1‘l
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2003CB415104)
收稿 日期:2005.08.20;修订日期:2005.11-20
作者简介:朱建军(1968~),河北保定人,博士生,副教授,主要从事环境评价、规划与管理研究.E.mail:zhujianian10000@126.corn
*通讯作者 Author for correspondence.E mal:ztyang@bnu.edu.cn
Foundation item:National Basic Research Program of China(973)(No.2003CB415104)
Received date:2005-08-20;Accepted date:2005-11—20
Biography.ZHU Jian-Jun, Ph.D. candidate, Associate professor, mainly engaged in environmental assessment. planning and management
. E-mail:
zhujianjunl0000@126.corn
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1期 朱建军 等:纵向岭谷区公路沿线土壤表层重金属空间分异特征 147
utilization manners,indicating that the construction of road had crucial impact on the transverse spatial variability of heavy metal
contents.This impact extended to 50 m away from the road.
(3)In vertically direction,the spatial variability of heavy metal contents in native soils was not significant and heavy metals
were concentrated only in the roadside soils close to the road.Because of the local influence of artifcial counterfort,there was no
vertical spatial variability in constructing area.
Key words:heavy metals;three-side spatial variability;roadside;longitudinal range-gorge region
纵向岭谷区(1ongitudinal range.gorge region)⋯是我国西南以纵向山系和大河为主体特征,并以其南北向发
育、东西向展布的巨大山系和深切河谷为格局的纵向山系河谷景观。云南省元江(下游称红河)以西的横断山
系纵谷区是纵向岭谷区的主要组成部分。由于区域自然环境特殊,公路成为该区最主要的交通方式。云南省
交通规划①显示,纵向岭谷区内公路里程占云南省总规划里程的 80%以上。公路建设特别是高等级的陆路大
通道建设,作为生态干扰作用强烈的人类活动,给生态系统带来了诸多影响 J。其中,公路建设和运营期间
的重金属污染,由于范围广、持续时间长、污染物不易降解等特点,成为目前公路建设生态干扰作用的研究
热点。
对于土壤重金属的研究,研究内容多集中在重金属对土壤微生物的影响 、重金属在植物体内的积累及
植物对重金属毒害的生理生态效应等方面n。。,研究区多选择在城区及其周边地区⋯],研究尺度多集中在小尺
度的样点研究与污染评价上 ¨。而从较大尺度上,对
公 路沿线纵向、横向和垂向的空间分异研究,至今尚未
见诸报端。本文基于纵向岭谷区南北通道、东西阻隔的 30。N
特点,探讨公路沿线土壤表层重金属的空间分异特征及
其与公路建设的联系,为从宏观尺度上揭示公路建设的
生态环境效应提供理论依据,同时为相关研究提供可借
鉴的研究思路与方法。 ⋯ ’
1 研究区概况与分析方法
1.1 研究区概况
以纵向岭谷区内云南省境为研究区,以丽江一大理
,⋯
一 保山一临沧一景洪公路沿线的土壤表层重金属为研
究对象(图 1),开展土壤重金属沿公路的纵向、横向和
垂向分异特征研究。根据公路所在位置、公路等级和建
设时段,将公路分为北、中、南三段。其中北段为丽江一
印度
缅甸一 保
j l图例L。g“d
善筌
一 州
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市 。

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■—正_— 百——一
图 1 研究区地理位置图
大理二级公路,全长 180km,为老公路。中段为大理一 Fig·1 MaP of咖dY po sition
保山高速公路,全长 186km,为新建公路。南段临沧(博 ·x “g;2.Siehuan;3.We ·M 。 ·“jiang; ·G“i小 ; ·D ;
尚)一景洪(勐海)为老公路,全长 362km,含三级公路 G
angxj: 5.si &。;16

. Honghe;

17.Yan :; 18.Ji gho :|19.vi。t :;20.
18km,四级公路 34dkm。自北向南,跨越亚热带、热带高 Me a;21
.1.,ao8;22. gtitudi al IRange-Gorge R gi。 ;23.R。ad
原季风气候区。公路沿线土壤类型多样,主要分属4个
土壤带,砖红壤带、赤红壤带、红壤带和黄棕壤带、棕壤带。北段公路沿线土壤主要为棕色针叶林土和草甸土,
中段主要为黄壤、红壤和水稻土,南段主要为红壤、砖红壤和赤红壤。三段公路的坝区主要以水稻土为主。
1.2 样品采集与分析方法
(1)采样方案 自2004年 11月中旬至 12月初,采用 GPS定位,在研究区北、中、南三段公路沿线(北起丽
① 云南省交通图,2004年版
黼 甸
. . .
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江,南至景洪)布设 94个代表性的样点(样点布局涵盖了不同的土壤类型)。其中北段布点 19个,中段布点 37
个,南段布点28个(表 1)。每个样点取表层土(0~30cm),所取样品均为3个测点的混合样品。为减小公路外
的其它因素影响,在样点选择时避开特殊地点,如加油站、采石场、垃圾堆放场、村庄等影响源。
(2)样品处理方法 土壤样品经风干、研磨 ,过 100目筛,准确称取 0.1g,置入聚四氟乙烯罐中,加入 3ml
硝酸、lml高氯酸、lml氢氟酸,放于不锈钢外套中于烘箱中 16O℃加热 4~5h,冷却后取出罐,在电热板上敞口
加热去硅及残留的氢氟酸,待大量白烟冒尽,样品呈可流动球珠状时取下,加入 1ml硝酸,微热,冷却至常温,
用高纯水定容至 10ml,用法国j-y—ULTIMA型 ICP—AES电感耦合等离子光谱仪测定 Ph、As、cr、zn、cd、Mn、Mg、
cu等 8种重金属元素的含量。
(3)数据分析方法 采用 SPSS12.0软件,将所有样品的重金属含量原始数据进行标准化,求出各类土壤
的重金属含量平均值、标准差,并进行相关性分析。
采 1 采样点地理位置
TabIe 1 SampHng position
1 Lijiang~Dali,2 Dali-Baoshan,3 Lincang~Jinghong
2 结果与讨论
2.1 重金属全量沿公路的纵向空问分异
2.1.1 土壤表层重金属含量状况 公路沿线土壤表层八种重金属全量的分析结果显示(表 2),公路北段重
金属全量的实测平均值均高于中段和南段。其中铅、镉、铜在北段的平均值是中段的4倍以上,铅、砷、镉、镁、
铜北段平均值超过南段的4倍以上。中段重金属全量除 zn和cd含量平均值略低于南段外,其他元素含量均
高于南段,约为南段的 1—2倍,因此从总体上看,沿线土壤表层重金属全量自北向南逐渐降低。
研究区公路沿线土壤重金属实测平均值与中国土壤中重金属平均含量 纠¨的对比结果显示,3个路段土壤
中镉的含量值均较高,在北段、中段和南段约为中国土壤平均含量的66.7倍、11.8倍和 14.6倍。公路北段 8
种重金属全量值均高于全国平均含量,最高(镉)达 66.7倍,最低(锌)为 1.8倍。中段和南段,除隔外,其它重
金属含量均接近平均值。
重金属含量的另一个表征量是污染指数(P/),它是某种重金属全量实测平均值与相应的土壤质量标准
值①的比值,根据单因子污染指数分级标准n , ≤1非污染,13为重
污染。从污染指数排序看,北段为镉≥砷≥铅≥铜≥铬≥锌,其中铅、镉、镁、铜为重污染,砷、铬、锰为中污染,
锌为轻污染。中段排序为镉≥砷≥铬≥锌≥铜≥铅,其中镉为重污染,镁为中污染,铅、砷、铬为轻污染。南段
镉≥铬≥锌≥铜≥砷≥锌,其中镉为重污染,铅、镁为轻污染。
2.1.2 重金属相关性分析 研究土壤中重金属含量的相关性可以推测重金属的来源是否相同n ,如果重金
属含量有显著的相关性,说明其同源的可能性较大,否则来源可能不止一个。3个路段的相关性分析结果显
示(表 3):北段铅与镉、锌、铜相关性较强,与铬呈负相关;中段铅与镉、锌、铜有较强的相关性;南段铅与锌、
镉、镁、铜、铬相关性较强。可以看出3个路段中铅、镉、铜、锌均有较强的相关性,说明4种重金属来源相同。
① 土壤环境质量标准(GB15618.1995)
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朱建军 等:纵向岭谷区公路沿线土壤表层重金属空间分异特征 149
当前的有关研究表明,公路重金属污染物主要为镉、铅、铜n ,由此可以初步判定研究区此 3种污染物主要来
自于公路建设。
表 2 公路沿线土壤I金属全量分析结果
Table 2 Analy~ result of heavy metals In t0ps0II along roadside
袭3 公路沿线表层土壤重金属全量相关性
Table 3 Correlation of heavy metals In topsoil along roadside
Pb Ag Cr Zn Cd Mn Mg Cu
北段
North segment
n=19
中段
Middle segment
17,=37
南段
South segm ent
n=28
l
一 0.507
— 0.893
0.966‘
0.97
0.58
— 0.43l
0.607
l
0.034
0.046
0.43
0.748
0.08
0.229
0.634
l
0.685
0.608
0.724
0.726
0.345
0.543
0.622
l
0.632
— 0.553
— 0.379
— 0.525
0.685
0.083
l
0.O65
0.237
0 24
— 0.016
0.145
0.368
l
0.482
0.774’
0.82
0.409
0.906
0.512
l
一 0.926
一 0.856
一 0.791
0.439
— 0.474
l
0.232
0.036
0.075
0.407
0.244
l
0.6
0.532
0.29l
0.534 。
0.854
1
0.91
0.727
一 0.557
0.382
l
0.361
0.193
0.235
0.686
l
0.857
0.513
0.693
0.7l7
l
0.557
— 0.28l
0.43
l
0.069
0.225
0.252
l
0.398
0.768
0.654
l
一 0.396
0.555
l
0.1l8
— 0.041
l
0.432
0.229
l
一 0.105
l
0.068
l
0.54
* P<0.O1. P<0.05
2.2 重金属全量沿公路的横向空间分异
根据上述分析,选择与公路影响相关的铅、镉、铜为研究对象,进一步研究重金属全量沿公路的横向空间
.呈 № № .罢0 № № 舡0 № №
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15O 生 态 学 报 26卷
变异,通过研究代表性样线中重金属全量随着距公路垂直距离的变化,分析公路对土壤重金属全量的影响。
考虑到公路沿线土地利用方式和土壤类型的差异性,将公路沿线土壤概化为人工土壤和自然土壤 2类,前者
指受人类耕作活动改造较大的土壤,如农田土壤(水稻土),为更加准确地区分人为影响,再将农田土壤进一步
分为农田土和田梗土,后者指未经耕作的,受人类干扰相对较小的土壤。
人工土壤的采样线布设在大保高速公路板桥入口处(东经 99。13 ,北纬 25。16 ,海拔 1641m,地形坡度 2。)
的农田及田梗,农作物为油菜。样线垂直于公路,样点分别位于距公路 5m,10m,20m,50m,100m,2Om距离
处。3种重金属全量变化规律由图2表示。图中(a)为农田土,(b)为田梗土。农田土中3种重金属含量均略
高于田梗;铅和铜的含量随着与道路的距离增加,从 0~20m呈上升趋势,至 20m附近达到峰值;农田中峰值
达95.67tg/g和51.39tg/g,田梗中达62.56tg/g和53.90tg/g,超过这一距离,全量值迅速下降,至50m之外全量
值呈稳定状态。镉的全量峰值区与铅和铜相似,农田中在 20m处达到6.43tg/g的峰值,田梗中峰值出现在
10m处的测点,为 2.66tg/g,20m处为2.48tg/g,在超过 20m距离后,镉的全量值急剧下降,至 lom距离处下降
至最低值,100至2Om距离处又有所上升。
20
00
80
60
40
20
0
图2 人工土壤中离熏金属全量与距公路距离的变化关系
Fig.2 The relation of metal contents and distance to road in artificially soil
自然土壤的样线布设在永平小田坝(东经 99。30 ,
北纬 25o25 ,海拔 1644m,地形坡度 20。)。植被以麻栎、
杜鹃等灌木为主。样线垂直于公路,样点分别位于距公
路5,10,20,50和 lom距离处。自然土壤中 3种重金
属全量随着距道路的距离增加而增加(图3),从 0~10m
呈上升趋势,至 10m附近达到峰值,铅、铜、镉的全量值
分别达到 13.57tg/g,0.49tg/g,20.11tg/g。从 10~20m
的范围内,全量值迅速下降,在 50m之外全量值基本较
为稳定。


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0.6
0.5
0 4
0.3
0.2
0.1
0
- O.1
图 3 自然土壤中重金属全量与公路距离的关系
Fig.3 The ralation of metal contents and distance to road in nature soil
2.3 重金属全量沿公路的垂向空间分异
公路沿线的垂向空间分异可以通过对沿线坡度较大的山体中,不同海拔高度的土壤重金属全量的分析得
出。公路沿线坡体中的土壤类型可以概化为两种,一种为自然条件下的土壤类型,一种是经工程改造过的土
壤类型。研究样线共两条,分别位于万宝山隧道东 2Om和 18Om处山坡(东经 99。42 ,北纬 25。24,,海拔 2310
— 2448m,坡度 30。)。前者为自然土壤类型,坡体以自然灌木林为主,后者为人工护坡,坡体以草本植物为主。
人工护坡样点按护坡体的工程结构自下而上布点,自然坡体通过 GPS定位,与人工护坡样点中的海拔高度基
本相对应。3种重金属全量沿高度的变化规律由图4表示,图4a为自然坡面,图4b为人工坡面。
自然坡体中,3种重金属全量在垂直高差 5m范围内呈现峰值,其中铅、镉、铜峰值分别为77.58、2.49 g/g
和22.61tg/g;超出这一高度后,3种重金属全量均迅速下降,全量值接近第一个样点处,即2310m处,并呈现较
为平稳的趋势。在坡顶(海拔2419m)处,镉含量最低,铅含量迅速增大。在护坡体中,3种土壤重金属全量值
奄_,芎 l g0捌州 S
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1期 朱建军 等:纵向岭谷区公路沿线土壤表层重金属空间分异特征
明显高于自然坡体的全量值,铅、镉、铜的最大值分别达到208.9、24.9yg/g和34.38Yg,g。变化趋势上,除铅在
近公路的2316m处略显突出外,铜、镉的变化趋势均不显著。从总体上看,重金属全量值保持相对稳定的高值
状态。
- - --O- Pb 廿 Ca — Cd
2310 2315 2340 2366 2389 2419
海拔高度Height(m)

.5 i 舌
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5扣
U
0
图4 土壤中离重金属全量随海拔高度的变化
Fig.4 The relation of metal contents and he]ight
。0 i
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2.4 讨论
2.4.1 公路建设对沿线土壤表层重金属全量纵向分异的影响 从公路沿线土壤表层重金属全量纵向变化的
结果看,土壤重金属全量值总体上呈现北段高于中段和南段的特征。相关研究表明,土壤重金属分布由确定
性因素和随机性因素决定。确定性因素主要包括气候、母质、土壤类型等自然因素,具有相对稳定性的特点,
通常在宏观时空尺度上发生作用。由于公路作用时间长、性质固定,具有相对的稳定性,因此可以视为确定性
因素。随机性因素主要包括农药、化肥和塑料薄膜使用、污水灌溉、污泥施肥、固体废物堆积、矿山酸性废水污
染等 ¨。前者使重金属分布呈现较强的空间相关性,而后者则使空间相关性减弱,朝均一化方向发展 ¨。本
研究结果显示,铅 、镉、铜等重金属在3个地段均具有较强的相关性,说明受确定性因素的影响较大。在确定
性因素中,气候、母质、土壤类型等因素在3个路段均存在较大差异,唯有公路的影响是一致的,因此可以认为
公路建设是导致重金属含量纵向差异的主要影响因素。
研究结果还表明,公路沿线铅、镉、铜3种重金属实测平均值,在北段、中段和南段均超过中国土壤中的平
均含量,这从一个侧面说明了公路沿线土壤受到重金属污染。进一步结合采样点土壤类型进行研究(表 4),
北段采样点为棕色针叶林土,中段为黄壤和水稻土,南段为红壤、砖红壤和赤红壤。有关研究 副¨显示在自然
条件下,含量在正常范围以内的重金属元素,主要来源于母质,远高背景含量的重金属可能来源于人为排放。
根据这一原则,将各路段的实测平均值与相应的土壤本底值进行对比分析得出,北段公路沿线八种重金属全
量的平均值远超过其自然含量,如砷平均值超过本底值近 7倍,表明土壤重金属全量中,本底值所占比例较
小,其量值主要受外来污染源影响。中段和南段的8种重金属全量值虽然总体上看与土壤本底值较为接近,
但铅、铜和镉3种元素的全量值明显高于本底值,表明此 3种土壤重金属分布受到外源影响,即受到公路建设
的影响。
土壤重金属全量在3个路段的差异是其纵向分异的结果,而导致这一分异结果的原因,正是 3段公路之
间存在的差异性,也就是说,正是公路路段的差异引起了沿线土壤重金属的纵向分异。北段大理~丽江公路
修建早、在用时间长,全段为二级公路,车流量大、以轿车为主,因此,来自于含铅汽油的燃烧,汽车轮胎磨损产
生的含锌粉尘等在土壤中的累积成为沿线铅、锌、镉、铬、铜等污染物的主要来源。中段和南段公路,除大理一
保山为高速公路外,其它已建公路多为三级或四级,路面主要为中低级路面,路况和通行能力较差,限制了车
流量和载重能力,因此公路沿线重金属污染相对北段较轻;大理一保山段虽为高速公路,但由于此段公路为新
建公路,随着含铅汽油的禁用,污染程度自然也相应减小。
2.4.2 公路建设对沿线土壤表层重金属全量横向与垂向分异的影响 从公路沿线土壤重金属全量与距公路
距离的变化趋势上可以看出,不同的土地利用方式和土壤类型中,人工土壤中的重金属全量值高于自然土壤,
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152 生 态 学 报 26卷
这与耕作土对来自公路污染地表水的蓄积和农田中农药、化肥等使用有关,亦即与随机性影响因素有关。但
是从同质土壤的变化趋势看,二者却存在较强的相似性,即峰值均出现在距公路 20m附近的范围内,远离公
路后,量值呈现平稳状态。这充分表明横向上的空间分异是受公路的影响,公路使土壤表层重金属全量呈明
显的带状分异。在农田中,镉的全量峰值区与铅和铜相似,但在 100~200m距离处又有所上升,原因是由于样
点在200m处接近农田的边界地带,受到施肥、污灌等的影响较大。在 自然土壤中,重金属全量值呈单峰变
化,峰值区出现较人工土壤早,在 10~20m之间,其原因主要是受到地面植被与地形的影响,公路释放的重金
属随大气沉降扩散,受地面灌丛和地形坡度的阻挡,在较近的距离累积,使峰值区出现比农田区更早。虽然土
壤中3种重金属全量值大小决定于土壤类型、土地利用等因素,但不同的土壤类型间,重金属的横向空间分异
规律是一致的,即公路影响带宽度一般在 50m范围之内,其峰值出现在距公路20m左右的范围内,远离公路
后,这种影响逐渐降低。因此可以说公路是沿线土壤表层重金属横向空间分异的决定因素。
表 4 土壤类型与重金属含■的关系(mg/kg)
Table 4 The relation of soil type and heavy metals(rag/kg)
垂直空间分异特征表现不如横向的空间分异显著,靠近公路的较低处自然土壤中有重金属富集现象,表
明重金属污染物随扬尘进入空中,污染物因受到高达山体坡度的阻挡而不易扩散,在一定范围内发生累积;超
出此范围(30m高度)后,重金属全量值明显降低。但是,重金属含量与高度差异之间不存在负相关关系,因此
可以说土壤重金属全量不存在垂向分异性。换言之,超过 30m高度后,重金属全量值受背景值影响要大于受
公路的影响。在坡顶处由于受人为活动等随机性因素的影响,铅含量的突然升高。与自然状况下的重金属分
布相比,人工护坡等工程点的重金属全量值显著升高,并在整个坡体量值较为稳定,垂向分异不明显,表明重
金属的垂向变化受工程建设的影响较大,包括工程材料、施工方式、施工时间等的影响。但一般来说,工程施
工的影响是局部的,这种影响会随着远离施工地点而逐渐减弱。
3 结论
(1)公路建设对纵向岭谷区公路沿线土壤表层重金属的空间分异存在一定影响,公路沿线重金属元素全
量存在南北显著分异、北段高于中段和南段的显著特点;产生纵向空间分异的原因是公路等级和修建时间的
差异性。
(2)土壤全量值的大小受多种因素的影响,但是其横向空问分异性是由确定性因素 一公路建设引起的。
重金属全量峰值出现在距公路 20m范围之内,超过 50m距离后,重金属全量值趋于平稳。
(3)在垂直方向上,公路沿线土壤表层重金属全量的垂向分异现象不显著,但在距公路 5m左右的范围
内,有重金属富集的现象。在人工护坡等工程的建设地段,重金属全量值比自然地段上升较快,没有显著的垂
向变化。
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