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(Populus 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)。

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19.8 m，胸径21 cm，株行距3.5 m× 4 m)和外围42排株高相对低的树木(高10.2 m，胸径11.7 cm，株行距2 m×5 m)；B区林带格局为：28排，高7.8 m，胸径8.0 cm，株行距3 m×5 m；C区林带格局为：20排，高17. 8 m，胸径19 cm，株行距5 m×4 m。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)。

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200 m的梯度进行采样；B区分别按距公路10、20、40、60、80、100和150 m的梯度进行采样；C区分别按距公路10、20、30、40、50和70 m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4~6 m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。

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

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。

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40 m处降到一个较低值，分别为5.18、4.55和4.97 mg·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150 m处时的Pb含量(分别为3.89和3.43 mg·kg^-1)与机场高速70 m处时的Pb含量(3.65 mg ·kg^-1)大体一致。机场高速毛白杨林带的平均高度为17.8 m，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40 m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40 m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 in Populus tomentosa leaves varied with 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。

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40 m(机场高速)、60 m(京石高速)和80 m(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。

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 tomentosa varied with the distance away from the highway

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80 m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。

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 distance away from the highway Ⅰ：0~20 cm土层0~20 cm soil layer；Ⅱ：20~40 cm土层20~40 cm soil layer；Ⅲ：40~60 cm土层40~60 cm soil layer。下同。The same below.

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5~200 m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10.7~25.8 mg·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10.4~13.3 mg· 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5 m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(20 m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，80 m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80 m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。

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、Cr in cover soil in forest land and non-forest land varied with the distance away from the highway

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20 m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10 m)叶片铅含量的大小，可以看出，A区(8.78 mg·kg^-1)＞C区(8.01 mg·kg^-1)＞B区(7.08 mg·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60 m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(40 m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10 m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含量要明显高于B区。其中，A区和C区距路5 m处表土层的Pb含量分别是B区的1.22与1.13倍，这一结果可能与A、C两区车流量较大有关，也可能与此两处地表相对裸露，土壤受铅污染相对严重有关。但40 m以外B区表土层的含Pb量要明显高于A、C两区，这主要与该区域内土壤Pb含量背景值有关，同时也与此处地上植被覆盖相对较好有很大关系，这在一定程度上缓解了土壤受Pb污染的程度。

图 5 高速公路车流量与道路两侧Pb含量的关系 Fig. 5 Relationships between Pb contents and traffic flows of highways

1) Pb是车辆重金属污染的主要污染源之一，道路两侧植物器官及不同土层的Pb含量均随着距路距离的增大而逐渐降低。Cu的含量虽然也与距路距离有一定关系，但变化趋势十分不稳定且不够明显，并受道路车辆类型的影响较大。而本研究中Cd、Cr的含量与分布主要与土壤背景值有关，而和交通流量、林带状况无明显关系。因此，确定道路防护林宽度可以重点依据对Pb污染的防护效果来确定。

2) 从树木器官和土壤样品中重金属含量在高速公路两侧的变化趋势可以看出，一定宽度的林带对于降低车辆重金属污染具有显著的作用，但林带适宜宽度的大小与道路车流量、所处区域常年风向、降雨及林带的树木种类和高度等因子密切相关。本次调查的单一毛白杨林带(高度≥10 m)分析结果表明，40~60 m宽度对降低5万~8万车流量高速公路的重金属污染效果较好。

3) 道路沿线的重金属污染程度与车流量的大小密切相关。从本研究的结果还可以进一步看出，对于日均6万车流量的道路而言，道路两侧80 m范围是重金属富集区。

随着我国城市化进程的不断加快，以高速公路为主的交通网络日渐发达，其对沿线农业生产造成粉尘、铅等重金属污染，由此产生的食品安全问题不容忽视。同时道路对自然生态系统的硬性切割，加剧了森林、湿地等自然生态系统的破碎化。而高速公路防护林建设在很大程度上可以缓解这些不利影响，甚至发挥一定的生态连接、生物廊道等有利生态功能。因此，道路沿线的防护林建设已经不仅仅是一个简单的绿化问题，而是与人的身心健康、生命安全紧密相关，成为威胁周边地区农业食品安全的问题，成为影响陆地生态系统整体生态功能的大问题。

1) 关于高速公路沿线防护林带配置策略问题：高速公路沿线是发生车辆污染危害的主要敏感区域。合理规划和调整公路沿线的土地利用格局，可以确保道路生态安全，有效降低道路污染物对人类健康的不利影响。据此可以在道路两侧采取富有弹性的土地利用策略(王成等，2001；彭镇华等，2002)，按照“养护带、自然带、缓冲带”3种土地利用类型设置防护林带。养护带：主要指紧靠公路的区域，此处应充分考虑道路景观和行车安全的要求，进行适当绿化，允许人工修剪，以免阻挡交通视野，妨碍行车安全，宽度以小于5 m为宜；自然带：主要指养护带外围20~30 m内的区域，自然带作为污染物富集、阻隔的重要地带，应广泛利用抗污强树种，构建以乔木林为主的立体防护林带，而且这些林带要以乡土树种为主，适地适树，并防止砍伐、割灌等人为干扰活动，与养护带一起构成保护道路沿线土地生态安全的屏障，甚至可以成为鸟类、小型野生动物栖息的生境或迁徙的通道和歇脚地，对维持区域景观安全发挥重要作用；缓冲带：通常指自然带以外的区域，受道路污染影响相对较小，这一地带可以适当进行一些生产活动，但还只能以生产非食用类农产品或林产品为主，比如速生丰产林，宽度可以依据污染程度来确定。在缓冲利用带以外的安全地区，才能作为食用类农产品的安全生产区域，以便在最大程度上降低污染物对生产食品的污染程度。

2) 关于高速公路绿化带宽度问题：在高速公路绿化工程建设中，两侧防护林带的宽度问题由于涉及农业、建筑用地而十分敏感，目前许多地区基本上是硬性规定林带建设50~ 200 m的宽度，甚至是500~1 000 m的也有，生物廊道、景观效果、游憩功能等是宽度确定的依据，往往引起人们的很大争议，实践中也难以真正落实，主要原因为从高速公路绿化本身的功能要求考虑不够，缺乏确定绿化林带宽度的科学的、可行的依据。通常来说，绿化带对高速公路本身以及周边土地的防护功能应该是林带类型和建设宽度制订的主要依据，其中对重金属的防护问题尤为重要。本次调查研究结果表明，高速公路的污染影响范围受车流量、车辆类型等因素的影响，而高速公路绿化带对重金属的防护效果与绿化带的结构组成类型、生长状况、林地管理方式等影响林带防护功能的因素密切相关。因此，确定防护林带的宽度除了根据高速公路本身安全要求以外，更主要的是要注重防护林本身的质量建设。选择高抗污染和高富集能力的植物，建设乔、灌、草相结合的复层群落结构，营建近自然配置和管理绿化林带，将极大地提高林带的防护功能，降低林带的宽度，也有利于形成良好的高速公路绿化景观。