公路建设和营运不仅影响公路沿线植被生长状况(孙书存等，2005；Rentc et al., 2005；Richard et al., 2000)，同时还严重威胁公路沿线的农业生态安全(李其林等，2004；Garcia et al., 1998)。其中，由于重金属污染对环境危害大、防治困难，一直是国内外公路生态恢复研究的热点。

目前对于公路交通营运产生的重金属污染的研究主要集中在污染物的种类、污染范围等方面(Stephen et al., 2000)，关于如何防治公路重金属污染方面的研究较少见。许多学者认为，在公路两侧建设防护林带来减少污染物扩散是治理污染、改善区域环境的重要手段(Angold，1997；王成等，2007)；但公路建设营运产生的污染带最宽可至几百米，多大规模的林带可以有效防治污染物的扩散，哪些树种适宜作为防治重金属污染林带的树种，一直是本领域研究的热点问题。本文以绥满公路(301国道)海林至亚布力段旁侧森林区为研究对象，通过对其土壤、主要树种叶片中公路常见重金属污染物Pb，Cd，Cu，Zn，As元素的质量分数及分布规律的研究，旨在了解和掌握公路建设和营运引起的重金属污染对森林的影响，并通过比较19种植物对多种污染元素的吸收富集能力，对其作为防治公路重金属污染林带树种的适宜性进行评价，从而为治理公路重金属污染物扩散树种的选择以及林带建设提供科学依据。

1 研究区概况

以绥满公路(301国道)海林至亚布力段为研究区(图 1)。绥满公路为一条东西向国道，东起绥芬河，西至满洲里。海林至亚布力段位于黑龙江省东部山区，气候属温带季风气候，土壤为暗棕壤，地带性植被为红松(Pinus koraiensis)为主的温带针阔混交林。整个路段为2000年前修建的二级公路，现正扩建成双向4车道的高速公路。公路从山岭重丘中穿越，选取该路段内平坦地段路侧森林区表层土壤和主要树种叶片为研究对象。

2 研究方法 2.1 森林区植物种类组成调查

于2006年8月1日至10日对绥满公路(301国道)海林至亚布力段森林(天然次生林)区植被进行实地调查。选取桩号K226点、K229点和K231点为研究区。根据相关研究认为公路下风向一侧污染更严重(易振国等，1997)，每个点在沿公路下风向一侧平行于公路选取200 m×10 m调查取样区，详细调查记录样区内乔木、灌木的种类、株数和相关指标(表 1)。为减小公路外其他因素的影响，在样区选择时避开影响源，如：加油站、工厂、村庄、石料堆放场等。

2.2 样品采集和分析

在选定的3个样区内，对其相应的植物和土壤布点采样。布点方式采用垂直于公路的方法。

2.2.1 植物样品

根据采样区森林宽度和树种分布情况，按5，50，100，150，200 m的梯度进行采样，在各区每一采样梯度分别选取树龄相近、长势良好、无病虫的植株，在树冠的东、南、西、北4个部位(乔木距地面约3.5 m处，灌木距地面约1.5 m处)采取植株的叶片，采集的叶片按比例混匀，共采集了19种植物。在东北林业大学老爷岭生态站采集树龄大致相同的同种植物叶片作为对照。

将采集的植物样品带回实验室，分别用自来水充分冲洗，再用去离子水冲洗，在80 ℃下于烘箱中烘至恒质量，粉碎并过100目筛放纸袋备用。

2.2.2 土壤样品

在采集某一种植物的同时，也采集了植物根际附近20 cm深的表层土壤样品，按比例混匀。并按距路边5，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 m的横向梯度设置采样点，同一距离设3个平行样，平行样之间相隔5 m。采集0~20 cm的表层土。将鲜质量约1.0 kg的土壤收集在贴有标签的塑料袋里，运回实验室，经风干、研磨并过120目筛放纸袋里备用。

2.2.3 样品分析

用HF-HCIO₄-HNO₃法消解植物及土壤样品。用火焰原子吸收分光光度法测定Cu，Zn元素的质量分数，用石墨炉原子吸收分光光度法测定Pb，Cd元素的质量分数，用原子荧光法测定As元素的质量分数。在测定过程中，样品全部3次重复测定，并在每批试样中插入数个土壤标样(GSS-6)或植物标样(Ryegrass-716)进行监控。

2.2.4 数据分析

数据分析运用软件SPSS 13.0和EXCEL 2003。

2.3 评价标准及方法 2.3.1 土壤污染评价标准和方法

以黑龙江省暗棕壤土壤背景值(王云等，1995)作为评价标准，评价方法采用目前国内普遍应用的单因子指数法和内梅罗综合指数法(陈怀满，2005)。

单因子指数法计算公式为：

式中：P_i代表土壤中污染物i的环境质量指数，C_i代表污染物i的实测质量分数(mg·kg^-1)，S_i代表当地土壤背景值(mg·kg^-1)。根据单因子污染指数分级标准P_i＜1清洁，1≤P_i＜2轻度污染，2≤P_i＜3中度污染，P_i≥3重污染。

内梅罗综合指数法计算公式为：

式中：(C_i/S_i)_max代表土壤重金属元素中污染指数最大值，(C_i/S_i)_ave代表各污染指数的平均值，根据内梅罗综合污染指数分级标准，P≤0.7清洁，0.7＜P≤1尚清洁，1＜P≤2轻污染，2＜P≤3中污染，P＞3重污染。

2.3.2 植物富集能力评价标准

植物体内重金属的富集量受植物本身的特性、大气和其生长土壤中重金属的质量分数等多种因素的影响。富集系数(bioconcentration factor，BCF)是评价植物富集重金属能力的指标之一，它反映了植物对某种重金属元素的富集能力，富集系数越大，其富集能力越强(魏树和等，2003)。

3 结果与讨论 3.1 土壤中重金属质量分数及污染评价

森林区土壤中重金属元素平均质量分数普遍高于背景值，从单因子评价指数和综合评价指数可以看出(表 2)，就单因子而言，Cd为重污染，其余元素均为轻度污染，这与王再岚等(2006)研究结果一致。从污染指数排序看，遵循以下的顺序：Cd＞Zn＞As＞Cu＞Pb，内梅罗综合指数达到中污染。由此可见，Cd是道路交通污染的主要污染物之一。

但重金属质量分数除Cd略高外，其余均低于国家二级标准(国家环境保护局科技标准司, 1995)。其中Cu，Pb，As小于一级标准，比较其他研究结果(Swaileh et al., 2004；Grace et al., 2006；朱建军等，2006)，污染物的质量分数比其他报道小，这可能与本研究公路等级低、交通量少、山区树木茂盛对污染物有一定吸附作用以及2000年后含Pb汽油禁用等有关。

3.2 土壤重金属质量分数与距公路距离的关系

重金属质量分数随距离的分布情况如图 2所示。各元素质量分数分布遵循以下规律：Cu主要污染区为距公路50 m之内，最大值出现在40 m处；Pb主要污染区为距公路50 m之内，最大值出现在50 m处；Zn主要污染区为距公路50 m之内，最大值出现在50 m处；Cd主要污染区为距公路60 m之内，最大值出现在20 m处；As主要污染区为距公路40 m之内，最大值出现在0 m处。

从图 2可以看出，总体上，重金属质量分数随距离增加先升高，达到一个峰值后，又随远离公路而急速下降，然后质量分数呈现平缓状态接近背景值。主要污染区的宽度距公路约40~60 m范围之内，这与前人的研究结果相近(阮宏华等，1999)。但主要污染区的宽度小于公路两侧为乔木组成的人工林或农田(林健等，2000；王成等，2007)。这说明公路两侧污染区的宽度与路侧林带的高度、密度密切相关。本研究区域由于林带高度较高，树木密度大，阻挡了污染物的扩散，使其在较近的距离累积。结果表明，由乔木、灌木组成的复层结构林带能有效防治重金属污染物的扩散，缩小重金属污染的影响范围。因此，在穿过农田的公路旁侧建设防治重金属污染林带，根据污染最严重的Cd质量分数的分布情况，复层结构林带的宽度至少应达到20 m，有条件的地区宽度不应小于60 m。

3.3 植物叶片中重金属质量分数与距公路距离的关系

从图 3可见，叶片中Pb，Cd，As质量分数的变化与距公路的距离密切相关，而Cu，Zn的变化趋势与距公路的距离关系不大。叶片中Pb质量分数随距离增大先升高，在50 m达到一个峰值后，随距离增加质量分数下降，在100 m处降到一个较低值，此后变化幅度较小。除了白扭槭，叶片中Cd和As质量分数随距离的增加呈现明显的下降趋势，在100 m降到一个较低值，在100 m之后质量分数变化不大。白扭槭叶片中Cd质量分数在150 m降到一个较低值，而As质量分数随距离变化规律不明显。与土壤相比，植被主要污染区的宽度同土壤接近，距公路约50 m范围之内，这一结果与阮宏华等(1999)对312国道两侧森林重金属污染研究结果接近，但植物中重金属质量分数与距公路距离的变化规律与土壤不完全一致，这与前人的研究结果基本一致(Swaileh et al., 2004；杨学军等，2004)。

叶片中Pb，Cd，As质量分数与距公路的距离相关可能与此处土壤和大气中的重金属质量分数有关，公路区域污染源主要来自于汽车尾气，而植物与土壤重金属质量分数与距公路距离的变化规律不一致可能与树木对土壤重金属的吸收差异有关，也可能与植物本身的树龄、树的形态都有关系。有研究表明，土壤和植物样品中污染物的质量分数受每一个采样点具体立地条件的影响，如微地形、局部植物配置模式、土壤本身的理化性质都会影响污染的方式和范围(王焕校，2000)。

3.4 植物叶片中重金属的富集量分析

由于不同种类植物叶片的形态解剖、生理生化特性不同，不同种类植物对污染物富集量也不同(刘艳菊等，2001)。植被重金属污染主要集中在距公路50 m范围内，因此为了增加各因子间的可比性，将50 m范围内采集的样品中重金属质量分数进行平均，用平均值和清洁区对照点金属质量分数值进行比较，结果如表 3所示。

与清洁对照区相比，大多叶片中的金属元素质量分数都高于对照区，只有卫矛中Cu，Pb质量分数略低于清洁区。其中As大多数树种存在极显著差异，Zn大多数树种存在显著差异，Cu大多数树种无显著差异，Pb和Cd不同树种间差异性表现不同。叶片中重金属质量分数与前人(Mu et al., 2004)对哈尔滨绿化树种重金属质量分数测定相比，Cd质量分数范围大致相等，Pb质量分数略高，As质量分数明显偏低，这可能是污染源不同造成的。相比较可知，蒙古栎叶片中Cu质量分数最高，疣枝卫矛质量分数最低；东北山梅花叶片中Pb质量分数最高，茶条槭最低；对于Zn元素，龙牙楤木叶片中质量分数最高，裂叶榆最低；对于Cd元素，白桦叶片中最高，毛赤杨最低；对于As元素，臭松叶片中质量分数最高，龙牙楤木最低。乔灌草对重金属富集量没有明显的差异，这与前人(阮宏华等，1999)的研究认为常绿树和针叶树较草本、灌木、落叶树能富集更多的重金属不同，这可能与研究的森林结构和树种不同有关。

同一植物对不同重金属元素的吸收也不同。Cu，Zn为植物生理必需元素，具有很强的生物富集效应，而Pb，Cd，As为植物生理非必需元素，植物体内只要有少量富集，即可产生毒性效应(王焕校，2000)。从表 4可以看出植物对Zn的富集能力远远高于其他元素，Cu的富集能力也高于Cd，As。这既与树种对不同重金属元素的选择性吸收有关，也与土壤环境中各重金属元素的质量分数不同有关(王焕校，2000)。

3.5 植物重金属富集系数比较

富集系数是叶片和土壤中重金属质量分数的比值，是评价植物富集重金属能力大小常用的指标。由表 4可知，不同种类植物对重金属富集能力明显不同。对Cu富集能力较强的植物有蒙古栎、臭松、毛赤杨，较弱的植物有金银忍冬、卫矛、疣枝卫矛；对Pb富集能力较强的植物有臭松、东北山梅花、蒙古栎，较弱的植物有水曲柳、卫矛、东北珍珠梅；对Zn富集能力较强的植物有龙牙楤木、白桦、蒙古栎，较弱的植物有疣枝卫矛、水曲柳、裂叶榆；对Cd富集能力较强的植物有白桦、水曲柳、蒙古栎，较弱的植物裂叶榆、毛赤杨、卫矛；对As富集能力较强的植物有东北山梅花、臭松、红松，较弱的植物有茶条槭、卫矛、龙牙楤木。对这5种重金属元素富集能力都较强的植物有蒙古栎、白桦、臭松；都较弱的植物有卫矛。同一植物对不同元素的富集系数无明显的规律，总体上，As的富集系数均小于0.2，其他4种元素大多小于0.5，这与杨志敏等(2006)研究结果相近。

本研究在采集树种叶片时，对树种受害情况进行了调查，所研究的19种植物在路侧污染环境中生长良好，没有受害症状，说明这19种植物对重金属具有一定的抗性，所以对于吸污能力也强的蒙古栎、白桦、臭松等树种，可以确定其作为防治公路重金属污染林带的骨干树种推广使用；春榆、裂叶榆、白桦、毛赤杨、东北山梅花、珍珠梅、金银忍冬等树种生长快、抗逆性强、生物量也较大，可作为重金属污染区重点选用树种；色木槭、茶条槭、水曲柳、龙牙楤木、狗枣猕猴桃等树种虽然长势好，但相关文献(聂绍荃等，2003)研究认为它们抗逆性较差，所以建议在立地条件好的地段选用；红松、白扭槭、疣枝卫矛抗逆性差，并且为偏阴性树种，山楂叶悬钩子生物量小，卫矛吸污能力差，抗逆性一般，这类树种不适合在公路路域环境中作为主要绿化树种。

4 结论与讨论

所调查公路旁侧土壤重金属平均质量分数与背景值相比，质量分数普遍较高，其中Cd为重污染，Zn，Cu，Pb，As均为轻度污染，综合污染指数达到中污染。但重金属质量分数除Cd略高外，其余均低于国家二级标准。

Cd是道路交通重金属污染的主要污染物之一，公路两侧植物叶片中Cd质量分数随距离的增加而逐渐降低，土壤中Cd质量分数随距离增加先升高后降低。叶片中Pb，As质量分数的变化与距离公路的距离密切相关，而Zn，Cu的变化趋势与距公路的距离关系不大。土壤中Zn，Cu，Pb，As质量分数随距离增加先升高后降低。公路路侧森林区土壤与植被主要重金属富集区距公路约40~60 m范围之内。

综合本试验和相关文献，蒙古栎、白桦、臭松等可以作为公路路侧防治重金属污染林带的骨干树种推广使用；春榆、裂叶榆、毛赤杨、东北山梅花、珍珠梅、金银忍冬等可作为重金属污染区绿化重点选用树种；色木槭、茶条槭、水曲柳、龙牙楤木、狗枣猕猴桃等树种建议在立地条件好的地段选用；红松、白扭槭、疣枝卫矛、山楂叶悬钩子、卫矛等不适合在公路路域环境中作为主要绿化树种。

由于公路建设和营运产生的重金属污染带最宽可至几百米，直接影响到沿线生物的生存状况和区域的生态安全，尤其是影响到沿线农业生态安全。在公路两侧建设绿化带在很大程度上可以缓解这些不利影响。但由于多种因素的制约，许多公路两侧只种几排行道树或者根本就没有进行绿化，农田果园紧靠公路。因此，公路两侧绿化带建设的规模、模式、树种选择及其多样化是绿化带规划和建设要解决的核心问题。本研究通过对公路两侧森林区土壤-植被重金属污染物的种类及污染范围的调查和评价，研究了道路交通带来的污染对沿线野生植物群落的影响程度，从而为防治公路交通重金属污染绿化带的建设规模、模式、树种的选择提供了科学的依据。在筛选抗污染树种时，本研究仅用植物叶片中重金属质量分数来评价树种的富集能力，而没有对植物的根及枝干中重金属质量分数加以研究，在今后研究中将以其为基础做进一步深入研究。

另外，公路沿线的污染多数情况下是多种污染物产生的复合污染，在选择树种时首先要考虑污染较严重的重金属，有针对性选择植物，如本研究绥满公路污染最严重的重金属元素为Cd，在选择植物时要尽可能选择抗Cd能力强的树种。