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融雪剂施用对道路环境的影响研究

2020-12-23 05:41:45 绿色科技 2020年14期

李根 黄占斌 杨凤至 王少辉 韩永萍

摘要:指出了近年来,随着气候异常导致的降雪增多和道路建设快速发展,融雪剂大量施用造成的路域环境影响问题越发突出。从融雪剂大量施用对道路损伤、车辆和桥梁等金属部件的腐蚀,以及道路周边土壤退化和植物损伤影响等方面的环境影响进行了分析,结合可持续发展理念,提出了加强融雪剂对道路环境研究和环保型融雪剂研发等方面建议,为融雪剂高效环保应用和保障道路环境安全提供参考。

关键词:融雪剂;环境影响;道路;土壤;车辆

中图分类号:X820

文献标识码:A?文章编号:1674-9944(2020)14-0169-04

1?引言

我國北方和世界许多高纬度高海拔地区,冬季常有大量积雪,当出现持续低温时,积雪很难融化甚至出现冰雪固结体,导致交通阻塞、道路停运、机场关闭等严重后果,同时也是造成冬季交通事故多发的重要原因[1, 2]。

国外普遍采用机械除雪和融雪剂即时除雪。根据天气预报,在开始除雪前采取防滑、防结冰措施;开始除雪时,即出动人员和设备,清除道路上积雪。国内雪前、雪中也撒布融雪剂,采用机械、人工、融雪剂多措施结合的融冰除雪措施。国内大部分路面为沥青路面[3],融雪剂除雪以其便捷的操作以及优良的融雪效果,成为近年来道路和城市除雪的主要措施。

但是,融雪剂大量使用也会对道路路面、车辆和桥梁的金属构建造成腐蚀,同时也给道路及其周边的绿地土壤盐碱化、植物生长等带来不利影响[4, 5]。在北欧的瑞典、芬兰、北美的加拿大、美国、俄罗斯和亚洲的日本等发达国家,由于长年使用融雪剂已造成了土壤Na+、Cl-盐分浓度增加[6, 7]。目前,我国融雪剂年生产量100多万t,实际消费60多万t。大量的融雪剂应用,多为传统的氯盐类产品,环境损害问题异常突出,而相关的研究和重视程度远远不够。北京、沈阳、长春、哈尔滨、合肥、南京等地已相继报道多起由融雪剂使用所造成的路桥损毁、水体污染及植被破坏等严重事件[8~12],对应的环保生态融雪剂研发彰显不足。

因此,总结分析融雪剂对环境的综合影响,是强化意识和督促环保生态融雪剂研发的思想解放,这也是本文的目的和初衷所在。

2?融雪剂的类型及作用原理

2.1?融雪剂分类

按照主要成分,融雪剂可分成3种:氯盐型、非氯盐环保型、环保型氯盐型。第一类氯盐类融雪剂,包含氯化钠、氯化镁与氯化钙等。氯盐类融雪剂的制备方便、价格低廉、操作简单高效,此类融雪剂暴露出的环境危害最多,例如会腐蚀基础建筑设施的金属材料,对土壤、水体、植物等产生负面影响。第二类非氯盐类融雪剂,指主要成分不包含氯盐的融雪剂,以醋酸钙镁融雪剂(CMA)为代表。CMA对基建设施的腐蚀程度较小,但是其制备价格昂贵、储存困难、运输不方便且在环保方面的影响没有确切结论,所以难以大面积推广使用,目前只用在一些机场、私人别墅等要求较高的区域。第三类环保复合型融雪剂,是前两类融雪剂的混合物并在其中加入了缓蚀剂、阻锈剂。主要类型有:氯盐+非氯盐、氯盐+阻锈剂、氯盐+肥料。该类融雪剂成本较低,且对于环境的影响较小,性价比较高。对比三类融雪剂由于氯化钠的价格比较便宜、来源比较广泛、融雪快效果好,所以目前氯盐型融雪剂仍被各国广泛采用[13]。

2.2?融雪剂的作用原理

融雪剂是通过降低雪的融化冰点来达到融雪效果[5, 14~16]。即融雪剂使雪水成盐水,凝固点降低,难以再形成冰块。依据的主要原理是化学稀溶液依数性。

冰雪融化是一个分子距离增大的物理变化,融雪剂以离子形态溶于雪中后,雪水的成分与无机离子含量与纯雪有了较大区别。当溶液较稀时,溶液的某些物理性质与溶质性质种类无关,而只与溶液的浓度有关,这称为溶液的依数性,例如蒸气压降低,沸点上升、凝固点下降等。根据这个特点,当少量融雪剂溶于雪水中时,雪水的凝固点会不同程度的有所降低,具体降低度与融雪剂的用量有关,如当每升水中溶有20 gNaCl时,凝固点下降约3.4 ℃,二者大致呈线性关系。当已知雪水溶液的浓度或凝固点中的一个时,可推算其他一个数值。

当融雪剂以离子形态溶解与雪水中,根据乌拉尔定律,可以将雪水的凝固点降低在0℃以下,例如NaCl溶于水后,水溶液的凝固点会降低到-10 ℃左右,醋酸类融雪剂或混合融雪剂可将雪水的凝固点降低到-30~-20℃。融雪剂中的主要成分无机盐在溶于雪水中时,需要吸取热量,然而其离子形态能够使雪水难以变成冰块。其次,水作为比较特殊的一种液体,从液态转为固态后密度反而变小,因而当压强增大时,水的凝固点随之降低。当车辆行人碾过积雪时,增大压强配合融雪剂使得路面冰雪极易融化。

3?融雪剂施用对环境的影响

3.1?融雪剂对道路周边绿化植物的影响

融雪剂对绿化植物的伤害主要体现在对道路周边行道树、绿化带及路边草坪、花坛等。

传统融雪剂对植物生长发育的不利影响,主要表现以下方面。

(1)生理干旱。生理干旱指土壤不缺水,但因其它不良土壤状况或根系自身的原因,使根系吸不到水分,植物体内发生水分亏缺的现象。通过分析刘涛[17]、何佳果[18]等的植物生长实验得出,盐胁迫最敏感的时期为发芽期和幼苗期,高浓度有抑制即产生生理干旱,低浓度非但不会产生生理干旱抑制生长还会有促进作用。对比闫成竹、Kham M A[19, 20]等的基于不同草坪植物的植物种子萌发实验结果一致。综上所述,融雪剂过量施用,会导致土壤盐分过高,可溶性盐类和土壤溶液渗透压提高,发生渗透胁迫,引起植物吸取水分困难,甚至还导致水分从根细胞外渗,进而引发植物生理干旱。

(2)植物组织损伤。通过分析王杰明[21]的融雪剂对草地早熟禾的影响试验得出金属阳离子Na+是主要的毒害离子,通过对其结果进一步分析得出细胞许多代谢活动中心对这些毒害离子非常敏感,浓度增高会引起其他离子吸取的抑制效应,对细胞代谢有直接伤害,损伤了植物的呼吸系统及保护酶系统[22]。同时高浓度盐分影响原生质膜[23],造成不可逆改变其通透性,致使植物组织造成了损伤。观察融雪剂盐害后死亡的植物根部已有腐烂,也证明融雪剂对植物组织有损害。

(3)有毒代谢产物积累导致细胞中毒。通过杨彬[24]对道路绿化植物观测,发现受害植物会出些新叶变小、叶尖卷曲、纸条枯萎、枯死等外在症状。分析王孝鹏[23]实验结果总结可得是由于土壤盐分过大,植物体内原生质损伤,进而蛋白质合成受阻,导致氮的中间代谢产物积累,使得细胞中毒。

(4)离子失调和单盐毒害影响植物的营养平衡。大量施用融雪剂会导致土壤中Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、SO2-4等含量过高,引起K+、HPO2-4、NO-3等离子缺失[25],导致植物细胞内部的离子种类和浓度发生变化,破坏原有营养平衡,抑制植物生長,同时某一单一离子过量,还会产生单盐毒害。

(5)高浓度盐类下产生盐胁迫,影响植物光合作用和呼吸作用等生理过程。通过分析茹豪[26]、秦景[27, 28]等氯盐融雪剂对植物的胁迫作用的试验,得出植物叶片气孔收缩,气孔导度下降,限制了叶绿体从空气中获得CO2和叶片表面水分的蒸发,最终抑制了光合和蒸腾作用。且通过进行空白对照实验去除胁迫条件后,植物能够恢复正常生长,也证明了这一点。总结得出融雪剂胁迫与NaCl胁迫机理相同,并且融雪剂对植物的影响取决于氯化物质量分数的多少。

3.2?融雪剂施用对道路周边土壤环境的影响

融雪剂的大量施用会改变道路周围的土壤的理化性质,降低土壤中有机质的含量,从而影响土壤生物化学性质和土壤中重金属迁移转化。

(1)土壤结构破坏和肥力下降,形成盐碱化问题。根据土壤中Cl-沉积作用和分配规律,在距离公路0~100 m有45%左右的融雪剂沉降在地表,破坏了土壤中Cl-的浓度平衡降低了土壤渗透能力[29]。通过分析王艳春[30]对道路绿化带分层采样的数据,上部表层土(0~10 cm)全盐量分析结果为全部属于盐土,下部表层土(10~20 cm)有80%盐渍化,得出是融雪剂随融化的雪水进入土壤,Na+可以置换土壤中的Ca2+、K+、Mg2+,使土壤的pM(金属离子浓度的负对数)值升高,导致土壤板结[31],土壤透水性大大降低[32]。同时还会造成土壤含水量降低,土壤pH值升高和阳离子交换量显著下降,土壤容重增大,有机质含量降低,电导率增加,进而降低了土壤肥力,增加了环境风险[33]。

(2)土壤微生物种群和酶活性降低,形成土壤活力降低问题。捷克学者Cernohlavkoa研究融雪剂对路旁森林土壤质量影响表明,微生物量和呼吸活性显著下降,微生物群落代谢熵增高表明明显处于胁迫作用。土壤的酶活性会随电导率的升高而降低,在中度腐殖质土壤中,酶活性降低比例较高[34],这是融雪剂降低了土壤微生物量导致,而不是酶的失活。此外,硝化生物往往对高土壤酸度敏感,当土壤pH值小于5.0时他们的活动明显减少。通过分析孙婷婷[35]的研究试验得出在土壤pH值从酸性转向近中性或以上,不再受酸性约束时,可能会提高有机质矿化和硝化速率,但最终会导致通过挥发损失氨,通过反硝化作用损失硝酸盐。

(3)增加和活化土壤重金属,造成重金属污染。融雪剂的大量使用会使土壤酸碱度发生变化,影响重金属浓度、形态、垂直迁移并改变毒性。

对重金属形态分布的影响。通过分析邹苗[36]、赵菲[37]两者对NaCl和CMA两种融雪剂对土壤典型重金属结合态影响的实验得出,由于高质量分数的Na+有利于土壤胶体扩散,导致与土壤胶体紧密吸附的金属易被释放,使得NaCl对Zn的可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态影响较大;而对Cu的各种结合态影响均较小,CMA中的CH3COO-和CH3COO-生物降解产生CO32-和HCO3-对pH起缓冲作用,且CMA的还原能力较强,土壤中有高质量分数的阳离子,使得CMA对Zn和Cu的结合态影响均小于NaCl。总结得出NaCl比CMA影响更显著,但是对有机/硫化物结合态和残渣影响很小,基本不会影响到Cu、Pb的形态变化。

对重金属迁移转化的影响。通过分析Norrstrom[38]的融雪剂高速公路旁的土壤室内淋溶实验,得出所测定的指标中Pb迁移转化能力变化最大,Pb、Fe和TOC的浓度由于胶体促进作用相关性显著,分析Cd、Zn迁移的主要原因之一是Cl-的络合作用。结合赵菲[37]实验总结得出,重金属的垂向迁移在一定程度上都受到了融雪剂的影响,但Cd、Zn和Ni在土壤中大比重以移动性和活性较高的形态存在,融雪剂可以通过促进离子交换和影响土壤理化性质进而促进Cd、Zn和Ni的释放和迁移,但Cu和Pb在土壤中大比重以稳定性较高的形态存在,所以对土壤中Cu、Pb的迁移影响较小。

3.3?融雪剂施用对道路的直接损伤影响

融雪剂对沥青路面的损伤主要表现在以下几方面。

(1)道路路面的水稳定性降低,粘结力下降。沥青路面早期破损主要病害类型为水损害。通过分析王超[39]的冻融劈裂试验和贾恩泽[40]的不同浓度氯盐溶液对沥青混合材料的侵蚀实验,得出融雪剂溶液冻融劈裂强度比均低于清水,并且冻融循环的周期越长,粘结力越差。但是氯盐浓度越大,对粘结力的影响减小,是因为溶液浓度低时冰点低,产生的膨胀力大,对集料的粘结影响力则大。通过观察彭子馨等[41]实验置于醋酸钠溶液中的沥青悬浮物的状态变化,得出醋酸基融雪剂对沥青有乳化作用,分析是醋酸阴离子作用导致的,并且会随溶液浓度和系统温度变化而变化,粘结力下降,沥青路面寿命降低。总结得出,氯盐类和环保复合型优于非氯盐类,但都会使路面水稳定性降低。

(2)道路感温性能减低,损伤加大。通过分析王永[42]、李根森[43]的融雪剂对沥青性能影响试验,分析得出沥青黏弹性、触变性均与PI(针入度指数,溶胶型PI<-2.0;凝胶型PI>+2.0)之存在密切关系,具体表现在融雪剂改变了沥青胶体结构,促使凝胶体向溶胶体性质转变,感温性能变差,使基质沥青的高温稳定性提高、低温抗裂性能下降、沥青粘度降低,沥青中的有机部分转化成为脂质、沥青质,最终降低路面寿命。

[8]余海英, 张科利, 戴海伦. 化学融雪剂对区域环境的影响及累积、扩散特点[J]. 土壤通报, 2011,42(5):1276~1280.

[9]Godwin K S, Hafner S D, Buff M F. Long-term trends in sodium and chloride in the Mohawk River, New York: the effect of fifty years of road-salt application[J]. Environmental Pollution, 2003,124(2):273~281.

[10]ernohlávková J, Hofman J, Barto T, et al. Effects of road deicing salts on soil microorganisms[J]. Plant, Soil and Environment, 2008,54(11):479~485.

[11]Craig S, Zhu W. Impacts of Deicing Salt and Nitrogen Addition on Soil Nitrogen and Carbon Cycling in a Roadside Ecosystem[J]. Water, Air & Soil Pollution, 2018,229(6):1~13.

[12]Hopkins G R, French S S, Brodie E D. Increased frequency and severity of developmental deformities in rough-skinned newt (Taricha granulosa) embryos exposed to road deicing salts (NaCl & MgCl2)[J]. Environmental Pollution, 2013(173):264~269.

[13]张?旭. 融雪剂的现状及对环境的影响和对策[J]. 环境卫生工程, 2017,25(5):64~65, 68.

[14]韩永萍, 龚?平, 刘红梅, 等. 环保型生化黄腐酸复合融雪剂的研究[J]. 现代化工, 2016,36(9):80~83, 85.

[15]单丽岩, 田?霜, 胡?清. 氯盐类融雪剂对路域植物和土壤的影响研究[J]. 安全与环境工程, 2016,23(3):89~95.

[16]张勇军, 张乐乐. 融雪剂对环境影响的分析[J]. 云南化工, 2015,42(1):36~37.

[17]刘?涛, 陈宗伟, 王?伟, 等. 不同融雪剂对黑麦草生长的影响[J]. 环境科学与技术, 2015,38(S1):10~14.

[18]何佳果, 卢姝伶, 田?鑫, 等. 融雪剂对5种菊科花卉种苗生长发育的影响[J]. 黑龙江农业科学, 2016(6):46~51.

[19]闫成竹, 朱?宏, 金晓霞, 等. 融雪剂对北方四种主要草坪植物种子萌发的影响[J]. 草地学报, 2017,25(2):437~441.

[20]Khan M A, Gulzar S. Light, salinity, and temperature effects on the seed germination of perennial grasses[J]. American Journal of Botany, 2003,90(1):131~134.

[21]王明洁. 融雪剂对草地早熟禾(Poa pratensis Linn.)种子萌发过程中生理特性的影响[D]. 哈尔滨:哈尔滨师范大学, 2012.

[22]Ain-Lhout F, Clavijo A, Zunzunegui M, et al. Comparison of proline accumulation in two mediterranean shrubs subjected to natural and experimental water deficit[J]. Plant and Soil, 2001,230(2):175~183.

[23]王孝鵬, 孙欣欣. 融雪剂使用对于园林植物的影响[J]. 四川林业科技, 2014,35(2):79~81.

[24]杨?彬, 马洪斌. 融雪剂对昌吉市城市道路绿地植物的影响探究[J]. 中国园艺文摘, 2016,32(3):24~26.

[25]赵朝辉, 张玉爽. 浅析融雪剂对高速路植物的影响及其对策[C]// 中国公路学会.2013年全国公路养护技术学术年会论文集.厦门:中国公路学会养护与管理分会, 2014.

[26]茹?豪, 张建军, 徐佳佳, 等. 融雪剂胁迫对月季光合特性的影响[J]. 东北林业大学学报, 2012,40(7):51~55.

[27]秦?景, 贺康宁, 谭国栋, 等. NaCl胁迫对沙棘和银水牛果幼苗生长及光合特性的影响[J]. 应用生态学报, 2009,20(4):791~797.

[28]刘帅华, 贺康宁, 秦?景, 等. NaCl胁迫下银水牛果光响应的研究[J]. 干旱区资源与环境, 2012,26(7):145~149.

[29]郭?城. 复合吸附层对天安门融雪剂次生盐害土壤的修复研究[D]. 北京:北京林业大学, 2012.

[30]王艳春, 白雪薇, 李?芳. 氯盐融雪剂对城市道路绿化带土壤性状的影响[J]. 环境科学与技术, 2011,34(11):59~63.

[31]蔺晓娟. 融雪剂可能造成的环境污染及对策[J]. 资源节约与环保, 2015(1):174.

[32]赵莹莹. 化学融雪剂的环境影响探讨研究[D].长春:东北师范大学, 2006.

[33]李明峰. 三种融雪剂对高速公路边坡土壤基本特性的影响[D]. 北京:北京林业大学, 2017.

[34]张?营. 城市土壤—植物系统中融雪剂的污染行为及其生态学效应[D].长沙:湖南农业大学, 2013.

[35]孙婷婷. 化学融雪剂对高速公路路旁土壤中水溶性盐离子含量及氮素转化的影响[D].沈阳:辽宁大学, 2013.

[36]邹?笛, 赵天宇, 温亚梅, 等. 氯化钠和醋酸钙镁两种融雪剂对土壤中典型重金属结合态的影响[J]. 吉林大学学报(理学版), 2019,57(2):445~453.

[37]赵?菲. 醋酸钙镁融雪剂对土壤中重金属形态和地表水中溶解氧含量的影响[D].长春:吉林大学, 2012.

[38]AC N. Metal mobility by de-icing salt from an infiltration trench for highway runoff[J]. Applied Geochemistry: Journal of the International Association of Geochemistry and Cosmochemistry, 2005,20(10):1907~1919.

[39]王?超. 公路用融雪剂对沥青混凝土性能的影响研究[J]. 北方交通, 2015(1):79~82.

[40]贾恩泽. 严寒区氯盐融雪剂对市政沥青路面性能的弱化效应[J]. 交通建设与管理(下半月), 2015(1):89~91, 94.

[41]Pan Tongyan, He Xiaodong, Shi Xian-ming, 等. 醋酸盐融雪剂对机场沥青混凝土道面损坏机理研究[J]. 中外公路, 2012,32(5):75~78.

[42]王?永, 栗?威, 柴金玲. 复合型融雪剂对沥青性能影响分析[J]. 施工技术, 2018,47(21):149~153.

[43]李根森. 基于融雪剂下沥青混凝土路面耐久性的研究[D]. 兰州:兰州大学, 2018.

[44]王?帅, 张?帅. 不同融雪剂对混凝土路缘石耐久性的影响[J]. 北方交通, 2018(11):65~67.

[45]张志敏, 杜素军, 赵世涛. 融雪剂对交通设施和环境的影响及对策研究[J]. 山西建筑, 2010,36(23):345~347.

[46]杨哲斌. 融雪剂对桥梁的破坏和影响[J]. 中国建材科技, 2014,23(3):122~123.

[47]陶?鵬. 融雪剂对碳钢腐蚀的研究[D]. 北京:北京化工大学, 2007.

[48]彭?涛. 融雪剂路面对汽车制动性能影响的研究[D]. 哈尔滨:东北林业大学, 2011.

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