铁路交通是环境中重金属污染物的重要排放源之一,近年来铁路交通导致的重金属污染问题日益受到学者的关注。我国铁路交通发展迅速,因此需要科学研究与分析铁路运行对环境的影响,尤其是对土壤中重金属的影响,为铁路建设的发展决策提供有力的科学依据。日本的铁路建设属于世界先进水平。目前日本已经建成了总里程超过20000km,覆盖城市内部以及城市之间的相当成熟的铁路运输体系。悠久的运营历史和高密度的线路分布使得日本铁路适合作为研究铁路源重金属污染的对象,对我国铁路交通的发展有重要的参考价值。本论文运用系统科学理论与方法,选取日本6条铁路线——室兰本线、八高线、水郡线、越后线、总武本线和中央本线作为研究对象,采集沿线土壤样品,部分线路采集道路粉尘样品进行对比。对19种重金属(V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Sr、Rb、Se、Mo、Cd、Sn、Ba、Pb、Bi)以及 5 种其他金属元素(Li、Na、Mg、Al、K)进行了总量及不同形态的含量分析,探索了铁路沿线土壤中重金属含量的分布特征和影响因素,并借助人工神经网络法建立铁路沿线土壤重金属含量预测模型。采用相关系数法,主成分分析法,聚类分析法,Pb稳定同位素法和克里金插值图解分析法对铁路沿线土壤中重金属进行了判源分析。通过富集因子分析、综合污染指数分析、地积累指数分析、潜在生态危害分析和健康风险评价,从污染程度、对生态影响、对人体健康影响3个方面对铁路沿线土壤样品中重金属进行评价。本论文获得如下结论:1、铁路沿线土壤中Cu、Pb等重金属含量超过日本土壤背景值。在6条线路沿线的土壤样品中,Cu和Pb含量超过了日本背景值,2种元素的变异系数都很大,Cu的变异系数从16.0%到175%,Pb的变异系数从18.3%到275%,表明这2种元素在铁路沿线土壤中的含量受到人为因素影响较大。除这2种元素外,各条线路沿线土壤中分别存在其他元素含量超过背景值。含量分析结果表明铁路沿线土壤中重金属含量不同程度超过土壤背景值,且与人为因素有一定关系。分步提取实验结果表明不同类型铁路沿线土壤中某些重金属的生物吸收性不同,铁路沿线土壤中大部分重金属生物吸收性较差,元素主要以残留态的形态存在于土壤中。2、富集因子分析表明,在每条线路沿线土壤中,重金属都存在污染。其污染程度随着采样点与铁路距离的增加而减轻,较为严重的污染多发生在距离铁路20m范围内。Zn在所有采样点都达到了中度污染水平,污染情况最为严重;其次是Cu,在室兰本线、八高线、和总武本线所有采样点的EF值≤2,达到污染水平。在水郡线和总武本线沿线,Pb在所有采样点得EF值≥2。表明铁路沿线土壤中存在重金属污染,其中Cu、Zn和Pb的污染程度较为严重。3、不同铁路沿线土壤中重金属分布存在差异,水郡线和八高线的沿线土壤中,元素的分布总体较为均匀。在其他线路的样品中,均有部分元素的含量与采样点与铁路的距离呈显著负相关。列车频次、机车动力类型、是否存在货运列车、土壤pH值、风向等因素都对铁路沿线土壤中重金属的分布产生影响。4、铁路沿线土壤重金属的BP神经网络预测模型除Cd外训练精度均较好。Cu、Zn、Mn、Cd、Sn和Pb的预测模型模拟精度较高,说明这几种元素含量与铁路运行的相关性较高。5、判源分析结果表明,土壤中Cu、Zn、Sn和Pb主要来源于铁路运行,同时也受到公路机动车运行的影响。其中相关分析结果表明,柴油机车铁路沿线和电力机车铁路沿线土壤样品中重金属的相关性不同。柴油机车铁路线中,室兰本线和水郡线几乎所有元素之间都存在显著相关。电力机车的3条铁路线中Cu、Zn、Se、Sn、Pb和Bi的相关系数较为显著,因此这6种元素在电力机车铁路沿线具有相同的人为源。主成分分析结果表明柴油机车沿线土壤重金属Fe、Cu、Zn、Mn、Cd和Pb的含量相关性明显,这些元素主要来自铁路的运行。电力机车沿线的主成分分析表明公路运行和铁路运行都是土壤中重金属的潜在污染源,Cu、Zn、Sn和Pb同时受到2种交通工具的影响,Cr则主要来源于铁路。聚类分析结果表明柴油机车铁路沿线样品中重金属含量在3条铁路线之间没有明显的相似性;电力机车沿线样品中Cu、Zn、Sn和Pb具有显著的相关性,处于同一组分类中,因此可能来自同一污染源。Pb稳定同位素的分析表明铁路对于沿线土壤中Pb的含量也有贡献,除此之外,公路对于土壤中重金属的含量也有影响。图解分析法表明,Cu、Zn、Sn和Pb这4种元素在所选的6条线路沿线土壤中,其高含量主要分布在距离铁路较近的区域,表明这些元素的来源主要为铁路的运行。6、综合污染指数分析结果表明,本论文所选择的铁路线沿线土壤中重金属对环境产生了污染,室兰本线、总武本线和中央本线的IPI平均值>3,属于重度污染;地积累指数分析表明,研究中各条线路沿线出现不同程度污染。污染最为严重的元素为Zn,其次严重的元素为Cu。地积累指数较高的样品主要集中在距离铁路20m范围内的样品中。7、本论文所选的6条线路的生态风险等级较高,总武本线的生态风险达到极强烈风险水平,中央本线为很强烈风险水平,其它线路均为强烈风险。单项潜在生态危害分析结果表明,Cd的潜在生态风险最大,Cu次之。铁路沿线土壤中重金属的单项和综合非致癌风险指数都小于1,非致癌健康风险可以忽略。除Cr外其他元素的致癌风险指数都小于国际辐射防护委员会所建议的标准值5.0×10-5,处于无致癌风险。6条线路的综合致癌风险指数都超过了 5.0×10-5。本论文中铁路沿线土壤中重金属存在较为严重的致癌风险。