公路绿化带对路旁土壤重金属污染格_省略_及防护效应_以山西省主要公路为例_王慧.docx

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1、生 态 学 报 2010,0(22):6218 6226 Acta Ecologica Sinica 公路绿化带对路旁土壤重金属污染格局 的影响及防护效应 以山西省主要公路为例 王慧，郭晋平 * *,张芸香，魏红芬，冯璐瑶 (山西农业大学林学院，山西太谷 030801) 摘要 :在山西省典型公路绿化路段路侧设置样带，在样带内按距离梯度采集路旁土壤并进行 Pb、 Cr、 Cu、 Zn 重金属含量测定，采 用污染指数分析 4 种重金属污染物的扩散格局及公路绿化带的影响，比较不同结构特征的绿化带对 4 种重金属污染防护效应 的差异 。 结果表明 ,4 种土壤重金属污染扩散格局呈单峰态 ， 主要污染区

2、间出现在 10 70m 范围内 ， 4 种重金属污染指数峰值 与峰值位置不同；公路绿化带对土壤 4 种重金属污染有显著防护效应，可将污染限制在 50m 范围内，使峰值高度降低，峰值位 置提前 ;绿化带宽度、郁闭度和树种组成对林带防护效应有显著影响，绿化带宽度在 40 70m即可保证对路旁土壤重金属污染 起到有效防护作用 ， 单树种绿化带郁闭度 &0.6,可缩小重金属主要污染区间 ， 100m 处污染指数降为 0.139 0.977;栽植混交林 带使其成林后郁闭度 &0.6,对路旁土壤的重金属污染效果更好 ， 可将重金属污染的峰值位置限制在 20m 范围内 。 关键词 :公路绿化带 ;重金属污染

3、 ;污染指数 ;水平格局；防护效应 Influences and protective effects of roadside tree-belt on heavy metal pollution of roadside soils: a case study of major roads in Shanxi WANG Hui, GUO Jinping*， ZHANG Yunxiang， WEI Hongfen， FENG Luyao Forestry Academy， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801, China Abstract I

4、 Some typical roadside tree-belts were selected for this study in Shanxi Province. Concentration of heavy metals (Pb、 Cr、 Cu、 Zn) in roadside surface soils along the tree-belts were measured using by ICP-AES. Pollution dispersion patterns of the four heavy metals were studied by pollution index whic

5、h was the ratio of heavy metal concentrations in polluted soils against that in non-polluted background soil. Protective effects of different tree-belt structure types on soil heavy metals pollution were compared. The results showed: (1) The pollution dispersion patterns of the four heavy metals ( P

6、b、 Cr、 Cu、 Zn) were unimodal with the major pollution distance ranging from 10 to 70m. The peak values of pollution index and the peak positions of four heavy metal concentration were different. The peak value of pollution index of the four heavy metals was 2.297, 1.000， 2.019 and 0. 827. All the pe

7、ak positions of the pollution values for the four heavy metals were not at road shoulders with the peak position of Cu at 20m from roads and that of Pb， Cr and Zn at 40m.(2) The roadside tree-belts had significant protective effects on the four heavy metal pollution. The pollution dispersion pattern

8、 of the four heavy metals had significant changes due to the influence of roadside tree-belt. T test showed significant difference (P 0.50 1.00 单树种低密度宽带型 III 為 40m 0. 10 0. 50 单树种高密度宽带型 IV 0.50 1.00 多树种低密度型 V 0. 10 0. 50 多树种 多树种高密度型 VI 0.50 1.00 单树种低密度窄带型 Narrow treebelt with low density and mono-sp

9、ecies;单树种高密度窄带型 Narrow treebelt with high density and monospecies; 单树种低密度宽带型 Wide tree-belt with low density and mono-species;单树种高密度宽带型 Wide tree-belt with high density and monospecies; 多树种低密度型 Tree-belt with low density and multi-species;多树种高密度型 Tree-belt with high density and multi-species; 树种组成按林

10、学方法确定纯林与混交林的标准划分为单树种和多树种，多树种林带由于栽植和管理上的原因，宽于 50m 较为少见，因此划 分依据中没有考虑林带宽度 在每条典型有绿化带路段的路侧，垂直于道路设置 3 条样带，样带间距不小于 20m,样带长度 100m,样带 宽度根据绿化带宽度确定，使样带面积不小于 400m2,同时保证样带内所包含的主要树种的株数不少于 30 株 ,各典型路段道路和绿化带概况见表 2。对样带内的林木进行每木检尺，计算最高乔木层树种平均高度，按 株数比例计算树种组成，采用标准地对角线上样点法测定群落郁闭度。 表 2 典型路段道路和绿化带基本特征 Table 2 Basic charact

11、eristics of typical roadside and tree-belt 绿化带特征 Belt Character Typical road section 公路类型 Road type 公路走向 Road direction 宽度 /m Width 郁闭度 Canopy density 乔木层 /m Mean height of dominant species 树种组成 Species composition 结构类型 Structure type 阳曲大运高速 高速 南北 30 0. 30 14.60 8 杨 2 槐 +柏 I 阳曲 G108 国道 南北 20 0. 34 1

12、7. 82 9 杨 1 柳 -桧柏 I 代县大运高速 高速 南北 30 0. 34 10. 55 10 杨 I 山阴 G208 国道 南北 15 0. 45 11. 33 10 杨 I 河津万仓路 省道 东西 30 0.76 13. 59 10 杨 +楸 -槐 II 榆社太长线 国道 南北 20 0.61 11. 47 10 杨 II 阳泉 G207 国道 南北 25 0. 78 5. 09 10 槐 II 阳泉 S214 省道 南北 30 0. 94 7. 73 10 槐 II 代县 S213 省道 南北 30 0. 76 13. 01 10 柳 II 五寨 G209 国道 南北 20 0.

13、 56 9. 84 8 杨 2 柳 +油松 II 山阴 G208 国道 南北 10 0. 89 5. 05 10 柳 II 襄汾 G108 国道 南北 50 0. 46 17. 32 8 杨 2 槐 III 山阴大运高速 高速 南北 100 0. 16 6. 20 10 杨 III 大同京大高速 高速 东西 100 0. 13 6. 93 10 杨 III 黎城 S309 省道 东西 50 0. 97 17. 30 10 杨 +槐 IV 榆社太长高速 高速 南北 100 0. 86 8. 54 10 杨 +柳 IV 清徐大运高速 高速 东西 40 0. 87 8. 73 10 杨 IV 高平

14、G207 国道 南北 10 0. 50 16. 91 7 槐 3 杨 V 柳林青银高速 高速 南北 50 0. 31 5. 12 6 杨 3 柳 1 侧柏 V 朔城大运路 省道 南北 10 0. 35 13. 44 5 柳 4 杨 1 油 V 阳高张同公路 省道 东西 20 0. 26 9. 91 6 杨 2 油 2 柳 V 泽州 S227 省道 南北 20 0. 89 16. 37 7 杨 3 柳 VI 平遥 G108 国道 南北 50 0. 56 7. 47 8 杨 2 柳 +槐 VI 阳泉太旧高速 高速 东西 20 0. 86 8. 49 7 槐 2 火炬 1 油 VI 清徐 G208

15、国道 南北 40 0. 86 13. 13 5 柳 4 杨 1 槐 VI 1.3 土壤样品的采集与处理 在每一样带内按离开路肩的距离确定土壤样品取样点，设 0、 10、 20、 30、 40、 50、 75、 100 以共 8 个梯度。在 每个梯度上，并列等间距设置 5 个面积为 1 mxl m 的小样方，在每个小样方四角和对角线交点上用土钻取样 5个，取样深度 0 20cm,将每个梯度 5 个样点上的 25 个土样充分混合 ,按 “ 四分法 ” 取出混合样品 1 kg,装入 塑料袋，按路段和梯度编号挂签 ,带回实验室。 在距离道路 300m 之外 ,选择地势平坦、与样带土壤类型相同的地块设置

16、土壤对照值采样地。样地面积 20 m x20 m,样地内均匀布设 30 个样点， 用土钻法取样，取样深度 0 20cm,将 30 个样品充分混合，按 “ 四分 法 ”取混合样品 1 kg,装入塑料袋，按路段编号挂签 ,带回实验室。 1.4 土壤重金属含量测定 带回实验室的土样经自然风干，碾碎研磨后过 1 mm 筛 ;取其中 5g,再次研磨后过 100 目筛备用 &3。采 用电感耦合等离子体酸式消解法测定样品的 Pb、 Cr、 Cu 和 Zn 含量。 1.5 土壤重金属污染评价指数 为消除不同路段土壤重金属背景值差异对分析结果的影响，借用超标指数的涵义，用土壤重金属含量测 定值高于背景值的比率反

17、映土壤重金属元素污染程度，并且以各路段无污染对照土壤重金属含量作背景值代 替标准值计算土壤重金属污染指数，污染指数越大 ,表示该土壤中受重金属污染越严重。计算公式如下： 式中， P/i 表示土壤重金属污染指数 ;Ci 表示路段各样点的土壤重金属元素含量实测值； C。 表示路段的土 壤重金属元素含量背景值。 2 结果分析 2.1 无绿化带路段路旁土壤重金属污染水平格局 对无绿化路段 25 个样带内各点上重金属污染指数 按距离梯度计算平均值和标准差，制成水平格局分析图 (图 1)。为进一步分析各元素分布格局，采用 LSD 法对 各水平梯度上重金属含量的差异进行多重比较 ,结果见 表 3。 结合图

18、1 和表 3 可知，在无绿化带路段，路旁土壤 Pb、 Cr、 Cu 和 Zn 污染在距离路肩的 100m 范围内出现峰 值 ,且峰值均不在路肩处 ,4 种土壤重金属含量和污染 指数均随着距离的增大先上升至峰值再下降，呈单峰态 水平分布格局。不同重金属元素的分布规律不同，其中 Cu 和 Pb 的峰值度比 &和 Zn 的峰值度高。 Cu 的峰值 图 1 无绿化带路段路旁土壤重金属污染水平格局 Fig. 1 Dispersion pattern of heavy metal pollution in roadside soil without roadside tree-belt 出现在距公路 20

19、m 处，峰值污染指数 2. 019,峰值含量 102. 310mg/kg;Cr、 Zn 和 Pb 的峰值都在 40m 处出现，峰值处污染指数分别为 1.000、 0. 827 和 2. 297,峰值含量 分别为 119.870、 124.086、 75.206mg/kg。 2.2 有绿化带路段路旁土壤重金属污染水平格局 对有绿化带的路段所有 75 个样带内各距离梯度上 4 种重金属污染指数分别计算平均值和标准差，为便 于比较分析，将前述无绿化路段 4 种重金属污染指数水平格局一并置于图中，制成 4 种重金属水平格局分析 图（图2)。对无绿化带路段和有绿化带路段的路旁土壤 4 种重金属含量进行差

20、异显著性 T 检验，结果表明， 两者之间的4 种重金属 含量都在 P0.001 水平上差异极显著。为进 一 步分析有绿化带路段 4 种重金属元素 的水平格局，采用LSD 法对绿化带各水平梯度上土壤重金属含量的差异性进行多重比较，结果见表 4。 表 3 无绿化带路段路旁土壤重金属含量 Table 3 Heavy metal concentration in roadside soil without roadside tree-belt 距离 /m Distance Pb/(mg/kg) Cr/( mg/kg) Cu/(mg/kg) Zn/ (mg/kg) 0 64.1145.425a 113.

21、31621.044abc 85.826 8.007ae 100.966 17.435ad 10 66.9155.848ab 109.426 16.302acd 93.852 9.779b 100.998 15.056ad 20 68.848 6.187be 117.767 18.025ab 102.31014.791c 104.558 15.890ab 30 73.138 9.371cdf 115.526 19.866abc 91.646 10.881bd 110.41018.691ab 40 75.206 7.707d 119.870 21.020b 93.734 8.040b 124.08

22、6 22.001c 50 74.796 8.461cd 114.27217.315abc 86.809 8.624ad m.759 17.888ac 75 70.994 7.457ce 107.407 14.323cd 82.6107.142ae 106.499 15.926ab 100 69.403 7.146bef 102.104 12.127d 81.046 7.474e 101.624 13.072bd 300 22.948 16.779g 60.3425.680e 33.9161.977f 68.025 3.139e 注：表中数据为平均数 标准差，数据后的小写字母表示显著性水平为 0

23、.05, abed 表示同 _列数据的差异性，若字母相同表示两者差异不显 著 ,反之差异显著 图 2 有绿化带与无绿化带路段路旁土壤重金属污染水平格局对比分析图 Fig. 2 Dispersion patterns of heavy metal contents in the roadside soils with and without roadside tree 表 4 有绿化带路段路旁土壤重金属含量 Table 4 The concentration of heavy metals in the roadside soil with roadside tree-belt 距离 /m Di

24、stanee Pb/( mg/kg) Cr/( mg/kg) Cu/(mg/kg) Zn /( mg/kg) 0 46.093 16.020a 79.070 10.820ac 52.303 15.798ab 99.436 24.893ac 10 45.281 15.433a 88.429 15.125b 53.988 9.108a 102.500 20.966ab 20 46.475 17.388a 93.945 19.337b 54.5119.057a 108.549 17.300b 30 46.656 16.465a 92.659 15.567b 50.458 10.278ab 107.1

25、75 16.735ab 40 46.940 15.853a 89.500 16.149b 50.124 9.530ab 98.928 11.721ac 50 46.771 15.425a 86.580 15.795ab 48.067 8.632bd 93.337 10.092cd 75 43.331 12.307a 79.30212.121ac 44.5328.140c 89.129 9.134d 100 41.233 11.946a 77.865 11.876c 43.5028.031cd 86.0188.652d 300 22.948 16.779b 60.3425.680d 33.916

26、1.977e 68.025 3.139e 注：表中数据为平均数 标准差，数据后的小写字母表示显著性水平为 0.05, abed 表示同 _列数据的差异性，若字母相同表示两者差异不显 著 ,反之差异显著 22 期 王慧等 :公路绿化带对路旁土壤重金属污染格局的影响及防护效应 以山西省主要公路为例 6223 指标 Indicators 无绿化带 I II III IV V VI Pb 含量均值 /(mg/kg) 70.427 45.8* 36.953* 53.74* 62. 905 41.983 * 43.488* 峰值含量 / (mg/kg) 75.206 49.885 38. 663 60.

27、490 70. 973 44.713 50. 585 峰值污染指数 PI 2.297 1. 247 0. 673 1. 765 1. 955 0. 967 1. 150 峰值位置 / m 40 50 50 50 20 40 0 100m 处含量 4mg/kg) 69.403 45.360 34.861 52. 763 47. 743 39.680 36. 280 100m 处污染指数 PI 2. 043 1. 037 0. 509 1. 402 0. 977 0. 762 0. 543 Cr 含量均值 / (mg/kg) 112. 461 84.034* 76.589* 100.597* 87

28、.323* 90.968 * 81.927* 峰值含量 / (mg/kg) 119.870 94.858 82. 407 126.183 101. 300 100. 075 91.875 峰值污染指数 PI 1. 000 0.594 0. 369 1.284 0. 580 0. 780 0. 453 峰值位置 / m 40 30 30 20 30 50 20 100m 处含量 / (mg/kg) 102. 100 74.023 70. 106 89. 537 77. 233 85.380 73.740 100m 处污染指数 PI 0. 707 0. 240 0. 165 0. 615 0. 2

29、11 0. 510 0.164 Cu 含量均值 / (mg/kg) 89. 729 50.428* 42.659 * 51.328* 53.757* 49.533 * 57.171* 峰值含量 / (mg/kg) 102. 310 57. 148 45.991 61. 790 62. 247 58.128 70.043 峰值污染指数 PI 2. 019 0. 737 0. 387 0. 867 0. 760 0. 666 1. 009 峰值位置 / m 20 20 10 20 20 10 0 100m 处含量 / (mg/kg) 81. 046 47.630 37. 666 44.953 44

30、.627 42.343 49.068 100m 处污染指数 PI 1. 395 0.448 0. 139 0. 343 0. 262 0. 213 0. 401 Zn 含量均值 / (mg/kg) 107. 613 100.189* 90.773 * 106. 010 109. 483 98.293 94.384* 峰值含量 / (mg/kg) 124.086 112. 665 97. 297 122.127 135. 900 111. 510 115. 303 峰值污染指数 PI 0. 827 0. 701 0.445 0. 759 0.984 0. 638 0. 682 峰值位置 / m

31、40 30 30 30 0 20 20 100m 处含量 / (mg/kg) 101.624 91.275 83. 106 90. 647 89. 877 85.123 80. 390 100m 处污染指数 PI 0. 499 0. 378 0. 237 0. 307 0. 316 0. 244 0. 171 同一行含量均值进行比较； *在 0.05 水平（双侧 ） 上显著相关 （ 0.05P0.01);*在 0.01 水平（双侧 ） 上显著相关 （ P0.01);无绿化 带 Road without treebelt;含量均值 Concentration mean value 峰值含量； P

32、eak value of concentration;峰值污染指数 Peak value of pollution index;峰值 位置 Peak value position; 100m 处污染指数 Pollution index of 100m 由表 5 可见 ， 不同结构类型公路绿化带 ， 对重金属污染的防护作用明显不同 。 单树种低密度窄带型林带 对 Pb、 Cr 和 Cu 污染防护效应与无绿化带相比差异极显著 ,Cr、 Zn 污染的峰值位置提前至 30m 处，种重金属 峰值处污染指数 0. 594 1.247,至 100m 处降为 0.240 1.037;单树种高密度窄带型林带对

33、4 种重金属污染 的防护效应与无绿化带差异极显著 ， Cr、 Cu 和 Zn 峰值位置提前至 10 30m 处 ,4 种重金属峰值处污染指数 0. 369 0.673,至 100m 处降为 0.139 0.509;单树种低密度宽带型林带对 Pb、 Cr 和 Cu 污染的防护效应与无 China Academic Journal Electronic http ： / / www. cCol gica. cn reserved. 结合图 2 和表 4 可知，绿化带对路旁土壤 Pb、 Cr、 Cu 和 Zn 4 种重金属污染都有明显的防护效应，表现在 与无绿化路段相比，有绿化带路段路旁土壤 4 种

34、重金属污染物水平格局相对集中在 50m 范围内 ， Pb、 Cr、 Cu 3 种元素各梯度上的重金属含量和污染指数都显著下降 ,Pb 的峰值区间不明显 ,Cr、 Zn的峰值度提前 ,4 种重金 属污染物的分布格局都有明显改变 。受绿化带影响，路旁土壤重金属 &和 Zn 峰值出现 20 m 处，峰值污染指 数分别为 0.580 和 0.599,峰值含量 93. 945mg/kg 和 108. 549mg/kg;Cu 峰值出现在 20m 处，峰值污染指数 0. 605,峰值含量 54.511mg/kg;Pb 峰值在 40m 处 ,峰值污染指数 1.046,峰值含量 46. 940mg/kg。 2.

35、 3 不同结构类型绿化带对路旁土壤重金属污染防护效应的比较分析 对 4 种重金属污染物在不同样带数据进行整理分析，比较不同结构类型绿化带的典型路段路旁土壤重金 属污染含量，并以无绿化路段作对比，进行不同结构类型绿化带间的差异显著性比较，并且进一步分析不同结 构类型绿化带土壤重金属峰值含量、峰值污染指数、峰值位置以及 100m 处含量和污染指数，结果见表 5。 表 5 不同结构类型绿化带对土壤重金属污染格局的效应比较 Table 5 Effects of roadside tree-belts with different structures on soil heavy metal pollu

36、tion 绿化带差异极显著， Cr、 Zn 的峰值位置提前至 20 30m 处 ,4 种重金属峰值处污染指数 0. 867 1. 765,至 100m处降为 0.307 1.402;单树种高密度宽带型林带对 &和 Cu 污染的防护效应与无绿化带差异极显著， 使 Pb、 &和Zn污染的峰值位置提前至 30m范围内 ,4种重金属峰值处污染指数 0. 580 1.955,至 100m处降 为 0.211 0.977;多树种的林带对重金属污染的防护效应主要表现在能够缩小其污染范围，尤其以高密度型 林带效果显著，使 4种重金属污染峰值集中在距道路 20m 的范围内，对 Pb、 Cr 和 Cu 污染防护效

37、应与无绿化 带差异极显著 ,4 种重金属峰值处污染指数 0. 453 1.150,至 100m 处降为 0.164 0.543。 3 讨论 (1) 来自道路交通的含重金属颗粒物沉降引起路旁土壤重金属污染，粒径大于 9m 的颗粒会沉降于公路 两侧 10 m 以内，粒径 1 9pm 之间的颗粒在空中短距离扩散 ,粒径矣 1pm 的颗粒飘移距离较远，主要沉降在 50 m以外 ,10 50 m 之间为多种粒径的颗粒物沉降的区域 &4-15 ,因此，无绿化带路段的路旁土壤重金属污染 峰值出现在路基外一定距离处。不同的重金属元素因其理化性质不同而表现出 不同的分布格局 M ,因而不 同的重金属元素吸附在不

38、同粒径的颗粒气溶胶上 &7， 由本研究结果表明 ， 道路交通引起的重金属污染中 ， Cu 主要附着在较大粒径的颗粒物上，扩散距道路较近，而 Pb、 &和 Zn 多附着在小粒径颗粒物上，扩散距离较远， 造成远距离污染。 (2) 公路绿化带可以降低近地面风速，从而使来自道路的粉尘及颗粒物在近距离内沉降 ,绿化带较大的 植物叶面积指数，对粉尘颗粒有吸附作用 &8-20 ,因而公路绿化带缩小了重金属的污染范围。公路绿化带树木 在吸收矿质营养元素的同时 ， 对土壤重金属元素也有吸收作用 ， 可降低土壤中已经沉积的重金属 ， 降低污染峰 值 121-22。可见 ,公路绿化带对路旁土壤重金属污染的防护效应在

39、缩小污染范围和降低污染程度两方面都有 作用。 (3) 不同结构类型绿化带对重金属污染的防护作用不同 49,2。本研究中，比较单树种宽带型绿化带与 窄带型绿化带的峰值处与 100m 处污染指数的降幅 ,重金属污染的防护效应显著。因此，林带宽度是影响重 金属污染防治效应的主要因素之 _。林带郁闭度与其重金属污染防护效应密切相关，单树种高密度型绿化带 与低密度型绿化带的 4 种重金属污染峰值处与 100m 处污染指数的降幅表明，郁闭度 大的林带可有效降低重 金属污染的峰值度。复层混交林结构的绿化带能缩小土壤重金属污染范围 M，尤以高密度型绿化带显著，使 4 种重金属污染物峰值集中在 20m 的范围内

40、。本研究中，单树种低密度窄带型绿化带主要树种平均高為 10m,也能有效限制含重金属的颗粒物向远处飘散 ， 尤其是对附着在较大颗粒物上的 Cu 元素污染防护效应明 显 ,表明主要树种高度对林带防护效应的影响显著。 本研究中单树种高密度宽带型绿化带所选取的典型路段营运时间较长、车流量较大（太长高速榆社段和 大运高速清徐段），路侧土壤重金属污染指数较高 ;而单树种高密度 窄带型绿化带所属路段为国道和省道，车 流量相对较小，重金属污染指数相对较低，这可能影响对两者之间防护效应差异的分析 ,表现出单树种高密度 宽带型绿化带对 Pb、 Cu 和 Zn 污染的防护效应不够显著 ,而单树种高密度窄带型绿化带的

41、防护效应较好。 4 结论 (1) 无绿化带路段的路旁土壤 Pb、 Cr、 Cu 和 Zn 重金属污染主要集中在 10 70m 范围内，在 100m 范围内 呈单峰态水平距离梯度格局 ,4 种重金属污染物的污染指数峰值分别为 2.297、 . 000、 . 019 和 0. 827,峰值位 置 Cu为 20m,其余三者为 40 m。 (2) 公路绿化带对路旁土壤 Pb、 Cr、 Cu 和 Zn 重金属污染有显著防护效应 ， 能显著改变污染物的水平分布 格局，与无绿化路段相比，污染指数峰值降低 ,Pb、 Cr 和 Cu 在各梯度上的含量和污染指数都显著下降 ,&和 Zn 的峰值位置提前。 (3)

42、公路绿化带宽度、郁闭度和树种组成对林带的重金属污染防护效应有显著影响，绿化带宽度应不少 于40m,70m 宽的绿化带即可满足控制重金属污染的要求。单树种绿化带，成林后郁闭度不小于 0.6,可限制 重金属主要污染区间 ， 100m 处污染指数降为 0.139 0.977。混交林带成林后郁闭度為 0.6,比单 纯树种林带 的防护效应更好，对限制重金属污染范围更有效，使 4 种重金属污染物的峰值集中在距道路 20m 范围内。 References: 1 Al-Khashman O A. Heavy metal distribution in dust, street dust and soils f

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