北汝河饮水源地土壤重金属元素污染特征分析.pdf
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1、第 43 卷 第 2 期许昌学院学报Vol.43.No.2 2024 年 3 月JOURNAL OF XUCHANG UNIVERSITYMar.2024收稿日期:2022-09-23基金项目:国家自然基金项目(42173062);河南省高等学校重点科研项目(23B610014);许昌市县级水环境质量研究及运维保障项目(2022HX079)作者简介:徐永新(1979),男,河南许昌人,教授,博士,研究方向:环境与健康.文章编号:1671-9824(2024)02-0044-05北汝河饮水源地土壤重金属元素污染特征分析徐永新1,王 曦1,曹润泽2,侯艳锋3,马俊峰3(1.许昌学院 城市与环境学院
2、,河南 许昌 461000;2.河南省许昌生态环境监测中心,河南 许昌 461000;3.许昌市生态环境局,河南 许昌 461000)摘 要:为探讨北汝河襄城段饮水源地土壤重金属含量特征,采用单因子评价法、内梅罗综合污染指数法对饮水源地附近土壤中的重金属含量特征进行综合评价.结果表明:水源地污染主要受到 Pb、Zn、Cu 三种元素影响,Pb、Zn、As、Cu、Ni、Cr 元素分别是环境背景值的 1.34、1.03、0.87、1.36、0.70、0.97 倍.研究区由 Pb 单因子污染指数最高是 2.35,最低是 0.71,处于轻度污染范围和清洁无污染范围.7 个研究区中内梅罗综合污染指数最低为
3、 0.63,最大为 3.06,2%土壤样品污染等级为安全,14%处于警戒线,60%属于轻度污染,6%属于中度污染,2%属于重度污染.7 个研究区中 Pb、Zn、As、Cu、Ni、Cr 六种元素都有不同程度的超标,其中北汝河北岸土壤重金属Pb 元素超标程度最高.关键词:土壤重金属含量;污染评价;北汝河中图分类号:X53 文献标识码:A 随着工农业发展和城市化水平的提高,重金属会对饮用水造成较大污染,因此有必要对重金属污染进行检测.目前,土壤重金属污染研究主要集中在工业聚集区和城区土壤污染评价方面,多采取单因子评价方法、内梅罗指数法、二分类 LR 法、指示克里格法等1.北汝河许昌段经过襄城县,为许
4、昌市城市集中式饮水源地之一.基于此,采集周边土壤样品并测定其重金属含量,通过分析其污染特征,为饮用水源地附近土壤环境的保护提供参考依据.1 材料与方法1.1 样品采集2022 年 3 月,选取北汝河襄城段及周边道路、居民区、森林、农田及河岸进行土样采集.根据河流沿岸形状不规则特征,点样布设按双对角线法,采取挖坑取样,去除土地表层枯枝落叶等腐殖质及其他杂物.基于代表性、典型性、均匀性原则2,采用五点取样法,每个区域采集 510 个土壤样品,样点土样间隔在100 m 左右,取样深度为 210 cm,用铁锹挖取土层深度为 2 cm 的土壤,除去边缘 1 cm 厚的土层,获得300 g 左右土样,装入
5、采样袋中,做好标记.采样过程中,记录采样点地表植被覆被和周边环境情况.样品采集区域分为 7 个,共采集 50 个土壤样品,其中北汝河茨沟乡、山头店镇北汝河南岸居住区采集10 个样品;北汝河南岸森林采集 5 个样品;北汝河南岸农田采集 10 个样品;北汝河南岸道路采集 5 个样品;北汝河北岸建筑用地采集 5 个样品;北汝河北岸道路采集 5 个样品;北汝河北岸河岸采集 10 个样品,采样点示意图如图 1 所示.1.2 样品测试将采集的土壤样品放置纸张上,平摊成厚约 1 cm 的土层,放置在实验室进行自然风干,风干过程中每第 43 卷第 2 期徐永新,等:北汝河饮水源地土壤重金属元素污染特征分析天进
6、行翻动,完全风干后去除土壤中细小枝叶、小石块等杂质.土样用玛瑙研磨体进行研磨,研磨好的样品过 200 目尼龙筛,放置自封袋并贴好标签备用.图 1 采样点分布示意图 将已经预处理好的 50 份土壤样品装在无磁性极盒,采用手持式 X 荧光元素分析仪(Thermo Scientific Niton XL3t600)进行重金属含量测定.用实验室中无磁性极盒把处理过筛后的样品装入,装满铺平并压实,并用标签记录好样品信息贴在盒上,用保鲜膜在土壤样品表面进行覆盖.把探头上轻放在用保鲜膜覆好的样品上进行检测,将探头垂直对准样品表面,测定的时间为 30 s.为确保试验的准确性,每个样品重复测定3 次并记录数据,
7、取平均值作为最终结果.数据用 SPSS 27.0 和 Excel 2020 软件进行统计处理.2 研究方法土壤重金属污染评价以我国中国土壤元素背景值为参照3,采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法8对研究区进行污染性评价.单因子指数法的计算公式为Pi=CiC0,(1)式中,Pi表示单因子标准指数,Ci表示土壤重金属实测数据,C0表示土壤中各重金属元素的含量标准值.Pi值越大,污染物含量超标就越严重4.内梅罗综合指数法的计算公式为P综=(Pi)max2+(Pi)av22,(2)式中,P 综表示内梅罗综合污染指数,(Pi)max 表示重金属 i 元素的最大单因子污染指数,(Pi)av 表示重金属
8、i 元素单因子污染指数的算术平均值.对于污染等级划分,P 综小于 0.7 表示土壤安全无污染,在0.71.0 范围内表示处于警戒值状态,在 1.02.0 范围中表示轻度污染,在 2.03.0 范围表示中度污染,3.0 表示重度污染5.3 结果分析3.1 土壤重金属含量特征分析 对北汝河南岸森林(SS,编号 15)、北汝河茨沟乡、山头店镇附近北汝河南岸居住区(SJ,编号 615)、北汝河北岸建筑用地(NJ,编号 1620)、北汝河南岸农田(SN,编号 2130)、北汝河南岸道路(SD,编号 3135)、北汝河北岸道路(ND,编号 3640)和北汝河北岸河岸(NH,编号 4150)采集的样品进行重
9、金属含量重复测试 3 次,取平均值作为最终测试结果.根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)5、河南省主要元素的土壤环境背景值6和中国土壤环境背景值研究3进行分析,主要土壤重金属污染物有镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌等,由于在测试中汞的含量较低,所以主要对不同研究区土壤中的 Pb、Zn、As、Cu、Ni、Cr 进行分析.研究区重金属元素的含量均值和不同地区重金属元素的含量均值分别如图 2 和图 3 所示.所采集样品重金属 Pb、Zn、As、Cu、Ni、Cr 元素的平均含量分别为 31.50、69.73、8.36、29.43、24.02、54许昌学院学报2024 年 3 月58.34
10、mg/kg,分别为中国土壤环境背景值的 1.34、1.03、0.87、1.36、0.70、0.97 倍;除 As 外,而其他 5 种元素的含量均高于河南省土壤环境背景值.各元素的变异系数分别为 25%(Pb)、31%(Zn)、46%(As)、54%(Cu)、71%(Ni)、55%(Cr),根据变异系数分级标准7,Pb 属于中等变异(10%CV30%),其他 5 种均属于强变异(CV30%).由图 3 可以看出,北汝河南岸(SS)土壤样品中金属 Pb 含量的最小值为 24.85 mg/kg,高于国家环境背景值.金属 Zn 的含量为 55.47106.80 mg/kg,最高值在北汝河北岸道路(ND
11、),高于国家环境背景值;最低值位于北汝河北岸建筑用地(NJ),低于国家环境背景值.As 的含量为 6.0311.14 mg/kg,均值为8.36 mg/kg,未超出国家环境背景值,最低值位于南岸道路(SD),最高值位于北汝河北岸道路(ND).金属Cu 的含量为 19.90 34.61 mg/kg,均值为 28.16 mg/kg,高于国家环境背景值,仅有北汝河北岸河岸(NH)未超出标准.金属 Ni 含量最高值为 29.64 mg/kg,位于北汝河南岸农田(SN),为唯一高于国家环境背景值的采样点;最低值为 9.18 mg/kg,位于北汝河北岸道路(ND).金属 Cr 含量为 38.7662.92
12、 mg/kg,均值为 55.86 mg/kg,低于国家环境背景值,其中北汝河南岸道路(SD)、北汝河北岸建筑用地(NJ)和北汝河茨沟乡、山头店镇附近北汝河南岸居住区(SJ)高于国家环境背景值.根据国家环境背景值与研究区土壤重金属含量的比较发现,Pb、Zn、Cu 土壤重金属含量高于国家标准,水源地主要受到 Pb、Zn、Cu 的污染.图 2 研究区土壤重金属含量均值 图 3 各地区重金属含量均值3.2 土壤重金属污染评价3.2.1 土壤重金属污染单因子评价采用单因子指数法对研究区土壤重金属污染特征进行评价,如表 1 所示.可以看出,各种重金属单因子污染指数状况为:Pb 在北汝河茨沟乡、山头店镇附近
13、的北汝河南岸居住区(SJ,2.35)最高,北汝河南岸农田(SN,0.71)最低.Zn 在北汝河北岸道路(ND,2.1)最高,北汝河北岸建筑用地(NJ,0.57)最低.As 在北汝河北岸河岸(NH,1.71)最高,北汝河南岸森林(SS,0.13)最低.而 Pb、Zn、As 的单因子污染指数均处于 2Pi3 轻度污染范围和 Pi1 的清洁无污染范围.Cu 单因子污染指数最高是北汝河茨沟乡、山头店镇附近北汝河南岸居住区(SJ,3.99),处于 3Pi5 中度污染范围.Ni 单因子污染指数最高是北汝河南岸农田(SN,2.5),处于 2Pi3 轻度污染范围.Cr 单因子污染指数最高是北汝河南岸农田(SN
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