宿州市沱河表層沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量特征分析

張 勇，黃淑玲，傅 靜

（1.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)中心；2.宿州學(xué)院 地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

引言

我國(guó)是一個(gè)河流眾多的國(guó)家，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的工農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)入到河流中，影響了河流的生態(tài)環(huán)境平衡，同時(shí)也對(duì)河流區(qū)群眾的健康、生活質(zhì)量造成了困擾，減慢了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展完善的進(jìn)程.然而表層沉積物是水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的最終聚集地，通過(guò)對(duì)河流表層沉積物的各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)分析，可以了解該水體的現(xiàn)狀，并追溯該區(qū)域水環(huán)境的歷史發(fā)展?fàn)顩r.同時(shí)，河流的表層沉積物也是大部分水生底棲生物的主要活動(dòng)空間和覓食環(huán)境，表層沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽將會(huì)直接、間接地對(duì)水體環(huán)境以及水生底棲生物產(chǎn)生不同程度的影響，并進(jìn)一步的影響到其它動(dòng)植物以及人類，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在表層沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的測(cè)定、存在形態(tài)、空間分布和釋放特征等方面做了大量研究[1-4].本文選取宿州市沱河為研究對(duì)象，分析其沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽含量特征，可為河流治理和生態(tài)可持續(xù)利用提供技術(shù)參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

沱河作為淮河的一條主要支流，從西北向東南方向依次流經(jīng)宿東閘、王橋閘、青龍閘、沱河集閘、濠城閘，至樊集處進(jìn)入沱湖，出沱湖后經(jīng)新沱河向東流，最終于北店子注入漴潼河（淮河），河道全長(zhǎng)為113千米.宿州市內(nèi)的城區(qū)段沱河設(shè)立了綠化景觀帶，綠化景觀帶由西昌路——淮海路段和淮海路——雪楓公園兩段組成，形成生態(tài)型自然護(hù)岸.沱河綠化景觀帶總長(zhǎng)1470米，總面積達(dá)到90000平方米，不僅改善了城市環(huán)境面貌，同時(shí)提升了城市人居環(huán)境質(zhì)量.

1.2 樣品采集與預(yù)處理

通過(guò)對(duì)宿州市沱河進(jìn)行的實(shí)地考察，確定其主要流經(jīng)方向（西北流向東南）及輸入口、輸出口，依據(jù)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)設(shè)置原則，在沱河城區(qū)段沿水流方向設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn)，依次標(biāo)記為 TH1、TH2、TH3和 TH4（見(jiàn)圖1）.對(duì)于沱河表層沉積物的采集我們使用簡(jiǎn)易制作的柱狀采樣器，分別采集各區(qū)域采樣點(diǎn)部分河底0～20cm的表層沉積物，將在各個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)域采集到的表層沉積物樣品存放于干凈、密封的袋中，并給它們標(biāo)上序號(hào).

圖1 沱河采樣點(diǎn)

在表層沉積物樣品的采集結(jié)束之后，集中進(jìn)行預(yù)處理：首先，將采集到的表層沉積物樣品置于潔凈桌面上自然風(fēng)干，待表層沉積物樣品自然風(fēng)干后再用木棒進(jìn)行碾壓，挑出樣品中間的碎石和雜草，然后用10目孔徑篩對(duì)全部的表層沉積物樣品進(jìn)行過(guò)篩；對(duì)過(guò)篩之后的表層沉積物樣品再采用四分法將其平均分成兩份；將其中一份表層沉積物的樣品存放備用，另一份沉積物樣品經(jīng)過(guò)研磨后全部通過(guò)100目孔徑篩（此處選用銅材質(zhì)篩網(wǎng)），用于總有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)和有機(jī)磷（OP）的測(cè)定.

1.3 樣品測(cè)試方法

對(duì)于表層沉積物中各個(gè)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)合了國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)方法：采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法對(duì)總磷(TP)的含量進(jìn)行測(cè)定；對(duì)總氮(TN)的含量使用KDN型定氮儀進(jìn)行了測(cè)定；采用最為經(jīng)典的重鉻酸鉀法來(lái)進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)(TOC、OP)含量的測(cè)定.同時(shí)為了確保其最終結(jié)果的精確性，測(cè)定實(shí)驗(yàn)中將對(duì)每個(gè)樣品設(shè)置平行樣本（2個(gè)），取它們的平均值為最終結(jié)果.宿州市沱河各采樣點(diǎn)表層沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1.

表1 沱河各采樣點(diǎn)表層沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽/mg·kg-1

2 結(jié)果與討論

2.1 宿州市沱河表層沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽總體統(tǒng)計(jì)與分析

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)分析可以得知：沱河流域表層沉積物中總磷（TP）含量的平均值為1010.95mg/kg、有機(jī)磷(OP）含量平均值為214.22mg/kg、總氮(TN）含量平均值為844.49 mg/kg、總有機(jī)碳（TOC）含量平均值14590.37mg/kg.與其它的研究區(qū)域（見(jiàn)表2）相比，沱河表層沉積物中總磷（TP）含量的平均值明顯高于烏梁素海、太湖、巢湖、洪澤湖、扎龍濕地以及青海湖表層沉積物中總磷（TP）含量的平均值；表層沉積物中總氮（TN）的平均值含量明顯低于烏梁素海、青海湖、扎龍濕地表層沉積物中的總氮（TN）的平均值含量，略低于巢湖和洪澤湖表層沉積物中的總氮（TN）含量的平均值，與太湖表層沉積物中的總氮（TN）含量的平均值相近；而沱河流域表層沉積物中的總有機(jī)碳（TOC）含量的平均值只高于巢湖、太湖表層沉積物中的總有機(jī)碳(TOC)含量的平均值，明顯低于其它的研究區(qū)域（洪澤湖、烏梁素海、青海湖、扎龍濕地）表層沉積物中的總有機(jī)碳（TOC）含量的平均值，表層沉積物中的有機(jī)磷（OP）的平均值含量為214.22mg/kg，占總磷（TP）平均含量（1010.95mg/kg）的比值約為21.18%（比重較?。?通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)的總體分析可以得知，沱河表層沉積物中總有機(jī)碳（TOC）的含量數(shù)值較為正常，總磷（TP）的含量數(shù)值較高，有機(jī)磷（OP）的含量數(shù)值正常，總氮（TN）的含量數(shù)值較低.

通過(guò)對(duì)沱河表層沉積物中各營(yíng)養(yǎng)鹽變異系數(shù)的計(jì)算可知：總磷（TP）的變異系數(shù)為82.21%，屬于高強(qiáng)度變異；有機(jī)磷(OP)的變異系數(shù)較高為70.62%（變異系數(shù)高于60%為高強(qiáng)度變異）；總氮(TN)的變異系數(shù)很低僅為13.36%；而總有機(jī)碳（TOC）的變異系數(shù)為50.00%，屬于中等強(qiáng)度（30%～60%）的變異.

表2 其它研究區(qū)域表層沉積物TOC、TN和TP含量平均值/mg·kg-1

2.2 宿州市沱河表層沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的分布特征

表層沉積物中總氮（TN)的含量較為穩(wěn)定，在0.733～0.989g/kg之間波動(dòng)變化，其分布特征表現(xiàn)為：從西北到東南、由輸入口到輸出口方向（TH1號(hào)采樣點(diǎn)到TH4號(hào)采樣點(diǎn)）總氮含量總體呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì).河流的TH2號(hào)、TH3號(hào)采樣點(diǎn)所在的中部呈現(xiàn)出總氮（TN）含量的兩個(gè)相對(duì)低值區(qū)，其原因是這兩個(gè)區(qū)域的表層沉積受到外部影響較大.

沱河表層沉積物中總磷（TP）的含量變動(dòng)幅度較大（在0.380～2.235g/kg之間），其分布特征表現(xiàn)為：在西北方向到東南方向、由輸入口到輸出口方向沒(méi)有明顯的線性關(guān)系，在TH2號(hào)采樣點(diǎn)流域呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在TH3號(hào)采樣點(diǎn)流域呈現(xiàn)大幅度的上升并達(dá)到整個(gè)沱河區(qū)域總磷(TP)含量的最高值，最后在TH4號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)下降到與TH1號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的總磷（TP）含量相近.

表層沉積物中有機(jī)磷（OP）的含量在0.087～0.117g/kg之間變化，同時(shí)有機(jī)磷（OP）的含量占總磷（TP）含量的比重較小，這說(shuō)明了沱河表層沉積物中的磷元素主要是以無(wú)機(jī)磷的形態(tài)存在的.其分布特征表現(xiàn)為：由輸入口到輸出口先逐漸上升在TH3號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域達(dá)到最高值，從TH3號(hào)采樣點(diǎn)到TH4號(hào)采樣點(diǎn)之間再逐漸降低.在TH2號(hào)采樣點(diǎn)所在區(qū)域有機(jī)磷（OP）占總磷（TP）的比重明顯增加，這說(shuō)明在該區(qū)域有機(jī)磷(OP)含量有較大的外源輸入，可能與城市生活用水以及農(nóng)業(yè)用水灌排有關(guān).

在整個(gè)沱河表層沉積物中總有機(jī)碳(TOC）含量的變動(dòng)幅度較大(9.889～25.341g/kg)，屬于中等強(qiáng)度的變異.將總有機(jī)碳（TOC）的含量與總氮（TN）、總磷（TP）以及有機(jī)磷（OP）的含量進(jìn)行對(duì)比，總有機(jī)碳（TOC）在總量上占有主體地位，其分布特征與有機(jī)磷（OP）相似，表現(xiàn)為從輸入口到輸出口總有機(jī)碳（TOC）含量先逐漸上升并在TH3號(hào)采樣點(diǎn)處達(dá)到最高值，再逐漸降低.這表明在TH2號(hào)、TH3號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)有機(jī)物的含量較高.

2.3 沱河表層沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽耦合分析

2.3.1 C/N耦合對(duì)沱河表層沉積物的分析

在來(lái)源不同的營(yíng)養(yǎng)鹽中，碳氮的比值具有明顯的差異性，因此碳氮的比值在某種程度上可以用來(lái)判別營(yíng)養(yǎng)鹽的類型及來(lái)源.

一般情況下：當(dāng)W（C）/W（N）>10時(shí)，營(yíng)養(yǎng)鹽以外源有機(jī)質(zhì)為主；

當(dāng)W（C）/W（N）<10時(shí)，營(yíng)養(yǎng)鹽以內(nèi)源有機(jī)質(zhì)為主；

當(dāng)W（C）/W（N）≈10時(shí)，表層沉積物中內(nèi)源與外源有機(jī)質(zhì)達(dá)到了基本平衡[11,12].

通過(guò)計(jì)算可得：沱河表層沉積物中碳氮（C/N）的比值在10.32～34.54之間（見(jiàn)圖2），其平均值為18.18，表明可能的有機(jī)質(zhì)來(lái)源為河流中水生生物的輸入以及陸源方面（生活垃圾等）的輸入，沉積物以外源有機(jī)質(zhì)的輸入為主.沱河中表層沉積物的碳氮（C/N）比值在TH3號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)最高值，TH2號(hào)、TH3號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域?yàn)樘嫉–/N）比值的相對(duì)高值區(qū).TH2號(hào)與TH3號(hào)采樣點(diǎn)位于宿州市沱河的中段流域，且位于河流交叉匯合處，表層沉積物有機(jī)質(zhì)受到人類活動(dòng)以及農(nóng)業(yè)用水的影響較大.該區(qū)域表層沉積物中總有機(jī)碳（TOC）的含量明顯高于總氮（TN）的含量，從而導(dǎo)致了這一區(qū)域碳氮（C/N）比值出現(xiàn)了相對(duì)的高值區(qū).TH1號(hào)和TH4號(hào)采樣點(diǎn)位于宿州市沱河流域的輸入口和輸出口，其TOC/TN的比值分別為11.30和10.32，其內(nèi)源有機(jī)質(zhì)與外源有機(jī)質(zhì)基本達(dá)到了平衡狀態(tài)，此流域（TH1號(hào)、TH4號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域）中的有機(jī)質(zhì)來(lái)源受到人類活動(dòng)以及外源輸入的影響很小.

圖2 沱河表層沉積物碳氮（C/N）比值

2.3.2 C/P耦合對(duì)沱河表層沉積物的分析

沱河表層沉積物中碳磷（C/P）的比值在11.34～33.97之間波動(dòng)（見(jiàn)圖3），其平均值為18.37.在TH1號(hào)和TH3號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域表層沉積物碳磷（C/P）的比值較低，TH2號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的碳磷（C/P）比值最高.TH2號(hào)采樣點(diǎn)在沱河的中上游，受到人類活動(dòng)的影響較大，且水生動(dòng)植物死亡后，磷可以快速地分解釋放于水體中，而碳的釋放速度則相對(duì)較慢.同時(shí)，表層沉積物中總氮（TN）的含量分布與總磷（TP）的含量分布也無(wú)明顯的規(guī)律性；在TH1號(hào)、TH2號(hào)、TH4號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域碳磷（C/P）的比值要高于碳氮（C/N）的比值，而TH3號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域的碳磷（C/P）比值卻明顯低于碳氮（C/N）比值，這說(shuō)明在沱河流域TH3號(hào)采樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)受到的總氮（TN）的影響小于總磷（TP）.

圖3 沱河表層沉積物碳磷（C/P）比值

3 結(jié)論

（1）宿州市沱河表層沉積物中總氮（TN）的含量在0.733～0.989g/kg，總磷（TP）的含量在 0.380～2.235g/kg，有機(jī)磷（OP）的含量在 0.087～0.117g/kg，總有機(jī)碳（TOC）的含量在9.889～25.341g/kg，其中總磷（TP）的變異系數(shù)最高，達(dá)到了82.21%，屬于高強(qiáng)度的變異類型.

（2）通過(guò)對(duì)碳磷(C/P)、碳氮（C/N）之間相互耦合關(guān)系可知，碳氮（C/N）比值的平均值為18.18，表明營(yíng)養(yǎng)鹽的來(lái)源可能是河流水生生物的輸入和陸源人為的輸入，而在這之中外源人為輸入又占據(jù)了相應(yīng)的主導(dǎo)地位.碳氮（C/N）的比值低于碳磷（C/P）的比值，且總磷（TP）的含量遠(yuǎn)低于總有機(jī)碳（TOC）的含量，表明在沱河的表層沉積物中有機(jī)質(zhì)對(duì)碳磷（C/P）比值的變化趨勢(shì)起到了主導(dǎo)的作用.

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