永定河懷來段沉積物營(yíng)養(yǎng)元素分布特征及評(píng)價(jià)

劉 晶，趙建國(guó)*，姜甜甜，李洪波，田在鋒

（1. 河北省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院 綠色發(fā)展研究所，河北 石家莊 050000；2. 河北省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院 水環(huán)境科學(xué)研究所，河北 石家莊 050000）

河道底泥是河道生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要環(huán)節(jié)。底泥中的污染物濃度可反映河流的受污染程度，對(duì)分析河流水體富營(yíng)養(yǎng)化程度起到重要參考作用[1]。沉積物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起到“源”和“匯”的作用，既是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存器又是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放器。研究表明，外源輸入時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)富集到沉積物中；外源輸入得到控制的情況下，沉積物中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過界面特性的改變或形態(tài)變化而釋放，發(fā)揮面源污染的作用，進(jìn)而加劇水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度[2-4]。目前，國(guó)內(nèi)外尚未對(duì)河道環(huán)境質(zhì)量的評(píng)估建立健全指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，大多參考加拿大安大略省環(huán)境和能源部制定的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指南標(biāo)準(zhǔn)中的安全級(jí)的營(yíng)養(yǎng)水平，但不同河段底泥質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在多樣性和差異性。因此，因地制宜地劃分底泥功能區(qū)、目標(biāo)控制單元將會(huì)是底泥污染研究的一種趨勢(shì)。

永定河水系為我國(guó)北方典型的缺水型河流，位于壩下低中山盆地農(nóng)牧業(yè)交錯(cuò)帶，屬于海河流域。桑干河與洋河在張家口懷來縣朱官屯匯合后形成永定河，永定河全長(zhǎng)30 km，平均河寬6～8 m，永定河懷來段位于永定河水系最下游，河流經(jīng)八號(hào)橋國(guó)控?cái)嗝妫M(jìn)入官廳水庫[5]。目前，有關(guān)河流底泥污染的研究較多，但對(duì)永定河沉積物的相關(guān)研究較少。本研究針對(duì)永定河懷來段底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)闡述、研究與分析，揭示底泥污染空間分布特征，評(píng)價(jià)其污染水平，為永定河流域富營(yíng)養(yǎng)化治理提供參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究區(qū)域

永定河懷來段一級(jí)支流東沙河，匯集了懷來京西潔源污水處理廠排放的全部污水，是永定河懷來段污染的重要來源之一。二級(jí)支流為農(nóng)業(yè)灌渠三道溝，又為洋河支流，主要為雞鳴驛揚(yáng)水站下游的農(nóng)田退水；三道溝部分水體流入東沙河，其余部分水體流經(jīng)廢棄?mèng)~塘進(jìn)入天然濕地。

1.2 樣品采集

對(duì)永定河懷來段河流進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，綜合考慮河流支干流分布狀況，在河流中泓線處設(shè)置采樣點(diǎn)，并且保證采樣點(diǎn)未被疏浚過，確保所取底泥樣品具有良好的代表性和典型性。沿河流方向4 m的長(zhǎng)度范圍內(nèi)用DXCN-3821加重型彼得森抓斗式采樣器隨機(jī)采集8處0～5 cm深度的表層沉積物，混合為一個(gè)樣品，共采集14個(gè)樣品，分布情況見圖1。其中桑干河和洋河匯合前各設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)（HL1和HL2），永定河干流設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)（HL3、HL13和HL14），東沙河設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)（HL11和HL12），三道溝設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)（HL4、HL9和HL10），魚塘設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)（HL5和HL6），天然濕地設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)（HL7和 HL8）。

圖1 永定河懷來段采樣點(diǎn)位置

1.3 樣品處理與測(cè)試

將沉積物樣品中的動(dòng)植物殘?bào)w、石塊剔除，裝入聚乙烯袋密封、標(biāo)記、運(yùn)回，在樣品室陰涼、通風(fēng)干燥后，進(jìn)一步挑出雜物，使用四分法選取一定量的沉積物樣品于研缽中研磨，過100目篩，樣品備用。

針對(duì)表層沉積物營(yíng)養(yǎng)元素的研究選取總有機(jī)碳（TOC）、總磷（TP）、總氮（TN） 等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析，沉積物TP采用《堿熔-鉬銻抗分光光度法》 （HJ 632—2011） 測(cè)定，TN采用《土壤質(zhì)量全氮的測(cè)定凱氏法》（HJ 717—2014）測(cè)定，TOC采用總有機(jī)碳分析儀（島津TOC-L CPH，日本） 測(cè)定。樣品測(cè)定時(shí)，進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差小于5%，取3次實(shí)驗(yàn)平均值為實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果。

1.4 底泥評(píng)價(jià)方法

1.4.1 底泥有機(jī)污染評(píng)價(jià)法

采用有機(jī)氮和有機(jī)指數(shù)對(duì)永定河懷來段底泥有機(jī)污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。有機(jī)指數(shù)法用來評(píng)價(jià)水域沉積物的環(huán)境狀況，有機(jī)氮?jiǎng)t是衡量河流湖泊表層沉積物氮污染情況的重要指標(biāo)。計(jì)算方法見式（1） ～（2）[6-7]， 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 沉積物有機(jī)氮、有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.4.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

鑒于目前我國(guó)沒有對(duì)河流沉積物TP、TN、TOC等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的國(guó)標(biāo)和方法，參考加拿大安大略省環(huán)境和能源部（1992年） 制定的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指南標(biāo)準(zhǔn)中的安全級(jí)的營(yíng)養(yǎng)水平：TOC、TN、TP 濃度限值分別為10 000 mg/kg、550 mg/kg和600 mg/kg[8-11]，采用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)[12]，這個(gè)方法簡(jiǎn)明直觀，已為國(guó)內(nèi)多個(gè)研究所采用。

單因子污染指數(shù)：

式中：Pi——單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Ci——評(píng)價(jià)因子i的實(shí)測(cè)值；Cs——評(píng)價(jià)因子i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

一般按照指數(shù)值Pi的大小將評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果分為四級(jí)，見表2：

表2 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

內(nèi)梅羅污染指數(shù)：

式中：PN——內(nèi)梅羅污染指數(shù)；Pi均和Pi最大分別為平均單項(xiàng)污染指數(shù)和最大單向污染指數(shù)，內(nèi)羅梅評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 營(yíng)養(yǎng)元素含量分布特征

上覆水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量過高會(huì)使底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加，底泥起到“匯”的作用；底泥污染物濃度過高會(huì)使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)釋放到上覆水，河流沉積物會(huì)起到“源”的作用。適量的碳氮磷比有利于微生物，包括藻類在內(nèi)的水生植物的生長(zhǎng)繁殖。河流底泥中的有機(jī)質(zhì)影響著氮、磷和重金屬等污染物的吸附和釋放，對(duì)河流水質(zhì)有著重要的影響[13]；氮作為最主要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，氨氮、硝酸鹽氮可直接被初級(jí)生產(chǎn)者吸收，同化成為自身所需物質(zhì)，同時(shí)也是氮素遷移轉(zhuǎn)化的主要形態(tài)；磷是永定河懷來段的限制因子，沉積到底泥是河流磷素的主要儲(chǔ)存形式，人為干擾會(huì)影響磷釋放和吸附的動(dòng)態(tài)平衡過程[14]。

永定河懷來段干流、東沙河、三道溝、廢棄?mèng)~塘和天然濕地沉積物營(yíng)養(yǎng)元素的含量如圖2所示，表層沉積物TP、TN和TOC含量范圍分別為 159.03～287.35 mg/kg、 214.72～833.60 mg/kg和 291.49～2 430.75 mg/kg， 平均值分別為206.40 mg/kg、 525.59 mg/kg 和 1 135.70 mg/kg。從各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TOC平均值的分布情況看：干流（洋河、桑干河） ＜東沙河＜廢棄?mèng)~塘及天然濕地＜三道溝，桑干河＜洋河，魚塘＜天然濕地；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TN、TP分布情況相同：洋河＜桑干河，干流（洋河、桑干河） ＜天然濕地，魚塘＜天然濕地干流（洋河、桑干河） ＜東沙河。天然濕地起到“匯”的作用，富集營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以沉積物TN、TP的含量最高。魚塘由于長(zhǎng)久的人為干擾的累積作用，TOC濃度最高。東沙河收納污水處理廠出水，河流底泥吸附大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，表層沉積物TOC、TN和TP含量高于永定河懷來段干流沉積物。桑干河上游是典型的農(nóng)業(yè)灌溉河流，沉積物TN、TP含量高于洋河沉積物。三道溝HL9的表層沉積物TOC、TN和TP明顯高于HL4，且兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間沒有點(diǎn)源污染，說明兩個(gè)斷面之間的農(nóng)業(yè)面源污染異常嚴(yán)重；HL10顯著高于HL9，是由于附近村莊少量農(nóng)村生活污水直排到三道溝。結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)村生活污水直排對(duì)東沙河、永定河干流表層沉積物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度產(chǎn)生了較大影響。

圖2 永定河懷來段表層沉積物中TOC、TN和TP含量分布

2.2 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比值

沉積物中有機(jī)質(zhì)的來源不同，碳氮比（TOC/TN） 會(huì)有明顯的差異，因此常用C/N值在某種程度上判斷有機(jī)質(zhì)的類型及來源。研究表明，當(dāng)C/N>10時(shí)，以外源有機(jī)質(zhì)為主；當(dāng)C/N<10時(shí)，以內(nèi)源有機(jī)質(zhì)為主；C/N≈10時(shí)，河流底泥沉積物中內(nèi)源與外源有機(jī)質(zhì)達(dá)到基本平衡[6]。從圖3可知，永定河懷來段表層沉積物C/N在0.74～4.55之間波動(dòng)，均小于10，平均值為2.10，表明沉積物有機(jī)質(zhì)以內(nèi)源輸入為主，可能是過去長(zhǎng)期外源輸入使沉積物積累的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較高或沉積物環(huán)境本底值較高。同時(shí)研究表明，C/N<10[15]時(shí)，永定河懷來段的有機(jī)質(zhì)主要來源于水生植物的腐敗。

永定河懷來段表層沉積物氮磷比（TN/TP）為 0.75～4.87， 平均值為 2.69， 遠(yuǎn)小于 Redfield比 （C∶N∶P=106∶16∶1）[6]， 說明磷主要源于周邊環(huán)境外源的輸入。結(jié)合采樣點(diǎn)周邊分析，磷的來源可能是農(nóng)村生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染。

2.3 底泥富營(yíng)養(yǎng)化程度的評(píng)價(jià)

由圖4可知，永定河懷來段有機(jī)氮范圍為0.020%～0.079%，平均值為0.050%，為較清潔II類；干流有機(jī)氮范圍為0.020%～0.039%，平均值為0.030%，為清潔I類。從有機(jī)指數(shù)來看，永定河懷來段有機(jī)指數(shù)范圍為0.000 3～0.018 4，平均值為0.006 8，為清潔I類。有機(jī)氮和有機(jī)指數(shù)的空間分布特征相似：永定河干流、洋河、永定河有機(jī)指數(shù)相對(duì)較低，支流東沙河、三道溝、魚塘、天然濕地區(qū)域相對(duì)較高，說明主要用于農(nóng)業(yè)灌溉接納農(nóng)田退水的三道溝、接納污水處理廠尾水的東沙河、人工魚塘和枯落物累積的天然濕地等水體沉積物的有機(jī)污染指數(shù)較高；三道溝HL9明顯高于HL4，且兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間沒有排污口，說明兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間的農(nóng)業(yè)面源污染異常嚴(yán)重；HL10顯著高于HL9，是由于附近村莊少量農(nóng)村生活污水直排到三道溝；東沙河HL12明顯高于HL11，是由于三道溝農(nóng)田退水進(jìn)入東沙河；HL12明顯高于HL3同樣是東沙河水進(jìn)入永定河干流所致；而HL14小于HL13是因?yàn)閮杀O(jiān)測(cè)點(diǎn)之間河流無點(diǎn)源污染進(jìn)入，無水河道農(nóng)作物較少，水流較快，污染物擴(kuò)散稀釋后沉積較少。

圖3 永定河懷來段表層沉積物TOC/TN、TN/TP

圖4 永定河懷來段底泥有機(jī)氮和有機(jī)指數(shù)分布

2.4 沉積物營(yíng)養(yǎng)元素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由圖5可知，永定河懷來段內(nèi)羅梅污染指數(shù)范圍是0.342～1.181，大部分點(diǎn)位達(dá)到尚清潔及以下，天然濕地HL7和HL8、三道溝HL10、東沙河HL11和HL12達(dá)到輕度污染；TN污染指數(shù)范圍是0.390～1.516，各采樣點(diǎn)均達(dá)到I類清潔和II類輕度污染，其中魚塘HL5和HL6、人工濕地HL7和HL8、東沙河HL11和HL12和三道溝HL10為II類輕度污染，其余均為I類清潔；TP污染指數(shù)范圍是0.249～0.479，各采樣點(diǎn)和監(jiān)測(cè)斷面均達(dá)到I類清潔；TOC污染指數(shù)范圍是0.018～0.243，各采樣點(diǎn)和監(jiān)測(cè)斷面均達(dá)到I類清潔。河流沉積物TOC、TP濃度均低于加拿大環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中安全級(jí)的濃度，即不會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生中毒效應(yīng)。TN污染指數(shù)與上文有機(jī)氮污染空間分布相似。整體而言，表層沉積物營(yíng)養(yǎng)元素分布中TN的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，TOC、TP的風(fēng)險(xiǎn)較低。

3 結(jié)論

（1） 永定河懷來段表層沉積物TP、TN和TOC含量范圍分別為159.03～287.35 mg/kg、214.72～833.60 mg/kg 和 291.49～2 430.75 mg/kg。 東沙河表層沉積物TOC、TN和TP含量高于永定河懷來段干流沉積物，可能是由于收納污水處理廠出水，河流底泥吸附大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)村生活污水直排對(duì)永定河懷來段表層沉積物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度產(chǎn)生較大影響。

圖5 永定河懷來段表層沉積物營(yíng)養(yǎng)元素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

（2） 永定河懷來段表層沉積物C/N在0.74～4.55之間，沉積物有機(jī)質(zhì)以內(nèi)源輸入為主，主要來源于水生植物的成分；永定河懷來段表層沉積物氮磷比（TN/TP） 為0.75～4.87，磷主要源于周邊環(huán)境外源的輸入。

（3） 永定河懷來段有機(jī)氮平均值為0.050%，為較清潔II類；干流有機(jī)氮平均值為0.030%，為清潔I類。有機(jī)指數(shù)平均值為0.0068，為清潔I類。有機(jī)氮和有機(jī)指數(shù)的空間分布特征相似：永定河干流、洋河、永定河有機(jī)指數(shù)相對(duì)較低，支流東沙河、三道溝、魚塘、天然濕地區(qū)域相對(duì)較高。用于農(nóng)業(yè)灌溉接納農(nóng)田退水的三道溝、接納污水處理廠尾水的東沙河、人工魚塘和枯落物累積的天然濕地等水體沉積物的有機(jī)污染指數(shù)較高。

（4） 永定河懷來段內(nèi)羅梅污染指數(shù)范圍是0.342～1.181，部分污染等級(jí)為輕度污染。河流沉積物TOC、TP濃度均低于加拿大環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中安全級(jí)的濃度，不會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生中毒效應(yīng)。TN污染指數(shù)與有機(jī)氮污染空間分布相似。整體而言，表層沉積物營(yíng)養(yǎng)元素分布中TN的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，TOC、TP的風(fēng)險(xiǎn)較低。