成都市錦江底泥氮磷和有機(jī)質(zhì)的分布調(diào)查及特征評價(jià)

摘要：以四川省成都市的錦江作為研究對象，分為5個(gè)研究河段，采用綜合污染指數(shù)法和有機(jī)污染指數(shù)法對營養(yǎng)鹽進(jìn)行污染評價(jià)。結(jié)果表明，錦江底泥呈弱堿性，氮、磷、有機(jī)質(zhì)沿程分布不均勻，中游氮磷污染嚴(yán)重。有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷3者之間存在極顯著的強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，有相似的來源；結(jié)合水質(zhì)狀況，底泥是產(chǎn)生水體碳氮磷污染物的主要內(nèi)源污染物，也是溶解氧的主要消耗者。通過綜合污染指數(shù)及有機(jī)污染指數(shù)法得出，錦江底泥氮磷污染嚴(yán)重，均在中度污染等級及以上。但底泥肥力較高，可考慮將其農(nóng)業(yè)資源化利用。

關(guān)鍵詞：錦江；底泥；有機(jī)質(zhì)；總氮；總磷；特征評價(jià)

基金項(xiàng)目：四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2023YFG0255）

引言

底泥是無機(jī)物和有機(jī)物的重要載體（大量無機(jī)物和有機(jī)物通過富集沉降蓄存其中），也是營養(yǎng)鹽的蓄積庫[1～3]。但大量科學(xué)研究證實(shí)，當(dāng)達(dá)到特定條件時(shí)，底泥會(huì)由于污染釋放而對水體造成二次污染，是水污染的源和匯[4]。因此，量化評價(jià)底泥主要污染物質(zhì)含量（如營養(yǎng)鹽）并對其特征進(jìn)行評價(jià)是河流環(huán)境質(zhì)量評估的重要內(nèi)容，也是底泥綜合利用的理論依據(jù)。

錦江是四川省成都市中心城區(qū)主河道之一，對成都城市經(jīng)濟(jì)文化和社會(huì)發(fā)展具有突出貢獻(xiàn)。20世紀(jì)70年代，由于城市化進(jìn)程的加快[5]，工農(nóng)業(yè)用水急劇增加，導(dǎo)致錦江污染嚴(yán)重。自1992年開始逐步治理，于2016年開展河道河岸、環(huán)境生態(tài)、污水截流等綜合整治工程。從底泥角度開展評估是對治理效果與狀態(tài)評估的重要方面，也是為底泥治理提供資源化利用可能性的重要依據(jù)。

錦江是典型的城市河流，其底泥是河流中各種污染的主要?dú)w屬之一[6]，然而目前的相關(guān)研究主要是針對重金屬[7]和OPEs[8]的評價(jià)，對于底泥營養(yǎng)鹽這個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)污染源的研究較少。因此，本文著重分析錦江底泥營養(yǎng)鹽的分布及特征評價(jià)。

1材料與方法

1.1 樣品采集與處理

以錦江干流為研究對象，采取全線布點(diǎn)方式開展調(diào)查與取樣分析，旨在全面了解水體中的有機(jī)質(zhì)（OM）、氮、磷在底泥中的積累、分布和遷移規(guī)律。2023年1月21日，按照錦江河段不同特征共布設(shè)24個(gè)采樣點(diǎn)，將研究區(qū)段按照水質(zhì)狀況、水文特征及河長管轄段作為劃分依據(jù)沿河流縱向分為5個(gè)河段進(jìn)行比較分析，具體河段劃分見圖1。在污水匯入口、支流匯入處及集中工業(yè)區(qū)或農(nóng)業(yè)區(qū)合理增設(shè)采樣點(diǎn)位，由于河段Ⅳ和河段Ⅴ沿程變化不大，因此布設(shè)長距離點(diǎn)位。每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行3次取樣，所采集的總樣品量為72個(gè)，采樣點(diǎn)位置如圖1所示。用柱狀采泥器采集全柱狀底泥樣品，將所得的樣品密封裝好，并貼上標(biāo)簽，避免日光照射，經(jīng)冷凍干燥、篩檢、研磨、過100目篩后進(jìn)行分析。

1.2 分析指標(biāo)及測定方法

底泥分析涵蓋4個(gè)指標(biāo)，即pH、OM、總氮（TN）、總磷（TP）。參照《土壤 pH值的測定 電位法》（HJ 962-2018）、《土壤全氮測定法（半微量開氏法）》（GB 7173-87）、《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》（HJ 632-2011）、《土壤檢測 第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測定》（NY/T 1121.6-2006）測定pH、OM、TN、TP。

1.3 底泥污染評價(jià)方法

1.3.1 綜合污染指數(shù)法

綜合考慮污染物類型及其分布特征，采用綜合污染指數(shù)法及有機(jī)污染指數(shù)法對錦江底泥中氮、磷、OM進(jìn)行污染評價(jià)。目前國際上尚無統(tǒng)一規(guī)定的綜合污染指數(shù)閾值標(biāo)準(zhǔn)，張榮貴[9]研究中的自貢市城市河道底泥污染評價(jià)選用太湖基準(zhǔn)值，因此本文同樣選取1960年太湖沉積物氮磷背景值為基準(zhǔn)具體分析[10]，綜合污染指數(shù)計(jì)算公式[11]為式（1）、式（2）。

式中 i—TN指標(biāo)或TP指標(biāo)；Si—單項(xiàng)評價(jià)指數(shù)（Si＞1表示該項(xiàng)指標(biāo)含量超過標(biāo)準(zhǔn)值）；Ci—評價(jià)指標(biāo)i的實(shí)測值；Cs—評價(jià)因子i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值[12]（TN的Cs取670 mg/kg，TP的Cs取440 mg/kg）；FF—綜合污染指數(shù)；F—n項(xiàng)污染物污染指數(shù)平均值；Fmax—最大單項(xiàng)污染指數(shù)[13]。

1.3.2 有機(jī)污染指數(shù)法

有機(jī)污染指數(shù)計(jì)算公式為式（3）～（5）。

式中 ON—有機(jī)氮，%；TN—總氮；OC—有機(jī)碳，%；OM—有機(jī)質(zhì)[9]；OI—有機(jī)污染指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Arcgis進(jìn)行采樣點(diǎn)位圖繪制，運(yùn)用Excel、SPSS及Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。

2結(jié)果與分析

2.1 底泥pH、有機(jī)質(zhì)、氮磷空間分布特征

錦江底泥pH介于6.95～8.94之間，平均值為8.03，呈弱堿性。變異系數(shù)為6%，表明錦江底泥pH變化穩(wěn)定，沿河道差異不大，處于弱變異水平，如圖2a所示。

OM含量范圍在6.80～64.80g/kg之間，平均值為23.94g/kg。如圖2b所示，結(jié)合變異系數(shù)57%和OM沿程變化情況可知，錦江底泥OM含量存在明顯的空間差異性，河流中段較為集中，向兩端逐漸減少。經(jīng)分析，與支流匯入及生活污水排放直接相關(guān)。

TN、TP含量變化范圍在148.37～3854.55 mg/kg和620.74～1577.00 mg/kg之間，平均值分別為1152.30 mg/kg和947.23 mg/kg，按照EPA制定的底泥分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各河段的TN平均值可以得出，Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅴ段屬于輕度污染區(qū)，Ⅲ段和Ⅳ段屬于中度污染區(qū)。結(jié)合變異系數(shù)75%可知，錦江底泥中TN存在明顯富集現(xiàn)象，總體表現(xiàn)為從上游到中游逐步遞增，聚集在河流中部，再向下游逐步遞減。

河段Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ各點(diǎn)位底泥TN含量有較小波動(dòng)，主要受點(diǎn)位位置與支流匯入口距離、農(nóng)業(yè)區(qū)以及排污口位置的影響。點(diǎn)位S2、S4附近有污染溝渠匯入，并且沿河大量修建農(nóng)業(yè)葡萄體驗(yàn)園，種植園中的作物營養(yǎng)物質(zhì)隨雨水進(jìn)入河道，因此TN含量增高；點(diǎn)位S20為肖家河匯入點(diǎn)，同時(shí)有翡翠公園西南78m處的城市污水排污口存在；點(diǎn)位S22為江安河匯入地，因此TN含量上升；點(diǎn)位S5、S6、S7的TN含量下降，印證了溝渠匯入可能帶來稀釋作用。河段Ⅲ各點(diǎn)位底泥TN含量存在明顯波動(dòng)，在S14點(diǎn)位顯著聚集，達(dá)到最高值3854.55 mg/kg，屬于重度污染，如圖2c所示。河段Ⅲ支流匯入情況較多，有錦江重要支流南河、沙河、小沙河及小溝渠匯入，并且地處市中心，有大量居民住宅區(qū)，人群密度大，導(dǎo)致生產(chǎn)生活污水大量排放。TN突增點(diǎn)點(diǎn)位S14和S16正處于南河與錦江的匯入口。按照EPA制定的底泥分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各河段的TP平均值得出，各河段TP含量均大于650 mg/kg，屬于重度污染區(qū)。如圖2d所示，結(jié)合變異系數(shù)24%和TP沿程變化情況可知，錦江全流域底泥磷含量豐富，相較于氮而言空間差異性較小。

2.2 有機(jī)質(zhì)、氮磷相關(guān)性及來源分析

基于Pearson相關(guān)性分析，對底泥中OM、氮、磷這3種營養(yǎng)鹽含量進(jìn)行定量相關(guān)分析。由計(jì)算結(jié)果可知，OM、氮、磷之間均存在極顯著的強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，其中OM與TN的相關(guān)系性系數(shù)（r）為0.970，檢驗(yàn)值（P）＜0.01；OM與TP的r為0.934，P＜0.01；TP與TN的r為0.942，P＜0.01。因此，OM、TN、TP這3者顯著相關(guān)，均在S14～S17點(diǎn)位明顯富集，表明有相似的來源。S14～S17點(diǎn)位地處市中心及交通樞紐地帶，人口密集，老舊小區(qū)較多，污水處理設(shè)施薄弱，污水處理率沒有同步跟上[14～16]，導(dǎo)致污水直接排入河流，因此推測受人為影響較大。

OM、TN、TP這3者相關(guān)性系數(shù)（r）接近于1，底泥采樣點(diǎn)位S1、S6、S9、S10、S15、S16、S18、S23、S24與水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位重合，因此結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。如表1所示，溶解氧與底泥營養(yǎng)鹽呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)溶解氧含量較高時(shí)，會(huì)促進(jìn)底泥微生物及底棲生物（包括蠕蟲、水生昆蟲等）的滋生[17]，加速對營養(yǎng)鹽的分解；底泥OM、TN、TP與水質(zhì)BOD5、TP-H2O、氨氮呈正相關(guān)，表明底泥與水體中碳氮磷類污染物同源，以外源輸入為主。由此看來，底泥是導(dǎo)致水體有機(jī)污染的主要內(nèi)源污染物，也是溶解氧的主要消耗者[18]。

2.3 底泥污染狀況評價(jià)

2.3.1 綜合污染指數(shù)（FF）評價(jià)法

從單因素污染評價(jià)指數(shù)看，錦江各河段底泥TN污染嚴(yán)重程度為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅰ段＞Ⅱ段＞Ⅴ段，其中河段Ⅲ屬于重度污染區(qū)，Ⅱ段和Ⅴ段屬于清潔級別；全河段的STP均大于1.50，屬于重度污染區(qū)，排序?yàn)棰蠖危劲舳危劲醵危劲穸危劲蚨?。分析表明，錦江底泥磷污染非常嚴(yán)重，且不同采樣點(diǎn)之間及不同河段沉積物的TN、TP存在差異。

綜合污染指數(shù)（FF）評價(jià)表明，錦江各河段底泥均達(dá)到污染水平，其中Ⅲ段和Ⅳ段屬于重度污染，污染嚴(yán)重程度依次為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅰ段＞Ⅴ段＞Ⅱ段，如圖3所示。這說明，錦江底泥營養(yǎng)鹽豐富，氮磷污染嚴(yán)重，水體有富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2 有機(jī)污染指數(shù)（OI）評價(jià)法

錦江各河段底泥有機(jī)污染分布情況為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅰ段＞Ⅱ段＞Ⅴ段，如圖4所示。河段Ⅲ屬有一定污染區(qū)，河段Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ?qū)佥^清潔區(qū)，河段Ⅴ屬清潔區(qū)。

從污染狀況評價(jià)來看，河段Ⅲ整體污染情況較其他河段嚴(yán)重。河段Ⅲ地處市中心，臨近有許多大型社區(qū)，流經(jīng)人口最為密集的區(qū)域，因此易受外源污染，如生產(chǎn)生活廢水、生活垃圾、廚余垃圾等，說明人類活動(dòng)對水環(huán)境的影響是不容忽視的[19]。另外，河段Ⅲ上游有南河在合江亭處匯入，經(jīng)過長時(shí)間的污染物的沉積聚集，加重了底泥營養(yǎng)鹽的富集。

將錦江有機(jī)污染狀況與其他城市市區(qū)受污染水體進(jìn)行比較，如與巢湖南淝河河口[20]、北京中壩河[21]、杭州城區(qū)河流[22]相比，錦江底泥OM含量相對更高，氮磷含量相對較低，整體水平相當(dāng)；與云南玉溪大河[23]及南通市區(qū)河流[24]相比，錦江底泥OM含量相當(dāng)，氮磷含量更低，整體有機(jī)污染水平較低?？傮w來看，錦江底泥相較于其他城市河流OM污染嚴(yán)重，氮磷污染相對較輕。

3 討論

結(jié)合上述分析成果可知，若將錦江底泥進(jìn)行農(nóng)業(yè)資源化利用，pH是一個(gè)重要的參數(shù)，它既影響底泥肥力水平，又影響土壤中微生物的遷移轉(zhuǎn)化，還對植物生長及有效性造成一定影響[25]。錦江底泥呈弱堿性，適合大多數(shù)植物生長，且OM、氮磷都是植物重要的營養(yǎng)組分，可以改變土壤物理化學(xué)性質(zhì)，提高持水量，也是土壤肥力的象征。錦江底泥中OM、TN、TP平均含量分別為23.94g/kg、1152.30mg/kg、947.23 mg/kg。參照《中國土壤普查技術(shù)》中的養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，錦江底泥中的OM和TN為三級標(biāo)準(zhǔn)、TP為二級標(biāo)準(zhǔn)，說明錦江底泥中OM及TN養(yǎng)分含量處于中上等水平，且擁有上等水平的磷肥力[21]。因此，錦江底泥具有較好的保肥蓄水能力及氮磷供應(yīng)水平。另外，底泥是流失的土壤經(jīng)河道富集的再沉積，水化學(xué)過程影響下不僅可促進(jìn)養(yǎng)分的釋放，還會(huì)引起粘土礦物結(jié)構(gòu)的多樣化，更有利于微生物的生存[26]，若無重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，可考慮用底泥進(jìn)行土地改良，讓錦江底泥在土壤生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)利用中發(fā)揮作用。

結(jié)論

錦江底泥呈弱堿性，OM、氮空間分布不均勻，磷污染嚴(yán)重，且底泥中的OM、TN、 TP含 量范圍分別為6.80～64.80g/kg、148.37～3854.55mg/kg、620.74～1577.00mg/kg；

OM和TN空間變化趨勢為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅰ段＞Ⅱ段＞Ⅴ段；TP空間變化趨勢為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅴ段＞Ⅰ段＞Ⅱ段。相關(guān)性分析顯示，底泥中的OM、氮、磷之間均存在極顯著的強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，OM、TN、TP在河段Ⅲ的整體含量均為最多，且在S14點(diǎn)位處達(dá)到局部最大值，說明OM和氮磷具有很高的同步性，受人類活動(dòng)影響顯著。

綜合污染指數(shù)（FF）及有機(jī)污染指數(shù)（OI）評價(jià)法顯示，錦江底泥氮磷污染嚴(yán)重，均在中度污染等級及以上；河段Ⅲ屬有一定污染區(qū)，河段Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ?qū)佥^清潔區(qū)，河段Ⅴ屬清潔區(qū)。但錦江底泥肥力較高，可考慮進(jìn)行合理的土地利用。

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作者簡介

黎藐韓（1999—），女，漢族，重慶人，碩士，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水利。

通信作者

孫海龍（1976—），男，漢族，黑龍江海林人，博士，教授，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)與環(huán)境水利。