宿州市沱河表層沉積物營養鹽含量特征分析

張 勇，黃淑玲，傅 靜

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

引言

我國是一個河流眾多的國家，隨著經濟社會的發展，越來越多的工農業廢水進入到河流中，影響了河流的生態環境平衡，同時也對河流區群眾的健康、生活質量造成了困擾，減慢了經濟、社會發展完善的進程.然而表層沉積物是水體中營養鹽的最終聚集地，通過對河流表層沉積物的各項指標的監測分析，可以了解該水體的現狀，并追溯該區域水環境的歷史發展狀況.同時，河流的表層沉積物也是大部分水生底棲生物的主要活動空間和覓食環境，表層沉積物中的營養鹽將會直接、間接地對水體環境以及水生底棲生物產生不同程度的影響，并進一步的影響到其它動植物以及人類，國內外眾多學者在表層沉積物中營養鹽的測定、存在形態、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象，分析其沉積物中營養鹽含量特征，可為河流治理和生態可持續利用提供技術參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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宿東閘、王橋閘、青龍閘、沱河集閘、濠城閘，至樊集處進入沱湖，出沱湖后經新沱河向東流，最終于北店子注入漴潼河（淮河），河道全長為113千米.宿州市內的城區段沱河設立了綠化景觀帶，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，形成生態型自然護岸.沱河綠化景觀帶總長1470米，總面積達到90000平方米，不僅改善了城市環境面貌，同時提升了城市人居環境質量.

1.2 樣品采集與預處理

通過對宿州市沱河進行的實地考察，確定其主要流經方向（西北流向東南）及輸入口、輸出口，依據監測布點設置原則，在沱河城區段沿水流方向設置4個采樣點，依次標記為 TH1、TH2、TH3和 TH4（見圖1）.對于沱河表層沉積物的采集我們使用簡易制作的柱狀采樣器，分別采集各區域采樣點部分河底0～20cm的表層沉積物，將在各個采樣點區域采集到的表層沉積物樣品存放于干凈、密封的袋中，并給它們標上序號.

圖1 沱河采樣點

在表層沉積物樣品的采集結束之后，集中進行預處理：首先，將采集到的表層沉積物樣品置于潔凈桌面上自然風干，待表層沉積物樣品自然風干后再用木棒進行碾壓，挑出樣品中間的碎石和雜草，然后用10目孔徑篩對全部的表層沉積物樣品進行過篩；對過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過研磨后全部通過100目孔徑篩（此處選用銅材質篩網），用于總有機碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)和有機磷（OP）的測定.

1.3 樣品測試方法

對于表層沉積物中各個指標的測定結合了國內外的先進方法：采用歐洲標準測試方法對總磷(TP)的含量進行測定；對總氮(TN)的含量使用KDN型定氮儀進行了測定；采用最為經典的重鉻酸鉀法來進行有機物質(TOC、OP)含量的測定.同時為了確保其最終結果的精確性，測定實驗中將對每個樣品設置平行樣本（2個），取它們的平均值為最終結果.宿州市沱河各采樣點表層沉積物中營養鹽的基本數據統計見表1.

表1 沱河各采樣點表層沉積物營養鹽/mg·kg-1

2 結果與討論

2.1 宿州市沱河表層沉積物中營養鹽總體統計與分析

根據表1中的數據分析可以得知：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、總有機碳（TOC）含量平均值14590.37mg/kg.與其它的研究區域（見表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碳(TOC)含量的平均值，明顯低于其它的研究區域（洪澤湖、烏梁素海、青海湖、扎龍濕地）表層沉積物中的總有機碳（TOC）含量的平均值，表層沉積物中的有機磷（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%（比重較小）.通過對上述數據的總體分析可以得知，沱河表層沉積物中總有機碳（TOC）的含量數值較為正常，總磷（TP）的含量數值較高，有機磷（OP）的含量數值正常，總氮（TN）的含量數值較低.

通過對沱河表層沉積物中各營養鹽變異系數的計算可知：總磷（TP）的變異系數為82.21%，屬于高強度變異；有機磷(OP)的變異系數較高為70.62%（變異系數高于60%為高強度變異）；總氮(TN)的變異系數很低僅為13.36%；而總有機碳（TOC）的變異系數為50.00%，屬于中等強度（30%～60%）的變異.

表2 其它研究區域表層沉積物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養鹽的分布特征

表層沉積物中總氮（TN)的含量較為穩定，在0.733～0.989g/kg之間波動變化，其分布特征表現為：從西北到東南、由輸入口到輸出口方向（TH1號采樣點到TH4號采樣點）總氮含量總體呈現遞增的趨勢.河流的TH2號、TH3號采樣點所在的中部呈現出總氮（TN）含量的兩個相對低值區，其原因是這兩個區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）的含量變動幅度較大（在0.380～2.235g/kg之間），其分布特征表現為：在西北方向到東南方向、由輸入口到輸出口方向沒有明顯的線性關系，在TH2號采樣點流域呈現下降趨勢，在TH3號采樣點流域呈現大幅度的上升并達到整個沱河區域總磷(TP)含量的最高值，最后在TH4號采樣點區域內下降到與TH1號采樣點區域內的總磷（TP）含量相近.

表層沉積物中有機磷（OP）的含量在0.087～0.117g/kg之間變化，同時有機磷（OP）的含量占總磷（TP）含量的比重較小，這說明了沱河表層沉積物中的磷元素主要是以無機磷的形態存在的.其分布特征表現為：由輸入口到輸出口先逐漸上升在TH3號采樣點區域達到最高值，從TH3號采樣點到TH4號采樣點之間再逐漸降低.在TH2號采樣點所在區域有機磷（OP）占總磷（TP）的比重明顯增加，這說明在該區域有機磷(OP)含量有較大的外源輸入，可能與城市生活用水以及農業用水灌排有關.

在整個沱河表層沉積物中總有機碳(TOC）含量的變動幅度較大(9.889～25.341g/kg)，屬于中等強度的變異.將總有機碳（TOC）的含量與總氮（TN）、總磷（TP）以及有機磷（OP）的含量進行對比，總有機碳（TOC）在總量上占有主體地位，其分布特征與有機磷（OP）相似，表現為從輸入口到輸出口總有機碳（TOC）含量先逐漸上升并在TH3號采樣點處達到最高值，再逐漸降低.這表明在TH2號、TH3號采樣點區域內有機物的含量較高.

2.3 沱河表層沉積物營養鹽耦合分析

2.3.1 C/N耦合對沱河表層沉積物的分析

在來源不同的營養鹽中，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判別營養鹽的類型及來源.

一般情況下：當W（C）/W（N）>10時，營養鹽以外源有機質為主；

當W（C）/W（N）<10時，營養鹽以內源有機質為主；

當W（C）/W（N）≈10時，表層沉積物中內源與外源有機質達到了基本平衡[11,12].

通過計算可得：沱河表層沉積物中碳氮（C/N）的比值在10.32～34.54之間（見圖2），其平均值為18.18，表明可能的有機質來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，沉積物以外源有機質的輸入為主.沱河中表層沉積物的碳氮（C/N）比值在TH3號采樣點區域內出現最高值，TH2號、TH3號采樣點區域為碳氮（C/N）比值的相對高值區.TH2號與TH3號采樣點位于宿州市沱河的中段流域，且位于河流交叉匯合處，表層沉積物有機質受到人類活動以及農業用水的影響較大.該區域表層沉積物中總有機碳（TOC）的含量明顯高于總氮（TN）的含量，從而導致了這一區域碳氮（C/N）比值出現了相對的高值區.TH1號和TH4號采樣點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，其內源有機質與外源有機質基本達到了平衡狀態，此流域（TH1號、TH4號采樣點區域）中的有機質來源受到人類活動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（見圖3），其平均值為18.37.在TH1號和TH3號采樣點區域表層沉積物碳磷（C/P）的比值較低，TH2號采樣點區域內的碳磷（C/P）比值最高.TH2號采樣點在沱河的中上游，受到人類活動的影響較大，且水生動植物死亡后，磷可以快速地分解釋放于水體中，而碳的釋放速度則相對較慢.同時，表層沉積物中總氮（TN）的含量分布與總磷（TP）的含量分布也無明顯的規律性；在TH1號、TH2號、TH4號采樣點區域碳磷（C/P）的比值要高于碳氮（C/N）的比值，而TH3號采樣點區域的碳磷（C/P）比值卻明顯低于碳氮（C/N）比值，這說明在沱河流域TH3號采樣點區域內受到的總氮（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，有機磷（OP）的含量在 0.087～0.117g/kg，總有機碳（TOC）的含量在9.889～25.341g/kg，其中總磷（TP）的變異系數最高，達到了82.21%，屬于高強度的變異類型.

（2）通過對碳磷(C/P)、碳氮（C/N）之間相互耦合關系可知，碳氮（C/N）比值的平均值為18.18，表明營養鹽的來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了相應的主導地位.碳氮（C/N）的比值低于碳磷（C/P）的比值，且總磷（TP）的含量遠低于總有機碳（TOC）的含量，表明在沱河的表層沉積物中有機質對碳磷（C/P）比值的變化趨勢起到了主導的作用.

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