花津河淺層沉積物粒徑營養元素特征及對水質潛在風險的探究

鄭佳舜，胡鈞銘，苗雨青，吳 昊，楊任翔1,，金曉丹

(1.廣西大學農學院, 南寧 530004；2.廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所, 南寧 530007；3.安徽師范大學地理與旅游學院 流域地表過程與區域響應安徽省重點實驗室, 安徽 蕪湖 241003；4.廣西壯族自治區環境保護科學研究院, 南寧 530022)

0 引 言

內河湖泊在沉積和輸送擾動過程中記錄了豐富的營養與環境信息[1-3]，影響水體沉積物營養的遷移、轉化及河水質量，乃至底泥生物群落結構[4,5]，長期擾動則會使沉積物養分以鹽的形態再次進入水體，引發二次污染[6]。有研究[7]顯示，南水北調東線水源調蓄地和京杭大運河航運路段沉積物影響水體氮元素的富集從而導致水體富營養化。湖泊沉積物定位研究有助于追溯水體富營養化來源，體現淺水湖沉積物營養特征[8]。水體環境受到硫元素的影響，沉積物中還原態硫與重金屬的結合是造成水體黑化的重要原因[9]，水體致臭物質主要是硫的化合物揮發導致[10]，控制水體黑臭污染是城市水體環境治理的重要目標之一。沉積物的環境特性在粒度參數中體現[11]，通過沉積物在不同粒徑下的研究可推斷出沉積物的搬運方式[12]、侵蝕風化作用[13]及其水動力擾動因素[14]。當前，九龍江口[15]、巢湖[16]、太湖[17]等河段的沉積物理化性質受到學者的廣泛關注，長江是中華民族的母親河，長江口水域是中國富營養化較嚴重的水域之一，重視和保護好長江水環境具有重要的歷史意義。

大氣沉降、農業生產及生活用水的排入是造成水體富營養化污染的重要來源[18]。水域長期沉積物營養再釋放也是造成水體潛在污染的重要原因。淺層沉積物與水層比鄰，蓄積底泥中的污染物會直接或間接影響水質和水生動物，充當污染物的“源”和“匯”兩重角色[19]。掌握河床淺層沉積物底泥的性狀，是識別和有效管控河流水體環境風險的重要手段。花津河為長江下游支流青弋江的重要分支和生態保護屏障，有效治理或控制水體營養和環境的污染是當下面臨的重要挑戰。該研究以花津河不同河段淺層沉積物為研究對象，通過對花津河沉積物pH、OM、TC、TN、TH和TS等營養性狀及沉積物粒徑特征，分析其相關性，探求花津河淺層沉積物粒徑、養分等對水體環境潛在污染的影響。研究結果有助于對花津河不同河段沉積物和潛在水質污染程度做出判斷，從河流源頭沉積物性質的角度，為長江支流流經的城市水環境保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗選擇5個具有代表性的點進行采樣，分別記為TS1、TS2、TS3、TS4、TS5。其中，TS1(118.372E、31.287N)處人流量大，附近有人工小樹林，靠岸邊有藻類等水生植被，水周圍環境清潔及時；TS2(118.373E、31.286N)處有水生植物荷花，附近靠河岸處有少量雜草，清潔及時，環境較好；TS3(118.374E、31.284N)路邊種植的柳樹矮小，河水上有少量枯枝落葉；TS4(118.375E、31.279N)人流量極少，植被的枯枝落葉基本無人打理，在附近10 m處有一個垃圾處理場，采集上來的底泥有刺激性臭味；TS5(118.354E、31.293N)位于面臨交通道路，距采樣點10 m處有一個排水口，路邊種植柳樹，河水上有枯枝落葉，人流量、車流量相比最大，水體環境較差(見圖1)。

圖1 研究區河流分布及采樣點位置圖Fig.1 The distribution of river and the location of the sample point

1.2 樣品采集與預處理

使用彼德森采泥器采集0～15 cm表層底泥樣品，隨機在每個采樣點周圍5～10 m處采取3個平行樣，樣品撿除巖屑、侵入體及粗有機物，攤平風干以備用。

研磨原樣土過2 mm(10目)篩，以測定沉積物pH。用粉碎機粉碎部分原樣土，用以測沉積物中養分元素TC、TN、TH、TS。

1.3 分析方法與處理

沉積物pH采用電位法測定，具體步驟為：①用大燒杯裝足量超純水，蓋上保鮮膜，膜上戳洞，放置于電爐上用煮沸法直至水沸騰，制備成無二氧化碳水并冷卻以備用；②用無二氧化碳的水配置3個標準緩沖溶液定容250 mL的容量瓶中，用以矯正pH計；③稱取10 g土樣和標樣于50 mL的燒杯中，加入25 mL的水后攪拌2～3 min，靜置30 min；④將玻璃電極的球泡浸入待測土樣的下部懸濁液中，輕微搖動，將飽和甘汞電極插在上部清液中，待讀數穩定后記錄儀器上的pH。每個樣品測完后立即用超純水沖洗電極，并用干濾紙將水吸干再測定下一個樣品。OM采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，沉積物TOC按OM的平均含碳量58%計，TC、TN、TH、TS使用德國Elementar公司生產的元素分析儀vario MACRO cube測定[20]，沉積物TIC(TIC為總無機碳)含量等于TC減去TOC，沉積物粒徑分級采用英國馬爾文公司生產的激光粒度儀Mastersizer 3 000測定。

粒徑測定的具體步驟為[21]：①稱取少許混勻后的風干土(約2 g)于100 mL燒杯內；②加入10 mL 10%雙氧水去除OM，至不反應后放到砂浴鍋上消煮，消煮時用超純水沖燒杯壁，加10 mL稀鹽酸，去除樣品中碳酸鈣，至不反應后取下燒杯；③冷卻靜置12 h后抽取上清液，在燒杯中加入0.05 mol/L六偏磷酸鈉溶液，用KQ3200DE型數控超聲波清洗器在10 min、30 ℃條件下震蕩分離；④將待測懸濁液放到激光粒度儀中測定。

1.4 數據處理與分析

研究區示意圖采用Arcgis10.2繪制，數據采用SPSS Statistics 19軟件處理，用Pearson法進行不同指標間相關系數分析，LSD法進行多重比較，Duncan法進行多組樣本間差異性分析，采用Microsoft Excel 2010制圖。

2 結果與分析

2.1 花津河淺層沉積物底泥環境特征

淺層沉積物的OM及pH是衡量底泥環境特征的重要指標。表1顯示花津河的沉積物pH為7.5～7.6，TS4、TS5的沉積物pH較低于其他采樣點。TS4的OM相對最高，TS2和TS5的沉積物OM相對較少，TS5的OM在10 m左右受排水口的擾動大。參照國內相關標準[22]，有機碳含量評價標準詳見表2，花津河TOC如表4所示，不同河段沉積物的TOC遠大于Ⅳ級標準，說明花津河有機污染十分嚴重。參照全國第二次土壤普查分級方法[23]，對沉積物養分等級如表3所示，花津河OM在TS2和TS5為中等養分分級狀況，TS1、TS3、TS4屬于豐富養分分級狀況，TS4的OM最接近極豐富養分。TS4河段沉積物OM受到外源輸入的影響，枯枝落葉的不及時打理，其東面10 m處有垃圾處理處均潛在的增加了水體沉積物OM的積累。

表1 采樣點沉積物基本理化特征Tab.1 Basic physicochemical characteristics from the surface sediment in sampling site

表2 水體沉積物有機碳含量評價標準Tab.2 Evaluation criteria of organic-C content in sediments

表3 沉積物的養分分級狀況 g/kgTab.3 The nutrient classification of sediments

表4 沉積物總碳、氮、氫、硫及碳氮比、氫硫比含量Tab.4 The percentage of TC、TN、TH、TS and C/N、H/S in the sediment

2.2 花津河沉積物營養特征

由表4可見：TS3沉積物TC顯著高于其他4個采樣點，僅有TS3的TIC均高于TOC，其他處理中TIC遠低于TOC，T4的TIC最低。沉積物懸浮物在沉降-再懸浮-再沉降的過程中完成碳的循環[24,25]，TS3沒有樹蔭遮擋，河水及沉積物接受光強大，沉積物碳循環過程潛在懸浮能力強；TN在2.13～3.2 g/kg之間，其中，TS3的TN顯著高于其他4個采樣點，花津河沉積物TN的養分處于極為豐富的水平，其C/N在所有樣點中最高，達到了12.23；不同河段花津河中TS3的TH最大，TS5處TC、TN、TH均最少，但TS顯著高于其他采樣點。硫氫化物是影響水體養分含量的潛在指示物，H/S可作為一個衡量沉積物水體環境致臭物質的標準之一[10]。TS5中H/S顯著低于其他位置，且小于2，其他處理中H/S有TS3>TS2>TS1>TS4>2 g/kg。

2.3 花津河沉積物顆粒組成特征

粒度分析是沉積物研究的基本手段之一，花津河沉積物粒度曲線如圖2所示：沉積物的顆粒在同樣的區域內最大值TS1>TS3>TS2>TS4>TS5，顆粒組成是粉粒且粒級在17 μm左右時百分含量最多，粒徑在17～36 μm區域內顆粒數量的變化呈下降趨勢，過程中經過一小段水平變化不大的數值后繼續下降至第一個波。TS5在沉積物顆粒大小接近200 μm時呈現出第二個明顯的波峰，其他4個采樣點的沉積物顆粒含量隨著沉積物的粒徑增大，數量呈波動減少。

圖2 沉積物的顆粒組成Fig.2 The particle of the sediment compostion

沉積物粒度分析數據平均值、偏差、中位數、顆粒累積分布10%的粒徑、顆粒累積分布90%的粒徑概況分別為TS1：12.05、3.66、14.69、2.22 μm、47.30 μm；TS2：12.20、3.89、14.44、1.98 μm、50.04 μm。

花津河的沉積物顆粒組成以美國制土壤粒徑標準分級輸出，即分為黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、砂粒(50～2000 μm)。如圖3所示，花津河沉積物的顆粒組成以粉粒為主，平均含量758.7 g/kg，黏粒含量最少，約92.9 g/kg，砂粒含量148.4 g/kg左右。3個粒級具有不同特點：黏性顆粒的沉積物質地黏結力、吸附能力強，易團聚，持水性強，通透較差；砂粒吸水能力弱、無塑造性、無吸脹性、有效養分低、粒間孔隙大、通透性良好；粉粒的性質特征介于砂粒和黏粒之間，隨沉積物土粒粒徑的減小，土粒的吸濕量和最大吸濕量、持水量和毛管持水量都會相應增加，而沉積物土樣中的同期孔隙度、通氣和透水速度相應減小。

圖3 沉積物顆粒組成含量Fig.3 The content of particle composition in the sediment

花津河不同區域沉積物黏粒含量有一定的特點，TS2(101.9 g/kg)沉積物黏粒含量高于其他采樣點，TS1(827.2 g/kg)的沉積物粉粒含量顯著高于TS5(619.4 g/kg)，TS5的砂粒含量最高，為119.1 g/kg。

2.4 沉積物顆粒組成與營養指標的相關性

由表5看出，OM與TN與TH呈顯著正相關，相關系數均為0.56；TC與TN呈極顯著正相關，與TH與呈顯著正相關，相關系數分別為0.86和0.59；TN與TH呈極顯著正相關，與黏粒含量呈顯著正相關，相關系數分別為0.87和0.54；TH與黏粒呈極顯著正相關，與粉粒含量呈顯著正相關，相關系數為0.71和0.62；TS與粉粒呈顯著負相關；砂粒僅與TS呈正相關，與TH、粉粒含量呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.68和-0.99，與黏粒含量呈顯著負相關，相關系數為-0.6。

表5 不同粒徑變化和營養指標的相關性Tab.5 The relationship between particle size and physicochemical property

3 討 論

3.1 碳、氮、氫、硫及生物活動對水體水質的影響

3.2 沉積物不同粒徑與環境的關系

花津河流經經濟發達、人口密集城市，生活廢水、廢渣的排放可能是造成河流水體環境受污染的重要原因。沉積物顆粒的粗細與河水的沉積作用有關，表層沉積物細小的顆粒物，通過底泥懸浮和水-沉積物界面環境條件擾動改變進入水體[31]。沉積物細顆粒所占的比例越高，其比表面積越大，吸附能力就越強，污染程度一般較高[32]，與前人研究相同，本研究發現TS5的細顆粒占比最小，河流所受的人為污染程度相對較高。在底泥采集的過程中發現TS5的底泥呈深墨綠色，含較少枯枝樹葉，底泥采集上來大多以液體的形式流出，風干后的底泥樣本呈棕黃色，在質地上與其他的樣品相比更加容易碾碎。TS5處于交通要道，附近有排水口，排水口長期蓄水會改變下泄的水沙條件及泥沙輸移特性，造成河床侵蝕，導致表層沉積物的粒度粗化[33]。我國長江中下游的湖泊以淺水湖泊占主導，沉積作用明顯受湖泊地形動力條件的影響，在花津河流域，靠近路邊及河口(TS5)的沉積物顆粒粒徑相對較粗，遠離河岸的沉積物樣品顆粒相對較細。

3.3 粒徑與營養物、污染狀況之間的相關性

花津河淺層沉積物OM通過內源負荷循環構成水體富營養化的潛在驅動因素。砂粒屬于大顆粒，受到OM的影響顯著，這是因為花津河OM的來源分為內源和外源輸入，內源輸入主要是植物的掉落物、浮游植物、底棲生物的初級生產和次級生產的輸入，外源輸入則是通過外接水源補給過程，如地表徑流、地下水等攜帶來的顆粒態和溶解態有機質[34]，而湖泊沉積物OM中的C/N能區分出內外源OM的輸入。TS4河段沉積物OM受到內源輸入的影響，附近有垃圾處理站的污水排放不能得到有效治理，可能是導致其有機質OM最多的原因。城市沉積物中TOC總體上隨著環境多元化增加呈現顯著下降的趨勢，人多密集處對沉積物TOC有下降的趨勢[35]，這與本研究結果一致。花津河沉積物TN與TC、TH呈極顯著正相關，TC與TH呈顯著正相關，TH、TS的相關系數為0.03。水體pH取決了H+濃度，TH影響pH，河流沉積物的pH是衡量水體富營養化的一個環境因子，與水體中物理、化學及生物過程等密切相關，水體富營養化與降雨量有關[36]。花津河處于降雨量較多亞熱帶地區，花津河沉積物長期受過量降雨沖刷形成的地表水鹽分沖洗潛在影響，TH可以作為衡量河流沉積物種磷化氫氣體形成的潛在指示物。磷化氫是一種有毒且易氧化的還原性氣體，從根源上合理控制對水體營養、環境和大氣生態環境污染有一定的治理作用。本研究中TS3的TH相對較多，在水體環境中制造還原條件，沉積物磷化氫的產生和潛在留存有直接、間接的影響[37,38]。

4 結 論

(1)花津河以藻類和水生植物為主，OM遠大于Ⅳ級標準，有機污染嚴重，河流養分狀態屬于中等或豐富水平。水體擾動和外源有機質的輸入會提高城市河流沉積物OM，沉積物高OM對底泥營養與環境存在潛在的環境風險。必要采取有效措施，及時有效的對底泥進行清淤，控制藻類繁殖以緩解水環境二次污染。

(2)H/S是水體營養與環境的重要標準，當H/S>2 ，河水沉積物主要受到外源有機質的影響，比值接近2說明人為擾動越大，當H/S<2，花津河沉積物受到蓄水擾動和交通環境的影響。加強沉積物-河流接觸面、水流表面硫氫化物的研究，跟蹤S以不同形態演化成污染源的過程，對探討沉積物TC、TN、TS和TH對水體富營養化提供指示物強度擬合規律和水體環境的有效管控有重要意義。

(3)內河淺層沉積物營養特征及粒徑性狀可作為水體環境管理的潛在指示物。底泥營養環境與顆粒組成有一定的相關性，花津河底泥顆粒組成以粉粒為主，花津河沉積物粉粒受到TH及砂粒含量的影響較大，砂粒含量主要受到TH的影響，黏粒含量主要受TN、TH的影響。因此，花津河淺層沉積物是引發水體風險的潛在污染物。花津河底泥營養、環境及粒徑特征為判斷花津河不同河段底泥和水質情況，從河流源頭沉積物的研究為長江流域的河流分支在城市水環境治理和保護提供一定理論依據。