海口美舍河沉積物化學性狀時空分布特征

何松 王小燕 薛楊 宿少鋒

摘 ?要：通過2018年4月和9月對海口市美舍河濕地上、中、下游底泥沉積物進行取樣，研究沉積物化學性狀的時空分布特征，并對重金屬污染進行評價，以期為美舍河濕地公園的管理與濕地功能的維持提供科學依據。結果表明：（1）美舍河沉積物整體偏酸性，pH為6.58;4月份下游pH顯著高于中游、上游Ⅰ和上游Ⅱ，而9月份各采樣斷面間無顯著差異;9月份上游Ⅱ的pH顯著高于4月份，增幅為13.0%，而9月份下游pH則顯著低于4月份，降幅為16.6%。（2）4月份下游有機碳（SOC）含量顯著高于其他采樣斷面，9月份上游Ⅰ和下游的SOC顯著高于上游Ⅱ和中游，同時上游Ⅰ在兩次采樣間存在顯著差異，9月份較4月份顯著增加65.4%;（3）全氮（TN）和全磷（TP）含量以及重金屬銅（Cu）、鉛（Pb）和鋅（Zn）含量整體上由上游至下游呈增加的趨勢，其中中游TP含量和下游Cu含量在兩次采樣間存在顯著差異，9月份TP含量較4月份顯著增加76.9%，9月份Cu含量較4月份顯著降低13.0%。（4）相關性分析結果表明，pH與Cu及Zn含量之間存在極顯著正相關關系（P<0.01），SOC、TN及TP含量與各重金屬含量均呈極顯著正相關關系（P<0.01）。綜合分析沉積物的污染系數以及潛在風險發現，美舍河沉積物屬清潔水平、較低潛在風險;同時，美舍河富營養化較輕，總體未受重大污染，具有較優質的環境，底泥符合農用標準;此外，需加強上游的污染源控制。

關鍵詞：美舍河;沉積物;化學性狀;重金屬污染

中圖分類號：X821 ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： By sampling the sediments in the upper， middle and lower reaches of the Meishe River wetland in Haikou City in April and September 2018， the temporal and spatial distribution characteristics of the chemical properties of the sediments were studied， and the heavy metal pollution was evaluated to provide scientific basis for the management and maintenance of wetland functions of Meishe River Wetland Park. The sediment of Meishe River was generally acidic with pH value of 6.58. The pH value of the downstream in April was significantly higher than that in the midstream， upstream I and upstream II， but there was no significant difference among sampling sections in September. The pH of the upstreamⅡin September was significantly higher than that in April， with an increase of 13.0%， while that of the downstream in September was significantly lower than that in April， with a decrease of 16.6%. In April， the content of organic carbon （SOC） in the downstream was significantly higher than that in other sampling sites. In September， the SOC of the upstream I and downstream was significantly higher than that of the upstream II and midstream. At the same time， there was a significant difference in the upstream I between the two sampling time， with a significant increase of 65.4% in September compared with April. The contents of total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP） and heavy metals copper （Cu）， plumbum （Pb） and zinc （Zn） increased from the upstream to downstream. The content of TP in the midstream increased by 76.9% and the Cu contents decreased in the downstream by 13.0% in September compared with April. Correlation analysis showed that there was a significant positive correlation between pH and Cu and Zn contents， and SOC， TN and TP contents were significantly positively correlated with heavy metal contents （P<0.01）. A comprehensive analysis of the pollution coefficient and potential risks of sediments revealed that Meishe River sediments are clean and have low potential risks. In summary， the Meishe River is lighter in eutrophication， generally not subject to major pollution， has a relatively high-quality environment， and has a silt composite agricultural standard. In addition， it is necessary to strengthen upstream water pollution control.

Keywords： Meishe River; sediments; chemical indicators; heavy metal pollution

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.05.039

我國濕地分布廣泛、類型多樣，濕地面積居世界第四[1]。濕地具有極高的生態價值，其擁有豐富的生物多樣性以及巨大的固碳潛力[2]。近年來，濕地的作用和重要性逐漸得到國家和社會各界的關注。沉積物作為濕地生態系統的重要組成部分，為大量生活在水底的生物提供了棲息和繁殖的場所[3]。

隨著現代工業的大力發展，污染物通過大氣沉降、廢水排放等途徑進入水體，最終匯集于沉積物中，沉積物污染已成為全球性的環境問題。對于污染物而言，沉積物具有源和匯的雙重功能，因此水環境質量與沉積物存在著非常密切的關系[4]。同時，沉積物又是流域內土壤侵蝕的“匯”，沉積物中通常蘊含了不同時期侵蝕方式和侵蝕強度的真實信息[5]，所以研究河流沉積物對于評估生態環境質量具有重大意義。底泥沉積物是濕地水環境中重金屬的主要蓄積庫，可反映水體受重金屬污染的狀況[6]。底泥中的重金屬對湖水及水生物均具有持久影響[7]。另外，濕地底泥還是重要的土壤資源，其中含有豐富的營養成分，有利于農作物和蔬菜的生長[8]。因此，全面評價濕地底泥沉積物中的養分等級、重金屬污染程度和風險，對河流底泥的疏浚和后期資源化利用具有重要意義。

近年來，海南通過建立各類濕地保護區和濕地公園等來進行濕地保護工作。然而，由于濕地周邊大部分是農業生產用地、水產養殖地和居民生活區，周邊生產生活水體的流入使得海南濕地公園水體面臨污染的問題[9-10]。本研究以海口美舍河流濕地公園沉積物為研究對象，重點從其化學性質以及重金屬污染風險等方面綜合分析該河流的污染現狀，探討該濕地公園的生態壓力，為濕地公園的管理與濕地功能的維持提供科學依據。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

海口美舍河全長23.86 km，流經龍華、瓊山、美蘭3個區;南起玉龍泉，北至白沙一橋，由玉龍泉沙坡水庫、羊山水庫、美舍河及河道沿岸部分公共綠地、鳳翔公園組成，總面積468.38 hm?，其中濕地率為54.09%。

將美舍河分為上游、中游和下游出海口，在其上游設置2個底泥采樣斷面，分別為沙坡水庫南端（上游Ⅰ）和沙坡水庫東北端（上游Ⅱ），中游（國興橋）和下游出海口（和平橋）分別設置1個采樣斷面，采樣斷面具體位置和特征見表1。分別于2018年4月和9月，采用抓斗式采泥器采集底泥，采樣深度為0～30 cm，每個斷面橫向采集3個點位，作為3次重復。每個點位采集一定量的樣品，將其混勻后，按四分法取出一部分，置于棕色玻璃廣口瓶中，帶回實驗室，經自然晾干，人工壓碎，剔除礫石及動植物殘體，混勻碾磨，過200目篩后，待用。

1.2 ?方法

1.2.1 ?測試指標 ?主要測定底泥沉積物pH、有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）含量以及重金屬元素銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）含量，測試方法參考《土壤農業化學分析方法》[11] 。

底泥沉積物pH采用1∶2.5的土水比浸提-pH計測定;SOC測定采用重鉻酸鉀氧化-還原容量法;TN測定采用H2SO4消煮-凱氏定氮法;TP測定采用鉬銻抗比色法;Cu、Pb、Zn含量測定采用HF-HClO4-HNO3消化-原子吸收分光光度法。

1.2.2 ?重金屬污染評價方法 ?評價方法采用Hakanson提出的潛在風險指數法[12]，評價公式包括：Ci=Si / ，Ei=Ti×Ci，其中：Ci是單一重金屬i的污染系數;Si為底泥沉積物中金屬i的實測含量（mg/kg）; 為參比值（本研究評價參比值選取國家標準允許的最小值，實行最嚴格標準，Cu、Pb、Zn分別為50、70、200 mg/kg）;Ti為單一重金屬i的毒性響應因子（Cu、Pb、Zn分別為5、5、1）[13]。

1.3 ?數據處理

采用Excel軟件對數據進行計算，SPSS軟件對數據進行方差分析以及相關性分析。

2 ?結果與分析

2.1 ?沉積物pH時空分布

由圖1可知，4月份不同采樣斷面的沉積物pH間存在顯著差異（上游Ⅰ和中游間未達顯著差異除外）（P<0.05），表現為下游>中游、上游Ⅰ>上游Ⅱ，與中游、上游Ⅰ和上游Ⅱ相比，下游pH增幅分別為：8.8%、11.0%和26.0%;9月份各采樣斷面沉積物pH間無顯著差異;各斷面沉積物pH在兩次采樣時間間也存在差異，上游Ⅱ的pH在9月份采樣顯著高于4月份，增幅為13.0%，而下游pH則在9月份采樣顯著低于4月份，降幅為16.6%。方差分析顯示，采樣時間、采樣斷面位置以及采樣時間與斷面位置間的交互作用對底泥沉積物pH均有極顯著影響（P<0.01）。以上結果說明，4月份不同斷面間pH變異程度大于9月份，造成該現象的原因可能與周邊人類活動、季節性降雨等因素有較大關系。

2.2 ?沉積物有機碳時空分布

由圖2可知，從底泥沉積物采樣斷面位置來看，有機碳（SOC）含量在4月份表現為下游顯著高于其他斷面（上游Ⅰ、上游Ⅱ、中游3個斷面間差異不顯著），與上游Ⅰ、上游Ⅱ和中游相比，下游增幅分別為57.0%、88.7%和71.4%。SOC含量在9月份則表現為下游和上游Ⅰ顯著高于中游和上游Ⅱ，下游增幅分別為212.5%和361.9%，上游Ⅰ增幅分別為112.7%和226.1%。從兩次采樣時間來看，上游Ⅰ的SOC含量在兩次采樣間差異顯著（P<0.05），9月份顯著高于4月份，增幅為65.4%，而其他采樣斷面SOC含量在兩次采樣間均無顯著差異。方差分析顯示，采樣時間對底泥沉積物的SOC含量無顯著影響，而采樣斷面位置以及采樣時間和斷面位置間的交互作用對底泥沉積物SOC含量均有極顯著影響（P<0.01）。由此可見，底泥沉積物SOC含量受斷面位置的影響較大，而受采樣時間的影響相對較小。

2.3 ?沉積物全氮和全磷時空分布

由圖3可知，底泥沉積物中全氮（TN）和（TP）含量由上游到下游均呈顯著增加的趨勢，表現為下游>中游>上游Ⅰ、上游Ⅱ，其中上游Ⅰ和上游Ⅱ之間差異不顯著;平均來看，與上游Ⅰ、上游Ⅱ和中游相比，4月份下游TN含量增幅分別為202.4%、196.0%和55.7%，9月份增幅分別為246.5%、196.9%和44.2%，4月份下游TP含量增幅分別為374.1%、453.2%和130.0%，9月份增幅分別為533.3%、441.1%和24.3%;從采樣時間來看，兩次采樣的TN差異不顯著，而TP則在中游差異顯著，其中表現為9月份顯著高于4月份，增幅為76.9%。方差分析顯示，采樣時間對TN含量無顯著影響，但對TP有極顯著影響（P< 0.01），采樣斷面位置對TN和TP含量均有極顯著影響，而采樣時間和斷面位置間交互作用對TN含量無顯著影響，但對TP含量有極顯著影響。以上結果說明，底泥沉積物TN和TP含量均具有明顯的由下游到上游的空間分布規律，TP含量在兩次采樣時間上存在較明顯的變異。

2.4 ?沉積物重金屬時空分布及污染指數

2.4.1 ?重金屬含量 ?由圖4可知，各重金屬含量整體上從上游到下游呈由低到高的分布規律。4月份沉積物中Cu含量表現為下游顯著高于上游Ⅰ和上游Ⅱ，增幅分別為13.0%和22.5%，而9月份各斷面間無顯著差異;下游Cu含量在9月份顯著低于4月份，降幅為13.0%，其他采樣斷面在兩次采樣時間間無顯著差異。Pb含量在兩次采樣中均表現為下游顯著高于中游、上游Ⅰ和上游Ⅱ，而中游、上游Ⅰ和上游Ⅱ之間無顯著差異，兩次采樣平均增幅分別為50.8%、52.7%和41.9%，各斷面Pb含量在兩次采樣時間間均無顯著差異。Zn含量與Cu含量分布規律相似，整體上從上游到下游呈顯著增加的趨勢，而上游兩個斷面間無顯著差異，與中游和上游相比，下游平均增幅分別為49.7%和147.6%，各斷面Zn含量在兩次采樣時間間均無顯著差異。方差分析顯示，僅Cu含量受采樣時間顯著影響（P<0.05），各重金屬含量均受采樣斷面位置的極顯著影響（P<0.01），采樣時間和斷面位置間的交互作用對Cu含量無顯著影響。總的來看，底泥沉積物中Cu、Pb和Zn含量主要受到斷面位置的影響，而在采樣時間上的變異較小。

2.4.2 ?污染指數 ?依據Hakanson的方法，采用Ci表征河底沉積物中污染因子，當Ci<1時為清潔，1≤Ci<3時為低污染，3≤Ci<6時為中污染，Ci≥6時為高污染。采用Ei表征河底沉積物中風險因子：Ei<40時為低，40≤Ei<80時為中等，80≤Ei<160時為較高，160≤Ei<320時為高，Ei≥320時為極高。由表2可知，Cu、Pb、Zn的污染因子（Ci）和風險因子（Ei）變化趨勢一致，均表現為下游>中游>上游Ⅰ>上游Ⅱ;而3種重金屬在不同斷面的污染程度不同，上游Cu的污染程度較Pb和Zn高，而下游則以Zn的污染程度較高;從風險性來看，Cu的污染風險性最高，而其次為Pb，風險最低的為Zn。總的來看，3種重金屬在4個采樣斷面的污染因子Ci<1屬于清潔水平，污染風險Ei<40屬較低的潛在風險，符合農用土壤標準。

2.5 ?相關性分析

相關分析表明（表3），pH與SOC、TN和TP含量間無顯著相關性，但與重金屬元素Cu和Zn含量之間存在顯著或極顯著的正相關關系;SOC含量與TN、TP、Pb、Zn含量間存在顯著或極顯著正相關關系。TN含量與TP、Cu、Pb、Zn含量間存在顯著或極顯著正相關關系;Cu含量與Pb、Zn含量間存在顯著正相關關系，而Pb含量與Zn含量間存在極顯著正相關關系。

3 ?討論

3.1 ?美舍河沉積物pH時空分布特征

本研究表明，美舍河流域底泥沉積物的pH變幅為5.70～7.70，平均為6.58，偏酸性，符合農用土壤要求，比馮文等[14]得到的pH為7.0～8.0的結果要低，分析其原因可能受采樣點、采樣時間的影響。pH在上游和下游具有季節性差異，這可能是下游受潮漲潮落影響較大，也可能是土壤母質、岸邊植物和人為因素交互作用形成[15-16]。總的來看，美舍河底泥沉積物的pH符合農用土壤標準，較適宜種植大多數的作物，可以進行資源再利用。

3.2 ?美舍河沉積物化學性質影響因素分析

底泥沉積物中有機碳、全氮和全磷被認為是水體營養的重要指標。本研究表明，有機碳在9月份上游兩個采樣斷面間的變異較大，上游Ⅰ明顯高于上游Ⅱ，而從各營養指標整體來看，從上游至下游呈逐漸增加的趨勢，其中以全氮和全磷的增幅最為明顯。其原因可能是美舍河上游周邊以農用土地為主，其向水體中排放的營養物質較少，進而對水體營養化影響較小，而中、下游則以居民區為主，生活污水的排放造成河流沉積物的營養化較高。從營養成分含量來看，上游和中游的底泥沉積物有機碳含量平均值為27.7 g/kg和23.5 g/kg，達到土壤三級（中等，20～30 g/kg）水平，下游底泥沉積物有機碳含量為47.8 g/kg，達到土壤一級（豐富，>40 g/kg）水平。總的來看，美舍河底泥沉積物的有機碳處于中上等水平[17]。上、中、下游的底泥沉積物全氮含量平均分別為518.5、1068.8、1601.7 mg/kg，全磷含量平均分別為233.6、816.0、1280.5 mg/kg，由此可見，上游總氮、總磷含量均較低，而中、下游主要受一些水生植物、居民生活污水的影響，造成含量較高。另外，本研究通過對營養指標間進行相關性分析發現，有機碳、全氮和全氮間均呈顯著的正相關關系，三者在空間和時間上呈相似的關系，表明其富營養化的程度相近。按全國第二次土壤普查養分分級標準[18]，中、下游全氮含量屬二、三級，比較豐富，上游屬于五至六級，較缺乏。中、下游全磷含量最高達一級，上游平均在五級水平。總體來說，土壤的養分情況中等水平。在底泥利用方面，中、下游的土壤可用于種植作用，而上游的養分含量較低，利用時應該注意補充營養。因此，在美舍河治理過程中，應該將重心集中在水生植物的清理、居民生活污水排放治理等方面。

3.3 ?美舍河沉積物重金屬分析及其風險評價

重金屬污染元素銅、鉛、鋅均未達到污染水平，銅無季節性變化，斷面間差異較小，鉛在下游斷面含量顯著高于上游和中游，季節間無明顯差異，鋅的時空分布特征與鉛相似。3種重金屬污染物在4個采樣斷面的污染風險Ei均遠小于40，并且Cu>Pb>Zn，說明美舍河沉積物中的這3種重金屬的潛在生態危害性都較低，結果與趙志忠等[19]的有所不同，這主要是因為近幾年生態修復工程的大力推進，美舍河沉積物污染有所改善，側面反映出隨著美舍河國家濕地公園建設，對城市中濕地污染治理有了明顯的成效。河流沉積物元素含量的變化主要反映上游來水的質量，以及受人為干擾的強度，當人類排放較多工業與生活廢水進入河流時，沉積物污染元素與營養元素均會顯著上升。當前看，美舍河仍具有較優質的環境，底泥沉積物總體未受重大污染，但顯示有向下游污染的風險，需要維持上游較嚴格的污染控制。主要養分元素含量看，在河流沉積物中仍屬于較低水平，富營養化水平不高。

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責任編輯：沈德發