閩江上游富屯溪表層沉積物營養鹽分布特征及生態風險評價

蘇麗鰻，李青玉，葉宏萌，胡家朋，李云峰，左邦瑞，杜仁鳳

(武夷學院生態與資源工程學院，福建省生態產業綠色技術重點實驗室，福建武夷山 354300)

河流沉積物不僅能反映流域內環境的變遷，同時也是水體碳、氮、磷等營養元素的重要儲存庫。各種來源的營養鹽進入水體后，除部分被水生生物吸收利用和以各種形式存在于水中外，仍有大量營養鹽經過化學、物理及生物化學作用逐漸沉降到水體底部，成為營養鹽最大的匯。另一方面當輸入水體的營養鹽負荷量減少或外界環境因素發生變化時，沉積物中的氮磷可經過礦化和早期成巖作用進入水體再循環，延續水體富營養化，發揮著營養源的作用。氮、磷是水生生物生長的必需元素，但同時也是水體富營養化的限制元素，有機質作為重要的膠體，是反映沉積物有機營養程度的重要標志。因此，研究沉積物營養鹽分布特征及污染情況對掌握水體生態系統狀況有重要指導意義。

近年來，我國學者對水體沉積物進行了大量的研究，如戴紀翠等分析了膠州灣沉積物中氮的地球化學特征和控制因素；朱廣偉等對長江中下游大型湖泊進行研究，發現該區域絕大多數湖泊處于富營養水平；孫文等研究了北運河沙河水庫沉積物氮、磷及有機質的分布特征，并指出點源污染是沙河水庫污染物積累的重要來源；鄭國俠等研究發現南海深海盆沉積物向海水提供氮與磷等營養元素，一定程度上增加了該海域的初級生產力水平。因此，當外源污染物得到有效控制時，內源污染物的釋放成為水體環境潛在生態污染風險。目前，沉積物營養元素分布特征的研究主要集中在水庫、湖泊、海灣、河口等相對寬廣的水域，對鄰近山區上游小流域對比研究較少。河流上游作為源頭，其輸送的營養元素對下游的水質有重要的影響。閩江是福建省最大河流，隨著經濟的快速發展，各種污染源大量輸入水體后，改變了水體營養鹽的結構，對水體生態環境造成很大的影響。富屯溪作為閩江上游三大溪之一，是當地水資源重要的調蓄區和“凈化池”，但因受到流域周邊環境變化的影響，水質由貧營養狀態向中營養化發展。而研究河流表層沉積物污染物污染狀況，能夠較有效地識別和管控河流水環境生態風險。因此，筆者展開對富屯溪流域表層沉積碳、氮、磷的分布特征及相關性進行研究，并評價其污染現狀，探究沉積物中有機質的來源，以期為該流域水污染控制及富營養化治理提供參考依據。

1 材料與方法

富屯溪位于福建省北部，分布于武夷山脈南坡，為閩江上游三大溪之一。流域面積為12 080 km，約占閩江流域面積的22.5%，有西支和北支2條水源，貫穿光澤、寧化、建寧、泰寧、將樂、順昌、邵武、南平8個縣市，全長285 km。該流域地處亞熱帶，是典型的紅壤、黃壤分布區，年均降雨量1 600～2 000 mm，年均徑流量為137億m，年均輸沙量為103萬t，河道平均坡降1.20‰。流域內土地利用以林地和農業用地為主，四周山體以花崗巖組成為主。

2018年8月用DXCN-3821加重型彼得森抓斗式采樣器對富屯溪流域采集18個0～10 cm深度的表層沉積物樣品，其中北支6個(1～6號樣點)、西支10個(7～16號樣點)、主干2個(17～18號樣點)，采樣點分布見圖1。每個采樣點沿著樣線隨機取泥5次，并混勻作為此點樣品，放入聚乙烯塑料袋中密封，運回實驗室。將樣品放在干凈、陰涼通風的實驗臺上自然風干，風干樣品粉碎研磨并過100目尼龍篩，篩下樣保存備用。在采樣調查的過程中，記錄樣點地形地貌條件、土地利用類型、人類活動強度等。

對沉積物樣品的pH、總有機碳(TOC)、總氮(TN)、速效氮(AN)、總磷(TP)和速效磷(AP)含量進行測試。其中pH采用電位計法(土∶水=1∶2.5)，TOC采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，TN采用過硫酸鉀氧化法，AN采用擴散吸收法，TP采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法，AP采用飽和碳酸氫鈉浸提法。每個沉積物樣品均進行3組平行試驗，所得結果的相對偏差小于5%，以保證試驗結果的精度。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites

目前，國內外對沉積物中營養鹽的生態風險評價尚缺乏統一的評價方法和標準，有機指數法和有機氮運用比較廣泛，但它只考慮沉積物碳氮的污染，沒有考慮磷的污染，因此為了更全面地反映富屯溪沉積物的污染狀況，該研究采用有機指數法和有機氮評價富屯溪沉積物碳氮的生態風險，采用單因子污染指數法評價富屯溪沉積物磷的生態風險。

有機指數通常作為評價沉積物環境狀況的指標，有機氮指數則是衡量沉積物受氮污染程度的重要指標，評價標準見表1，計算方法如下：

有機指數=有機碳(%)×有機氮(%)

(1)

有機氮指數=總氮(%)×0.95

(2)

采用單因子污染指數法對磷污染因子的污染狀況進行評價，評價標準見表2，計算方法如下：

=

(3)

式中，為單因子污染指數，為污染因子的實測值；為污染因子的評價標準值。該研究參照加拿大安大略省環境和能源部制定的環境質量評價指南，按照該指南，沉積物中能引起最低級別生態毒性效應的TP濃度為600 mg/kg。

表1 沉積物有機指數與有機氮指數評價標準

表2 沉積物單因子污染指數評價標準

研究區采樣圖采用ArcGIS 10.2繪制，用SPSS 26.0軟件進行相關系數分析，采用Origin 2019b繪圖。

2 結果與分析

從圖2可以看出，富屯溪表層沉積物pH為5.12～6.62，均值為5.86，呈弱酸性，空間分布較均勻。TOC濃度為1.43%～5.06%，平均值為2.19%，最高值出現在北支1號點位，最低值出現在西支15號點位，1號采樣點位于光澤縣城區，人口密度大，點源污染多，生活、工業污水的大量輸入導致河流水質較差，初級生產力增大，經長期沉積導致沉積物中營養元素含量較高。空間分布上，北支TOC平均值略高于西支，兩支流均表現為上游高下游低的趨勢。受人類生活、工農業發展、土地利用及植被分布等影響，TOC含量較高的點位均出現在人類活動頻繁的城村和林地附近的河段。沉積物有機質一般可分為藻類、草本類、木質類、木炭4種類型，通常最穩定的是木質類和木炭，其次是草本類，藻類因易氧化分解而不易保存。富屯溪流域森林覆蓋率高，林地分布廣，植物的碎屑等草本類和木質類來源豐富，通過地表徑流進入水體沉積下來，導致林地附近河段沉積物TOC的含量較高。

富屯溪表層沉積物TN平均濃度為2 472.28 mg/kg，流域內TN分布不均，最高值達4 047.34 mg/kg，最低值則為918.97 mg/kg，分別出現在北支2號點位和6號點位，說明北支受人類活動干擾的程度較大。空間分布上，西支TN的平均值高于北支。速效氮濃度為18.17～121.29 mg/kg，均值為65.12 mg/kg，符合全國第二次土壤普查推薦的土壤速效養分IV級標準(60～90 mg/kg)，屬于較缺乏水平。

富屯溪表層沉積物TP濃度為386.35～988.24 mg/kg，平均濃度為653.10 mg/kg，空間差異較小，北支和西支TP的平均值分別為678.57、639.14 mg/kg，基本持平；與TN相似，TP的最高值和最低值均出現在北支。速效磷濃度為17.37～44.49 mg/kg，均值為33.99 mg/kg，符合全國第二次土壤普查推薦的土壤速效養分Ⅱ級標準(20～40 mg/kg)，屬于豐富水平。TN和TP含量較高的點位均出現在城村和農田密集附近的河段，可能與人類活動(生活、工業污水的排放，農業生產)、降雨量等相關。閩江上游是福建著名的暴雨中心，雨水形成的地表徑流沖刷強度大，富含營養的土壤和巖石碎屑隨著地表徑流進入河流并沉積，造成TN、TP含量增高，這可能是富屯溪沉積物中氮、磷營養鹽的重要來源。

圖2 富屯溪表層沉積物pH和營養元素分布情況Fig.2 Distribution of pH and nutrient elements in surface sediments in Futunxi

加拿大安大略省環境和資源部制定的環境質量評價指南規定，沉積物中能引起最低級別生態毒性效應的TOC、TN和TP濃度分別為1%、550 mg/kg和600 mg/kg。富屯溪所有樣點的TOC和TN值均超出了安全級別，處在最低級別范圍內。而有39%樣點的TP值處在安全級別，61%樣點的TP值處在最低級別，說明富屯溪流域已受到了碳、氮、磷的污染，只是多數底棲生物尚可承受。

從研究區沉積物營養鹽污染評價(圖3)可以看出，全流域有機指數為0.17～1.27，平均值為0.54，其中，有6%樣點屬于較清潔水平，61%樣點屬于尚清潔水平，33%樣點屬于有機污染水平；有機指數最高的樣點位于北支2號點位，高達1.27；整體上，富屯溪表層沉積物有機污染處于尚清潔的狀態。全流域有機氮指數為0.087～0.384，平均值為0.235，達到有機氮污染水平，存在較大的潛在生態風險；其中西支有機氮污染程度最高，100%樣點達到有機氮污染水平，說明沉積物受TN污染較嚴重，對底棲生物群落造成一定的威脅。單因子污染指數評價結果表明，全流域TP單因子污染指數為0.64～1.65，平均值為1.09，總體上屬于中度污染水平，潛在生態風險較小。由此可見，富屯溪表層沉積物受到碳氮磷不同程度的污染，富屯溪作為當地重要水源，應當控制外來污染，尤其是氮的輸入，防止富屯溪沉積物污染程度逐漸加劇，對上覆水造成威脅。有機指數與單因子污染指數最高值均出現北支2號點位，可能是因為2號點位處于光澤縣下游郊區，周邊林地農田較多，并且光澤縣城區排放的污染物在水動力作用下在此沉積，故而營養元素水平較高。

水體沉積物的C/N值在某種程度上反映了有機質來源的差異性。研究表明，湖泊、河流水生植物富含蛋白質而缺乏纖維素，其C/N值通常在4～10；陸地高等植物體內纖維素含量高，蛋白質含量低，其C/N值通常大于20或更高；藻類的C/N值為4～10，浮游動物的C/N值一般小于7。因此可利用C/N值判識沉積物中有機質的輸入源。整體上，富屯溪表層沉積物TOC/TN值在5.59～23.09，平均值為10.12，外源有機質與內源有機質的輸入基本上達到一個平衡的狀態。北支TOC/TN值在5.59～23.09，平均值為13.74，空間差異較大，且外源輸入略占主導；西支TOC/TN值在5.73～9.71，平均值為7.53，空間差異較小，且內源輸入略占主導(圖3)。兩溪流有機質來源存在差異，這一方面可能是因為西支陸源有機物輸入相對較少；另一方面可能是西支流域農田、菜地等耕地面積大，導致含氮污染物在沉積物表層積累，形成表層富集現象，進一步使TOC/TN值降低。

圖3 富屯溪沉積物營養元素生態風險評價Fig.3 Ecological risk assessment of nutrient elements in sediments in Futunxi

C/P值在一定都程度上能夠反映沉積物中有機碳和磷化合物的分解速率。全流域TOC/TP值在20.84～80.14，平均值為33.94(圖4)，均小于Redfild比(C∶N∶P=106∶16∶1)，說明有機碳的分解速率較快，磷化合物分解較慢。空間分布上，北支的TOC/TP值高于西支，北支陸源有機質來源相對較多，且主要來源于陸源纖維束植物碎屑，其不易氧化分解而沉積下來，導致北支TOC/TP值較高。

氮、磷在沉積物溶出、釋放及水中聚集、沉積這2種動態過程可以由表層沉積物中N、P含量及比值反映出來。全流域TN/TP值在1.57～5.75，平均值為3.76(圖4)，小于Redfild比，說明富屯溪流域中磷不是限制水體富營養化的主導因子，且可能主要受陸源輸入的影響。

圖4 富屯溪表層沉積物TOC/TN、TOC/TP、TN/TP值Fig.4 The value of TOC/TN，TOC/TP，TN/TP of surface sediments in Futun River

有研究表明，沉積物中氮的存在形態以有機氮為主，而沉積物磷以無機磷為主，故有機碳與總氮顯著正相關，與總磷不相關，如太湖、江蘇西部湖泊。由表3可知，pH與TOC、TN、TP等相關性并不明顯。TOC、TN和TP之間均存在一定的相關性，其中，TOC與TP、TN均呈正相關，但均達不到顯著相關，說明沉積物中氮、磷的賦存形態比較復雜，氮主要以無機氮為主，磷以無機磷為主。TP與TN、TP與AP分別呈極顯著、顯著正相關，相關系數分別為0.592和0.526，表明氮磷在沉積物積累行為上較為相似，具有一定的同源性，且TP濃度可以較好地指示沉積物速效磷水平。

表3 富屯溪表層沉積物中沉積物營養鹽相關性分析

富屯溪沉積物TOC、TN、TP平均含量與其他河流對比見表4。漳河、潮白河是海河水系重要支流；渭河為黃河一級支流；赤水河為長江上游一級支流；珠江口是珠江的河口灣；建溪、閩江河口為閩江流域；撫河是鄱陽湖水系。在所有對比河流中，富屯溪沉積物TOC和TP含量處于較低水平，其中富屯溪TOC含量高于撫河和赤水河中游，低于潮白河中游、建溪、渭河陜西段、漳河上游，與小清河、閩江河口基本持平；TP含量遠遠低于潮白河中游、小清河，也低于撫河、赤水河中游、閩江河口、渭河陜西段，與建溪、漳河上游基本持平，高于珠江口；富屯溪TN含量在所有對比河流中處于最高水平。因此，與其他河流相比，富屯溪TOC和TP含量較低，TN含量較高。

表4 富屯溪沉積物TOC、TN、TP平均含量與其他河流對比

3 結論

(1)富屯溪流域表層沉積物pH為5.86；速效氮符合全國第二次土壤普查推薦的土壤速效養分IV級標準，屬于較缺乏水平；速效磷符合全國第二次土壤普查推薦的土壤速效養分Ⅱ級標準，屬于豐富水平。TOC、TN和TP的含量分別為1.43%～5.06%、918.97～4 047.34 mg/kg、386.35～988.24 mg/kg，對多數底棲生物處于可承受范圍，不同溪流水平分布有所差異。

(2)整體上，富屯溪表層沉積物有機污染處于尚清潔的狀態，但33%樣點屬于有機污染水平。有機氮達到了有機氮污染水平，存在較大的潛在生態風險。TP屬于中度污染水平，但最高點位達到了重度污染水平，具有潛在生態風險。

(3)富屯溪外源有機質與內源有機質的輸入基本上達到一個平衡的狀態，但北支以外源輸入占優勢，西支以內源輸入為主。TOC與TN、TP均呈弱相關，而TN與TP呈極顯著相關，故氮磷在沉積物積累行為上較為相似，具有一定的同源性，與有機質來源有一定差異。