天津月牙河沉積物營養(yǎng)鹽和重金屬濃度水平及生態(tài)風(fēng)險評價

摘 要：為了掌握區(qū)域沉積物的環(huán)境風(fēng)險水平，對環(huán)境風(fēng)險管理提供技術(shù)依據(jù)，以津南區(qū)月牙河為研究對象，采集表層和下層沉積物樣品共計22個，測定了有機(jī)質(zhì)含量、總氮、總磷、砷、銅、鎳、汞、鉛、鎘、鉻、鋅等指標(biāo)含量，運(yùn)用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法和有機(jī)污染指數(shù)法分析了沉積物中營養(yǎng)鹽及重金屬的風(fēng)險水平。結(jié)果表明：各指標(biāo)含量的空間差異較明顯。單因子評價結(jié)果顯示表層樣品：鋅＞總磷＞總氮=銅=鎳=鉛=鎘=鉛＞砷；下層樣品中，除總磷和鋅指標(biāo)達(dá)到輕度污染水平外，其余指標(biāo)均為清潔。內(nèi)梅羅綜合評價結(jié)果顯示，表層樣品中各指標(biāo)污染程度不同，總氮=總磷=銅=鎳=鎘=鋅＞鉻＞砷=鉛。各指標(biāo)的RI均屬于低風(fēng)險，但表層樣品存在顯著空間差異，而下層樣品RI差異較小。有機(jī)污染指數(shù)均遠(yuǎn)低于評價標(biāo)準(zhǔn)0.5%，屬于“清潔”水平。

關(guān)鍵詞：沉積物；重金屬；總氮；總磷；生態(tài)風(fēng)險

中圖分類號：X82文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-9655（2024）01-00-05

0 引言

重金屬往往具有毒性大、不可降解且積累性強(qiáng)等特點，進(jìn)入地表水體的重金屬會被懸浮物或底泥吸附，并通過食物鏈放大，從而對生態(tài)系統(tǒng)造成生態(tài)風(fēng)險[1]。沉積物中的碳、氮、磷等污染物是指示營養(yǎng)鹽水平的有效指標(biāo)，直接反映了水體的污染狀況[2]。對水體沉積物中營養(yǎng)鹽和重金屬進(jìn)行風(fēng)險評價，是了解水體污染狀況的有效手段，可以為管理部門提供決策依據(jù)[3]。當(dāng)前，我國水體沉積物污染物風(fēng)險評價所涉及的水體主要有河流、湖泊、海洋及水庫等。海河水系是我國華北地區(qū)的最大水系，中國七大河流之一，上游包括五大支流即潮白河、永定河、大清河、子牙河、南運(yùn)河。由于海河流域為我國政治文化中心所在地，在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，很多學(xué)者對其水體沉積物中重金屬污染進(jìn)行了研究，主要圍繞海河流域中部[4]、海河水系[5]、獨流減河[6]和月牙河[7]等，但對于海河流域小河道中沉積物的有關(guān)研究較少。

近些年，圍繞水體沉積物的污染評價方法主要包括單因子污染指數(shù)法[3，8，9]、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[3，5，6，8，9]和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法等[1，3，5，8，9]等。前兩個方法是基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的沉積物環(huán)境質(zhì)量評價；潛在生態(tài)危害指數(shù)法在評價重金屬的生態(tài)風(fēng)險時，能同時兼顧污染物濃度和毒理水平；有機(jī)污染指數(shù)法則可以反映沉積物中氮、磷、碳的風(fēng)險水平，因此，得到了廣泛應(yīng)用[1，3，5，8，9]。因此，選取單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法和有機(jī)污染指數(shù)法對月牙河沉積物中營養(yǎng)鹽和重金屬進(jìn)行風(fēng)險評價，旨在為區(qū)域環(huán)境風(fēng)險管控和污染治理提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

月牙河位于天津市津南區(qū)，全長約16 km，北起海河，南至馬廠減河，流經(jīng)咸水沽、北閘口、小站三鎮(zhèn)，是津南區(qū)主要排瀝河道，也是重要的蓄水工程。2005年對全河段河道進(jìn)行清淤和部分堤段護(hù)砌。

1.2 樣品采集與處理

1.2.1 樣品采集

考慮河流分布情況，在整個河段設(shè)置11個采樣點，相對均勻地分布于河流內(nèi)。利用抓斗式采泥器采集河道沉積物，用聚乙烯塑料袋封裝好并貼好標(biāo)簽保存于保溫箱，快速帶回實驗室。

1.2.2 樣品處理

樣品經(jīng)自然風(fēng)干，剔除雜物，研磨過篩后保存。沉積物樣品測定執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，其中，Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定，As含量采用原子熒光法測定，總磷采用分光光度法測定，總氮采用凱氏法測定，有機(jī)質(zhì)含量參照LY/T 1237—1999進(jìn)行測定。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)置了方法空白、加標(biāo)樣品、加標(biāo)平行樣等質(zhì)控樣品，結(jié)果顯示：樣品加標(biāo)回收率、平行樣相對偏差、方法空白等均滿足質(zhì)控要求。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)（Pi）對沉積物中一種污染指標(biāo)的污染程度進(jìn)行評價[8，9]。

Pi=Ci/Si （1）

式中：Ci—指標(biāo)i的實測濃度值，Si—指標(biāo)i的評價標(biāo)準(zhǔn)。

河流沉積物的環(huán)境評價一般選用環(huán)境背景值及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為評價標(biāo)準(zhǔn)[3]。Ni、Cu、Zn、Cr和As指標(biāo)選取天津市土壤背景值[6]，分別為33.3 mg/kg、28.8 mg/kg、79.3 mg/kg、84.2 mg/kg、9.6 mg/kg。Pb、Cd指標(biāo)選取中國水系沉積物背景值[5]，分別為27 mg/kg、0.18 mg/kg。總氮、總磷標(biāo)準(zhǔn)值分別取1000 mg/kg、420 mg/kg[2]。評價標(biāo)準(zhǔn)分級見表1。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（Pn）可對多種污染物復(fù)合污染程度進(jìn)行評價[8，9]。

Pimax =（Ci/Si）max （2）

Piave =（Ci/Si）ave （3）

Pn=[（P2imax+P2iave）/2]1/2 （4）

式中：Ci、Si—同式（1）含義；Pimax—最大單項污染指數(shù)，Piave—平均單項污染指數(shù)，Pn—內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，評價標(biāo)準(zhǔn)分級見表1。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）已廣泛應(yīng)用于重金屬生態(tài)風(fēng)險評價[1，3，5，8，9]。該方法綜合考慮了污染濃度和毒性水平等因素，反映了重金屬對生態(tài)環(huán)境的潛在影響程度，計算公式如下。

Ei=Ti×（C i/Ci） （5）

（6）

式中：C i—第i種指標(biāo)實測濃度值；Ci—第i種指標(biāo)的參比值；Ei——指標(biāo)i潛在生態(tài)危害系數(shù)；Ti—指標(biāo)i的毒性響應(yīng)系數(shù)；RI—綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。各指標(biāo)參比值同1.3.1節(jié)內(nèi)容；Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni和Cd指標(biāo)的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為5、30、1、2、10[9]、5[8]和30[5]。

1.3.4 有機(jī)污染指數(shù)法

目前，對地表水沉積物的污染評價常常采用綜合污染指數(shù)法和有機(jī)污染指數(shù)法[2，10]。其中綜合污染指數(shù)法是沉積物中以總磷和總氮污染數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算綜合污染指數(shù)（FF），計算過程同內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，但它忽略了沉積物中有機(jī)質(zhì)的影響[2]。因此，需要采用有機(jī)污染指數(shù)法（OI）進(jìn)一步評價沉積物的污染現(xiàn)狀。OI、OC和ON分別表示有機(jī)污染指數(shù)、有機(jī)碳和有機(jī)氮，單位均為%。

OI=OC×ON （7）

ON=TN×0.95 （8）

OC=OM/1.724 （9）

2 結(jié)果與討論

2.1 污染特征分析

共采集22個樣品，檢測分析后獲取了實驗數(shù)據(jù)，基于EXCEL軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

由表2可知，月牙河沉積物樣品pH為7.88～9.44，屬于偏堿性；有機(jī)質(zhì)含量為5.42～76.70 g/kg；總氮含量為238.00～6140.00 mg/kg；總磷含量為381.00～3990.00 mg/kg；砷含量為6.50～17.10 mg/kg；銅含量為13.00～202.00 mg/kg；鎳含量為19.00～137.00 mg/kg；鉛含量為16.70～56.30 mg/kg；鎘含量為0.08～1.70 mg/kg；鉻含量為42.00～ 320.00 mg/kg。總體來看，月牙河沉積物中有機(jī)質(zhì)含量、總氮、總磷以及重金屬含量均存在明顯空間差異。

2.2 單因子污染評價結(jié)果

基于總氮、總磷和重金屬標(biāo)準(zhǔn)值和濃度計算獲取了沉積物中各指標(biāo)單因子評價結(jié)果，見表3。

由表3可知，單因子評價結(jié)果：月牙河沉積物表層（0～30 cm）樣品中鋅屬于重度污染，總磷屬于重度污染，總氮、銅、鎳、鉛、鎘和鉻指標(biāo)均屬于輕度污染，砷達(dá)到清潔水平；就各指標(biāo)污染程度而言，鋅>總磷>總氮=銅=鎳=鉛=鎘=鉛>砷；而下層（50～80 cm）樣品中污染水平相比表層有明顯好轉(zhuǎn)，除總磷和鋅指標(biāo)達(dá)到輕度污染水平外，其余指標(biāo)均為清潔。綜上，說明月牙河沉積物中不同指標(biāo)的污染程度存在明顯差異。

2.3 內(nèi)梅羅綜合污染評價結(jié)果

基于單因子污染評價結(jié)果計算獲取了內(nèi)梅羅綜合污染評價結(jié)果，見表3。從內(nèi)梅羅綜合評價結(jié)果可以看出，月牙河沉積物表層（0～30 cm）樣品中總氮、總磷、銅、鎳、鎘和鋅指標(biāo)均達(dá)到重度污染水平，鉻達(dá)到重度污染，砷和鉛均為輕度污染；就各指標(biāo)污染程度而言，總氮=總磷=銅=鎳=鎘=鋅>鉻>砷=鉛。下層樣品中總磷和鋅指標(biāo)達(dá)到中度污染水平，砷、銅和鎳指標(biāo)均為輕度污染，總氮、鉛和鎘指標(biāo)均達(dá)到警戒水平，鉻達(dá)到安全水平。綜上，說明月牙河沉積物中不同指標(biāo)的污染程度存在明顯差異。

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

根據(jù)式（6）計算獲得了月牙河沉積物各指標(biāo)的潛在生態(tài)風(fēng)險（RI），見表4。

由表4可知，月牙河沉積物表層（0～30 cm）樣品中各監(jiān)測指標(biāo)的RI為51.7～428.2，平均值為119.6，屬于低風(fēng)險，但存在顯著空間差異。最小值出現(xiàn)在2號點位，該點位周邊以水塘和空地為主，人為活動影響最小；最大值出現(xiàn)在5號點位，該點位周邊居民區(qū)密集，很可能受污水排放和地表徑流等影響。不同指標(biāo)的生態(tài)風(fēng)險存在顯著差異，鎘（高風(fēng)險）>鉛（中風(fēng)險）>砷=銅=鎳=鉻=鋅。月牙河沉積物下層（50～80 cm）樣品中各指標(biāo)的RI為50.9～90.0，平均值為69.9，屬于低風(fēng)險，這說明河道周邊人類生產(chǎn)生活活動對沉積物污染影響程度有限。就單個指標(biāo)而言，不同指標(biāo)的生態(tài)風(fēng)險的差異較小，均屬于低風(fēng)險，生態(tài)風(fēng)險明顯小于表層沉積物的生態(tài)風(fēng)險。總體而言，月牙河沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險水平較低，但個別指標(biāo)需重點關(guān)注。

2.5 有機(jī)污染指數(shù)

沉積物中有機(jī)質(zhì)和氮是重要的營養(yǎng)物質(zhì)，也是重金屬等污染物發(fā)生吸附、絡(luò)合作用的活性物質(zhì)。因此，以沉積物中總氮和有機(jī)碳含量為基礎(chǔ)，采用有機(jī)污染指數(shù)法表征沉積物有機(jī)污染程度。評價結(jié)果顯示：表層（0～30 cm）沉積物中有機(jī)碳（OC）含量為0.50%～4.45%，下層（50～80 cm）沉積物中有機(jī)碳（OC）含量為0.31%～0.83%；表層沉積物中有機(jī)氮（ON）含量為0.04%～0.58%，下層沉積物中有機(jī)碳（ON）含量為0.02%～0.09%；表層沉積物有機(jī)污染指數(shù)（OI）為0.0003%～0.0260%，下層沉積物有機(jī)污染指數(shù)（OI）為0.0001%～0.0007%，均遠(yuǎn)低于評價標(biāo)準(zhǔn)0.5%。因此，月牙河沉積物中氮磷有機(jī)污染風(fēng)險屬于“清潔”水平。

3 結(jié)論

（1）樣品中有機(jī)質(zhì)含量、總氮、總磷以及重金屬含量均存在明顯空間差異。表層樣品各指標(biāo)單因子評價結(jié)果顯示：鋅>總磷>總氮=銅=鎳=鉛=鎘=鉛>砷；而下層樣品中污染水平相比表層明顯好轉(zhuǎn)，除總磷和鋅指標(biāo)達(dá)到輕度污染水平外，其余指標(biāo)均為清潔。

（2）內(nèi)梅羅綜合評價結(jié)果顯示，表層樣品中各指標(biāo)污染程度不同，總氮=總磷=銅=鎳=鎘=鋅>鉻>砷=鉛。下層樣品中總磷和鋅指標(biāo)達(dá)到中度污染水平，砷、銅和鎳指標(biāo)均為輕度污染，總氮、鉛和鎘指標(biāo)均為警戒水平，鉻達(dá)到安全水平。

（3）表層樣品各指標(biāo)的RI為51.7～428.2，屬于低風(fēng)險，但存在顯著空間差異；不同指標(biāo)的生態(tài)風(fēng)險存在顯著差異，鎘>鉛>砷=銅=鎳=鉻=鋅。下層樣品各監(jiān)測指標(biāo)的RI為50.9～90.0，屬于低風(fēng)險，空間差異較小。

（4）表層樣品有機(jī)污染指數(shù)為0.0003%～ 0.0260%，下層為0.0001%～0.0007%，均遠(yuǎn)低于評價標(biāo)準(zhǔn)0.5%，月牙河沉積物中氮磷有機(jī)污染風(fēng)險屬于“清潔”水平。

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Nutrients and Heavy Metal Concentration and its Ecological Risk Assessment in The Sediments of Yueya River in Tianjin

LIN Tian-chong

（Tianjin YuxiangJinzhun Technology Co.， Ltd， Tianjin 300384， China）

Abstract： In order to master the environmental risk level of regional sediments and provide technical basis for environmental risk management， Yueya River in Jinnan District was taken as the research object. A total of 22 surface and under layer sediment samples were collected and their contents of organic matter， total nitrogen， total phosphorus， arsenic， copper， nickel， mercury， lead， cadmium， chromium， zinc and other indicators were determined. The single factor pollution index， Nemerow pollution index， ecological risk index and organic pollution index were used to analyze the risk levels of nutrients and heavy metals. The results showed that the spatial difference of each index was obvious. Single factor evaluation results showed that the surface samples were zinc > total phosphorus > total nitrogen = copper = nickel = lead = cadmium = lead > arsenic. In the lower samples， all the indexes were clean except that the total phosphorus and zinc reached the slightly polluted level. Nemerow's comprehensive evaluation results showed that the pollution levels of each index in the surface samples were different， total nitrogen = total phosphorus = copper = nickel = cadmium = zinc > chromium > arsenic = lead. The RI of each index belonged to low risk， but the surface sample had significant spatial difference， while the bottom sample had little difference. The organic pollution index was much lower than the evaluation standard 0.5%， belonging to the "clean" level.

Key words： sediments; heavy metal; total nitrogen; total phosphorus; ecological risk

收稿日期：2023-05-05

作者簡介：林天寵（1984-），男，天津人，工程師，大學(xué)本科，主要研究方向為土壤污染調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測與評價等。