宝鸡千河底泥营养盐及重金属风险评价

易文利

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013；2.宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

底泥是河流生态系统的重要组成部分，也是氮、磷、重金属等生源要素的重要蓄积场所[1～3]，但在动植物和微生物的作用下，底泥又会释放相应的污染物质进入水体，造成水体的再次污染。因而底泥可间接反映水体污染情况[4～6]。而研究河流底泥中碳、氮、磷和重金属的含量及风险评价对控制水体富营养化和生态系统修复有重要的指导意义[7-8]。

千河是渭河主要支流，在宝鸡境内流经陇县、千阳县、凤翔县、陈仓区，于千河镇冯家嘴汇入渭河，流域面积3 493.9km2[9]，具有蓄水、旅游及工农业用水等功能。近年来，针对千河流域水体污染研究已引起了人们的重视[10-11]，但对底泥中营养元素及重金属的研究较少。因此，本文以宝鸡千河流域河道底泥为研究对象，研究不同监测断面底泥中碳(OM)、氮(TN)、磷(TP)及Pb、Zn、Cu、Cr、Cd重金属的分布特征，以期为评估该流域底泥污染现状及污染治理提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

根据河流特点，选择比较平直、水流相对缓慢的区段及底泥监测布点原则布设采样点(见图1)，于2015年3月在每个监测断面进行底泥采样(表层0～5cm)。每个监测断面采用多点混合法(3～5个点混合)采样并装入样品袋，标注相关信息并编号，每个样点样品重约1kg。将采集到的样品带回实验室后风干、研磨、过筛备用。监测断面从上游到下游样品编号依次为q1～q11(如图1所示)。

1.2 样品分析及数据处理

TN采用连续流动分析仪测定[12](TN)；SMT法测定总磷含量[13](TP)；有机质总量测定采用重铬酸钾容量法[12](OM)，重金属含量测定先经HCl-HNO3-HClO4消解，再采用原子吸收火焰分光光度法测定。为了保证数据准确，对每个样品做2个平行，数据取平均值，用SPSS22.0进行统计分析。所用试剂均为优级纯。

图1 千河底泥采样点Fig.1 Sampling sites of sediments in the Qianhe river

1.3 评价方法

有机指数是反映底泥有机营养化程度的重要指标，常用于湖泊、河流等水体底泥富营养化潜力的评价[14-15]。具体计算方法[14-15]如下：有机指数=有机碳(TOC %)×有机氮(ON %)。 有机氮(ON %)=0.95× 总氮(TN %)。参照国内相关标准，结合实际情况制定的评价标准见表 1。

表1 水体底泥有机指数评价标准[14-15]Tab.1 Evaluation standard of organic indexes in surface sediments

由于潜在生态指数法不仅可定量评估单因素污染风险程度，也可综合评估多种污染物复合污染所致的潜在生态危害[8,16]，目前已成为国内外沉积物/底泥重金属定量评价中应用广泛的方法之一。因此，本文选用潜在生态风险指数法[17]对宝鸡千河底泥重金属进行污染评价。

具体计算公式[17-18]为：

2 结果与分析

2.1 表层底泥碳、氮、磷含量及分布特征

宝鸡千河段表层底泥中OM、TN、TP分布规律见图2。整个流域中OM含量为1.25～8.48g/kg，平均值为3.86 g/kg；TN含量为0.14～1.92 g/kg，平均值为0.79 g/kg；TP含量为0.41～1.02 g/kg，平均值为0.60 g/kg。

图2 宝鸡千河段表层底泥TN、TP、OM分布图Fig.2 Distribution of TN, TP and OM content in surface sediment of Qianhe River in Baoji city

由图2可见，底泥中OM、TN和TP浓度最大值在冯家山水库大坝下(q8点)，其次是冯家山水库上游河段(q7点)、北河入千河口(q2点)、千陇交界处(q3点)、千渭入口(q11点)，最低点位于段家峡水库大坝下河道区域(q1点)。主要是因为段家峡水库大坝下的监测点，为宝鸡千河流域上游段，流域地貌原始状态保持良好，人烟稀少，水质污染较轻，底泥碳氮磷含量较低；而从段家峡大坝下监测点至千阳县城河道段，为宝鸡千河流域中游段，流经陇县和千阳县，该段的生活污水、建材、乳品、酿造、煤炭等企业的污水排放以及固废弃物排放[20]造成水体污染较为严重，也导致冯家山水库局部水质有所下降，底泥含量相对也较高。千河从冯家山水库大坝下到入渭河口为下游段，流域面积包括凤翔县和陈仓区部分地区，人类活动频繁，底泥碳氮磷含量相对也较高。而冯坊河和草碧河为千河一级支流，是陕西省2009年中小河流治理的试点项目，经治理后，河流底泥碳氮磷含量较低。

2.2 宝鸡千河流域底泥污染状况评价

由图3可知，千河流域有机指数均值在0.022，总体上处于清洁状态。但q7号和q8号监测点有机指数较高，大于0.05，处于较清洁状态(标准Ⅱ)。w(ON)的均值在0.075%，属于尚清洁状态。q7号和q8监测点有机氮高，均属于标准Ⅳ，有机氮污染严重。整体上 54.55%样点有机氮评价标准属于标准Ⅱ；27.27%样点有机氮评价标准属于标准Ⅲ；18.18%样点有机氮评价标准属于标准Ⅳ，有机氮污染严重。评价结果表明目前宝鸡千河段底泥有机污染不突出，但受到氮污染，应注意控制外源氮对底泥的影响。而TOC/TN 比值在某种程度上可以反映出有机质来源及生物种类的差别[21],一般高等植物为14～23，水生生物为2.8～3.4，浮游动物与浮游植物为6～13，藻类为5～14[22]。由图3测定结果可知，千河底泥TOC/TN比值在1.5～7.2之间变化，平均值为3.4，数据多集中在2.8～6之间，反映该河流有机物来源以藻类和水生生物为主。

图3 各采样点表层底泥有机指数和w(ON)分布特征Fig.3 Distribution of organic index and w(ON)for each sample in surface sediment

2.3 宝鸡千河流域底泥重金属含量

宝鸡千河表层底泥中重金属(Pb、Zn、Cu、Cr、Cd)含量统计分析见表2。由表2可知，整个流域中Pb含量范围为15.1～49.1mg/kg，Zn含量范围为51.1～171.9 mg/kg，Cr含量范围为7.86～43.5 mg/kg， Cd含量范围为0.09～0.88mg/kg， Cu含量范围为3.64～19.5 mg/kg。流域重金属Pb、Zn、Cd的平均含量高于陕西省土壤背景值[19]，尤其是Cd，其平均含量是陕西省土壤背景值约4.5倍。Pb、Zn、Cd重金属元素样点的超标倍数比例均高于45%，说明研究区的底泥已经受到了重金属污染，以Cd超标为最大，超标率达到81.8%。

表2 河流底泥重金属描述性统计Tab.2 The content of heavy metals in river sediment

注：背景值为陕西省土壤背景值

2.4 底泥重金属污染的评价

同时多元素重金属综合潜在生态风险指数RI的值来看，底泥存在轻微潜在生态风险水平(RI=146.1 RI<150)。11个采样点中处于轻微潜在生态风险的占54.5%，中等风险的占45.5%。评价结果表明，宝鸡千河流域底泥存在一定的重金属污染，主要污染物是Cd，Cd对综合潜在生态风险贡献最大。因此应采取相应控制措施，来改善该流域重金属的污染状况。

表3 宝鸡千河底泥重金属的潜在生态风险评价Tab.3 The potential ecological risk of sediment heavy metals in Qianhe river in Baoji city

3 结 论

3.1 宝鸡千河段底泥中OM浓度为1.25～8.48g/kg， TN浓度为0.14～1.92g/kg， TP浓度为0.41～1.02g/kg；营养盐污染评价结果表明，流域的有机指数均值为0.022，处于清洁状态。有机氮总体处于尚清洁状态(均值为0.075%)，但部分监测点属于有机氮污染水平，因此需采取有效措施控制外源氮的输入。

3.2 底泥中重金属Pb含量范围为15.1～49.1mg/kg，Zn含量范围为51.1～171.9 mg/kg，Cr含量范围为7.86～43.5 mg/kg，Cd含量范围为0.09～0.88mg/kg， Cu含量范围为3.64～19.5 mg/kg；底泥中Pb、Zn、Cd的平均含量高于陕西省土壤元素背景值；综合潜在生态风险评价结果表明，底泥存在轻微潜在生态风险危害(R=146.1)；5种重金属的潜在生态风险顺序为Cd 、Pb、Cu、Zn、Cr，底泥主要受到Cd污染，潜在生态危害风险高，应引起有关部门重视。

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