花津河浅层沉积物粒径营养元素特征及对水质潜在风险的探究

郑佳舜，胡钧铭，苗雨青，吴 昊，杨任翔1,，金晓丹

(1.广西大学农学院, 南宁 530004；2.广西壮族自治区农业科学院农业资源与环境研究所, 南宁 530007；3.安徽师范大学地理与旅游学院 流域地表过程与区域响应安徽省重点实验室, 安徽 芜湖 241003；4.广西壮族自治区环境保护科学研究院, 南宁 530022)

0 引 言

内河湖泊在沉积和输送扰动过程中记录了丰富的营养与环境信息[1-3]，影响水体沉积物营养的迁移、转化及河水质量，乃至底泥生物群落结构[4,5]，长期扰动则会使沉积物养分以盐的形态再次进入水体，引发二次污染[6]。有研究[7]显示，南水北调东线水源调蓄地和京杭大运河航运路段沉积物影响水体氮元素的富集从而导致水体富营养化。湖泊沉积物定位研究有助于追溯水体富营养化来源，体现浅水湖沉积物营养特征[8]。水体环境受到硫元素的影响，沉积物中还原态硫与重金属的结合是造成水体黑化的重要原因[9]，水体致臭物质主要是硫的化合物挥发导致[10]，控制水体黑臭污染是城市水体环境治理的重要目标之一。沉积物的环境特性在粒度参数中体现[11]，通过沉积物在不同粒径下的研究可推断出沉积物的搬运方式[12]、侵蚀风化作用[13]及其水动力扰动因素[14]。当前，九龙江口[15]、巢湖[16]、太湖[17]等河段的沉积物理化性质受到学者的广泛关注，长江是中华民族的母亲河，长江口水域是中国富营养化较严重的水域之一，重视和保护好长江水环境具有重要的历史意义。

大气沉降、农业生产及生活用水的排入是造成水体富营养化污染的重要来源[18]。水域长期沉积物营养再释放也是造成水体潜在污染的重要原因。浅层沉积物与水层比邻，蓄积底泥中的污染物会直接或间接影响水质和水生动物，充当污染物的“源”和“汇”两重角色[19]。掌握河床浅层沉积物底泥的性状，是识别和有效管控河流水体环境风险的重要手段。花津河为长江下游支流青弋江的重要分支和生态保护屏障，有效治理或控制水体营养和环境的污染是当下面临的重要挑战。该研究以花津河不同河段浅层沉积物为研究对象，通过对花津河沉积物pH、OM、TC、TN、TH和TS等营养性状及沉积物粒径特征，分析其相关性，探求花津河浅层沉积物粒径、养分等对水体环境潜在污染的影响。研究结果有助于对花津河不同河段沉积物和潜在水质污染程度做出判断，从河流源头沉积物性质的角度，为长江支流流经的城市水环境保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验选择5个具有代表性的点进行采样，分别记为TS1、TS2、TS3、TS4、TS5。其中，TS1(118.372E、31.287N)处人流量大，附近有人工小树林，靠岸边有藻类等水生植被，水周围环境清洁及时；TS2(118.373E、31.286N)处有水生植物荷花，附近靠河岸处有少量杂草，清洁及时，环境较好；TS3(118.374E、31.284N)路边种植的柳树矮小，河水上有少量枯枝落叶；TS4(118.375E、31.279N)人流量极少，植被的枯枝落叶基本无人打理，在附近10 m处有一个垃圾处理场，采集上来的底泥有刺激性臭味；TS5(118.354E、31.293N)位于面临交通道路，距采样点10 m处有一个排水口，路边种植柳树，河水上有枯枝落叶，人流量、车流量相比最大，水体环境较差(见图1)。

图1 研究区河流分布及采样点位置图Fig.1 The distribution of river and the location of the sample point

1.2 样品采集与预处理

使用彼德森采泥器采集0～15 cm表层底泥样品，随机在每个采样点周围5～10 m处采取3个平行样，样品捡除岩屑、侵入体及粗有机物，摊平风干以备用。

研磨原样土过2 mm(10目)筛，以测定沉积物pH。用粉碎机粉碎部分原样土，用以测沉积物中养分元素TC、TN、TH、TS。

1.3 分析方法与处理

沉积物pH采用电位法测定，具体步骤为：①用大烧杯装足量超纯水，盖上保鲜膜，膜上戳洞，放置于电炉上用煮沸法直至水沸腾，制备成无二氧化碳水并冷却以备用；②用无二氧化碳的水配置3个标准缓冲溶液定容250 mL的容量瓶中，用以矫正pH计；③称取10 g土样和标样于50 mL的烧杯中，加入25 mL的水后搅拌2～3 min，静置30 min；④将玻璃电极的球泡浸入待测土样的下部悬浊液中，轻微摇动，将饱和甘汞电极插在上部清液中，待读数稳定后记录仪器上的pH。每个样品测完后立即用超纯水冲洗电极，并用干滤纸将水吸干再测定下一个样品。OM采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定，沉积物TOC按OM的平均含碳量58%计，TC、TN、TH、TS使用德国Elementar公司生产的元素分析仪vario MACRO cube测定[20]，沉积物TIC(TIC为总无机碳)含量等于TC减去TOC，沉积物粒径分级采用英国马尔文公司生产的激光粒度仪Mastersizer 3 000测定。

粒径测定的具体步骤为[21]：①称取少许混匀后的风干土(约2 g)于100 mL烧杯内；②加入10 mL 10%双氧水去除OM，至不反应后放到砂浴锅上消煮，消煮时用超纯水冲烧杯壁，加10 mL稀盐酸，去除样品中碳酸钙，至不反应后取下烧杯；③冷却静置12 h后抽取上清液，在烧杯中加入0.05 mol/L六偏磷酸钠溶液，用KQ3200DE型数控超声波清洗器在10 min、30 ℃条件下震荡分离；④将待测悬浊液放到激光粒度仪中测定。

1.4 数据处理与分析

研究区示意图采用Arcgis10.2绘制，数据采用SPSS Statistics 19软件处理，用Pearson法进行不同指标间相关系数分析，LSD法进行多重比较，Duncan法进行多组样本间差异性分析，采用Microsoft Excel 2010制图。

2 结果与分析

2.1 花津河浅层沉积物底泥环境特征

浅层沉积物的OM及pH是衡量底泥环境特征的重要指标。表1显示花津河的沉积物pH为7.5～7.6，TS4、TS5的沉积物pH较低于其他采样点。TS4的OM相对最高，TS2和TS5的沉积物OM相对较少，TS5的OM在10 m左右受排水口的扰动大。参照国内相关标准[22]，有机碳含量评价标准详见表2，花津河TOC如表4所示，不同河段沉积物的TOC远大于Ⅳ级标准，说明花津河有机污染十分严重。参照全国第二次土壤普查分级方法[23]，对沉积物养分等级如表3所示，花津河OM在TS2和TS5为中等养分分级状况，TS1、TS3、TS4属于丰富养分分级状况，TS4的OM最接近极丰富养分。TS4河段沉积物OM受到外源输入的影响，枯枝落叶的不及时打理，其东面10 m处有垃圾处理处均潜在的增加了水体沉积物OM的积累。

表1 采样点沉积物基本理化特征Tab.1 Basic physicochemical characteristics from the surface sediment in sampling site

表2 水体沉积物有机碳含量评价标准Tab.2 Evaluation criteria of organic-C content in sediments

表3 沉积物的养分分级状况 g/kgTab.3 The nutrient classification of sediments

表4 沉积物总碳、氮、氢、硫及碳氮比、氢硫比含量Tab.4 The percentage of TC、TN、TH、TS and C/N、H/S in the sediment

2.2 花津河沉积物营养特征

由表4可见：TS3沉积物TC显著高于其他4个采样点，仅有TS3的TIC均高于TOC，其他处理中TIC远低于TOC，T4的TIC最低。沉积物悬浮物在沉降-再悬浮-再沉降的过程中完成碳的循环[24,25]，TS3没有树荫遮挡，河水及沉积物接受光强大，沉积物碳循环过程潜在悬浮能力强；TN在2.13～3.2 g/kg之间，其中，TS3的TN显著高于其他4个采样点，花津河沉积物TN的养分处于极为丰富的水平，其C/N在所有样点中最高，达到了12.23；不同河段花津河中TS3的TH最大，TS5处TC、TN、TH均最少，但TS显著高于其他采样点。硫氢化物是影响水体养分含量的潜在指示物，H/S可作为一个衡量沉积物水体环境致臭物质的标准之一[10]。TS5中H/S显著低于其他位置，且小于2，其他处理中H/S有TS3>TS2>TS1>TS4>2 g/kg。

2.3 花津河沉积物颗粒组成特征

粒度分析是沉积物研究的基本手段之一，花津河沉积物粒度曲线如图2所示：沉积物的颗粒在同样的区域内最大值TS1>TS3>TS2>TS4>TS5，颗粒组成是粉粒且粒级在17 μm左右时百分含量最多，粒径在17～36 μm区域内颗粒数量的变化呈下降趋势，过程中经过一小段水平变化不大的数值后继续下降至第一个波。TS5在沉积物颗粒大小接近200 μm时呈现出第二个明显的波峰，其他4个采样点的沉积物颗粒含量随着沉积物的粒径增大，数量呈波动减少。

图2 沉积物的颗粒组成Fig.2 The particle of the sediment compostion

沉积物粒度分析数据平均值、偏差、中位数、颗粒累积分布10%的粒径、颗粒累积分布90%的粒径概况分别为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。

花津河的沉积物颗粒组成以美国制土壤粒径标准分级输出，即分为黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、砂粒(50～2000 μm)。如图3所示，花津河沉积物的颗粒组成以粉粒为主，平均含量758.7 g/kg，黏粒含量最少，约92.9 g/kg，砂粒含量148.4 g/kg左右。3个粒级具有不同特点：黏性颗粒的沉积物质地黏结力、吸附能力强，易团聚，持水性强，通透较差；砂粒吸水能力弱、无塑造性、无吸胀性、有效养分低、粒间孔隙大、通透性良好；粉粒的性质特征介于砂粒和黏粒之间，随沉积物土粒粒径的减小，土粒的吸湿量和最大吸湿量、持水量和毛管持水量都会相应增加，而沉积物土样中的同期孔隙度、通气和透水速度相应减小。

图3 沉积物颗粒组成含量Fig.3 The content of particle composition in the sediment

花津河不同区域沉积物黏粒含量有一定的特点，TS2(101.9 g/kg)沉积物黏粒含量高于其他采样点，TS1(827.2 g/kg)的沉积物粉粒含量显著高于TS5(619.4 g/kg)，TS5的砂粒含量最高，为119.1 g/kg。

2.4 沉积物颗粒组成与营养指标的相关性

由表5看出，OM与TN与TH呈显著正相关，相关系数均为0.56；TC与TN呈极显著正相关，与TH与呈显著正相关，相关系数分别为0.86和0.59；TN与TH呈极显著正相关，与黏粒含量呈显著正相关，相关系数分别为0.87和0.54；TH与黏粒呈极显著正相关，与粉粒含量呈显著正相关，相关系数为0.71和0.62；TS与粉粒呈显著负相关；砂粒仅与TS呈正相关，与TH、粉粒含量呈极显著负相关，相关系数分别为-0.68和-0.99，与黏粒含量呈显著负相关，相关系数为-0.6。

表5 不同粒径变化和营养指标的相关性Tab.5 The relationship between particle size and physicochemical property

3 讨 论

3.1 碳、氮、氢、硫及生物活动对水体水质的影响

3.2 沉积物不同粒径与环境的关系

花津河流经经济发达、人口密集城市，生活废水、废渣的排放可能是造成河流水体环境受污染的重要原因。沉积物颗粒的粗细与河水的沉积作用有关，表层沉积物细小的颗粒物，通过底泥悬浮和水-沉积物界面环境条件扰动改变进入水体[31]。沉积物细颗粒所占的比例越高，其比表面积越大，吸附能力就越强，污染程度一般较高[32]，与前人研究相同，本研究发现TS5的细颗粒占比最小，河流所受的人为污染程度相对较高。在底泥采集的过程中发现TS5的底泥呈深墨绿色，含较少枯枝树叶，底泥采集上来大多以液体的形式流出，风干后的底泥样本呈棕黄色，在质地上与其他的样品相比更加容易碾碎。TS5处于交通要道，附近有排水口，排水口长期蓄水会改变下泄的水沙条件及泥沙输移特性，造成河床侵蚀，导致表层沉积物的粒度粗化[33]。我国长江中下游的湖泊以浅水湖泊占主导，沉积作用明显受湖泊地形动力条件的影响，在花津河流域，靠近路边及河口(TS5)的沉积物颗粒粒径相对较粗，远离河岸的沉积物样品颗粒相对较细。

3.3 粒径与营养物、污染状况之间的相关性

花津河浅层沉积物OM通过内源负荷循环构成水体富营养化的潜在驱动因素。砂粒属于大颗粒，受到OM的影响显著，这是因为花津河OM的来源分为内源和外源输入，内源输入主要是植物的掉落物、浮游植物、底栖生物的初级生产和次级生产的输入，外源输入则是通过外接水源补给过程，如地表径流、地下水等携带来的颗粒态和溶解态有机质[34]，而湖泊沉积物OM中的C/N能区分出内外源OM的输入。TS4河段沉积物OM受到内源输入的影响，附近有垃圾处理站的污水排放不能得到有效治理，可能是导致其有机质OM最多的原因。城市沉积物中TOC总体上随着环境多元化增加呈现显著下降的趋势，人多密集处对沉积物TOC有下降的趋势[35]，这与本研究结果一致。花津河沉积物TN与TC、TH呈极显著正相关，TC与TH呈显著正相关，TH、TS的相关系数为0.03。水体pH取决了H+浓度，TH影响pH，河流沉积物的pH是衡量水体富营养化的一个环境因子，与水体中物理、化学及生物过程等密切相关，水体富营养化与降雨量有关[36]。花津河处于降雨量较多亚热带地区，花津河沉积物长期受过量降雨冲刷形成的地表水盐分冲洗潜在影响，TH可以作为衡量河流沉积物种磷化氢气体形成的潜在指示物。磷化氢是一种有毒且易氧化的还原性气体，从根源上合理控制对水体营养、环境和大气生态环境污染有一定的治理作用。本研究中TS3的TH相对较多，在水体环境中制造还原条件，沉积物磷化氢的产生和潜在留存有直接、间接的影响[37,38]。

4 结 论

(1)花津河以藻类和水生植物为主，OM远大于Ⅳ级标准，有机污染严重，河流养分状态属于中等或丰富水平。水体扰动和外源有机质的输入会提高城市河流沉积物OM，沉积物高OM对底泥营养与环境存在潜在的环境风险。必要采取有效措施，及时有效的对底泥进行清淤，控制藻类繁殖以缓解水环境二次污染。

(2)H/S是水体营养与环境的重要标准，当H/S>2 ，河水沉积物主要受到外源有机质的影响，比值接近2说明人为扰动越大，当H/S<2，花津河沉积物受到蓄水扰动和交通环境的影响。加强沉积物-河流接触面、水流表面硫氢化物的研究，跟踪S以不同形态演化成污染源的过程，对探讨沉积物TC、TN、TS和TH对水体富营养化提供指示物强度拟合规律和水体环境的有效管控有重要意义。

(3)内河浅层沉积物营养特征及粒径性状可作为水体环境管理的潜在指示物。底泥营养环境与颗粒组成有一定的相关性，花津河底泥颗粒组成以粉粒为主，花津河沉积物粉粒受到TH及砂粒含量的影响较大，砂粒含量主要受到TH的影响，黏粒含量主要受TN、TH的影响。因此，花津河浅层沉积物是引发水体风险的潜在污染物。花津河底泥营养、环境及粒径特征为判断花津河不同河段底泥和水质情况，从河流源头沉积物的研究为长江流域的河流分支在城市水环境治理和保护提供一定理论依据。