海口美舍河沉积物化学性状时空分布特征

何松 王小燕 薛杨 宿少锋

摘  要：通過2018年4月和9月对海口市美舍河湿地上、中、下游底泥沉积物进行取样，研究沉积物化学性状的时空分布特征，并对重金属污染进行评价，以期为美舍河湿地公园的管理与湿地功能的维持提供科学依据。结果表明：（1）美舍河沉积物整体偏酸性，pH为6.58;4月份下游pH显著高于中游、上游Ⅰ和上游Ⅱ，而9月份各采样断面间无显著差异;9月份上游Ⅱ的pH显著高于4月份，增幅为13.0%，而9月份下游pH则显著低于4月份，降幅为16.6%。（2）4月份下游有机碳（SOC）含量显著高于其他采样断面，9月份上游Ⅰ和下游的SOC显著高于上游Ⅱ和中游，同时上游Ⅰ在两次采样间存在显著差异，9月份较4月份显著增加65.4%;（3）全氮（TN）和全磷（TP）含量以及重金属铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）含量整体上由上游至下游呈增加的趋势，其中中游TP含量和下游Cu含量在两次采样间存在显著差异，9月份TP含量较4月份显著增加76.9%，9月份Cu含量较4月份显著降低13.0%。（4）相关性分析结果表明，pH与Cu及Zn含量之间存在极显著正相关关系（P<0.01），SOC、TN及TP含量与各重金属含量均呈极显著正相关关系（P<0.01）。综合分析沉积物的污染系数以及潜在风险发现，美舍河沉积物属清洁水平、较低潜在风险;同时，美舍河富营养化较轻，总体未受重大污染，具有较优质的环境，底泥符合农用标准;此外，需加强上游的污染源控制。

关键词：美舍河;沉积物;化学性状;重金属污染

中图分类号：X821      文献标识码：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

我国湿地分布广泛、类型多样，湿地面积居世界第四[1]。湿地具有极高的生态价值，其拥有丰富的生物多样性以及巨大的固碳潜力[2]。近年来，湿地的作用和重要性逐渐得到国家和社会各界的关注。沉积物作为湿地生态系统的重要组成部分，为大量生活在水底的生物提供了栖息和繁殖的场所[3]。

随着现代工业的大力发展，污染物通过大气沉降、废水排放等途径进入水体，最终汇集于沉积物中，沉积物污染已成为全球性的环境问题。对于污染物而言，沉积物具有源和汇的双重功能，因此水环境质量与沉积物存在着非常密切的关系[4]。同时，沉积物又是流域内土壤侵蚀的“汇”，沉积物中通常蕴含了不同时期侵蚀方式和侵蚀强度的真实信息[5]，所以研究河流沉积物对于评估生态环境质量具有重大意义。底泥沉积物是湿地水环境中重金属的主要蓄积库，可反映水体受重金属污染的状况[6]。底泥中的重金属对湖水及水生物均具有持久影响[7]。另外，湿地底泥还是重要的土壤资源，其中含有丰富的营养成分，有利于农作物和蔬菜的生长[8]。因此，全面评价湿地底泥沉积物中的养分等级、重金属污染程度和风险，对河流底泥的疏浚和后期资源化利用具有重要意义。

近年来，海南通过建立各类湿地保护区和湿地公园等来进行湿地保护工作。然而，由于湿地周边大部分是农业生产用地、水产养殖地和居民生活区，周边生产生活水体的流入使得海南湿地公园水体面临污染的问题[9-10]。本研究以海口美舍河流湿地公园沉积物为研究对象，重点从其化学性质以及重金属污染风险等方面综合分析该河流的污染现状，探讨该湿地公园的生态压力，为湿地公园的管理与湿地功能的维持提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  材料

海口美舍河全长23.86 km，流经龙华、琼山、美兰3个区;南起玉龙泉，北至白沙一桥，由玉龙泉沙坡水库、羊山水库、美舍河及河道沿岸部分公共绿地、凤翔公园组成，总面积468.38 hm?，其中湿地率为54.09%。

将美舍河分为上游、中游和下游出海口，在其上游设置2个底泥采样断面，分别为沙坡水库南端（上游Ⅰ）和沙坡水库东北端（上游Ⅱ），中游（国兴桥）和下游出海口（和平桥）分别设置1个采样断面，采样断面具体位置和特征见表1。分别于2018年4月和9月，采用抓斗式采泥器采集底泥，采样深度为0～30 cm，每个断面横向采集3个点位，作为3次重复。每个点位采集一定量的样品，将其混匀后，按四分法取出一部分，置于棕色玻璃广口瓶中，带回实验室，经自然晾干，人工压碎，剔除砾石及动植物残体，混匀碾磨，过200目筛后，待用。

1.2  方法

1.2.1  测试指标  主要测定底泥沉积物pH、有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）含量以及重金属元素铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）含量，测试方法参考《土壤农业化学分析方法》[11] 。

底泥沉积物pH采用1∶2.5的土水比浸提-pH计测定;SOC测定采用重铬酸钾氧化-还原容量法;TN测定采用H2SO4消煮-凯氏定氮法;TP测定采用钼锑抗比色法;Cu、Pb、Zn含量测定采用HF-HClO4-HNO3消化-原子吸收分光光度法。

1.2.2  重金属污染评价方法  评价方法采用Hakanson提出的潜在风险指数法[12]，评价公式包括：Ci=Si / ，Ei=Ti×Ci，其中：Ci是单一重金属i的污染系数;Si为底泥沉积物中金属i的实测含量（mg/kg）; 为参比值（本研究评价参比值选取国家标准允许的最小值，实行最严格标准，Cu、Pb、Zn分别为50、70、200 mg/kg）;Ti为单一重金属i的毒性响应因子（Cu、Pb、Zn分别为5、5、1）[13]。

1.3  数据处理

采用Excel软件对数据进行计算，SPSS软件对数据进行方差分析以及相关性分析。

2  结果与分析

2.1  沉积物pH时空分布

由图1可知，4月份不同采样断面的沉积物pH间存在显著差异（上游Ⅰ和中游间未达显著差异除外）（P<0.05），表现为下游>中游、上游Ⅰ>上游Ⅱ，与中游、上游Ⅰ和上游Ⅱ相比，下游pH增幅分别为：8.8%、11.0%和26.0%;9月份各采样断面沉积物pH间无显著差异;各断面沉积物pH在两次采样时间间也存在差异，上游Ⅱ的pH在9月份采样显著高于4月份，增幅為13.0%，而下游pH则在9月份采样显著低于4月份，降幅为16.6%。方差分析显示，采样时间、采样断面位置以及采样时间与断面位置间的交互作用对底泥沉积物pH均有极显著影响（P<0.01）。以上结果说明，4月份不同断面间pH变异程度大于9月份，造成该现象的原因可能与周边人类活动、季节性降雨等因素有较大关系。

2.2  沉积物有机碳时空分布

由图2可知，从底泥沉积物采样断面位置来看，有机碳（SOC）含量在4月份表现为下游显著高于其他断面（上游Ⅰ、上游Ⅱ、中游3个断面间差异不显著），与上游Ⅰ、上游Ⅱ和中游相比，下游增幅分别为57.0%、88.7%和71.4%。SOC含量在9月份则表现为下游和上游Ⅰ显著高于中游和上游Ⅱ，下游增幅分别为212.5%和361.9%，上游Ⅰ增幅分别为112.7%和226.1%。从两次采样时间来看，上游Ⅰ的SOC含量在两次采样间差异显著（P<0.05），9月份显著高于4月份，增幅为65.4%，而其他采样断面SOC含量在两次采样间均无显著差异。方差分析显示，采样时间对底泥沉积物的SOC含量无显著影响，而采样断面位置以及采样时间和断面位置间的交互作用对底泥沉积物SOC含量均有极显著影响（P<0.01）。由此可见，底泥沉积物SOC含量受断面位置的影响较大，而受采样时间的影响相对较小。

2.3  沉积物全氮和全磷时空分布

由图3可知，底泥沉积物中全氮（TN）和（TP）含量由上游到下游均呈显著增加的趋势，表现为下游>中游>上游Ⅰ、上游Ⅱ，其中上游Ⅰ和上游Ⅱ之间差异不显著;平均来看，与上游Ⅰ、上游Ⅱ和中游相比，4月份下游TN含量增幅分别为202.4%、196.0%和55.7%，9月份增幅分别为246.5%、196.9%和44.2%，4月份下游TP含量增幅分别为374.1%、453.2%和130.0%，9月份增幅分别为533.3%、441.1%和24.3%;从采样时间来看，两次采样的TN差异不显著，而TP则在中游差异显著，其中表现为9月份显著高于4月份，增幅为76.9%。方差分析显示，采样时间对TN含量无显著影响，但对TP有极显著影响（P< 0.01），采样断面位置对TN和TP含量均有极显著影响，而采样时间和断面位置间交互作用对TN含量无显著影响，但对TP含量有极显著影响。以上结果说明，底泥沉积物TN和TP含量均具有明显的由下游到上游的空间分布规律，TP含量在两次采样时间上存在较明显的变异。

2.4  沉积物重金属时空分布及污染指数

2.4.1  重金属含量  由图4可知，各重金属含量整体上从上游到下游呈由低到高的分布规律。4月份沉积物中Cu含量表现为下游显著高于上游Ⅰ和上游Ⅱ，增幅分别为13.0%和22.5%，而9月份各断面间无显著差异;下游Cu含量在9月份显著低于4月份，降幅为13.0%，其他采样断面在两次采样时间间无显著差异。Pb含量在两次采样中均表现为下游显著高于中游、上游Ⅰ和上游Ⅱ，而中游、上游Ⅰ和上游Ⅱ之间无显著差异，两次采样平均增幅分别为50.8%、52.7%和41.9%，各断面Pb含量在两次采样时间间均无显著差异。Zn含量与Cu含量分布规律相似，整体上从上游到下游呈显著增加的趋势，而上游两个断面间无显著差异，与中游和上游相比，下游平均增幅分别为49.7%和147.6%，各断面Zn含量在两次采样时间间均无显著差异。方差分析显示，仅Cu含量受采样时间显著影响（P<0.05），各重金属含量均受采样断面位置的极显著影响（P<0.01），采样时间和断面位置间的交互作用对Cu含量无显著影响。总的来看，底泥沉积物中Cu、Pb和Zn含量主要受到断面位置的影响，而在采样时间上的变异较小。

2.4.2  污染指数  依据Hakanson的方法，采用Ci表征河底沉积物中污染因子，当Ci<1时为清洁，1≤Ci<3时为低污染，3≤Ci<6时为中污染，Ci≥6时为高污染。采用Ei表征河底沉积物中风险因子：Ei<40时为低，40≤Ei<80时为中等，80≤Ei<160时为较高，160≤Ei<320时为高，Ei≥320时为极高。由表2可知，Cu、Pb、Zn的污染因子（Ci）和风险因子（Ei）变化趋势一致，均表现为下游>中游>上游Ⅰ>上游Ⅱ;而3种重金属在不同断面的污染程度不同，上游Cu的污染程度较Pb和Zn高，而下游则以Zn的污染程度较高;从风险性来看，Cu的污染风险性最高，而其次为Pb，风险最低的为Zn。总的来看，3种重金属在4个采样断面的污染因子Ci<1属于清洁水平，污染风险Ei<40属较低的潜在风险，符合农用土壤标准。

2.5  相关性分析

相关分析表明（表3），pH与SOC、TN和TP含量间无显著相关性，但与重金属元素Cu和Zn含量之间存在显著或极显著的正相关关系;SOC含量与TN、TP、Pb、Zn含量间存在显著或极显著正相关关系。TN含量与TP、Cu、Pb、Zn含量间存在显著或极显著正相关关系;Cu含量与Pb、Zn含量间存在显著正相关关系，而Pb含量与Zn含量间存在极显著正相关关系。

3  讨论

3.1  美舍河沉积物pH时空分布特征

本研究表明，美舍河流域底泥沉积物的pH变幅为5.70～7.70，平均为6.58，偏酸性，符合农用土壤要求，比冯文等[14]得到的pH为7.0～8.0的结果要低，分析其原因可能受采样点、采样时间的影响。pH在上游和下游具有季节性差异，这可能是下游受潮涨潮落影响较大，也可能是土壤母质、岸边植物和人为因素交互作用形成[15-16]。总的来看，美舍河底泥沉积物的pH符合农用土壤标准，较适宜种植大多数的作物，可以进行资源再利用。

3.2  美舍河沉积物化学性质影响因素分析

底泥沉积物中有机碳、全氮和全磷被认为是水体营养的重要指标。本研究表明，有机碳在9月份上游两个采样断面间的变异较大，上游Ⅰ明显高于上游Ⅱ，而从各营养指标整体来看，从上游至下游呈逐渐增加的趋势，其中以全氮和全磷的增幅最为明显。其原因可能是美舍河上游周边以农用土地为主，其向水體中排放的营养物质较少，进而对水体营养化影响较小，而中、下游则以居民区为主，生活污水的排放造成河流沉积物的营养化较高。从营养成分含量来看，上游和中游的底泥沉积物有机碳含量平均值为27.7 g/kg和23.5 g/kg，达到土壤三级（中等，20～30 g/kg）水平，下游底泥沉积物有机碳含量为47.8 g/kg，达到土壤一级（丰富，>40 g/kg）水平。总的来看，美舍河底泥沉积物的有机碳处于中上等水平[17]。上、中、下游的底泥沉积物全氮含量平均分别为518.5、1068.8、1601.7 mg/kg，全磷含量平均分别为233.6、816.0、1280.5 mg/kg，由此可见，上游总氮、总磷含量均较低，而中、下游主要受一些水生植物、居民生活污水的影响，造成含量较高。另外，本研究通过对营养指标间进行相关性分析发现，有机碳、全氮和全氮间均呈显著的正相关关系，三者在空间和时间上呈相似的关系，表明其富营养化的程度相近。按全国第二次土壤普查养分分级标准[18]，中、下游全氮含量属二、三级，比较丰富，上游属于五至六级，较缺乏。中、下游全磷含量最高达一级，上游平均在五级水平。总体来说，土壤的养分情况中等水平。在底泥利用方面，中、下游的土壤可用于种植作用，而上游的养分含量较低，利用时应该注意补充营养。因此，在美舍河治理过程中，应该将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  美舍河沉积物重金属分析及其风险评价

重金属污染元素铜、铅、锌均未达到污染水平，铜无季节性变化，断面间差异较小，铅在下游断面含量显著高于上游和中游，季节间无明显差异，锌的时空分布特征与铅相似。3种重金属污染物在4个采样断面的污染风险Ei均远小于40，并且Cu>Pb>Zn，说明美舍河沉积物中的这3种重金属的潜在生态危害性都较低，结果与赵志忠等[19]的有所不同，这主要是因为近几年生态修复工程的大力推进，美舍河沉积物污染有所改善，侧面反映出随着美舍河国家湿地公园建设，对城市中湿地污染治理有了明显的成效。河流沉积物元素含量的变化主要反映上游来水的质量，以及受人为干扰的强度，当人类排放较多工业与生活废水进入河流时，沉积物污染元素與营养元素均会显著上升。当前看，美舍河仍具有较优质的环境，底泥沉积物总体未受重大污染，但显示有向下游污染的风险，需要维持上游较严格的污染控制。主要养分元素含量看，在河流沉积物中仍属于较低水平，富营养化水平不高。

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责任编辑：沈德发