深圳茅洲河底泥中氮的分布调查及其污染评价

洪思远，沈世龙，杜宏翔，高榆森，张春雷

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014；2.河海大学环境学院，南京 210098)

引 言

河道底泥是河流生态系统的重要组成部分，在泥水交界面底泥与上覆水会进行物质交换。当底泥中污染物含量较低时，底泥可以吸附水体中的污染物，且底泥中的微生物可以降解污染物使之成为气体排出，从而净化河道水质。但当底泥中的污染物达到一定浓度时，微生物的降解能力无法达到污染物富集速度，底泥中的污染物会释放至水体中，从而对水体造成污染[1-2]。因此，河道底泥中氮、磷等营养盐含量过高向水体中释放会造成水体富营养化[3]。

随着深圳、东莞两地城市化的不断发展，茅洲河流域的水污染问题成为了经济发展过程中的“痛点”，各级政府和社会各界先后在茅洲河开展了一系列的水环境治理研究工作。茅洲河跨境两市三区，污染来源复杂，学者对茅洲河中的重金属[4-5]、卤代多环芳烃[6]以及河道淤积情况[7]等分别进行了研究。本文通过对深圳市茅洲河流域底泥中氮的污染情况进行调查，对氮在各区域的分布特征进行分析，并根据总氮含量评价底泥的环境风险，为茅洲河流域表层沉积物氮含量变化及环境污染程度提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本次研究区域位于茅洲河干流(白沙坑汇入口至出海口)及支流—沙井河汇水区，位于深圳市宝安区与东莞市的交界处。具体研究区域位置如图1所示，将研究区域分为3个典型河段(A区、B区、C区)，其中A区位于茅洲河上游，B区是支流—沙井河汇水区，C区位于茅洲河下游出海口区域。

图1 研究区域分区Fig.1 Research area division

1.2 样品采集

分别对三个区域的河段进行了底泥钻孔采样分析，共对46个断面，86个点位进行了采样，通过前期调研和现场采样分析，茅洲河大部分底泥厚度在2～3 m之间，其中部分区域底泥厚度可达4 m。根据底泥淤积厚度和现场可辨的污染情况，可将茅洲河底泥按照污染情况分为：污染层、污染过渡层、过渡层、建筑垃圾层、健康层(表1)。按照这5个层对底泥进行现场分割，分割后一共得到353个样品。对每个分割样做好标记和现场采样记录后用保温箱运回实验室进行总氮的分析研究。

表1 茅洲河底泥底泥分层情况Tab.1 Sediment layering of the bottom mud of Maozhou River (cm)

续表1

1.3 样品总氮测试分析方法

底泥的总氮测量仪器为德国Elementar公司vario MACRO cube型元素分析仪。具体测试方法按照元素分析仪使用说明书和规程操作，所有待测样品均过100目筛子，以保证试样均匀性，用锡箔纸称量后包裹，在特定的模具上挤压出空气后，放入自动进样器中待测。

2 结果与讨论

2.1 茅洲河沉积物中氮含量整体特征

茅洲河沉积物中氮含量测试结果如表2所示，从表中可以看出在全河水平上，茅洲河底泥总氮平均含量为1 781.20±1 643.40 mg/kg，最低值为0.03mg/kg，最高达9 277.51mg/kg，变异系数为90%。300cm厚度以上部分底泥氮污染较为严重，总氮含量平均超过1 000 mg/kg，特别是表层100 cm厚度以内的底泥总氮含量最高。茅洲河作为浅水河流，底泥中的氮与上覆水交换较为强烈，受风浪扰动和人为活动影响，底泥中的氮很容易释放到上覆水中，从而引起上覆水高度富营养化。

表2 茅洲河底泥总氮含量整体特征

2.2 底泥总氮范围及分布

从茅洲河整个底泥分层情况来看(图2)，污染层总氮含量最高 (2 770.61±2 032.43 mg/kg)；其次是污染过渡层(1 470.53±1 293.64 mg/kg)和建筑垃圾层(1 140.47±816.47 mg/kg)，过渡层和健康层总氮含量相对较低，具体如图2所示。

图2 茅洲河底泥不同分层总氮含量Fig.2 Total nitrogen content in different layers in the bottom mud of Maozhou River

从茅洲河A、B、C三个区分区底泥整体来看(表3)，B区底泥总氮平均含量最高(2 353.71±2 410.62 mg/kg)；其次C区(1 754.49±1 385.09 mg/kg)，A区最低(1 407.93±1 194.27 mg/kg)。与总氮变化趋势一致，从底泥整个剖面总氮含量来看，B区氮污染最严重，其次是C区，A区底泥氮污染最低。这主要是因为B区靠近城区，人口密集，周边工业较多，沿岸分布有大量的排污口，河水流速较慢，且底泥受扰动较少，污染物容易沉积，因而底泥氮污染最严重。从三个区底泥分层来看(图3)，B区底泥污染层总氮含量最高(3 180.25±2 524.49 mg/kg)，其次是C区(2 680.39±1 829.14 mg/kg)，A区最低(2 378.47±1 509.14 mg/kg)。与污染层含量特征一致，B区底泥污染过渡层总氮含量最高(1 818.42±2 210.13 mg/kg)其次是C区(1 484.97±1 125.85 mg/kg)，A区底泥污染过渡层总氮含量最低(1 146.58±619.09 mg/kg)。建筑垃圾层总氮含量在C区具有最高值(1 174.87±842.87 mg/kg)，在A区具有最低值(727.55 mg/kg)，其它分层底泥总氮含量没有较显著的差异，总氮污染相对较轻，具体如图3所示。

表3 茅洲河底泥总氮含量整体特征Tab.3 Overall characteristics of total nitrogen content in bottom mud of Maozhou River

图3 A、B、C三区底泥不同分层总氮含量Fig.3 The total nitrogen content of the sediments in different layers of sediments in zones A, B and C

2.3 沉积物氮营养盐生态风险

底泥中的营养盐与上覆水不断的发生着物质交换，评价底泥营养盐的污染状况，可系统全面的揭示茅洲河底泥污染现状，为茅洲河水质改善和底泥疏浚提供理论指导和技术支撑。

2.3.1 生态风险评价方法

目前针对底泥营养盐污染评价方法，国家尚未制订出统一评价标准，现有相关文献多用有机污染指数法(含有机氮评价法)对氮污染进行评价。有机污染指数法(含有机氮评价法)只考虑了有机质和有机氮，而忽略了磷污染评价，采用综合污染指数评价法，计算公式(1)为：

(1)

(2)

公式(1)、(2)中：Si-污染物的单项评价指数；Ci-为评价指标的实测值；Cs-为污染物评价标准；STN-某评价单元的综合指数；n-参加评价的污染物项目数。

根据有关文献[8-9]，沉积物中具有最低级别生态效应的总氮含量为550 mg/kg，具有严重级别生态效应的总氮含量为4 800 mg/kg。结合茅洲河底泥污染情况，本研究确定总氮的评价标准(Cs)为800 mg/kg。根据某单元的综合指数计算结果，对底泥污染等级进行划分，具体分级评价标准如表4所示。

表4 底泥污染等级分级评价标准Tab.4 Classification and Evaluation Standards for Pollution Level of Sediment

2.3.2 生态风险评价结果

由计算所得的A区采样点总氮的标准指数(图4)可知，茅洲河A区域底泥污染层总氮的标准指数介于0.36～6.72之间，平均值为2.97, 底泥污染层总氮含量水平较高，属于重度污染。污染过渡层和过渡层属于中、轻度污染，但污染过渡层中A31和A37采样点总氮的标准指数小于1，底泥属于清洁状态。建筑垃圾层和健康层底泥总氮标准指数低于1，说明总氮含量水平较低, 底泥属于清洁状态，底质环境质量现状相对较好。

图4 茅洲河各采样点底泥总氮标准指数Fig.4 The standard index of total nitrogen in sediments of each sampling point of Maozhou River

B区域底泥污染层总氮的标准指数介于0.00～7.07之间，平均值为3.94，底泥污染层总氮含量水平非常高, 属于重度污染，特别是B14和B30采样点。污染过渡层(2.43)也属于重度污染，过渡层(0.97)和健康层(0.98)底泥属于清洁状态，但健康层中B8采样点总氮的标准指数(3.43)大于1，超过评价标准，属于重度污染，这说明B8采样点整个底泥剖面氮污染较为严重，可能是由于该区域河道排污口较多、污染物排放较多而致。B区沉积物氮污染严重，特别是健康层底泥总氮标准指数明显大于A区底泥健康层总氮标准指数(0.66)，可能是因为B区沙井河，沿岸排污口较多，污染物累积效应明显，加之上游来水中氮的沉积作用，从而导致底泥总氮含量较高。因此，需改善B区底泥环境质量现状。

C区域底泥污染层总氮的标准指数介于0.37～11.53之间，平均值为3.35，底泥污染层总氮含量水平非常高, 属于重度污染。底泥污染过渡层(1.86)、过渡层(1.65)均属于中度污染；底泥建筑垃圾层(1.47)属于轻度污染，底泥健康层(0.78)均属于清洁状态。这说明C区总氮含量水平较高, 除污染层以外，污染过渡层和过渡层底泥总氮标准指数变化不明显，这可能是因为C区处于茅洲河下游，接近入江口，频繁的人为扰动促进了中层和底层底泥对各种形态的氮的吸附和解析[10-11]。底泥沉积环境受自然和人为因素影响更为复杂。

总氮污染评价表明全区域总氮标准指数均值为2.23，底泥总氮属于重度污染。其中，最大值11.53，最小值0。从水平方向上，B区总氮污染最严重，潜在生态风险较高，总氮标准指数(STN)均值为2.94，C区STN均值2.21，也属于重度污染。A区STN均值1.92，属于中度污染。从垂直方向上看，茅洲河底泥中污染层和污染过渡层的总氮标准指数基本都在1.5以上，全部处于属于中度及以上污染级别。

3 结 论

3.1 对深圳市茅洲河流域沉积物中的氮进行了调查，茅洲河沉积物中氮含量总体较高，特别是表层100 cm厚度以内的底泥总氮含量最高，底泥中的氮很容易释放到上覆水中，从而引起上覆水高度富营养化。

3.2 从茅洲河整个底泥分层情况来看，污染层总氮含量最高，其次是污染过渡层和建筑垃圾层，过渡层和健康层总氮含量相对较低。

3.3 从茅洲河A、B、C三个区分区底泥整体来看，B区底泥总氮平均含量最高；其次C区，A区最低。从底泥整个剖面总氮含量来看，B区氮污染最严重，其次是C区，A区底泥氮污染最低。

3.4 采用有机污染指数法对底泥中氮的环境风险进行评估，表明全区总氮标准指数均值为2.23，底泥总氮属于重度污染。其中，最大值11.53，最小值0。从水平方向上看，B区总氮污染严重，C区属于重度污染。A区属于中度污染。从垂直方向上看，茅洲河底泥中污染层和污染过渡层的总氮标准指数基本都在1.5以上，全部处于属于中度及以上污染级别。

通过对茅洲河流域沉积物中氮的调查与分析，可以为茅洲河流域的治理与清淤工程决策提供依据，并为河湖水环境治理过程中底泥的调查与污染评价提供参考。