闽江上游富屯溪表层沉积物营养盐分布特征及生态风险评价

苏丽鳗，李青玉，叶宏萌，胡家朋，李云峰，左邦瑞，杜仁凤

(武夷学院生态与资源工程学院，福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建武夷山 354300)

河流沉积物不仅能反映流域内环境的变迁，同时也是水体碳、氮、磷等营养元素的重要储存库。各种来源的营养盐进入水体后，除部分被水生生物吸收利用和以各种形式存在于水中外，仍有大量营养盐经过化学、物理及生物化学作用逐渐沉降到水体底部，成为营养盐最大的汇。另一方面当输入水体的营养盐负荷量减少或外界环境因素发生变化时，沉积物中的氮磷可经过矿化和早期成岩作用进入水体再循环，延续水体富营养化，发挥着营养源的作用。氮、磷是水生生物生长的必需元素，但同时也是水体富营养化的限制元素，有机质作为重要的胶体，是反映沉积物有机营养程度的重要标志。因此，研究沉积物营养盐分布特征及污染情况对掌握水体生态系统状况有重要指导意义。

近年来，我国学者对水体沉积物进行了大量的研究，如戴纪翠等分析了胶州湾沉积物中氮的地球化学特征和控制因素；朱广伟等对长江中下游大型湖泊进行研究，发现该区域绝大多数湖泊处于富营养水平；孙文等研究了北运河沙河水库沉积物氮、磷及有机质的分布特征，并指出点源污染是沙河水库污染物积累的重要来源；郑国侠等研究发现南海深海盆沉积物向海水提供氮与磷等营养元素，一定程度上增加了该海域的初级生产力水平。因此，当外源污染物得到有效控制时，内源污染物的释放成为水体环境潜在生态污染风险。目前，沉积物营养元素分布特征的研究主要集中在水库、湖泊、海湾、河口等相对宽广的水域，对邻近山区上游小流域对比研究较少。河流上游作为源头，其输送的营养元素对下游的水质有重要的影响。闽江是福建省最大河流，随着经济的快速发展，各种污染源大量输入水体后，改变了水体营养盐的结构，对水体生态环境造成很大的影响。富屯溪作为闽江上游三大溪之一，是当地水资源重要的调蓄区和“净化池”，但因受到流域周边环境变化的影响，水质由贫营养状态向中营养化发展。而研究河流表层沉积物污染物污染状况，能够较有效地识别和管控河流水环境生态风险。因此，笔者展开对富屯溪流域表层沉积碳、氮、磷的分布特征及相关性进行研究，并评价其污染现状，探究沉积物中有机质的来源，以期为该流域水污染控制及富营养化治理提供参考依据。

1 材料与方法

富屯溪位于福建省北部，分布于武夷山脉南坡，为闽江上游三大溪之一。流域面积为12 080 km，约占闽江流域面积的22.5%，有西支和北支2条水源，贯穿光泽、宁化、建宁、泰宁、将乐、顺昌、邵武、南平8个县市，全长285 km。该流域地处亚热带，是典型的红壤、黄壤分布区，年均降雨量1 600～2 000 mm，年均径流量为137亿m，年均输沙量为103万t，河道平均坡降1.20‰。流域内土地利用以林地和农业用地为主，四周山体以花岗岩组成为主。

2018年8月用DXCN-3821加重型彼得森抓斗式采样器对富屯溪流域采集18个0～10 cm深度的表层沉积物样品，其中北支6个(1～6号样点)、西支10个(7～16号样点)、主干2个(17～18号样点)，采样点分布见图1。每个采样点沿着样线随机取泥5次，并混匀作为此点样品，放入聚乙烯塑料袋中密封，运回实验室。将样品放在干净、阴凉通风的实验台上自然风干，风干样品粉碎研磨并过100目尼龙筛，筛下样保存备用。在采样调查的过程中，记录样点地形地貌条件、土地利用类型、人类活动强度等。

对沉积物样品的pH、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、速效氮(AN)、总磷(TP)和速效磷(AP)含量进行测试。其中pH采用电位计法(土∶水=1∶2.5)，TOC采用重铬酸钾容量法-外加热法，TN采用过硫酸钾氧化法，AN采用扩散吸收法，TP采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法，AP采用饱和碳酸氢钠浸提法。每个沉积物样品均进行3组平行试验，所得结果的相对偏差小于5%，以保证试验结果的精度。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites

目前，国内外对沉积物中营养盐的生态风险评价尚缺乏统一的评价方法和标准，有机指数法和有机氮运用比较广泛，但它只考虑沉积物碳氮的污染，没有考虑磷的污染，因此为了更全面地反映富屯溪沉积物的污染状况，该研究采用有机指数法和有机氮评价富屯溪沉积物碳氮的生态风险，采用单因子污染指数法评价富屯溪沉积物磷的生态风险。

有机指数通常作为评价沉积物环境状况的指标，有机氮指数则是衡量沉积物受氮污染程度的重要指标，评价标准见表1，计算方法如下：

有机指数=有机碳(%)×有机氮(%)

(1)

有机氮指数=总氮(%)×0.95

(2)

采用单因子污染指数法对磷污染因子的污染状况进行评价，评价标准见表2，计算方法如下：

=

(3)

式中，为单因子污染指数，为污染因子的实测值；为污染因子的评价标准值。该研究参照加拿大安大略省环境和能源部制定的环境质量评价指南，按照该指南，沉积物中能引起最低级别生态毒性效应的TP浓度为600 mg/kg。

表1 沉积物有机指数与有机氮指数评价标准

表2 沉积物单因子污染指数评价标准

研究区采样图采用ArcGIS 10.2绘制，用SPSS 26.0软件进行相关系数分析，采用Origin 2019b绘图。

2 结果与分析

从图2可以看出，富屯溪表层沉积物pH为5.12～6.62，均值为5.86，呈弱酸性，空间分布较均匀。TOC浓度为1.43%～5.06%，平均值为2.19%，最高值出现在北支1号点位，最低值出现在西支15号点位，1号采样点位于光泽县城区，人口密度大，点源污染多，生活、工业污水的大量输入导致河流水质较差，初级生产力增大，经长期沉积导致沉积物中营养元素含量较高。空间分布上，北支TOC平均值略高于西支，两支流均表现为上游高下游低的趋势。受人类生活、工农业发展、土地利用及植被分布等影响，TOC含量较高的点位均出现在人类活动频繁的城村和林地附近的河段。沉积物有机质一般可分为藻类、草本类、木质类、木炭4种类型，通常最稳定的是木质类和木炭，其次是草本类，藻类因易氧化分解而不易保存。富屯溪流域森林覆盖率高，林地分布广，植物的碎屑等草本类和木质类来源丰富，通过地表径流进入水体沉积下来，导致林地附近河段沉积物TOC的含量较高。

富屯溪表层沉积物TN平均浓度为2 472.28 mg/kg，流域内TN分布不均，最高值达4 047.34 mg/kg，最低值则为918.97 mg/kg，分别出现在北支2号点位和6号点位，说明北支受人类活动干扰的程度较大。空间分布上，西支TN的平均值高于北支。速效氮浓度为18.17～121.29 mg/kg，均值为65.12 mg/kg，符合全国第二次土壤普查推荐的土壤速效养分IV级标准(60～90 mg/kg)，属于较缺乏水平。

富屯溪表层沉积物TP浓度为386.35～988.24 mg/kg，平均浓度为653.10 mg/kg，空间差异较小，北支和西支TP的平均值分别为678.57、639.14 mg/kg，基本持平；与TN相似，TP的最高值和最低值均出现在北支。速效磷浓度为17.37～44.49 mg/kg，均值为33.99 mg/kg，符合全国第二次土壤普查推荐的土壤速效养分Ⅱ级标准(20～40 mg/kg)，属于丰富水平。TN和TP含量较高的点位均出现在城村和农田密集附近的河段，可能与人类活动(生活、工业污水的排放，农业生产)、降雨量等相关。闽江上游是福建著名的暴雨中心，雨水形成的地表径流冲刷强度大，富含营养的土壤和岩石碎屑随着地表径流进入河流并沉积，造成TN、TP含量增高，这可能是富屯溪沉积物中氮、磷营养盐的重要来源。

图2 富屯溪表层沉积物pH和营养元素分布情况Fig.2 Distribution of pH and nutrient elements in surface sediments in Futunxi

加拿大安大略省环境和资源部制定的环境质量评价指南规定，沉积物中能引起最低级别生态毒性效应的TOC、TN和TP浓度分别为1%、550 mg/kg和600 mg/kg。富屯溪所有样点的TOC和TN值均超出了安全级别，处在最低级别范围内。而有39%样点的TP值处在安全级别，61%样点的TP值处在最低级别，说明富屯溪流域已受到了碳、氮、磷的污染，只是多数底栖生物尚可承受。

从研究区沉积物营养盐污染评价(图3)可以看出，全流域有机指数为0.17～1.27，平均值为0.54，其中，有6%样点属于较清洁水平，61%样点属于尚清洁水平，33%样点属于有机污染水平；有机指数最高的样点位于北支2号点位，高达1.27；整体上，富屯溪表层沉积物有机污染处于尚清洁的状态。全流域有机氮指数为0.087～0.384，平均值为0.235，达到有机氮污染水平，存在较大的潜在生态风险；其中西支有机氮污染程度最高，100%样点达到有机氮污染水平，说明沉积物受TN污染较严重，对底栖生物群落造成一定的威胁。单因子污染指数评价结果表明，全流域TP单因子污染指数为0.64～1.65，平均值为1.09，总体上属于中度污染水平，潜在生态风险较小。由此可见，富屯溪表层沉积物受到碳氮磷不同程度的污染，富屯溪作为当地重要水源，应当控制外来污染，尤其是氮的输入，防止富屯溪沉积物污染程度逐渐加剧，对上覆水造成威胁。有机指数与单因子污染指数最高值均出现北支2号点位，可能是因为2号点位处于光泽县下游郊区，周边林地农田较多，并且光泽县城区排放的污染物在水动力作用下在此沉积，故而营养元素水平较高。

水体沉积物的C/N值在某种程度上反映了有机质来源的差异性。研究表明，湖泊、河流水生植物富含蛋白质而缺乏纤维素，其C/N值通常在4～10；陆地高等植物体内纤维素含量高，蛋白质含量低，其C/N值通常大于20或更高；藻类的C/N值为4～10，浮游动物的C/N值一般小于7。因此可利用C/N值判识沉积物中有机质的输入源。整体上，富屯溪表层沉积物TOC/TN值在5.59～23.09，平均值为10.12，外源有机质与内源有机质的输入基本上达到一个平衡的状态。北支TOC/TN值在5.59～23.09，平均值为13.74，空间差异较大，且外源输入略占主导；西支TOC/TN值在5.73～9.71，平均值为7.53，空间差异较小，且内源输入略占主导(图3)。两溪流有机质来源存在差异，这一方面可能是因为西支陆源有机物输入相对较少；另一方面可能是西支流域农田、菜地等耕地面积大，导致含氮污染物在沉积物表层积累，形成表层富集现象，进一步使TOC/TN值降低。

图3 富屯溪沉积物营养元素生态风险评价Fig.3 Ecological risk assessment of nutrient elements in sediments in Futunxi

C/P值在一定都程度上能够反映沉积物中有机碳和磷化合物的分解速率。全流域TOC/TP值在20.84～80.14，平均值为33.94(图4)，均小于Redfild比(C∶N∶P=106∶16∶1)，说明有机碳的分解速率较快，磷化合物分解较慢。空间分布上，北支的TOC/TP值高于西支，北支陆源有机质来源相对较多，且主要来源于陆源纤维束植物碎屑，其不易氧化分解而沉积下来，导致北支TOC/TP值较高。

氮、磷在沉积物溶出、释放及水中聚集、沉积这2种动态过程可以由表层沉积物中N、P含量及比值反映出来。全流域TN/TP值在1.57～5.75，平均值为3.76(图4)，小于Redfild比，说明富屯溪流域中磷不是限制水体富营养化的主导因子，且可能主要受陆源输入的影响。

图4 富屯溪表层沉积物TOC/TN、TOC/TP、TN/TP值Fig.4 The value of TOC/TN，TOC/TP，TN/TP of surface sediments in Futun River

有研究表明，沉积物中氮的存在形态以有机氮为主，而沉积物磷以无机磷为主，故有机碳与总氮显著正相关，与总磷不相关，如太湖、江苏西部湖泊。由表3可知，pH与TOC、TN、TP等相关性并不明显。TOC、TN和TP之间均存在一定的相关性，其中，TOC与TP、TN均呈正相关，但均达不到显著相关，说明沉积物中氮、磷的赋存形态比较复杂，氮主要以无机氮为主，磷以无机磷为主。TP与TN、TP与AP分别呈极显著、显著正相关，相关系数分别为0.592和0.526，表明氮磷在沉积物积累行为上较为相似，具有一定的同源性，且TP浓度可以较好地指示沉积物速效磷水平。

表3 富屯溪表层沉积物中沉积物营养盐相关性分析

富屯溪沉积物TOC、TN、TP平均含量与其他河流对比见表4。漳河、潮白河是海河水系重要支流；渭河为黄河一级支流；赤水河为长江上游一级支流；珠江口是珠江的河口湾；建溪、闽江河口为闽江流域；抚河是鄱阳湖水系。在所有对比河流中，富屯溪沉积物TOC和TP含量处于较低水平，其中富屯溪TOC含量高于抚河和赤水河中游，低于潮白河中游、建溪、渭河陕西段、漳河上游，与小清河、闽江河口基本持平；TP含量远远低于潮白河中游、小清河，也低于抚河、赤水河中游、闽江河口、渭河陕西段，与建溪、漳河上游基本持平，高于珠江口；富屯溪TN含量在所有对比河流中处于最高水平。因此，与其他河流相比，富屯溪TOC和TP含量较低，TN含量较高。

表4 富屯溪沉积物TOC、TN、TP平均含量与其他河流对比

3 结论

(1)富屯溪流域表层沉积物pH为5.86；速效氮符合全国第二次土壤普查推荐的土壤速效养分IV级标准，属于较缺乏水平；速效磷符合全国第二次土壤普查推荐的土壤速效养分Ⅱ级标准，属于丰富水平。TOC、TN和TP的含量分别为1.43%～5.06%、918.97～4 047.34 mg/kg、386.35～988.24 mg/kg，对多数底栖生物处于可承受范围，不同溪流水平分布有所差异。

(2)整体上，富屯溪表层沉积物有机污染处于尚清洁的状态，但33%样点属于有机污染水平。有机氮达到了有机氮污染水平，存在较大的潜在生态风险。TP属于中度污染水平，但最高点位达到了重度污染水平，具有潜在生态风险。

(3)富屯溪外源有机质与内源有机质的输入基本上达到一个平衡的状态，但北支以外源输入占优势，西支以内源输入为主。TOC与TN、TP均呈弱相关，而TN与TP呈极显著相关，故氮磷在沉积物积累行为上较为相似，具有一定的同源性，与有机质来源有一定差异。