鄭佳舜，胡鈞銘，苗雨青，吳 昊，楊任翔1,，金曉丹

(1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 南寧 530004；2.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 南寧 530007；3.安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院 流域地表過(guò)程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 蕪湖 241003；4.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 南寧 530022)

0 引 言

內(nèi)河湖泊在沉積和輸送擾動(dòng)過(guò)程中記錄了豐富的營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境信息[1-3]，影響水體沉積物營(yíng)養(yǎng)的遷移、轉(zhuǎn)化及河水質(zhì)量，乃至底泥生物群落結(jié)構(gòu)[4,5]，長(zhǎng)期擾動(dòng)則會(huì)使沉積物養(yǎng)分以鹽的形態(tài)再次進(jìn)入水體，引發(fā)二次污染[6]。有研究[7]顯示，南水北調(diào)東線水源調(diào)蓄地和京杭大運(yùn)河航運(yùn)路段沉積物影響水體氮元素的富集從而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。湖泊沉積物定位研究有助于追溯水體富營(yíng)養(yǎng)化來(lái)源，體現(xiàn)淺水湖沉積物營(yíng)養(yǎng)特征[8]。水體環(huán)境受到硫元素的影響，沉積物中還原態(tài)硫與重金屬的結(jié)合是造成水體黑化的重要原因[9]，水體致臭物質(zhì)主要是硫的化合物揮發(fā)導(dǎo)致[10]，控制水體黑臭污染是城市水體環(huán)境治理的重要目標(biāo)之一。沉積物的環(huán)境特性在粒度參數(shù)中體現(xiàn)[11]，通過(guò)沉積物在不同粒徑下的研究可推斷出沉積物的搬運(yùn)方式[12]、侵蝕風(fēng)化作用[13]及其水動(dòng)力擾動(dòng)因素[14]。當(dāng)前，九龍江口[15]、巢湖[16]、太湖[17]等河段的沉積物理化性質(zhì)受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，長(zhǎng)江是中華民族的母親河，長(zhǎng)江口水域是中國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化較嚴(yán)重的水域之一，重視和保護(hù)好長(zhǎng)江水環(huán)境具有重要的歷史意義。

大氣沉降、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的排入是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化污染的重要來(lái)源[18]。水域長(zhǎng)期沉積物營(yíng)養(yǎng)再釋放也是造成水體潛在污染的重要原因。淺層沉積物與水層比鄰，蓄積底泥中的污染物會(huì)直接或間接影響水質(zhì)和水生動(dòng)物，充當(dāng)污染物的“源”和“匯”兩重角色[19]。掌握河床淺層沉積物底泥的性狀，是識(shí)別和有效管控河流水體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重要手段?；ń蚝訛殚L(zhǎng)江下游支流青弋江的重要分支和生態(tài)保護(hù)屏障，有效治理或控制水體營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境的污染是當(dāng)下面臨的重要挑戰(zhàn)。該研究以花津河不同河段淺層沉積物為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)花津河沉積物pH、OM、TC、TN、TH和TS等營(yíng)養(yǎng)性狀及沉積物粒徑特征，分析其相關(guān)性，探求花津河淺層沉積物粒徑、養(yǎng)分等對(duì)水體環(huán)境潛在污染的影響。研究結(jié)果有助于對(duì)花津河不同河段沉積物和潛在水質(zhì)污染程度做出判斷，從河流源頭沉積物性質(zhì)的角度，為長(zhǎng)江支流流經(jīng)的城市水環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)選擇5個(gè)具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行采樣，分別記為T(mén)S1、TS2、TS3、TS4、TS5。其中，TS1(118.372E、31.287N)處人流量大，附近有人工小樹(shù)林，靠岸邊有藻類(lèi)等水生植被，水周?chē)h(huán)境清潔及時(shí)；TS2(118.373E、31.286N)處有水生植物荷花，附近靠河岸處有少量雜草，清潔及時(shí)，環(huán)境較好；TS3(118.374E、31.284N)路邊種植的柳樹(shù)矮小，河水上有少量枯枝落葉；TS4(118.375E、31.279N)人流量極少，植被的枯枝落葉基本無(wú)人打理，在附近10 m處有一個(gè)垃圾處理場(chǎng)，采集上來(lái)的底泥有刺激性臭味；TS5(118.354E、31.293N)位于面臨交通道路，距采樣點(diǎn)10 m處有一個(gè)排水口，路邊種植柳樹(shù)，河水上有枯枝落葉，人流量、車(chē)流量相比最大，水體環(huán)境較差(見(jiàn)圖1)。

圖1 研究區(qū)河流分布及采樣點(diǎn)位置圖Fig.1 The distribution of river and the location of the sample point

1.2 樣品采集與預(yù)處理

使用彼德森采泥器采集0～15 cm表層底泥樣品，隨機(jī)在每個(gè)采樣點(diǎn)周?chē)?～10 m處采取3個(gè)平行樣，樣品撿除巖屑、侵入體及粗有機(jī)物，攤平風(fēng)干以備用。

研磨原樣土過(guò)2 mm(10目)篩，以測(cè)定沉積物pH。用粉碎機(jī)粉碎部分原樣土，用以測(cè)沉積物中養(yǎng)分元素TC、TN、TH、TS。

1.3 分析方法與處理

沉積物pH采用電位法測(cè)定，具體步驟為：①用大燒杯裝足量超純水，蓋上保鮮膜，膜上戳洞，放置于電爐上用煮沸法直至水沸騰，制備成無(wú)二氧化碳水并冷卻以備用；②用無(wú)二氧化碳的水配置3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液定容250 mL的容量瓶中，用以矯正pH計(jì)；③稱取10 g土樣和標(biāo)樣于50 mL的燒杯中，加入25 mL的水后攪拌2～3 min，靜置30 min；④將玻璃電極的球泡浸入待測(cè)土樣的下部懸濁液中，輕微搖動(dòng)，將飽和甘汞電極插在上部清液中，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄儀器上的pH。每個(gè)樣品測(cè)完后立即用超純水沖洗電極，并用干濾紙將水吸干再測(cè)定下一個(gè)樣品。OM采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定，沉積物TOC按OM的平均含碳量58%計(jì)，TC、TN、TH、TS使用德國(guó)Elementar公司生產(chǎn)的元素分析儀vario MACRO cube測(cè)定[20]，沉積物TIC(TIC為總無(wú)機(jī)碳)含量等于TC減去TOC，沉積物粒徑分級(jí)采用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的激光粒度儀Mastersizer 3 000測(cè)定。

粒徑測(cè)定的具體步驟為[21]：①稱取少許混勻后的風(fēng)干土(約2 g)于100 mL燒杯內(nèi)；②加入10 mL 10%雙氧水去除OM，至不反應(yīng)后放到砂浴鍋上消煮，消煮時(shí)用超純水沖燒杯壁，加10 mL稀鹽酸，去除樣品中碳酸鈣，至不反應(yīng)后取下燒杯；③冷卻靜置12 h后抽取上清液，在燒杯中加入0.05 mol/L六偏磷酸鈉溶液，用KQ3200DE型數(shù)控超聲波清洗器在10 min、30 ℃條件下震蕩分離；④將待測(cè)懸濁液放到激光粒度儀中測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

研究區(qū)示意圖采用Arcgis10.2繪制，數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 19軟件處理，用Pearson法進(jìn)行不同指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)分析，LSD法進(jìn)行多重比較，Duncan法進(jìn)行多組樣本間差異性分析，采用Microsoft Excel 2010制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 花津河淺層沉積物底泥環(huán)境特征

淺層沉積物的OM及pH是衡量底泥環(huán)境特征的重要指標(biāo)。表1顯示花津河的沉積物pH為7.5～7.6，TS4、TS5的沉積物pH較低于其他采樣點(diǎn)。TS4的OM相對(duì)最高，TS2和TS5的沉積物OM相對(duì)較少，TS5的OM在10 m左右受排水口的擾動(dòng)大。參照國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[22]，有機(jī)碳含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表2，花津河TOC如表4所示，不同河段沉積物的TOC遠(yuǎn)大于Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明花津河有機(jī)污染十分嚴(yán)重。參照全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)方法[23]，對(duì)沉積物養(yǎng)分等級(jí)如表3所示，花津河OM在TS2和TS5為中等養(yǎng)分分級(jí)狀況，TS1、TS3、TS4屬于豐富養(yǎng)分分級(jí)狀況，TS4的OM最接近極豐富養(yǎng)分。TS4河段沉積物OM受到外源輸入的影響，枯枝落葉的不及時(shí)打理，其東面10 m處有垃圾處理處均潛在的增加了水體沉積物OM的積累。

表1 采樣點(diǎn)沉積物基本理化特征Tab.1 Basic physicochemical characteristics from the surface sediment in sampling site

表2 水體沉積物有機(jī)碳含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation criteria of organic-C content in sediments

表3 沉積物的養(yǎng)分分級(jí)狀況 g/kgTab.3 The nutrient classification of sediments

表4 沉積物總碳、氮、氫、硫及碳氮比、氫硫比含量Tab.4 The percentage of TC、TN、TH、TS and C/N、H/S in the sediment

2.2 花津河沉積物營(yíng)養(yǎng)特征

由表4可見(jiàn)：TS3沉積物TC顯著高于其他4個(gè)采樣點(diǎn)，僅有TS3的TIC均高于TOC，其他處理中TIC遠(yuǎn)低于TOC，T4的TIC最低。沉積物懸浮物在沉降-再懸浮-再沉降的過(guò)程中完成碳的循環(huán)[24,25]，TS3沒(méi)有樹(shù)蔭遮擋，河水及沉積物接受光強(qiáng)大，沉積物碳循環(huán)過(guò)程潛在懸浮能力強(qiáng)；TN在2.13～3.2 g/kg之間，其中，TS3的TN顯著高于其他4個(gè)采樣點(diǎn)，花津河沉積物TN的養(yǎng)分處于極為豐富的水平，其C/N在所有樣點(diǎn)中最高，達(dá)到了12.23；不同河段花津河中TS3的TH最大，TS5處TC、TN、TH均最少，但TS顯著高于其他采樣點(diǎn)。硫氫化物是影響水體養(yǎng)分含量的潛在指示物，H/S可作為一個(gè)衡量沉積物水體環(huán)境致臭物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)之一[10]。TS5中H/S顯著低于其他位置，且小于2，其他處理中H/S有TS3>TS2>TS1>TS4>2 g/kg。

2.3 花津河沉積物顆粒組成特征

粒度分析是沉積物研究的基本手段之一，花津河沉積物粒度曲線如圖2所示：沉積物的顆粒在同樣的區(qū)域內(nèi)最大值TS1>TS3>TS2>TS4>TS5，顆粒組成是粉粒且粒級(jí)在17 μm左右時(shí)百分含量最多，粒徑在17～36 μm區(qū)域內(nèi)顆粒數(shù)量的變化呈下降趨勢(shì)，過(guò)程中經(jīng)過(guò)一小段水平變化不大的數(shù)值后繼續(xù)下降至第一個(gè)波。TS5在沉積物顆粒大小接近200 μm時(shí)呈現(xiàn)出第二個(gè)明顯的波峰，其他4個(gè)采樣點(diǎn)的沉積物顆粒含量隨著沉積物的粒徑增大，數(shù)量呈波動(dòng)減少。

圖2 沉積物的顆粒組成Fig.2 The particle of the sediment compostion

沉積物粒度分析數(shù)據(jù)平均值、偏差、中位數(shù)、顆粒累積分布10%的粒徑、顆粒累積分布90%的粒徑概況分別為T(mén)S1：12.05、3.66、14.69、2.22 μm、47.30 μm；TS2：12.20、3.89、14.44、1.98 μm、50.04 μm。

花津河的沉積物顆粒組成以美國(guó)制土壤粒徑標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)輸出，即分為黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、砂粒(50～2000 μm)。如圖3所示，花津河沉積物的顆粒組成以粉粒為主，平均含量758.7 g/kg，黏粒含量最少，約92.9 g/kg，砂粒含量148.4 g/kg左右。3個(gè)粒級(jí)具有不同特點(diǎn)：黏性顆粒的沉積物質(zhì)地黏結(jié)力、吸附能力強(qiáng)，易團(tuán)聚，持水性強(qiáng)，通透較差；砂粒吸水能力弱、無(wú)塑造性、無(wú)吸脹性、有效養(yǎng)分低、粒間孔隙大、通透性良好；粉粒的性質(zhì)特征介于砂粒和黏粒之間，隨沉積物土粒粒徑的減小，土粒的吸濕量和最大吸濕量、持水量和毛管持水量都會(huì)相應(yīng)增加，而沉積物土樣中的同期孔隙度、通氣和透水速度相應(yīng)減小。

圖3 沉積物顆粒組成含量Fig.3 The content of particle composition in the sediment

花津河不同區(qū)域沉積物黏粒含量有一定的特點(diǎn)，TS2(101.9 g/kg)沉積物黏粒含量高于其他采樣點(diǎn)，TS1(827.2 g/kg)的沉積物粉粒含量顯著高于TS5(619.4 g/kg)，TS5的砂粒含量最高，為119.1 g/kg。

2.4 沉積物顆粒組成與營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的相關(guān)性

由表5看出，OM與TN與TH呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均為0.56；TC與TN呈極顯著正相關(guān)，與TH與呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.86和0.59；TN與TH呈極顯著正相關(guān)，與黏粒含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.54；TH與黏粒呈極顯著正相關(guān)，與粉粒含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.71和0.62；TS與粉粒呈顯著負(fù)相關(guān)；砂粒僅與TS呈正相關(guān)，與TH、粉粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.68和-0.99，與黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.6。

表5 不同粒徑變化和營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的相關(guān)性Tab.5 The relationship between particle size and physicochemical property

3 討 論

3.1 碳、氮、氫、硫及生物活動(dòng)對(duì)水體水質(zhì)的影響

3.2 沉積物不同粒徑與環(huán)境的關(guān)系

花津河流經(jīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集城市，生活廢水、廢渣的排放可能是造成河流水體環(huán)境受污染的重要原因。沉積物顆粒的粗細(xì)與河水的沉積作用有關(guān)，表層沉積物細(xì)小的顆粒物，通過(guò)底泥懸浮和水-沉積物界面環(huán)境條件擾動(dòng)改變進(jìn)入水體[31]。沉積物細(xì)顆粒所占的比例越高，其比表面積越大，吸附能力就越強(qiáng)，污染程度一般較高[32]，與前人研究相同，本研究發(fā)現(xiàn)TS5的細(xì)顆粒占比最小，河流所受的人為污染程度相對(duì)較高。在底泥采集的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)TS5的底泥呈深墨綠色，含較少枯枝樹(shù)葉，底泥采集上來(lái)大多以液體的形式流出，風(fēng)干后的底泥樣本呈棕黃色，在質(zhì)地上與其他的樣品相比更加容易碾碎。TS5處于交通要道，附近有排水口，排水口長(zhǎng)期蓄水會(huì)改變下泄的水沙條件及泥沙輸移特性，造成河床侵蝕，導(dǎo)致表層沉積物的粒度粗化[33]。我國(guó)長(zhǎng)江中下游的湖泊以淺水湖泊占主導(dǎo)，沉積作用明顯受湖泊地形動(dòng)力條件的影響，在花津河流域，靠近路邊及河口(TS5)的沉積物顆粒粒徑相對(duì)較粗，遠(yuǎn)離河岸的沉積物樣品顆粒相對(duì)較細(xì)。

3.3 粒徑與營(yíng)養(yǎng)物、污染狀況之間的相關(guān)性

花津河淺層沉積物OM通過(guò)內(nèi)源負(fù)荷循環(huán)構(gòu)成水體富營(yíng)養(yǎng)化的潛在驅(qū)動(dòng)因素。砂粒屬于大顆粒，受到OM的影響顯著，這是因?yàn)榛ń蚝覱M的來(lái)源分為內(nèi)源和外源輸入，內(nèi)源輸入主要是植物的掉落物、浮游植物、底棲生物的初級(jí)生產(chǎn)和次級(jí)生產(chǎn)的輸入，外源輸入則是通過(guò)外接水源補(bǔ)給過(guò)程，如地表徑流、地下水等攜帶來(lái)的顆粒態(tài)和溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)[34]，而湖泊沉積物OM中的C/N能區(qū)分出內(nèi)外源OM的輸入。TS4河段沉積物OM受到內(nèi)源輸入的影響，附近有垃圾處理站的污水排放不能得到有效治理，可能是導(dǎo)致其有機(jī)質(zhì)OM最多的原因。城市沉積物中TOC總體上隨著環(huán)境多元化增加呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)，人多密集處對(duì)沉積物TOC有下降的趨勢(shì)[35]，這與本研究結(jié)果一致?；ń蚝映练e物TN與TC、TH呈極顯著正相關(guān)，TC與TH呈顯著正相關(guān)，TH、TS的相關(guān)系數(shù)為0.03。水體pH取決了H+濃度，TH影響pH，河流沉積物的pH是衡量水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)環(huán)境因子，與水體中物理、化學(xué)及生物過(guò)程等密切相關(guān)，水體富營(yíng)養(yǎng)化與降雨量有關(guān)[36]。花津河處于降雨量較多亞熱帶地區(qū)，花津河沉積物長(zhǎng)期受過(guò)量降雨沖刷形成的地表水鹽分沖洗潛在影響，TH可以作為衡量河流沉積物種磷化氫氣體形成的潛在指示物。磷化氫是一種有毒且易氧化的還原性氣體，從根源上合理控制對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)、環(huán)境和大氣生態(tài)環(huán)境污染有一定的治理作用。本研究中TS3的TH相對(duì)較多，在水體環(huán)境中制造還原條件，沉積物磷化氫的產(chǎn)生和潛在留存有直接、間接的影響[37,38]。

4 結(jié) 論

(1)花津河以藻類(lèi)和水生植物為主，OM遠(yuǎn)大于Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)污染嚴(yán)重，河流養(yǎng)分狀態(tài)屬于中等或豐富水平。水體擾動(dòng)和外源有機(jī)質(zhì)的輸入會(huì)提高城市河流沉積物OM，沉積物高OM對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境存在潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。必要采取有效措施，及時(shí)有效的對(duì)底泥進(jìn)行清淤，控制藻類(lèi)繁殖以緩解水環(huán)境二次污染。

(2)H/S是水體營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境的重要標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)H/S>2 ，河水沉積物主要受到外源有機(jī)質(zhì)的影響，比值接近2說(shuō)明人為擾動(dòng)越大，當(dāng)H/S<2，花津河沉積物受到蓄水?dāng)_動(dòng)和交通環(huán)境的影響。加強(qiáng)沉積物-河流接觸面、水流表面硫氫化物的研究，跟蹤S以不同形態(tài)演化成污染源的過(guò)程，對(duì)探討沉積物TC、TN、TS和TH對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化提供指示物強(qiáng)度擬合規(guī)律和水體環(huán)境的有效管控有重要意義。

(3)內(nèi)河淺層沉積物營(yíng)養(yǎng)特征及粒徑性狀可作為水體環(huán)境管理的潛在指示物。底泥營(yíng)養(yǎng)環(huán)境與顆粒組成有一定的相關(guān)性，花津河底泥顆粒組成以粉粒為主，花津河沉積物粉粒受到TH及砂粒含量的影響較大，砂粒含量主要受到TH的影響，黏粒含量主要受TN、TH的影響。因此，花津河淺層沉積物是引發(fā)水體風(fēng)險(xiǎn)的潛在污染物?；ń蚝拥啄酄I(yíng)養(yǎng)、環(huán)境及粒徑特征為判斷花津河不同河段底泥和水質(zhì)情況，從河流源頭沉積物的研究為長(zhǎng)江流域的河流分支在城市水環(huán)境治理和保護(hù)提供一定理論依據(jù)。