成都市錦江底泥氮磷和有機質的分布調查及特征評價

摘要：以四川省成都市的錦江作為研究對象，分為5個研究河段，采用綜合污染指數法和有機污染指數法對營養鹽進行污染評價。結果表明，錦江底泥呈弱堿性，氮、磷、有機質沿程分布不均勻，中游氮磷污染嚴重。有機質、總氮、總磷3者之間存在極顯著的強正相關關系，有相似的來源；結合水質狀況，底泥是產生水體碳氮磷污染物的主要內源污染物，也是溶解氧的主要消耗者。通過綜合污染指數及有機污染指數法得出，錦江底泥氮磷污染嚴重，均在中度污染等級及以上。但底泥肥力較高，可考慮將其農業資源化利用。

關鍵詞：錦江；底泥；有機質；總氮；總磷；特征評價

基金項目：四川省重點研發項目（2023YFG0255）

引言

底泥是無機物和有機物的重要載體（大量無機物和有機物通過富集沉降蓄存其中），也是營養鹽的蓄積庫[1～3]。但大量科學研究證實，當達到特定條件時，底泥會由于污染釋放而對水體造成二次污染，是水污染的源和匯[4]。因此，量化評價底泥主要污染物質含量（如營養鹽）并對其特征進行評價是河流環境質量評估的重要內容，也是底泥綜合利用的理論依據。

錦江是四川省成都市中心城區主河道之一，對成都城市經濟文化和社會發展具有突出貢獻。20世紀70年代，由于城市化進程的加快[5]，工農業用水急劇增加，導致錦江污染嚴重。自1992年開始逐步治理，于2016年開展河道河岸、環境生態、污水截流等綜合整治工程。從底泥角度開展評估是對治理效果與狀態評估的重要方面，也是為底泥治理提供資源化利用可能性的重要依據。

錦江是典型的城市河流，其底泥是河流中各種污染的主要歸屬之一[6]，然而目前的相關研究主要是針對重金屬[7]和OPEs[8]的評價，對于底泥營養鹽這個潛在風險污染源的研究較少。因此，本文著重分析錦江底泥營養鹽的分布及特征評價。

1材料與方法

1.1 樣品采集與處理

以錦江干流為研究對象，采取全線布點方式開展調查與取樣分析，旨在全面了解水體中的有機質（OM）、氮、磷在底泥中的積累、分布和遷移規律。2023年1月21日，按照錦江河段不同特征共布設24個采樣點，將研究區段按照水質狀況、水文特征及河長管轄段作為劃分依據沿河流縱向分為5個河段進行比較分析，具體河段劃分見圖1。在污水匯入口、支流匯入處及集中工業區或農業區合理增設采樣點位，由于河段Ⅳ和河段Ⅴ沿程變化不大，因此布設長距離點位。每個采樣點進行3次取樣，所采集的總樣品量為72個，采樣點位置如圖1所示。用柱狀采泥器采集全柱狀底泥樣品，將所得的樣品密封裝好，并貼上標簽，避免日光照射，經冷凍干燥、篩檢、研磨、過100目篩后進行分析。

1.2 分析指標及測定方法

底泥分析涵蓋4個指標，即pH、OM、總氮（TN）、總磷（TP）。參照《土壤 pH值的測定 電位法》（HJ 962-2018）、《土壤全氮測定法（半微量開氏法）》（GB 7173-87）、《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》（HJ 632-2011）、《土壤檢測 第6部分：土壤有機質的測定》（NY/T 1121.6-2006）測定pH、OM、TN、TP。

1.3 底泥污染評價方法

1.3.1 綜合污染指數法

綜合考慮污染物類型及其分布特征，采用綜合污染指數法及有機污染指數法對錦江底泥中氮、磷、OM進行污染評價。目前國際上尚無統一規定的綜合污染指數閾值標準，張榮貴[9]研究中的自貢市城市河道底泥污染評價選用太湖基準值，因此本文同樣選取1960年太湖沉積物氮磷背景值為基準具體分析[10]，綜合污染指數計算公式[11]為式（1）、式（2）。

式中 i—TN指標或TP指標；Si—單項評價指數（Si＞1表示該項指標含量超過標準值）；Ci—評價指標i的實測值；Cs—評價因子i的評價標準值[12]（TN的Cs取670 mg/kg，TP的Cs取440 mg/kg）；FF—綜合污染指數；F—n項污染物污染指數平均值；Fmax—最大單項污染指數[13]。

1.3.2 有機污染指數法

有機污染指數計算公式為式（3）～（5）。

式中 ON—有機氮，%；TN—總氮；OC—有機碳，%；OM—有機質[9]；OI—有機污染指數。

1.4 數據處理

采用Arcgis進行采樣點位圖繪制，運用Excel、SPSS及Origin軟件進行數據處理和圖表繪制。

2結果與分析

2.1 底泥pH、有機質、氮磷空間分布特征

錦江底泥pH介于6.95～8.94之間，平均值為8.03，呈弱堿性。變異系數為6%，表明錦江底泥pH變化穩定，沿河道差異不大，處于弱變異水平，如圖2a所示。

OM含量范圍在6.80～64.80g/kg之間，平均值為23.94g/kg。如圖2b所示，結合變異系數57%和OM沿程變化情況可知，錦江底泥OM含量存在明顯的空間差異性，河流中段較為集中，向兩端逐漸減少。經分析，與支流匯入及生活污水排放直接相關。

TN、TP含量變化范圍在148.37～3854.55 mg/kg和620.74～1577.00 mg/kg之間，平均值分別為1152.30 mg/kg和947.23 mg/kg，按照EPA制定的底泥分類標準，根據各河段的TN平均值可以得出，Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅴ段屬于輕度污染區，Ⅲ段和Ⅳ段屬于中度污染區。結合變異系數75%可知，錦江底泥中TN存在明顯富集現象，總體表現為從上游到中游逐步遞增，聚集在河流中部，再向下游逐步遞減。

河段Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ各點位底泥TN含量有較小波動，主要受點位位置與支流匯入口距離、農業區以及排污口位置的影響。點位S2、S4附近有污染溝渠匯入，并且沿河大量修建農業葡萄體驗園，種植園中的作物營養物質隨雨水進入河道，因此TN含量增高；點位S20為肖家河匯入點，同時有翡翠公園西南78m處的城市污水排污口存在；點位S22為江安河匯入地，因此TN含量上升；點位S5、S6、S7的TN含量下降，印證了溝渠匯入可能帶來稀釋作用。河段Ⅲ各點位底泥TN含量存在明顯波動，在S14點位顯著聚集，達到最高值3854.55 mg/kg，屬于重度污染，如圖2c所示。河段Ⅲ支流匯入情況較多，有錦江重要支流南河、沙河、小沙河及小溝渠匯入，并且地處市中心，有大量居民住宅區，人群密度大，導致生產生活污水大量排放。TN突增點點位S14和S16正處于南河與錦江的匯入口。按照EPA制定的底泥分類標準，根據各河段的TP平均值得出，各河段TP含量均大于650 mg/kg，屬于重度污染區。如圖2d所示，結合變異系數24%和TP沿程變化情況可知，錦江全流域底泥磷含量豐富，相較于氮而言空間差異性較小。

2.2 有機質、氮磷相關性及來源分析

基于Pearson相關性分析，對底泥中OM、氮、磷這3種營養鹽含量進行定量相關分析。由計算結果可知，OM、氮、磷之間均存在極顯著的強正相關關系，其中OM與TN的相關系性系數（r）為0.970，檢驗值（P）＜0.01；OM與TP的r為0.934，P＜0.01；TP與TN的r為0.942，P＜0.01。因此，OM、TN、TP這3者顯著相關，均在S14～S17點位明顯富集，表明有相似的來源。S14～S17點位地處市中心及交通樞紐地帶，人口密集，老舊小區較多，污水處理設施薄弱，污水處理率沒有同步跟上[14～16]，導致污水直接排入河流，因此推測受人為影響較大。

OM、TN、TP這3者相關性系數（r）接近于1，底泥采樣點位S1、S6、S9、S10、S15、S16、S18、S23、S24與水質監測點位重合，因此結合水質監測數據進行具體分析。如表1所示，溶解氧與底泥營養鹽呈負相關，當溶解氧含量較高時，會促進底泥微生物及底棲生物（包括蠕蟲、水生昆蟲等）的滋生[17]，加速對營養鹽的分解；底泥OM、TN、TP與水質BOD5、TP-H2O、氨氮呈正相關，表明底泥與水體中碳氮磷類污染物同源，以外源輸入為主。由此看來，底泥是導致水體有機污染的主要內源污染物，也是溶解氧的主要消耗者[18]。

2.3 底泥污染狀況評價

2.3.1 綜合污染指數（FF）評價法

從單因素污染評價指數看，錦江各河段底泥TN污染嚴重程度為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅰ段＞Ⅱ段＞Ⅴ段，其中河段Ⅲ屬于重度污染區，Ⅱ段和Ⅴ段屬于清潔級別；全河段的STP均大于1.50，屬于重度污染區，排序為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅴ段＞Ⅰ段＞Ⅱ段。分析表明，錦江底泥磷污染非常嚴重，且不同采樣點之間及不同河段沉積物的TN、TP存在差異。

綜合污染指數（FF）評價表明，錦江各河段底泥均達到污染水平，其中Ⅲ段和Ⅳ段屬于重度污染，污染嚴重程度依次為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅰ段＞Ⅴ段＞Ⅱ段，如圖3所示。這說明，錦江底泥營養鹽豐富，氮磷污染嚴重，水體有富營養化風險。

2.3.2 有機污染指數（OI）評價法

錦江各河段底泥有機污染分布情況為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅰ段＞Ⅱ段＞Ⅴ段，如圖4所示。河段Ⅲ屬有一定污染區，河段Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ屬較清潔區，河段Ⅴ屬清潔區。

從污染狀況評價來看，河段Ⅲ整體污染情況較其他河段嚴重。河段Ⅲ地處市中心，臨近有許多大型社區，流經人口最為密集的區域，因此易受外源污染，如生產生活廢水、生活垃圾、廚余垃圾等，說明人類活動對水環境的影響是不容忽視的[19]。另外，河段Ⅲ上游有南河在合江亭處匯入，經過長時間的污染物的沉積聚集，加重了底泥營養鹽的富集。

將錦江有機污染狀況與其他城市市區受污染水體進行比較，如與巢湖南淝河河口[20]、北京中壩河[21]、杭州城區河流[22]相比，錦江底泥OM含量相對更高，氮磷含量相對較低，整體水平相當；與云南玉溪大河[23]及南通市區河流[24]相比，錦江底泥OM含量相當，氮磷含量更低，整體有機污染水平較低。總體來看，錦江底泥相較于其他城市河流OM污染嚴重，氮磷污染相對較輕。

3 討論

結合上述分析成果可知，若將錦江底泥進行農業資源化利用，pH是一個重要的參數，它既影響底泥肥力水平，又影響土壤中微生物的遷移轉化，還對植物生長及有效性造成一定影響[25]。錦江底泥呈弱堿性，適合大多數植物生長，且OM、氮磷都是植物重要的營養組分，可以改變土壤物理化學性質，提高持水量，也是土壤肥力的象征。錦江底泥中OM、TN、TP平均含量分別為23.94g/kg、1152.30mg/kg、947.23 mg/kg。參照《中國土壤普查技術》中的養分分級標準，錦江底泥中的OM和TN為三級標準、TP為二級標準，說明錦江底泥中OM及TN養分含量處于中上等水平，且擁有上等水平的磷肥力[21]。因此，錦江底泥具有較好的保肥蓄水能力及氮磷供應水平。另外，底泥是流失的土壤經河道富集的再沉積，水化學過程影響下不僅可促進養分的釋放，還會引起粘土礦物結構的多樣化，更有利于微生物的生存[26]，若無重金屬污染風險，可考慮用底泥進行土地改良，讓錦江底泥在土壤生態系統循環利用中發揮作用。

結論

錦江底泥呈弱堿性，OM、氮空間分布不均勻，磷污染嚴重，且底泥中的OM、TN、 TP含 量范圍分別為6.80～64.80g/kg、148.37～3854.55mg/kg、620.74～1577.00mg/kg；

OM和TN空間變化趨勢為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅰ段＞Ⅱ段＞Ⅴ段；TP空間變化趨勢為Ⅲ段＞Ⅳ段＞Ⅴ段＞Ⅰ段＞Ⅱ段。相關性分析顯示，底泥中的OM、氮、磷之間均存在極顯著的強正相關關系，OM、TN、TP在河段Ⅲ的整體含量均為最多，且在S14點位處達到局部最大值，說明OM和氮磷具有很高的同步性，受人類活動影響顯著。

綜合污染指數（FF）及有機污染指數（OI）評價法顯示，錦江底泥氮磷污染嚴重，均在中度污染等級及以上；河段Ⅲ屬有一定污染區，河段Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ屬較清潔區，河段Ⅴ屬清潔區。但錦江底泥肥力較高，可考慮進行合理的土地利用。

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作者簡介

黎藐韓（1999—），女，漢族，重慶人，碩士，主要研究方向為生態水利。

通信作者

孫海龍（1976—），男，漢族，黑龍江海林人，博士，教授，主要研究方向為生態與環境水利。