易文利

(1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013；2.寶雞文理學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

底泥是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是氮、磷、重金屬等生源要素的重要蓄積場所[1～3]，但在動植物和微生物的作用下，底泥又會釋放相應(yīng)的污染物質(zhì)進入水體，造成水體的再次污染。因而底泥可間接反映水體污染情況[4～6]。而研究河流底泥中碳、氮、磷和重金屬的含量及風(fēng)險評價對控制水體富營養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)有重要的指導(dǎo)意義[7-8]。

千河是渭河主要支流，在寶雞境內(nèi)流經(jīng)隴縣、千陽縣、鳳翔縣、陳倉區(qū)，于千河鎮(zhèn)馮家嘴匯入渭河，流域面積3 493.9km2[9]，具有蓄水、旅游及工農(nóng)業(yè)用水等功能。近年來，針對千河流域水體污染研究已引起了人們的重視[10-11]，但對底泥中營養(yǎng)元素及重金屬的研究較少。因此，本文以寶雞千河流域河道底泥為研究對象，研究不同監(jiān)測斷面底泥中碳(OM)、氮(TN)、磷(TP)及Pb、Zn、Cu、Cr、Cd重金屬的分布特征，以期為評估該流域底泥污染現(xiàn)狀及污染治理提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據(jù)河流特點，選擇比較平直、水流相對緩慢的區(qū)段及底泥監(jiān)測布點原則布設(shè)采樣點(見圖1)，于2015年3月在每個監(jiān)測斷面進行底泥采樣(表層0～5cm)。每個監(jiān)測斷面采用多點混合法(3～5個點混合)采樣并裝入樣品袋，標(biāo)注相關(guān)信息并編號，每個樣點樣品重約1kg。將采集到的樣品帶回實驗室后風(fēng)干、研磨、過篩備用。監(jiān)測斷面從上游到下游樣品編號依次為q1～q11(如圖1所示)。

1.2 樣品分析及數(shù)據(jù)處理

TN采用連續(xù)流動分析儀測定[12](TN)；SMT法測定總磷含量[13](TP)；有機質(zhì)總量測定采用重鉻酸鉀容量法[12](OM)，重金屬含量測定先經(jīng)HCl-HNO3-HClO4消解，再采用原子吸收火焰分光光度法測定。為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對每個樣品做2個平行，數(shù)據(jù)取平均值，用SPSS22.0進行統(tǒng)計分析。所用試劑均為優(yōu)級純。

圖1 千河底泥采樣點Fig.1 Sampling sites of sediments in the Qianhe river

1.3 評價方法

有機指數(shù)是反映底泥有機營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)，常用于湖泊、河流等水體底泥富營養(yǎng)化潛力的評價[14-15]。具體計算方法[14-15]如下：有機指數(shù)=有機碳(TOC %)×有機氮(ON %)。 有機氮(ON %)=0.95× 總氮(TN %)。參照國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實際情況制定的評價標(biāo)準(zhǔn)見表 1。

表1 水體底泥有機指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)[14-15]Tab.1 Evaluation standard of organic indexes in surface sediments

由于潛在生態(tài)指數(shù)法不僅可定量評估單因素污染風(fēng)險程度，也可綜合評估多種污染物復(fù)合污染所致的潛在生態(tài)危害[8,16]，目前已成為國內(nèi)外沉積物/底泥重金屬定量評價中應(yīng)用廣泛的方法之一。因此，本文選用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[17]對寶雞千河底泥重金屬進行污染評價。

具體計算公式[17-18]為：

2 結(jié)果與分析

2.1 表層底泥碳、氮、磷含量及分布特征

寶雞千河段表層底泥中OM、TN、TP分布規(guī)律見圖2。整個流域中OM含量為1.25～8.48g/kg，平均值為3.86 g/kg；TN含量為0.14～1.92 g/kg，平均值為0.79 g/kg；TP含量為0.41～1.02 g/kg，平均值為0.60 g/kg。

圖2 寶雞千河段表層底泥TN、TP、OM分布圖Fig.2 Distribution of TN, TP and OM content in surface sediment of Qianhe River in Baoji city

由圖2可見，底泥中OM、TN和TP濃度最大值在馮家山水庫大壩下(q8點)，其次是馮家山水庫上游河段(q7點)、北河入千河口(q2點)、千隴交界處(q3點)、千渭入口(q11點)，最低點位于段家峽水庫大壩下河道區(qū)域(q1點)。主要是因為段家峽水庫大壩下的監(jiān)測點，為寶雞千河流域上游段，流域地貌原始狀態(tài)保持良好，人煙稀少，水質(zhì)污染較輕，底泥碳氮磷含量較低；而從段家峽大壩下監(jiān)測點至千陽縣城河道段，為寶雞千河流域中游段，流經(jīng)隴縣和千陽縣，該段的生活污水、建材、乳品、釀造、煤炭等企業(yè)的污水排放以及固廢棄物排放[20]造成水體污染較為嚴(yán)重，也導(dǎo)致馮家山水庫局部水質(zhì)有所下降，底泥含量相對也較高。千河從馮家山水庫大壩下到入渭河口為下游段，流域面積包括鳳翔縣和陳倉區(qū)部分地區(qū)，人類活動頻繁，底泥碳氮磷含量相對也較高。而馮坊河和草碧河為千河一級支流，是陜西省2009年中小河流治理的試點項目，經(jīng)治理后，河流底泥碳氮磷含量較低。

2.2 寶雞千河流域底泥污染狀況評價

由圖3可知，千河流域有機指數(shù)均值在0.022，總體上處于清潔狀態(tài)。但q7號和q8號監(jiān)測點有機指數(shù)較高，大于0.05，處于較清潔狀態(tài)(標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ)。w(ON)的均值在0.075%，屬于尚清潔狀態(tài)。q7號和q8監(jiān)測點有機氮高，均屬于標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ，有機氮污染嚴(yán)重。整體上 54.55%樣點有機氮評價標(biāo)準(zhǔn)屬于標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ；27.27%樣點有機氮評價標(biāo)準(zhǔn)屬于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ；18.18%樣點有機氮評價標(biāo)準(zhǔn)屬于標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ，有機氮污染嚴(yán)重。評價結(jié)果表明目前寶雞千河段底泥有機污染不突出，但受到氮污染，應(yīng)注意控制外源氮對底泥的影響。而TOC/TN 比值在某種程度上可以反映出有機質(zhì)來源及生物種類的差別[21],一般高等植物為14～23，水生生物為2.8～3.4，浮游動物與浮游植物為6～13，藻類為5～14[22]。由圖3測定結(jié)果可知，千河底泥TOC/TN比值在1.5～7.2之間變化，平均值為3.4，數(shù)據(jù)多集中在2.8～6之間，反映該河流有機物來源以藻類和水生生物為主。

圖3 各采樣點表層底泥有機指數(shù)和w(ON)分布特征Fig.3 Distribution of organic index and w(ON)for each sample in surface sediment

2.3 寶雞千河流域底泥重金屬含量

寶雞千河表層底泥中重金屬(Pb、Zn、Cu、Cr、Cd)含量統(tǒng)計分析見表2。由表2可知，整個流域中Pb含量范圍為15.1～49.1mg/kg，Zn含量范圍為51.1～171.9 mg/kg，Cr含量范圍為7.86～43.5 mg/kg， Cd含量范圍為0.09～0.88mg/kg， Cu含量范圍為3.64～19.5 mg/kg。流域重金屬Pb、Zn、Cd的平均含量高于陜西省土壤背景值[19]，尤其是Cd，其平均含量是陜西省土壤背景值約4.5倍。Pb、Zn、Cd重金屬元素樣點的超標(biāo)倍數(shù)比例均高于45%，說明研究區(qū)的底泥已經(jīng)受到了重金屬污染，以Cd超標(biāo)為最大，超標(biāo)率達到81.8%。

表2 河流底泥重金屬描述性統(tǒng)計Tab.2 The content of heavy metals in river sediment

注：背景值為陜西省土壤背景值

2.4 底泥重金屬污染的評價

同時多元素重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI的值來看，底泥存在輕微潛在生態(tài)風(fēng)險水平(RI=146.1 RI<150)。11個采樣點中處于輕微潛在生態(tài)風(fēng)險的占54.5%，中等風(fēng)險的占45.5%。評價結(jié)果表明，寶雞千河流域底泥存在一定的重金屬污染，主要污染物是Cd，Cd對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險貢獻最大。因此應(yīng)采取相應(yīng)控制措施，來改善該流域重金屬的污染狀況。

表3 寶雞千河底泥重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價Tab.3 The potential ecological risk of sediment heavy metals in Qianhe river in Baoji city

3 結(jié) 論

3.1 寶雞千河段底泥中OM濃度為1.25～8.48g/kg， TN濃度為0.14～1.92g/kg， TP濃度為0.41～1.02g/kg；營養(yǎng)鹽污染評價結(jié)果表明，流域的有機指數(shù)均值為0.022，處于清潔狀態(tài)。有機氮總體處于尚清潔狀態(tài)(均值為0.075%)，但部分監(jiān)測點屬于有機氮污染水平，因此需采取有效措施控制外源氮的輸入。

3.2 底泥中重金屬Pb含量范圍為15.1～49.1mg/kg，Zn含量范圍為51.1～171.9 mg/kg，Cr含量范圍為7.86～43.5 mg/kg，Cd含量范圍為0.09～0.88mg/kg， Cu含量范圍為3.64～19.5 mg/kg；底泥中Pb、Zn、Cd的平均含量高于陜西省土壤元素背景值；綜合潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果表明，底泥存在輕微潛在生態(tài)風(fēng)險危害(R=146.1)；5種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險順序為Cd 、Pb、Cu、Zn、Cr，底泥主要受到Cd污染，潛在生態(tài)危害風(fēng)險高，應(yīng)引起有關(guān)部門重視。

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