葉 舟

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241003)

近年來，我國湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象較為突出，而磷素則是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的主要影響因子[1].作為重要的養(yǎng)分庫，沉積物以“磷源”和“磷匯”的形式存在[2]，湖底表層沉積物中的養(yǎng)分不斷與上覆水夾層進行物質(zhì)交換，擾亂了水體營養(yǎng)鹽的穩(wěn)定平衡.底泥污染程度及上覆水營養(yǎng)鹽濃度對整個水生態(tài)系統(tǒng)影響尤為顯著，通過對溪流沉積物磷素污染狀況及含量分布的跟蹤研究，可以有效掌握水體富營養(yǎng)化機理，并對水體污染實際阻控具有重要意義.

研究發(fā)現(xiàn)，沉積物中磷素的釋放與各種外部環(huán)境因素密切相關(guān)，其中由波浪或水流等引起的物理干擾對沉積物中磷素向上覆水釋放影響最大[3].目前，針對沉積物磷形態(tài)及釋放機理的國內(nèi)外研究頗多，但未綜合考慮外源介入和沉積物內(nèi)部磷素遷移釋放共同作用影響[4].然而，大多數(shù)學(xué)者偏向于大型湖泊的研究，對偏遠(yuǎn)地區(qū)尤其是城鎮(zhèn)—農(nóng)村交錯地帶溪流的研究卻鮮有報道.本文以巢湖一支流靶區(qū)內(nèi)自然狀態(tài)、點源污染、水土流失三種情形為研究對象，通過測試上覆水體理化性質(zhì)、溪流表層底質(zhì)磷素賦存形態(tài)來分析研究區(qū)域水環(huán)境及表層沉積物污染變化特征，以期為巢湖流域污染治理與防治提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

研究靶區(qū)作為巢湖流域二十埠河一重要支流，渠段全長約4 km，寬約2 km，溪流兩側(cè)屬于低矮丘陵崗地的地貌特征.由于城市化建設(shè)的影響，該溪流受到人為擾動影響較為顯著，主要表現(xiàn)為以下兩個方面：其一是溪流中游左側(cè)有一排污管道(生活污水)隨雨水管網(wǎng)直接匯入溪流溝渠中；其二是溪流中下游渠段受城市道路建設(shè)過程深層沉積物外露并經(jīng)夏季雨水沖刷作用匯入溪流，上覆水體基本處于渾濁狀態(tài).研究區(qū)概況及采樣位圖如圖1所示.

圖1溝渠大致位置及采點分布示意圖

本研究溝渠全長約2 km，渠段平均寬度和水深各約為2 m、1.5 m.為方便對溪流不同擾動情形進行研究，不妨將1、2號點位定義為自然狀態(tài)(情形1)、3號點位定義為點源污染(情形2)、4～6號點位定義為水土流失(情形3)(下同).

2 材料與方法

2.1 采樣點布設(shè)

在溪流渠段沿水流方向上依次設(shè)定6個采樣點，依次編號為1～6.其中1號位于源頭溪流上游段，溝渠兩側(cè)水生植物較為豐富；2號位于溝渠轉(zhuǎn)角處，該點位沉積物多以砂石為主；3號位于職教城生活污水排放口下方約30 m處，該采點周圍為一面積約70 m2的水潭，沉積物黑臭；4～6號未受明顯污染源影響，但受到溝渠水流方向左岸建設(shè)用地深挖沉積物的人為擾動影響顯著.

2.2 樣品采集及測定方法

鑒于綜合考慮2019年9月后水土流失(情形3)背景下施工項目已竣工以及秋冬季該研究靶區(qū)溪流已逐漸進入枯水期兩個方面，本文擬選擇該靶區(qū)具有代表性的2019年3月至8月(其中3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季)的上覆水質(zhì)、表層沉積物數(shù)據(jù)作為研究對象，按照每月一次的頻率，在每個點位1 m2區(qū)域內(nèi)采集溪流表層5 cm～10 cm處多個點位的沉積物，充分混合依次裝袋備存.底泥經(jīng)過自然風(fēng)干處理，去除內(nèi)部大顆粒雜質(zhì)，研磨過100目篩，封袋備用，便于后期沉積物磷形態(tài)及理化性質(zhì)分析.

本文將磷形態(tài)劃分為五種，其中總磷和無機磷采用SMT法測定，易交換態(tài)磷、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷及碎屑磷采用三步連續(xù)提取方法分析測定.

3 結(jié)果與討論

3.1 采樣點上覆水基本理化性質(zhì)

通過將采樣月份按季度進行劃分，并將各點位每月水質(zhì)的現(xiàn)場指標(biāo)測試結(jié)果加以平均，得到溪流春、夏的各項水質(zhì)理化指標(biāo)，結(jié)果見表1.

水體理化性質(zhì)對上覆水及表層底質(zhì)間磷素的交換具有顯著的影響.本溪流上覆水呈弱堿性，其中春夏季pH數(shù)值變動不大，ORP(氧化還原電位)處于50 mV～150 mV的水平，其中3號點位最低，可能與污水介入具有直接的關(guān)系，后三個點位受3號影響作用明顯.EC(電導(dǎo)率)是衡量水質(zhì)純度的一個重要指標(biāo)，3號較其他點位偏大，這也說明人為生活污水給溪流水質(zhì)帶來更大的復(fù)雜性.TDS標(biāo)識的是水體溶解性固體含量，與EC變化趨勢一致.

表1 溪流上覆水基本理化指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

表2 溪流底質(zhì)基本指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

3.2 溪流底質(zhì)基本理化性質(zhì)分析

表2說明了研究靶區(qū)春、夏季溪流底質(zhì)基本理化性質(zhì)測試結(jié)果.本研究渠段溪流底質(zhì)呈弱酸性，pH在6～7范圍內(nèi)波動，夏季較春季偏高.有機質(zhì)(OM)含量范圍為3.49%～10.07%，這與岷江干流表層沉積物[5]研究結(jié)果相比偏高，主要原因是研究渠段位于下游段，受外界人為污染影響顯著.TC(總碳)含量變化趨勢與OM較為一致，情形2含量基本為情形1的2倍，為情形3的4～5倍.

3.3 總磷的質(zhì)量濃度及分布特征

本研究區(qū)域總磷質(zhì)量濃度為241.94 mg·kg-1～924.81 mg·kg-1，具體總磷含量分布如圖2所示.其中3號點位表現(xiàn)最高，其余點位基本處于300 mg·kg-1左右，這與巢湖東部湖區(qū)[6]表層沉積物總磷濃度826.14 mg·kg-1相比偏低，與近年來污染較為嚴(yán)重的岷江干流[5]表層沉積物總磷濃度453.16 mg·kg-1～1338.15 mg·kg-1相比偏低，說明溪流整體總磷污染程度較低，但人為擾動給溪流水—沉積物環(huán)境帶來了較大影響.從季節(jié)來看，春季高于夏季，姜慧琴[7]等人對烏梁素水體沉積物總磷影響因素分析得出，水動力條件是直接導(dǎo)致總磷含量變化的因素之一，春季水動力擾動作用較弱，自然使得營養(yǎng)物質(zhì)在表層底質(zhì)中更容易聚集，導(dǎo)致濃度偏高.

圖2 溪流不同季節(jié)底質(zhì)樣品中總磷質(zhì)量濃度變化

3.4 不同形態(tài)磷質(zhì)量濃度及分布特征

圖3反映了三種情形下溪流磷素賦存形態(tài)分布情況，易交換態(tài)磷是磷形態(tài)中最為活躍的，易被水生植物吸收，是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵.由于該磷主要吸附在沉積物顆粒物表面，3種情形中此類磷含量較少且變化并不顯著，其中情形2稍高，占總磷的1.94%，這與李如忠等[8]對不同水源補給情形下溪流溝渠沉積物磷形態(tài)研究中易交換態(tài)磷/總磷(2.96%)的結(jié)果較為相似.

圖3 三種情形下溪流底質(zhì)樣品中各形態(tài)磷含量分布

鐵鋁磷是指可以與表層沉積物及上覆水中鐵、鋁、錳的氫氧化物、氧化物的結(jié)合態(tài)磷，向上覆水具有較強潛在釋放能力，直接影響了內(nèi)源磷負(fù)荷. 情形1與3含量相當(dāng)，情形2含量最高，情形2幾乎為情形1、3的3倍. 有研究表明，沉積物中鐵鋁磷含量占總磷的比例與水質(zhì)污染程度[9]具有直接關(guān)系，富營養(yǎng)化越嚴(yán)重的水體其表層沉積物鐵鋁磷的占比就越高.這也很好地解釋了位于排污口下方3號點位水體的污染程度較高的原因.影響鐵鋁磷含量的因素除上述因子外，還有pH、氧化還原電位、DO(溶解氧)、溫度等，其中氧化還原電位占據(jù)主導(dǎo).鐵磷組分中Fe3+、Fe2+不斷轉(zhuǎn)化，結(jié)合的磷隨著Fe2+的溶出而被釋放到間隙水中，磷與氫氧化物的結(jié)合能力也相應(yīng)降低.

鈣磷作為磷形態(tài)中惰性磷，整體對上覆水磷含量影響較小.從不同情形磷形態(tài)含量也可以看出，鈣磷含量明顯低于鐵鋁磷，且情形2條件含量最高.有研究表明[9]，鈣磷含量在垂直剖面上呈現(xiàn)出隨深度增加逐漸遞減的規(guī)律.按正常污染趨勢看，情形3比情形1磷素含量水平高，但是由于人為擾動(情形3)介入，受深挖底質(zhì)影響，該渠段表現(xiàn)出鈣磷含量偏低的現(xiàn)象，甚至較情形1低.

無機磷為沉積物磷形態(tài)的主要組成部分，其中三種情形無機磷/總磷數(shù)值分別為73%、72%、65%，這與蔣增杰等[10]對桑溝灣沉積物研究得出的無機磷作為磷素主要賦存形態(tài)且占比為73.33%的結(jié)論較為相似.情形2條件由于背景濃度較高的原因，無機磷濃度處于最高水平，情形3明顯低于情形2，無機磷含量匱乏的原因終歸于城市修路深挖底質(zhì)覆蓋于表層沉積物，這也充分說明了不同人為擾動情形給溪流表層沉積物磷素含量帶來了很大程度的不確定性，需要我們長期跟進研究.

3.5 底質(zhì)磷污染評價

3.5.1 污染評價方法

目前國內(nèi)外對小型溪流、城鎮(zhèn)溝渠尚未有一整套的評價方法與體系，本文將選取總磷作為單一污染因子，采用污染指數(shù)法[11]對溪流底質(zhì)污染程度進行分析和評價.其計算公式如下：

PIi=Ci/Cis

式中：PIi為污染指數(shù)；Ci為表層底質(zhì)樣品中污染因子i的測定值，單位為mg·kg-1；Cis為i的標(biāo)準(zhǔn)值或土壤背景值，單位為mg·kg-1.

根據(jù)顯示的污染指數(shù)數(shù)值，可初步對溪流底質(zhì)污染狀況做一個簡單定性判斷.污染狀況定性評價的依據(jù)見表3.

表3 沉積物污染評價分級依據(jù)

3.5.2 總磷污染評價

根據(jù)加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的關(guān)于沉積物環(huán)境質(zhì)量的評價指南，安全級別的總磷質(zhì)量濃度為600 mg·kg-1，本研究溪流底質(zhì)各點位春、夏季總磷污染程度分布見表4.

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，總磷的污染指數(shù)為0.403～1.541，平均值為0.837. 由此可見，研究靶區(qū)溪流底質(zhì)總磷含量總體不高，污染程度處于有影響水平，生態(tài)風(fēng)險較低. 從總磷污染程度季節(jié)層面來分析，春季較夏季偏高，這可能與土壤動物、微生物及水生植物正常生理活動具有一定關(guān)系，高溫會增強生物機體生理活性，以及水生植物生長較為旺盛，自然也就增強了水體自凈能力.

表4 溪流底質(zhì)各點位污染狀況季節(jié)分布

從空間上來看，3號點位PI數(shù)值都大于1，污染程度最高，結(jié)果為輕度及以上.而夏季情形3各點位明顯較春季偏低，這主要由于夏季雨水充沛，雨水沖刷人工深挖堆積在兩岸的底質(zhì)，沖積物覆蓋在沉積物表層，所采集底質(zhì)樣品總磷污染程度顯然偏低.這也說明了人為擾動對于研究溪流底質(zhì)、上覆水中營養(yǎng)物質(zhì)的含量具有一定的不確定性和復(fù)雜性.

卓海華[12]通過對三峽庫區(qū)表層沉積物污染狀況研究得出：該地區(qū)表層沉積物總磷和總有機質(zhì)含量均較低，基本處于安全級(總磷≤600 mg·kg-1)，這與本文的研究結(jié)果相似.本研究區(qū)域部分點位雖超過了安全，但是大多數(shù)點位處于安全范圍內(nèi)，整體上對水體生物環(huán)境影響作用較小.

4 結(jié)論

(1)溪流底質(zhì)總體呈弱酸性，有機質(zhì)含量處于3.49%～10.07%水平.研究區(qū)域總磷含量為241.94 mg·kg-1～924.81 mg·kg-1，其中3號點位最高，且各點位春季濃度較夏季偏高.

(2)無機磷作為總磷的主要成分，占據(jù)70%左右，易交換態(tài)磷處于最低水平，鐵鋁磷和鈣磷含量相當(dāng).從各情形來看，情形2>情形1>情形3，也側(cè)向反映了人為擾動給溪流底質(zhì)磷含量帶來了復(fù)雜性.

(3)總磷污染評價表明，該溪流總磷污染指數(shù)為0.403～1.541，平均值為0.837.除3號點位處于中等污染水平外，其余點位均表現(xiàn)為低風(fēng)險狀態(tài).從季節(jié)來看，春季污染程度較夏季偏高.