宿州市沱河表层沉积物营养盐含量特征分析

张 勇，黄淑玲，傅 静

（1.安徽省煤矿勘探工程技术中心；2.宿州学院 地球科学与工程学院，安徽 宿州 234000）

引言

我国是一个河流众多的国家，随着经济社会的发展，越来越多的工农业废水进入到河流中，影响了河流的生态环境平衡，同时也对河流区群众的健康、生活质量造成了困扰，减慢了经济、社会发展完善的进程.然而表层沉积物是水体中营养盐的最终聚集地，通过对河流表层沉积物的各项指标的监测分析，可以了解该水体的现状，并追溯该区域水环境的历史发展状况.同时，河流的表层沉积物也是大部分水生底栖生物的主要活动空间和觅食环境，表层沉积物中的营养盐将会直接、间接地对水体环境以及水生底栖生物产生不同程度的影响，并进一步的影响到其它动植物以及人类，国内外众多学者在表层沉积物中营养盐的测定、存在形态、空间分布和释放特征等方面做了大量研究[1-4].本文选取宿州市沱河为研究对象，分析其沉积物中营养盐含量特征，可为河流治理和生态可持续利用提供技术参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沱河作为淮河的一条主要支流，从西北向东南方向依次流经宿东闸、王桥闸、青龙闸、沱河集闸、濠城闸，至樊集处进入沱湖，出沱湖后经新沱河向东流，最终于北店子注入漴潼河（淮河），河道全长为113千米.宿州市内的城区段沱河设立了绿化景观带，绿化景观带由西昌路——淮海路段和淮海路——雪枫公园两段组成，形成生态型自然护岸.沱河绿化景观带总长1470米，总面积达到90000平方米，不仅改善了城市环境面貌，同时提升了城市人居环境质量.

1.2 样品采集与预处理

通过对宿州市沱河进行的实地考察，确定其主要流经方向（西北流向东南）及输入口、输出口，依据监测布点设置原则，在沱河城区段沿水流方向设置4个采样点，依次标记为 TH1、TH2、TH3和 TH4（见图1）.对于沱河表层沉积物的采集我们使用简易制作的柱状采样器，分别采集各区域采样点部分河底0～20cm的表层沉积物，将在各个采样点区域采集到的表层沉积物样品存放于干净、密封的袋中，并给它们标上序号.

图1 沱河采样点

在表层沉积物样品的采集结束之后，集中进行预处理：首先，将采集到的表层沉积物样品置于洁净桌面上自然风干，待表层沉积物样品自然风干后再用木棒进行碾压，挑出样品中间的碎石和杂草，然后用10目孔径筛对全部的表层沉积物样品进行过筛；对过筛之后的表层沉积物样品再采用四分法将其平均分成两份；将其中一份表层沉积物的样品存放备用，另一份沉积物样品经过研磨后全部通过100目孔径筛（此处选用铜材质筛网），用于总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)和有机磷（OP）的测定.

1.3 样品测试方法

对于表层沉积物中各个指标的测定结合了国内外的先进方法：采用欧洲标准测试方法对总磷(TP)的含量进行测定；对总氮(TN)的含量使用KDN型定氮仪进行了测定；采用最为经典的重铬酸钾法来进行有机物质(TOC、OP)含量的测定.同时为了确保其最终结果的精确性，测定实验中将对每个样品设置平行样本（2个），取它们的平均值为最终结果.宿州市沱河各采样点表层沉积物中营养盐的基本数据统计见表1.

表1 沱河各采样点表层沉积物营养盐/mg·kg-1

2 结果与讨论

2.1 宿州市沱河表层沉积物中营养盐总体统计与分析

根据表1中的数据分析可以得知：沱河流域表层沉积物中总磷（TP）含量的平均值为1010.95mg/kg、有机磷(OP）含量平均值为214.22mg/kg、总氮(TN）含量平均值为844.49 mg/kg、总有机碳（TOC）含量平均值14590.37mg/kg.与其它的研究区域（见表2）相比，沱河表层沉积物中总磷（TP）含量的平均值明显高于乌梁素海、太湖、巢湖、洪泽湖、扎龙湿地以及青海湖表层沉积物中总磷（TP）含量的平均值；表层沉积物中总氮（TN）的平均值含量明显低于乌梁素海、青海湖、扎龙湿地表层沉积物中的总氮（TN）的平均值含量，略低于巢湖和洪泽湖表层沉积物中的总氮（TN）含量的平均值，与太湖表层沉积物中的总氮（TN）含量的平均值相近；而沱河流域表层沉积物中的总有机碳（TOC）含量的平均值只高于巢湖、太湖表层沉积物中的总有机碳(TOC)含量的平均值，明显低于其它的研究区域（洪泽湖、乌梁素海、青海湖、扎龙湿地）表层沉积物中的总有机碳（TOC）含量的平均值，表层沉积物中的有机磷（OP）的平均值含量为214.22mg/kg，占总磷（TP）平均含量（1010.95mg/kg）的比值约为21.18%（比重较小）.通过对上述数据的总体分析可以得知，沱河表层沉积物中总有机碳（TOC）的含量数值较为正常，总磷（TP）的含量数值较高，有机磷（OP）的含量数值正常，总氮（TN）的含量数值较低.

通过对沱河表层沉积物中各营养盐变异系数的计算可知：总磷（TP）的变异系数为82.21%，属于高强度变异；有机磷(OP)的变异系数较高为70.62%（变异系数高于60%为高强度变异）；总氮(TN)的变异系数很低仅为13.36%；而总有机碳（TOC）的变异系数为50.00%，属于中等强度（30%～60%）的变异.

表2 其它研究区域表层沉积物TOC、TN和TP含量平均值/mg·kg-1

2.2 宿州市沱河表层沉积物中营养盐的分布特征

表层沉积物中总氮（TN)的含量较为稳定，在0.733～0.989g/kg之间波动变化，其分布特征表现为：从西北到东南、由输入口到输出口方向（TH1号采样点到TH4号采样点）总氮含量总体呈现递增的趋势.河流的TH2号、TH3号采样点所在的中部呈现出总氮（TN）含量的两个相对低值区，其原因是这两个区域的表层沉积受到外部影响较大.

沱河表层沉积物中总磷（TP）的含量变动幅度较大（在0.380～2.235g/kg之间），其分布特征表现为：在西北方向到东南方向、由输入口到输出口方向没有明显的线性关系，在TH2号采样点流域呈现下降趋势，在TH3号采样点流域呈现大幅度的上升并达到整个沱河区域总磷(TP)含量的最高值，最后在TH4号采样点区域内下降到与TH1号采样点区域内的总磷（TP）含量相近.

表层沉积物中有机磷（OP）的含量在0.087～0.117g/kg之间变化，同时有机磷（OP）的含量占总磷（TP）含量的比重较小，这说明了沱河表层沉积物中的磷元素主要是以无机磷的形态存在的.其分布特征表现为：由输入口到输出口先逐渐上升在TH3号采样点区域达到最高值，从TH3号采样点到TH4号采样点之间再逐渐降低.在TH2号采样点所在区域有机磷（OP）占总磷（TP）的比重明显增加，这说明在该区域有机磷(OP)含量有较大的外源输入，可能与城市生活用水以及农业用水灌排有关.

在整个沱河表层沉积物中总有机碳(TOC）含量的变动幅度较大(9.889～25.341g/kg)，属于中等强度的变异.将总有机碳（TOC）的含量与总氮（TN）、总磷（TP）以及有机磷（OP）的含量进行对比，总有机碳（TOC）在总量上占有主体地位，其分布特征与有机磷（OP）相似，表现为从输入口到输出口总有机碳（TOC）含量先逐渐上升并在TH3号采样点处达到最高值，再逐渐降低.这表明在TH2号、TH3号采样点区域内有机物的含量较高.

2.3 沱河表层沉积物营养盐耦合分析

2.3.1 C/N耦合对沱河表层沉积物的分析

在来源不同的营养盐中，碳氮的比值具有明显的差异性，因此碳氮的比值在某种程度上可以用来判别营养盐的类型及来源.

一般情况下：当W（C）/W（N）>10时，营养盐以外源有机质为主；

当W（C）/W（N）<10时，营养盐以内源有机质为主；

当W（C）/W（N）≈10时，表层沉积物中內源与外源有机质达到了基本平衡[11,12].

通过计算可得：沱河表层沉积物中碳氮（C/N）的比值在10.32～34.54之间（见图2），其平均值为18.18，表明可能的有机质来源为河流中水生生物的输入以及陆源方面（生活垃圾等）的输入，沉积物以外源有机质的输入为主.沱河中表层沉积物的碳氮（C/N）比值在TH3号采样点区域内出现最高值，TH2号、TH3号采样点区域为碳氮（C/N）比值的相对高值区.TH2号与TH3号采样点位于宿州市沱河的中段流域，且位于河流交叉汇合处，表层沉积物有机质受到人类活动以及农业用水的影响较大.该区域表层沉积物中总有机碳（TOC）的含量明显高于总氮（TN）的含量，从而导致了这一区域碳氮（C/N）比值出现了相对的高值区.TH1号和TH4号采样点位于宿州市沱河流域的输入口和输出口，其TOC/TN的比值分别为11.30和10.32，其内源有机质与外源有机质基本达到了平衡状态，此流域（TH1号、TH4号采样点区域）中的有机质来源受到人类活动以及外源输入的影响很小.

图2 沱河表层沉积物碳氮（C/N）比值

2.3.2 C/P耦合对沱河表层沉积物的分析

沱河表层沉积物中碳磷（C/P）的比值在11.34～33.97之间波动（见图3），其平均值为18.37.在TH1号和TH3号采样点区域表层沉积物碳磷（C/P）的比值较低，TH2号采样点区域内的碳磷（C/P）比值最高.TH2号采样点在沱河的中上游，受到人类活动的影响较大，且水生动植物死亡后，磷可以快速地分解释放于水体中，而碳的释放速度则相对较慢.同时，表层沉积物中总氮（TN）的含量分布与总磷（TP）的含量分布也无明显的规律性；在TH1号、TH2号、TH4号采样点区域碳磷（C/P）的比值要高于碳氮（C/N）的比值，而TH3号采样点区域的碳磷（C/P）比值却明显低于碳氮（C/N）比值，这说明在沱河流域TH3号采样点区域内受到的总氮（TN）的影响小于总磷（TP）.

图3 沱河表层沉积物碳磷（C/P）比值

3 结论

（1）宿州市沱河表层沉积物中总氮（TN）的含量在0.733～0.989g/kg，总磷（TP）的含量在 0.380～2.235g/kg，有机磷（OP）的含量在 0.087～0.117g/kg，总有机碳（TOC）的含量在9.889～25.341g/kg，其中总磷（TP）的变异系数最高，达到了82.21%，属于高强度的变异类型.

（2）通过对碳磷(C/P)、碳氮（C/N）之间相互耦合关系可知，碳氮（C/N）比值的平均值为18.18，表明营养盐的来源可能是河流水生生物的输入和陆源人为的输入，而在这之中外源人为输入又占据了相应的主导地位.碳氮（C/N）的比值低于碳磷（C/P）的比值，且总磷（TP）的含量远低于总有机碳（TOC）的含量，表明在沱河的表层沉积物中有机质对碳磷（C/P）比值的变化趋势起到了主导的作用.

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