城乡交错带典型溪流沟渠氮素污染特征及生态风险分析

李如忠， 秦如彬， 高苏蒂， 钱靖

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽新华学院 土木与环境工程学院,安徽 合肥 230088; 3.安徽省环境科学研究院,安徽 合肥 230071)



城乡交错带典型溪流沟渠氮素污染特征及生态风险分析

李如忠1， 秦如彬1， 高苏蒂2， 钱靖3

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽新华学院 土木与环境工程学院,安徽 合肥 230088; 3.安徽省环境科学研究院,安徽 合肥 230071)

氮素污染；水质基准；生态风险评估；沉积物；城乡交错带；TN;CMC;CCC

沉积物不仅是氮、磷等生源要素的重要储存库，也是反映水体区域环境变迁和水体类型的重要指标，对污染物的迁移转化和营养元素的循环有重要意义[1]。作为河流水系统的重要组成部分，溪流沟渠不仅是汇流区流失氮、磷负荷汇集、传输的重要通道，同时也是氮、磷转化的重要场所[2]。由于数量庞大，加之占河网水系总长度的比重较大，溪流沟渠蓄积的氮、磷营养盐量相当可观，对下游河、湖水质和生态风险的潜在影响不容小觑[3-4]。但长期以来，国内对于源头溪流、排水沟渠等的生态环境问题重视不够，甚至成为环保部门环境监管的盲区。而且，有关水体氮、磷等生源物质循环、转化和归趋的研究，基本都是针对湖泊、水库或大型河口湿地，对于溪流沟渠则鲜有关注，不仅影响了局域生态环境改善，也加大了下游地区水体潜在的生态风险，特别是高浓度氨氮暴露带来的生态危害性[5-7]，因此需要引起人们的警觉。

城乡交错带是介于城市建成区与乡村地域之间的一种空间过渡性区域，兼有城市和乡村生态经济系统的组合优势，同时也是生态环境问题最多、矛盾最为尖锐的地区[8]。合肥市是巢湖流域最大的城市，也是整个流域点源污染负荷输出量最大、最集中的地区，横穿城区的南淝河将汇入的氮、磷污染负荷直接输入巢湖水体。目前，整个巢湖流域都面临氮、磷污染负荷过高带来的水体富营养化和生态退化的危害。本研究以合肥市城乡交错带的南淝河汇流区的3条不同类型的溪流沟渠为对象，就水体与表层沉积物的氮素污染特征及其生态风险进行分析与评估，以期为合肥地区水环境综合整治和生态环境恢复提供依据。

1 研究区概况

南淝河位于合肥市境内，是巢湖主要入湖河流之一。本研究选定的3条溪流沟渠分别位于南淝河两条支流——二十埠河和关镇河上，且地处合肥市城乡交错带，其中磨店小溪流和陶冲小溪流位于北部、东北部城市边缘，关镇河支渠则处于城市东南方，如图1所示。

图1 溪流沟渠大致位置示意

磨店小溪流为自然冲刷形成的溪流排水沟渠，补给源主要为农田排水和地下水，长约2.5 km，水面宽0.5～2.0 m，流速0.085～0.300 m/s，流量0.01～0.76 m3/s，汇流区主要是农田和林地用地。陶冲小溪流位于新蚌埠路桥附近，主要靠上游的陶冲湖污水处理厂尾水补给，长约2 km，水面宽0.7～3.0 m，流速0.1～0.5 m/s，流量0.030～0.055 m3/s，溪流两岸主要为菜地和部分居住区。关镇河支渠位于城郊结合部，是关镇河支流之一，主要靠上游食品加工小作坊污水和生活污水补给，水面宽1.5～3.0 m，水深0.15～0.40 m，流量0.03～0.150 m3/s，是一条以防洪排涝为主要功能的城郊排水沟渠。

2 材料与方法

2.1 样品采集及预处理

2.2 样品的分析测试

2.3 水体氨氮暴露生态风险评估

氨氮既是水体中的营养物质，也是当前国内江河水体的主要污染指标；同时，氨氮中的非离子氨对水生生物还具有很强的毒性效应。目前，国内一些学者和科研机构正参照美国环保署(U.S. EPA)的《推导保护水生生物及其用途的国家水质基准的技术指南》和氨氮基准相关文件[9]，开展符合中国国情的氨氮水生生物水质基准研究[5-7]。考虑到合肥市与太湖流域空间距离较近，且两地水生生物区系基本相同，不妨以太湖流域氨氮水生生物基准计算模型[10]来确定合肥地区氨氮水质基准，计算式为：

(1)

(2)

式中：Cmc为基准最大浓度(criterion maximum concentration,急性毒性值)，即氨氮对水生生物短暂暴露而不产生不可接受影响时所允许的最大浓度估计值，mg/L；Ccc为基准连续浓度(criterion continuous concentration,慢性毒性值)，即氨氮对水生生物无限期暴露而不产生不可接受影响时所允许的最大浓度估计值，mg/L；T为水温，℃；pH为水体的pH值。

采用风险商值法进行溪流沟渠氨氮生态风险评估，该方法通过比较污染物暴露浓度和环境水质基准表征污染物的生态风险，计算方法[11]为：

Rq=Eec/Wqc。

(3)

式中：Rq为风险商值；Eec为污染物暴露浓度，mg/L；Wqc为水质基准值，mg/L。

一般地，可以取Ccc作为水质基准值[11]，并根据风险商值进行风险等级识别[12]：当Rq<1时，认为基本没有风险；1≤Rq<10时，具有风险；Rq≥10时，具有高风险。

2.4 沉积物氮素污染程度评估

溪流沟渠沉积物TN污染状况，可以采用单因子评价法进行评价，计算公式为：

Si=Ci/Cs。

(4)

式中：Si为污染指数，无量纲；Ci为评价因子i的实测值，mg/kg；Cs为评价因子i的评价标准值，mg/kg。

鉴于目前国内外尚没有公认的河流沉积物质量评价标准，考虑参照国内湖泊沉积物评价的相关标准，将TN含量的标准值Cs取为670 mg/kg[13]，相应的TN污染评价标准[14]为：Si<1.0表示清洁；1.0≤Si<1.5表示轻度污染；1.5≤Si<2.0表示中度污染；Si≥2.0表示重度污染。

有机指数法常被用于评价沉积物的营养状况，而有机氮则是判断沉积物所受氮素污染程度的重要指标，相应的计算方法为：

有机指数OI(%)=有机碳(%)×有机氮(%)；

有机碳(%)=有机质(%)/1.724；

有机氮质量分数ON(%)≈总氮(%)-氨氮(%)-硝态氮(%)。

沉积物有机指数和有机氮评价标准见表1[15]。

表1 有机污染评价标准

2.5 底栖生物的TN毒性效应评估

沉积物质量对底栖生物生存环境有着重要影响，当污染物含量超过一定浓度水平时，就可能对底栖生物产生毒性效应。加拿大安大略省环境和能源部按生态毒性效应，制定了沉积物质量评价指南[16]，并就沉积物TN提出了最低级别生态风险效应阈值为550 mg/kg，相应的风险分级标准为：TN<550 mg/kg，表示安全级，此时在底栖生物中未发现中毒效应；550 mg/kg≤TN<4 800 mg/kg，表示生态风险最低级，此时沉积物已受污染，但多数底栖生物可以承受；TN≥4 800 mg/kg，表示严重级，此时底栖生物群落已遭受明显的损害。

2.6 数据处理

采用SPSS 17.0、Excel 10.0软件完成数据处理及相关图件的绘制。

3 结果与分析

3.1 水体氮素污染及氨氮暴露风险评价

3.1.1 水体氮素污染特征

溪流沟渠水体基本理化指标平均值见表2。

表2 溪流沟渠水体基本理化指标

3.1.2 氨氮水质基准估算

根据不同季节的水温和pH值等信息，利用式(1)、式(2)推算溪流沟渠氨氮的Cmc和Ccc基准值，见表3。由表3可以看出，不同溪流沟渠水体氨氮基准值差异性明显，即便同一溪流沟渠也存在季节性差异。考虑到溪流沟渠水面宽度不大、水深较浅，加之采样频率较低，因此没有专门就水温差异导致的不确定性进行分析。总体上，3条溪流沟渠氨氮Cmc高低排序为：磨店小溪流>陶冲小溪流>关镇河支渠，也即呈现出水体污染越重，氨氮Cmc值越低的特点。尽管氨氮Ccc基准值的规律性略弱一些，但也基本表现为磨店小溪流较高，而关镇河支渠较低的变化特征。

将水体氨氮实测浓度值与相应的Cmc、Ccc基准值进行比较，得到各季节相应的氨氮超标样本情况，见表4。

表3 溪流沟渠氨氮水生生物水质基准 mg/L

表4 溪流沟渠氨氮超标样本情况 个

由表4可知，关镇河支渠所有采样点各季节水样的氨氮浓度全部超过了Cmc、Ccc基准阈值，超标率高达100%，意味着该支渠水生生物同时遭受急、慢性毒性效应的威胁。陶冲小溪流4个季节均有半数以上水样超过了Ccc阈值，总超标率达75%，冬季甚至高达100%，而且春季有半数采样点超过Cmc阈值，意味着该溪流水生生物遭受氨氮无期限暴露产生的慢性毒性影响很大，短暂暴露产生的急性毒性影响也不容忽视。人为因素影响较小的磨店小溪流，氨氮超标情况明显较轻，仅在秋、冬季各出现1个采样点位的水样超过Ccc阈值。

实际上，在多次实地调查和采样过程中，关镇河支渠和陶冲小溪流水体中几乎都没有发现鱼类或其他典型水生动物的存在，而在磨店小溪流中上游渠道则偶尔可以看见小鱼游动，这也很直观地证明了关镇河支渠、陶冲小溪流生态环境恶化的客观现状。

3.1.3 基于氨氮暴露的生态风险评估

选取慢性毒性值Ccc作为水质基准值，根据各溪流沟渠的氨氮实测结果，利用式(3)的风险商值法评估氨氮暴露的生态风险，结果见表5。

由表5可知：磨店小溪流情况相对较好，Rq值的变化范围为0.13～2.33，仅有1个采样点在秋、冬季处于有风险状态；陶冲小溪流除少数采样点无风险外，其他采样点均处于有风险水平，Rq值的变化范围为0.71～2.27；关镇河支渠所有采样点位的各季节水样氨氮值均存在高风险，Rq值高达13.2～24.4，明显超过高风险阈值(即Rq=10)。概括地说，关镇河支渠各采样点水质全年具有高风险；陶冲小溪流绝大多数样本为有风险，少数样本为无风险；磨店小溪流仅个别样本有风险。

表5 氨氮暴露生态风险评估结果 个

3.2 沉积物氮素污染特征与评价

3.2.1 沉积物氮的时空变化特征

3条溪流沟渠表层沉积物TN含量及其时空变化特征如图2所示。由图2可以看出，3条溪流表层沉积物TN含量差异十分明显，表现为关镇河支渠明显高于陶冲小溪流，远高于磨店小溪流，而且总体呈现出夏季较低、秋冬季较高的变化特征。

磨店小溪流TN含量变化范围为1 232.49～2 613.84 mg/kg，均值为1 741.44 mg/kg。另外，由于6号采样点下方50 m左右有小型生活污水排放口，有时污水上溯影响该点水质，致使沉积物TN含量明显偏高，平均含量达2 455.07 mg/kg。陶冲小溪流TN含量变化范围为2 448.29～4 302.25 mg/kg，均值为3 457.03 mg/kg，基本表现为下游高于上游。由于旁边水塘来水的稀释作用，5号采样点的水质状况相对较好，但由于5、6号采样点均恰好处于深潭中，水体流速较缓，悬浮物质易于沉降，导致氮素不断积累，两个采样点的TN平均含量高达3 875.12 mg/kg。以食品作坊加工废水和部分生活污水为主要补给来源的关镇河支渠污染最为严重，TN平均含量高达4 516.39 mg/kg，分别为磨店小溪流和陶冲小溪流的2.56倍和1.36倍。总的来看，3条溪流沟渠TN含量都表现出沿夏、秋、冬季略微抬升的变化趋势，且春季TN含量略高于夏季。

图2 溪流沟渠沉积物TN含量的时空变化性

图3 溪流沟渠沉积物-N与-N含量的时空变化性

3.2.2 沉积物氮素污染程度评价

基于单因子评价法的TN污染指数计算结果见表6。由表6可以看出，3条溪流沟渠TN污染指数Si均值都大于2，达到重度污染水平，相应的污染指数大小排序为：关镇河支渠>陶冲小溪流>磨店小溪流。其中，磨店小溪流TN污染指数变化范围为2.40～2.81，陶冲小溪流和关镇河支渠则分别高达4.56～5.25、6.31～7.01，显著高于汕头南澳海域表层沉积物(0.52～1.52)[18]和珠江口表层沉积物(1.96～3.86)[19]。显然，作为巢湖主要入湖河流的南淝河源头水体，3条溪流沟渠沉积物氮素污染状况不容忽视。

表6 表层沉积物TN污染指数

3条溪流沟渠表层沉积物有机污染状况评价结果见表7。由表7可以看出，3条溪流沟渠表层沉积物的有机指数均处于Ⅳ级，其中磨店小溪流有机指数均值为0.688，陶冲小溪流和关镇河支渠有机指数均值则分别高达1.122、2.578，三者均超过了有机污染等级阈值(0.5)，属于有机污染类型，表明3条溪流沟渠沉积物受氮素污染较为严重，存在有机污染风险。

表7 表层沉积物有机污染评价结果

从有机氮污染评价结果来看，磨店小溪流在春、夏季处于Ⅲ级的尚清洁状态，秋、冬季均为有机氮污染的Ⅳ级水平，全年有机氮质量分数ON均值为0.135%，略超过Ⅳ级标准阈值(0.133%)。陶冲小溪流和关镇河支渠ON均值分别为0.278%、0.386%，各季节均属于有机污染状态，且分别为Ⅳ级标准阈值的2.09倍和2.90倍。显然，相较于子牙水系的0.360%[20]、长寿湖的0.214%[21]，3条溪流沟渠表层沉积物有机污染较重，可能已影响到了底栖生物的生存。

3.3 氮对底栖生物的生态毒性评估

3条溪流沟渠沉积物TN生态毒性评价结果如图4所示。由图4可以看出，各溪流沟渠表层沉积物中TN对底栖生物的生态毒性较高，所有样本均超过了安全等级。其中，关镇河支渠的4号采样点的TN平均含量大于4 800 mg/kg，属于严重级别，即便是处于最低级的其他5个采样点，TN含量也十分接近严重级别，意味着该支渠表层沉积物TN对底栖生物的毒性危害已达相当严重的程度。陶冲小溪流6个采样点虽然均属于最低级水平，但5、6号采样点的TN含量接近严重级别，与关镇河支渠相当。磨店小溪流各采样点TN含量同样也处于最低级，其中4号采样点污染程度相对较低，6号采样点污染程度相对突出，但与关镇河支渠和陶冲小溪流相比，磨店小溪流TN含量对底栖生物的毒性危害低很多。3条溪流沟渠表层沉积物的TN含量对底栖生物的毒性排序为：关镇河支渠>陶冲小溪流>磨店小溪流。

图4 TN含量对底栖生物的毒性评价结果

4 结语

2)3条溪流沟渠的氨氮Cmc与Ccc水质基准值差异明显，且相应的氨氮浓度超过Cmc、Ccc基准值的情况显著不同；关镇河支渠水质全年具有高风险，陶冲小溪流绝大多数样本为有风险，少数样本为无风险；磨店小溪流仅个别样本有风险。

4)3条溪流沟渠沉积物的TN含量均达重度污染水平，相应的污染指数大小排序为：关镇河支渠>陶冲小溪流>磨店小溪流；3条溪流沟渠沉积物均处于有机污染状态。

5)3条溪流沟渠沉积物总氮对底栖生物的生态毒性均超过安全等级，即处于风险最低级水平，且关镇河支渠各采样点均接近或达到严重级；相应的底栖生物生态毒性风险排序为：关镇河支渠>陶冲小溪流>磨店小溪流。

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(责任编辑：乔翠平)

Investigation on the Characteristics and Ecological Risk of Nitrogen Pollution in the Streams across the Ditches in a Urban-rural Fringe

LI Ruzhong1, QIN Rubin1, GAO Sudi2, QIAN Jing3

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 20009, China; 2.Collage of Civil and Environmental Engineering, Anhui Xinhua University, Hefei 230088, China; 3.Anhui Institute of Environmental Science, Hefei 230071, China)

nitrogen pollution; water quality criteria; ecological risk assessment; sediments; urban-rural fringe; TN; the criterion maximum concentration; the criterion continuous concentration

2016-10-27

国家自然科学基金项目(51179042,51579061)。

李如忠(1970—)，男，安徽蚌埠人，教授，博士，从事水环境保护方面的研究。E-mail:Lrz1970@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.004

TV91;X522;X820.4

A

1002-5634(2017)03-0027-08