沙颍河表层沉积物中氮与重金属的分布特征及污染评价

马 培，鲍锦磊

(河南工程学院资源与环境学院，河南 郑州 450000)

沉积物作为河流生态系统的重要组成部分，其进入水体的大部分物质沉积于底泥中，沉积物对污染物的累积作用远远大于水体，当环境条件(如DO、氧化还原电位等)发生改变时，沉积物有可能成为河流重金属和营养盐的重要内源，严重影响河流水质[1-4]。因此研究河流沉积物中不同形态氮和重金属的分布及污染状况，对了解其对水体水质的影响具有重要的意义。

随着社会经济的发展，大量河流被拦截筑坝，极大地改变了河流原有的生态系统，势必会对河流沉积物及重金属等的迁移转化产生极大影响[5-6]。淮河流域闸坝众多，人口密集，水污染严重[7]，全流域已修建闸坝11 000 多座，总库容303亿m3，占多年平均径流量的51%[8]。沙颍河作为淮河最大的支流，是淮河众多支流中闸坝分布最密集、污染最严重的支流[9-10]。本文对沙颍河表层沉积物中氮的赋存形态及重金属的分布进行研究，探讨氮的主要转化机制及重金属的来源，并就氮、重金属的潜在生态风险进行评价，以期为闸坝型水体的综合治理提供依据。

1 研究区域概况及评价方法

1.1 研究区域概况

表1 沉积物有机指数和ON评价标准

沙颍河是淮河第一大支流，发源于豫西伏牛山，跨河南、安徽两省，流经平顶山、漯河、许昌、周口、阜阳等40余市县，在安徽省颍上县汇入淮河，总长为624 km，流域面积约为4万km2[11]。周口市以上为沙颍河上游，周口市至阜阳市为中游，阜阳市以下为下游。沙颍河上游支流众多，主要的一级支流有沙河、颍河、贾鲁河，中下游少有支流汇入[12]。流域内有耕地212万hm2，人口2 400万人，有丰富的煤炭资源，是我国重要的能源基地。

1.2 样品的采集及测定

采样点设置在沙颍河、新郑、贾鲁河闸、周口、槐店、阜阳5个水文站点，采样点位置见图1，采样频率为每月一次。2015年7—9月分别利用采水器采集表层30 cm处河水样100 mL，并利用重力采泥器采集河底0～10 cm的表层沉积物。水样装于100 mL塑料瓶内，冷藏保存。沉积物样品封装于干净塑封袋冷冻保存，每个沉积物样品质量均大于500 g。样品当日运至室内冷冻干燥后经过筛分，取粒径小于100目(0.25 mm)的备用。

图1 沙颍河采样点示意图

1.3 评价方法

1.3.1 营养盐评价方法

采用有机指数法评价沉积物的营养状况，采用ON来判断沉积物所受氮污染的程度，计算方法和评价方法如下(评价标准见表1)[15]：

Av=w(OC)w(ON)

(1)

其中

w(OC)=w(OM)/1.724

w(ON)=0.95w(TN)

式中：Av为有机指数；w(OC)为有机碳质量比；w(ON)为有机氮质量比；w(OM)为有机质质量比。

1.3.2 重金属污染评价方法

采用Hakanson潜在生态危害指数法评价沙颍河沉积物重金属的潜在生态危害，其表达式[16]为

(2)

其中

式中：IR为沉积物中重金属的潜在生态风险指数；Eri为第i种重金属的潜在生态风险系数；Ci为沉积物中第i种重金属的实测值；Cni是土壤中第i种重金属的背景值，本文采用河南省土壤重金属背景值[16]；Tri为第i种重金属的毒性系数；m为重金属种类数。本文中Cd、Cu、Zn和As的毒性系数分别采用30、5、1和10[17-18]，沙颍河沉积物中重金属的潜在风险采用表2所列标准评价。

表2 重金属潜在生态风险指数与污染程度的关系

2 结果与讨论

2.1 表层沉积物中氮的形态分布

图2 沙颍河表层沉积物氮的赋存形态

与国内主要河湖相比较，沙颍河表层沉积物中TN的均值高于海河、辽河、鄱阳湖、太湖、巢湖、洪泽湖、天鹅湖、洞庭湖[19-26]，仅低于长寿湖、天目湖[27-28]，与乌梁素海、青海湖相当[29-30]，由此可见，沙颍河表层沉积物中TN含量处于较高水平。OM的含量与巢湖、洞庭湖相当[23,26]，处于中等水平，故沙颍河TN、OM的内源负荷不容忽视。

2.2 水体中氮的污染特征

图3 沙颍河水体中各种形态氮的分布

表3 水体、沉积物中不同形态氮、有机质Pearson相关性分析

注：*表示在0.05水平(双尾检测)上显著相关，**表示在0.01水平(双尾检测)上极显著相关。

2.3 沉积物-水体氮的转化机制分析

2.4 重金属的空间分布

沙颍河各个采样点中表层沉积物Zn质量比最高，变化范围148.5～165.5 mg/kg，平均质量比为156.4 mg/kg，沉积物中(Zn)空间变化较小，具体见图4(a)。4种重金属中Cu的质量比仅次于Zn，波动范围是21.98～64.60 mg/kg，平均值为34.23 mg/kg，质量比较Zn低了很多。Cd和As的质量比分别为1.583～2.133 mg/kg(均值2.179 mg/kg)、1.527～2.416(均值1.907 mg/kg)。河南省土壤Cd、Cu、Zn和As的背景值分别是0.15 mg/kg、22 mg/kg、61.5 mg/kg和10 mg/kg[17]，可以看出沙颍河沉积物中Cd、Cu和Zn的质量比均超过了土壤背景值，特别是Cd，质量比是背景值的10.56～19.78倍，仅有As的质量比均小于土壤背景值。

(a) 表层沉积物

(b) 水体

表4 重金属及沉积物中OM、TN的Pearson相关性分析

注：*表示在0.05水平(双尾检测)上显著相关，**表示在0.01水平(双尾检测)上极显著相关。

沙颍河水体中重金属的分布见图4(b)，从图4(b)可知，4种重金属中As的质量浓度最高，波动范围为0.010 7～0.015 0 mg/L，均值为0.012 9 mg/L，其次是Zn的质量浓度，波动范围是0.004 5～0.025 6 mg/L，均值为0.011 5 mg/L。Cu和Cd的质量浓度较低，波动范围分别为0.000 4～0.002 1 mg/L和0.000 1～0.000 4 mg/L，均值分别为0.001 1 mg/L和0.000 2 mg/L，4种重金属的平均质量浓度低于地表水环境质量标准。

2.5 沉积物中重金属来源分析

从表4的Pearson相关性分析可以看出，水体中Cd和As极显著相关，Cu和Zn极显著相关；并且沉积物中Cu和Zn极显著相关，Cd和As也呈极显著相关，在土壤中这些元素也常常伴生，沉积物中重金属的显著相关性也一定程度上反映元素污染程度相近或者是同一污染源，这说明Cu和Zn，Cd和As可能有着相同的来源或者地化性质[33-35]。

水体和沉积物之间，w(Cd)和ρ(Cd)极显著相关；w(Cu)和ρ(Cu)、ρ(Zn)极显著相关，w(Zn)和ρ(Cu)、ρ(TN)极显著相关，w(As)和ρ(Cd)、ρ(As)极显著相关。沉积物与水体之间中重金属的显著相关性，表明沙颍河水体和沉积物之间物质交换频繁。两者中Cd极显著相关，表明沉积物中Cd的一个重要来源是上覆水体Cd的沉积；沉积物中Zn和TN显著相关，表明沙颍河水体在受到Zn污染的过程中伴随着氮污染的发生。

2.6 表层沉积物污染现状评价

图5展示了沙颍河沉积物的有机指数和ON质量百分数。有机指数波动范围是0.096 0～0.387 2，均值是0.242 1，可以看出沙颍河沉积物有机碳污染水平大部分采样点处于Ⅱ级，新郑污染水平则属于Ⅲ级水平，有机质污染处于尚清洁的程度。ON质量百分数波动范围是0.103 1%～0.236 4%，均值为0.177 8%，除了阜阳外，其余采样点的表层沉积物中ON污染水平处于Ⅳ级水平，污染较重。故沙颍河沉积物内源氮对河流水质存在潜在危害，控制沙颍河氮污染不仅要注意控制外源的输入，内源释放也不容忽视。

图5 沙颍河表层沉积物有机污染评价

表5给出了沙颍河表层沉积物4种重金属潜在危害评价结果。由表5可见，沙颍河表层沉积物中Cd的污染最重，Eri大部分采样点大于320，属于极强污染，只有阜阳处于160～320，属于很强污染。4个采样点的Cu、Zn和As的Eri均小于40，属于轻度污染的水平，各种金属的生态风险由大至小依次为Cd、Cu、Zn、As。从生态风险指数IR来看，沙颍河4个采样点的沉积物重金属都处于强污染水平。其中周口水文站的IR大于600，属于很强污染，其他站点的IR均大于300，属于强污染。综合来看，沙颍河表层沉积物重金属潜在生态风险主要是由于Cd污染严重造成的，Cd对IR的贡献率平均为97.22%。

表5 沙颍河表层沉积物重金属潜在危害评价

注：*强污染；**极强污染。

3 结 论

b. 沉积物中Cd、Cu、Zn和As质量比分别为1.583～3.533 mg/kg、21.98～64.60 mg/kg、148.5～165.5 mg/kg和1.527～2.416 mg/kg，除As外，Cd、Cu和Zn的质量比均超过了背景值，特别是Cd，质量比是背景值的10.56～19.78倍。

d. 沙颍河有机指数波动范围是0.096 0～0.387 2，大部分采样点处于Ⅱ级，有机质污染较轻。有机氮波动范围是0.103 1%～0.236 4%，大部分站点沉积物中ON污染水平处于Ⅳ级水平，有机氮的污染较重。

e. 潜在生态评价中重金属Cd已经达到了很强到极强的污染程度，其余重金属污染污染较轻，重金属潜在生态风险指数(IR)表明沙颍河沉积物重金属潜在风险已经到了很强到极强的水平，其中Cd对IR的贡献最大，贡献率达97.22%。

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