渭河渭源段河道沉积物盐类分析

2018-03-29甘肃省定西市临洮农业学校甘肃定西730500

中国水土保持 2018年2期

高赟(甘肃省定西市临洮农业学校，甘肃定西 730500)

甘肃省渭源县南部的豁豁山是渭河的源头[1]。多年来关于渭河流域的研究主要集中在渭河陕西段，研究内容涉及水资源利用[2-3]、生态景观、生态基流影响[4]、环境污染[5-6]等，但对渭河源头河道污染情况的研究报道较少。通过分析河道沉积物盐类分布情况和形态构成了解渭河源头渭源段的污染状况，对渭河污染治理具有重要意义。

1 渭河渭源段概况

渭源县位于甘肃省中部、定西市中西部，全县土地总面积2 065 km2，共辖8镇8乡3个社区居委会217个行政村。渭河渭源段流域面积116 km2，河道比降35.4‰，干流清源河天然水化学特性主要为重碳酸盐类钙组水，矿化度249 mg/L，总硬度约为124 mg/L。渭源段污水年排放总量为127万t，其中：工业污染年排放量5万t，主要来自地方马铃薯淀粉加工企业；河道两岸梁峁沟壑较多，村庄主要集中在河谷平坦地带，无生活污水处理设施，生活污水年排放量122万t。当地农业生产以种植各类中药材为主，农药化肥使用量大、时间集中。据渭源县水文资料，当地年平均降水量636.4 mm、蒸发量1 103.7 mm、径流量1 834万m3、含沙量2.566 kg/m3、输沙量5.44万t，流域内有总库容745万m3的水库一座[7]。

2 研究方法

2.1 定位采样点与采集样品

根据河道特点并结合村镇分布情况选择采样点，尤其是在有溪流汇入的地方和河道垃圾堆放点。2016年8月17日在靠近源头的鹿鸣村至流出渭源境内的三河村之间设置了10个采样点，采样点信息见表1。用活塞式取样器(直径5 cm)在河道中心同一位置采集3次厚5 cm的河道沉积物样品，采集后将样品装入自封袋中混匀，用不锈钢定深采水器(型号WB-SS，北京普力特仪器有限公司)在采样点附近河水中距水面5 cm深处对河水进行采样。

表1 采样点GPS数据

2.2 试验方法

在定西市临洮农业学校土肥实验室将采集到的沉积物样品用孔径0.5 cm筛去除植物残体和小卵石等，再风干研磨并用100目筛过筛，检测方法见表2。

2.3 数据处理

使用Excel 2003软件进行数据整理和图表制作，采用SPSS 18.0 软件、SNK(Student-Newman-Keuls)法进行相关性分析。

表2 样本检测内容及检测方法

3 结果与分析

3.1 各采样点盐类含量

3.1.1 TN、Org-N和TP含量

各采样点沉积物中TN、Org-N和TP含量分布情况见图1，整体均呈现从鹿鸣村采样点(1#)到三河村采样点(10#)波动升高的状态。1#采样点靠近源头，植被茂密，河道两岸无大型村落及工厂污染物排放点，沉积物中TN、TP、Org-N含量较低。顺流而下，3种检测物含量在1#至3#采样点、4#至5#采样点各出现一次降低趋势，其中TN分别平均降低34.75%、32.29%，TP分别平均降低9.61%、20.89%，Org-N分别平均降低28.23%、34.95%。10个采样点中，3#采样点的3类检测物数据(TN、TP、Org-N含量)均为最低或接近最低，分别为1 050.56、1 130.42、942.21 mg/kg。原因是3#采样点位于峡口水库入口处、渭源县水源保护地，该处水流平缓，外源营养物质被吸附沉降，而采样时间正处于8月中旬，气温偏高，水库浮游生物大量繁殖时N、P等营养物质被大量消耗，加之水库水的混合稀释作用使得水中N、P浓度相对降低[13]，导致沉积量变少，故而3类检测物检测量数值较小。在6#采样点上游，4#采样点的3类检测物含量均出现高值，这是由于该采样点附近有一处渭源县最大的垃圾填埋场，垃圾渗滤液随雨水进入河流，导致河道沉积物中N、P含量增加[14]。5#、6#、7#采样点河道两岸为农田，主要种植中药材，田间农药化肥使用量较大，加之采样时间处于当地多雨期，农业退水汇入河流使河道沉积物N、P含量逐渐积累升高，相比5#采样点，7#采样点TN含量平均升高58.85%，TP平均升高61.34%，Org-N平均升高59.20%。有研究结果表明，仅定西市安定区每年因水土流失造成N流失1.34万t，P流失1.16万t[15]，另外TN中Org-N含量所占比例较高的原因也与当地农业种植中农药、化肥的不合理使用有关[16]。7#采样点在所有采样点中TN和Org-N含量最高(TN为3 247.65 mg/kg，Org-N为3 141.72 mg/kg)，尽管TP含量2 479.78 mg/kg小于最大值8#采样点的2 547.61 mg/kg，但两者之间数值差距不大。7#采样点TN、Org-N和TP含量较高的原因是该点位于渭源县城，大量生活污水等流入渭河，导致河水有严重异味，沉积物发黑发臭[17-18]。7#至10#采样点Org-N和TN含量又分别逐渐降低至2 025.48、2 198.54 mg/kg，8#至10#采样点TP含量逐渐降低至1 105.24 mg/kg，这是由于7#至10#采样点间水流缓慢，沉积作用相对明显，另外2016年6月曾对该河段采砂遗留坑迹进行过大面积填平处理，使得3种检测物含量相对较低。

图1 各采样点沉积物中TN、Org-N和TP含量

图2 各采样点沉积物中和含量

3.1.3 TOC含量

沉积物中腐殖质含量和河水富营养化程度可以通过TOC含量的分布来了解[20]。图3为各采样点沉积物中TOC含量。由图3知，10个采样点中，1#采样点TOC含量较高，为28.42 g/kg，因为该点靠近源头，森林覆盖面积大，植被良好，土壤腐殖质丰富；3#采样点TOC含量最低，为20.12 g/kg；8#采样点TOC含量最高，达31.09 g/kg；3#、5#和9#采样点受农田和居民区的大面积分布，以及沉积物的自净作用和碳的自我消耗影响[21]，TOC含量相对较低；4#、6#、7#、8#采样点附近居民生活污水直排入河使河水富营养化，微生物大量繁殖，导致TOC含量增加，同时较低的河水流速导致更多的有机质颗粒沉积[21]，也会导致TOC含量处于较高值。

图3 各采样点沉积物中TOC含量

3.2 沉积物中C、N、P耦合度分析

3.2.1 C、N耦合度

通过C/N值可以判断有机质的来源属外源输入还是内源产生：当C/N<10时，以内源有机质为主；C/N=10时，内源与外源有机质达到基本平衡状态；C/N>10时，以外源性有机质为主[22]。

10个采样点C/N均值为12.45(图4)，其中1#采样点C/N最低，为8.5，3#采样点C/N最高，为18.68。除1#、7#、8#、9#采样点外，其余采样点C/N均大于10，表明该河段有机质输入以外源输入为主。2#至6#采样点C/N均大于10，且3#、5#采样点C/N分别达到18.48和16.14，比值高于15，说明表层沉积物中陆源输入的有机质较多[23]。从7#采样点开始C/N数值变化不大，均在10左右浮动，其中7#、8#、9#C/N均小于10，9#C/N为8.85，说明沉积物中有机质以内源输入为主。另外，C、N同为生物体组成成分，来源有同源性。通过对TOC含量和TN含量的相关性分析(p<0.01，n=10)，进一步证明了C、N的同源性，并且说明样品中的N也是以Org-N的形式存在。

图4 沉积物中C、N、P耦合度

3.2.2 C、P耦合度

由图4知，10个采样点C/P变化幅度在13.67～51.24之间，平均值为25.71。3#、5#采样点C/P分别为51.24和38.31，处于较高值。根据图1、图3可知，3#、5#采样点TOC含量相对较高而TP含量相对较低，表明沉积物中C的释放速率小于P的释放速率。TOC含量与TP含量的相关性分析(p<0.05，n=10)结果显示，两者呈极显著正相关，证实了TOC的大量富集造成了P的积累[24]。

3.2.3 N、P耦合度

由图4知，10个采样点N/P在1.21～2.76变化，均值为2.00，比值变化幅度较小，其中3#采样点最高，为2.76，8#采样点最低，为1.21。对TN含量和TP含量进行相关性分析(p<0.05，n=10)，结果显示两者呈极显著正相关，说明N元素与P元素有同源性，同时表层沉积物中的TN/TP为1.1，比值小于Redfidld比(C∶N∶P=106∶16∶1)，证实了陆源输入为P的主要来源[25]。

3.3 渭河渭源段污染评价

3.3.1 评价标准

采用冀峰等[18]研究太湖污染的有机氮评价法和有机指数评价法(OI)评价渭河渭源段污染情况，即河流沉积物是否受到氮污染可以利用有机氮相对含量来判断，而有机指数可以评价沉积物有机质污染情况，两方法的河流污染评价标准见表3。

表3 河流污染评价标准[18]

3.3.2 评价结果

渭河渭源段污染状况评价结果见表4。由表4知，渭河渭源段10个采样点有机指数在0.14～0.92，平均值为0.50，表明该河段已被污染，且属于有机污染Ⅳ级，处于尚清洁状态的采样点为2#、5#、10#，仅1#和3#采样点呈现较清洁状态；有机氮在10个采样点均值为0.19%，最小值为0.06%，最大值为0.29%，表明该河段已被有机氮污染，1#采样点有机氮含量为0.06%，处于较清洁状态，3#和5#采样点有机氮含量分别为0.07%和0.10%，处于尚清洁状态。

表4 渭河渭源段污染状况评价

4 结论

渭河渭源段河道表层沉积物中TN、TP、Org-N、TOC分布具有差异性，其数值受到生活污水、农业种植、垃圾堆放、河水流速等影响不断发生变化，但从源头到渭源县出口整体呈上升趋势，采样点数据的升降与其周围环境情况相对应，如农田分布、居民点分布、河道特点等。通过对C/N分析发现，该河段有机质输入以外源输入为主，并推断P的大量积累是由于有机物的大量富集导致的。N与P耦合度分析结果表明N、P有同源性，且N、P输入以陆源输入为主。通过对河流沉积物污染状况分析，渭河渭源段各采样点有机指数均值为0.50，判断该河段已被污染，且属有机污染Ⅳ级；有机氮指数均值为0.19%，表明该河段已被有机氮污染。

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