永定河怀来段沉积物营养元素分布特征及评价

刘 晶，赵建国*，姜甜甜，李洪波，田在锋

（1. 河北省生态环境科学研究院 绿色发展研究所，河北 石家庄 050000；2. 河北省生态环境科学研究院 水环境科学研究所，河北 石家庄 050000）

河道底泥是河道生态系统物质循环和能量流动的重要环节。底泥中的污染物浓度可反映河流的受污染程度，对分析河流水体富营养化程度起到重要参考作用[1]。沉积物对营养物质起到“源”和“汇”的作用，既是营养物质的储存器又是营养物质的释放器。研究表明，外源输入时，营养物质会富集到沉积物中；外源输入得到控制的情况下，沉积物中的营养物质通过界面特性的改变或形态变化而释放，发挥面源污染的作用，进而加剧水体的富营养化程度[2-4]。目前，国内外尚未对河道环境质量的评估建立健全指标体系、评价标准和评价方法，大多参考加拿大安大略省环境和能源部制定的环境质量评价指南标准中的安全级的营养水平，但不同河段底泥质量的评价标准存在多样性和差异性。因此，因地制宜地划分底泥功能区、目标控制单元将会是底泥污染研究的一种趋势。

永定河水系为我国北方典型的缺水型河流，位于坝下低中山盆地农牧业交错带，属于海河流域。桑干河与洋河在张家口怀来县朱官屯汇合后形成永定河，永定河全长30 km，平均河宽6～8 m，永定河怀来段位于永定河水系最下游，河流经八号桥国控断面，进入官厅水库[5]。目前，有关河流底泥污染的研究较多，但对永定河沉积物的相关研究较少。本研究针对永定河怀来段底泥营养物质进行系统阐述、研究与分析，揭示底泥污染空间分布特征，评价其污染水平，为永定河流域富营养化治理提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究区域

永定河怀来段一级支流东沙河，汇集了怀来京西洁源污水处理厂排放的全部污水，是永定河怀来段污染的重要来源之一。二级支流为农业灌渠三道沟，又为洋河支流，主要为鸡鸣驿扬水站下游的农田退水；三道沟部分水体流入东沙河，其余部分水体流经废弃鱼塘进入天然湿地。

1.2 样品采集

对永定河怀来段河流进行实地调研，综合考虑河流支干流分布状况，在河流中泓线处设置采样点，并且保证采样点未被疏浚过，确保所取底泥样品具有良好的代表性和典型性。沿河流方向4 m的长度范围内用DXCN-3821加重型彼得森抓斗式采样器随机采集8处0～5 cm深度的表层沉积物，混合为一个样品，共采集14个样品，分布情况见图1。其中桑干河和洋河汇合前各设置1个采样点（HL1和HL2），永定河干流设置3个采样点（HL3、HL13和HL14），东沙河设置2个采样点（HL11和HL12），三道沟设置3个采样点（HL4、HL9和HL10），鱼塘设置2个采样点（HL5和HL6），天然湿地设置2个采样点（HL7和 HL8）。

图1 永定河怀来段采样点位置

1.3 样品处理与测试

将沉积物样品中的动植物残体、石块剔除，装入聚乙烯袋密封、标记、运回，在样品室阴凉、通风干燥后，进一步挑出杂物，使用四分法选取一定量的沉积物样品于研钵中研磨，过100目筛，样品备用。

针对表层沉积物营养元素的研究选取总有机碳（TOC）、总磷（TP）、总氮（TN） 等指标进行检测分析，沉积物TP采用《碱熔-钼锑抗分光光度法》 （HJ 632—2011） 测定，TN采用《土壤质量全氮的测定凯氏法》（HJ 717—2014）测定，TOC采用总有机碳分析仪（岛津TOC-L CPH，日本） 测定。样品测定时，进行3次重复实验，所得实验结果相对偏差小于5%，取3次实验平均值为实验测定结果。

1.4 底泥评价方法

1.4.1 底泥有机污染评价法

采用有机氮和有机指数对永定河怀来段底泥有机污染状况进行评价。有机指数法用来评价水域沉积物的环境状况，有机氮则是衡量河流湖泊表层沉积物氮污染情况的重要指标。计算方法见式（1） ～（2）[6-7]， 评价标准见表1。

表1 沉积物有机氮、有机指数评价标准

1.4.2 生态风险评价

鉴于目前我国没有对河流沉积物TP、TN、TOC等营养物质的生态风险评价的国标和方法，参考加拿大安大略省环境和能源部（1992年） 制定的环境质量评价指南标准中的安全级的营养水平：TOC、TN、TP 浓度限值分别为10 000 mg/kg、550 mg/kg和600 mg/kg[8-11]，采用单因子污染指数和内梅罗污染指数[12]，这个方法简明直观，已为国内多个研究所采用。

单因子污染指数：

式中：Pi——单项评价指数或标准指数；Ci——评价因子i的实测值；Cs——评价因子i的评价标准值。

一般按照指数值Pi的大小将评价风险等级结果分为四级，见表2：

表2 单因子污染指数评价标准

内梅罗污染指数：

式中：PN——内梅罗污染指数；Pi均和Pi最大分别为平均单项污染指数和最大单向污染指数，内罗梅评价标准见表3。

表3 土壤内梅罗污染指数评价标准

2 结果与讨论

2.1 营养元素含量分布特征

上覆水营养物质含量过高会使底泥营养物质增加，底泥起到“汇”的作用；底泥污染物浓度过高会使营养物质释放到上覆水，河流沉积物会起到“源”的作用。适量的碳氮磷比有利于微生物，包括藻类在内的水生植物的生长繁殖。河流底泥中的有机质影响着氮、磷和重金属等污染物的吸附和释放，对河流水质有着重要的影响[13]；氮作为最主要的营养物质，氨氮、硝酸盐氮可直接被初级生产者吸收，同化成为自身所需物质，同时也是氮素迁移转化的主要形态；磷是永定河怀来段的限制因子，沉积到底泥是河流磷素的主要储存形式，人为干扰会影响磷释放和吸附的动态平衡过程[14]。

永定河怀来段干流、东沙河、三道沟、废弃鱼塘和天然湿地沉积物营养元素的含量如图2所示，表层沉积物TP、TN和TOC含量范围分别为 159.03～287.35 mg/kg、 214.72～833.60 mg/kg和 291.49～2 430.75 mg/kg， 平均值分别为206.40 mg/kg、 525.59 mg/kg 和 1 135.70 mg/kg。从各监测点TOC平均值的分布情况看：干流（洋河、桑干河） ＜东沙河＜废弃鱼塘及天然湿地＜三道沟，桑干河＜洋河，鱼塘＜天然湿地；各监测点TN、TP分布情况相同：洋河＜桑干河，干流（洋河、桑干河） ＜天然湿地，鱼塘＜天然湿地干流（洋河、桑干河） ＜东沙河。天然湿地起到“汇”的作用，富集营养物质，所以沉积物TN、TP的含量最高。鱼塘由于长久的人为干扰的累积作用，TOC浓度最高。东沙河收纳污水处理厂出水，河流底泥吸附大量营养物质，表层沉积物TOC、TN和TP含量高于永定河怀来段干流沉积物。桑干河上游是典型的农业灌溉河流，沉积物TN、TP含量高于洋河沉积物。三道沟HL9的表层沉积物TOC、TN和TP明显高于HL4，且两监测点位之间没有点源污染，说明两个断面之间的农业面源污染异常严重；HL10显著高于HL9，是由于附近村庄少量农村生活污水直排到三道沟。结果表明，农业面源污染和农村生活污水直排对东沙河、永定河干流表层沉积物营养物质的浓度产生了较大影响。

图2 永定河怀来段表层沉积物中TOC、TN和TP含量分布

2.2 营养物质比值

沉积物中有机质的来源不同，碳氮比（TOC/TN） 会有明显的差异，因此常用C/N值在某种程度上判断有机质的类型及来源。研究表明，当C/N>10时，以外源有机质为主；当C/N<10时，以内源有机质为主；C/N≈10时，河流底泥沉积物中内源与外源有机质达到基本平衡[6]。从图3可知，永定河怀来段表层沉积物C/N在0.74～4.55之间波动，均小于10，平均值为2.10，表明沉积物有机质以内源输入为主，可能是过去长期外源输入使沉积物积累的营养物质较高或沉积物环境本底值较高。同时研究表明，C/N<10[15]时，永定河怀来段的有机质主要来源于水生植物的腐败。

永定河怀来段表层沉积物氮磷比（TN/TP）为 0.75～4.87， 平均值为 2.69， 远小于 Redfield比 （C∶N∶P=106∶16∶1）[6]， 说明磷主要源于周边环境外源的输入。结合采样点周边分析，磷的来源可能是农村生活污水和农业面源污染。

2.3 底泥富营养化程度的评价

由图4可知，永定河怀来段有机氮范围为0.020%～0.079%，平均值为0.050%，为较清洁II类；干流有机氮范围为0.020%～0.039%，平均值为0.030%，为清洁I类。从有机指数来看，永定河怀来段有机指数范围为0.000 3～0.018 4，平均值为0.006 8，为清洁I类。有机氮和有机指数的空间分布特征相似：永定河干流、洋河、永定河有机指数相对较低，支流东沙河、三道沟、鱼塘、天然湿地区域相对较高，说明主要用于农业灌溉接纳农田退水的三道沟、接纳污水处理厂尾水的东沙河、人工鱼塘和枯落物累积的天然湿地等水体沉积物的有机污染指数较高；三道沟HL9明显高于HL4，且两监测点位之间没有排污口，说明两个监测点位之间的农业面源污染异常严重；HL10显著高于HL9，是由于附近村庄少量农村生活污水直排到三道沟；东沙河HL12明显高于HL11，是由于三道沟农田退水进入东沙河；HL12明显高于HL3同样是东沙河水进入永定河干流所致；而HL14小于HL13是因为两监测点之间河流无点源污染进入，无水河道农作物较少，水流较快，污染物扩散稀释后沉积较少。

图3 永定河怀来段表层沉积物TOC/TN、TN/TP

图4 永定河怀来段底泥有机氮和有机指数分布

2.4 沉积物营养元素生态风险评价

由图5可知，永定河怀来段内罗梅污染指数范围是0.342～1.181，大部分点位达到尚清洁及以下，天然湿地HL7和HL8、三道沟HL10、东沙河HL11和HL12达到轻度污染；TN污染指数范围是0.390～1.516，各采样点均达到I类清洁和II类轻度污染，其中鱼塘HL5和HL6、人工湿地HL7和HL8、东沙河HL11和HL12和三道沟HL10为II类轻度污染，其余均为I类清洁；TP污染指数范围是0.249～0.479，各采样点和监测断面均达到I类清洁；TOC污染指数范围是0.018～0.243，各采样点和监测断面均达到I类清洁。河流沉积物TOC、TP浓度均低于加拿大环境质量评价标准中安全级的浓度，即不会对水生生物产生中毒效应。TN污染指数与上文有机氮污染空间分布相似。整体而言，表层沉积物营养元素分布中TN的生态风险较高，TOC、TP的风险较低。

3 结论

（1） 永定河怀来段表层沉积物TP、TN和TOC含量范围分别为159.03～287.35 mg/kg、214.72～833.60 mg/kg 和 291.49～2 430.75 mg/kg。 东沙河表层沉积物TOC、TN和TP含量高于永定河怀来段干流沉积物，可能是由于收纳污水处理厂出水，河流底泥吸附大量营养物质。现有的农业面源污染和农村生活污水直排对永定河怀来段表层沉积物营养物质的浓度产生较大影响。

图5 永定河怀来段表层沉积物营养元素生态风险评价

（2） 永定河怀来段表层沉积物C/N在0.74～4.55之间，沉积物有机质以内源输入为主，主要来源于水生植物的成分；永定河怀来段表层沉积物氮磷比（TN/TP） 为0.75～4.87，磷主要源于周边环境外源的输入。

（3） 永定河怀来段有机氮平均值为0.050%，为较清洁II类；干流有机氮平均值为0.030%，为清洁I类。有机指数平均值为0.0068，为清洁I类。有机氮和有机指数的空间分布特征相似：永定河干流、洋河、永定河有机指数相对较低，支流东沙河、三道沟、鱼塘、天然湿地区域相对较高。用于农业灌溉接纳农田退水的三道沟、接纳污水处理厂尾水的东沙河、人工鱼塘和枯落物累积的天然湿地等水体沉积物的有机污染指数较高。

（4） 永定河怀来段内罗梅污染指数范围是0.342～1.181，部分污染等级为轻度污染。河流沉积物TOC、TP浓度均低于加拿大环境质量评价标准中安全级的浓度，不会对水生生物产生中毒效应。TN污染指数与有机氮污染空间分布相似。整体而言，表层沉积物营养元素分布中TN的生态风险较高，TOC、TP的风险较低。