抚河故支河道沉积物污染物分布特征及污染评价

向爱农，苏 甜，刘方平，时 红，廖 伟，姜成名

(1. 江西省袁惠渠工程管理局，江西 新余 338000; 2. 江西省灌溉试验中心站，南昌 330201)

沉积物是河道的重要组成部分，在不同的环境条件下可以释放出不同含量的营养盐，对水体造成二次污染[1]。沉积物的污染状况不仅能反映所在水体的污染情况[2]，也能间接反映出污染物的来源[3,4]。总氮、总磷及有机质含量的增加是水质污染加剧的重要因子[5]。有机质是极重要的胶体之一，是与重金属及有机污染物发生吸附、分配和络合等作用的活性物质，也是反映沉积物有机营养程度的重要标志[6]。氮、磷是引起水体富营养化的主要因素，而沉积物中有机质的生物降解过程中可以释放出大量的氮、磷等营养物质。因此，搞清这3个指标在沉积物中的分布特征，对研究沉积物的污染程度十分重要。Yan等[7]对清潩河许昌段表层沉积物污染进行了研究，发现清潩河河道表层沉积物受到较严重的总氮、总磷和有机质污染，其中总氮的污染尤为突出。钟小燕等[8]则认为底泥作为二次污染源，会影响河道的水环境。有人[9]研究太湖富营养化时发现在控制外源污染后，水体中的磷含量出现增加的现象。沉积物作为内源污染物可释放各种污染物，引发水体的二次污染。因此，在外源污染物排放得到控制的同时，污染物的内源释放则成为河道污染治理的潜在问题和生态污染风险。

抚河故支横跨丰城市和南昌县，途径三江镇、黄马乡等众多村镇，是赣抚平原灌区水资源的重要“净化池”和调蓄区，具有重要的战略地位。而研究村镇河流内源污染物的分布特征和污染程度，不仅可以揭示人类活动对河流的水环境影响程度，还能为控制河道内源污染负荷提供支撑和指导作用。

本研究以抚河故支为研究区域，以沉积物为研究对象，通过对河道及河道滩地沉积物污染物的测定分析，揭示污染物分布规律和污染程度，以此作为抚河故支水环境防治和治理的科学依据和支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

江西省丰城地处亚热带湿润气候区，气候温和，四季分明，雨量充沛，光照充足，全年平均气温为15.3～17.7 ℃，年平均降水量1 552.1 mm。研究河段位于抚河下游左岸支流箭江口堵口处，止于岗前大坝，是赣抚平原灌区西总干渠的一段，全场约20.0 km，两岸堤防长度约39.5 km。

1.2 采样点设置

研究人员依据地形状况和现场调查，设置了12个河中采样点，同时对生长了挺水植物的河滩地设置采样点。河滩地附近的采样点主要集中于河流上游。共设置21个采样点，其中20个采样点采集到沉积物，点14舒家湾河中由于水较深，未能采集到沉积物。

采样布点见图1。

图1 抚河故支沉积物采样点分布图Fig.1 Distribution map of sediment sample points

1.3 样品处理与测定

使用彼得森采泥器采集表层沉积物，装于密封袋中并带回实验室冷冻保存。在暗室阴干后研磨过100目筛，测定pH、总氮、总磷、有机质等指标。其中pH采用浸提法测定，总氮采用凯氏定氮法测定，总磷采用碱熔-钼锑抗比色法测定，有机质采用重铬酸钾氧化法测定。

1.4 数据处理及分析

采样EXCEL对数据进行统计和整理，SPSS 20.0对数据进行显著性和Pearson的相关性分析，Origin 9.0进行绘图。

1.5 评价方法

1.5.1 有机污染指数和有机氮指数评价

沉积物中的氮以有机氮为主[10]，有机氮是衡量河流沉积物是否受到氮污染的重要指标。有机指数常用来作为评价沉积物营养状况，因此采用有机氮和有机指数来评价抚河故道沉积物的氮污染，计算方法[11]如下：

ON=TN×95%

(1)

OC=OM/1.724

“那天我肯定没有看错。”半烟一边为自己冲着咖啡，一边说，“别人我或许能看错，楚墨我能看错？扒皮认识骨头。”

(2)

OI=ON×OC

(3)

其中，总氮和有机质百分比换算为1.0 g/kg的总氮和有机质=0.1%。

表1 沉积物有机指数与有机氮指数的评价标准Tab.1 Evaluation standard of organic index and organic nitrogen index

1.5.2 单因子污染指数和综合污染指数评价

在对沉积物单因子污染的评价基础上，对沉积物的污染现状进行综合评价[12]。单因子污染指数和综合污染指数[13]计算如下：

Si=Ci/CS

(4)

(5)

式中：Si为单项评价指数或标准指数，Si大于1表示因子i含量超过评价标准值；Ci为评价因子i的实测值；CS为评价因子i的评价标准值；F为n项污染物污染指数平均值；Fmax为最大单项污染指数。依据国内对沉积物现有的研究资料，取CS(TN)=0.67 g/kg，CS(TP)=0.44 g/kg[14]。污染程度分级标准[15]见表2。

表2 抚河沉积物污染程度综合评价标准Tab 2. Evaluation standard of comprehensive pollution

2 结果与分析

2.1 抚河故之河道沉积物的分布特征及评价结果

2018年抚河故道沉积物的pH变化范围为5.16至7.52，均值为6.14，沉积物呈弱酸性。其中总氮的浓度变化范围是1.05～3.01 g/kg，均值为2.00 g/kg，变异系数为0.34，空间分布较不均匀。2019年沉积物pH变化范围是6.20～7.10，均值为6.65，呈弱酸性。总氮的浓度变化范围是1.04～2.74 g/kg，均值为1.85 g/kg，变异系数为0.24，空间分布较均匀。

图2 2018年和2019年抚河故支河道沉积物总氮的分布情况Fig. 2 Distribution of total nitrogen in 2018 and 2019

总氮空间分布的差异，可能是与人类活动(凤眼莲的清除、养猪场的取缔)、降雨量等相关。沿岸村镇较多，河流接纳了来自生活污水、工业污水、农业面源污染等多种污染源，造成了总氮、总磷等污染物空间分布上的差异。不同位置的沉积物污染来源也有所不同，也可能造成氮磷含量的差异。

2018年总磷的浓度变化范围为0.41～1.66 g/kg，均值为1.17 g/kg，变异系数为0.42，空间分布不均匀。2019年总磷浓度变化范围为0.11～1.32 g/kg，均值为0.84 g/kg，变异系数为0.47，空间分布不均匀。点3、点6、点11和点16为轻度污染，总磷浓度低于0.42 g/kg。抚河沉积物总体呈重度的磷污染，一方面与人类活动有关，另一方面也与水位、降雨有关。丰水期水位上升，一定程度上也会搅动沉积物，引起上覆水的总磷污染。

图3 2018年与2019年抚河故支河道沉积物总磷分布情况Fig.3 Distribution of total phosphorus in 2018 and 2019

点8傅家岔与点10汤家两岸有面积较大的鱼塘和鸭塘，养殖业排污进入河流并沉积在沉积物中，对沉积物中有机质的含量产生一定影响。点8傅家岔左岸，点9傅家岔右岸，及点10汤家滩地的抚河沉积物样品中，有机质含量较高，2018年这3个位点的均值达到27.20 g/kg，2019年均值达22.63 g/kg。点11汤家河中的有机质含量与前三个位点比，含量骤降，可能是因为汤家处于河面变宽的过渡段，流速由快变慢，两岸的有机质迁移水平变低，未被冲刷至河中央。

除去种植业、养殖业及河面宽度对沉积物中有机质的影响外，两岸湿地植被的密度会对有机质的沉积作用产生影响。通过2018年和2019年的数据可以看到河中沉积物的有机质含量普遍低于滩地两岸，可能是由于湿地植被根系的吸附作用，减少了污染物进入河中。2018年河面变宽前，点3晏家滩河中、点6蔡家河中和点11汤家河中，其有机质含量分别为28.00、7.40和3.80 g/kg，普遍低于同断面滩地两岸的含量。自点12界岗开始，抚河河面变宽，河水流速变缓，沉积作用加剧，致使之后的采样点中有机质含量普遍升高，2018年界岗至岭前沉积物中有机质含量均值达23.20 g/kg。2019年也出现了相似的情况。宽河面的河段上，滩地稀少，河中位点的沉积物有机质含量普遍较高。点17东湾由于沉积物主要组成为沙，沙对有机质的沉积和吸附作用较轻，其样品中有机质含量低。

图4 2018年和2019年抚河滩地与河中沉积物有机质含量对比Fig.4 Distribution of organic matter in 2018 and 2019

2018年抚河沉积物的有机指数范围是0.024～0.405，均值为0.230，整体处于较清洁。有机指数评价结果显示65%的采样点处于尚清洁，30%处于较清洁，只有5%处于清洁。有机氮范围为0.048%～0.286%，均值为0.18%。85%的采样点处于有机氮污染。2019年抚河沉积物的有机指数范围是0.035～0.388，均值为0.179，整体处于较清洁。有机指数评价结果显示45%处于尚清洁，40%处于较清洁，15%处于清洁。有机氮范围为0.099%～0.260%，均值为0.176%，85%的采样点处于有机氮污染。

2018年总氮污染指数范围是0.76～4.49，均值是2.79，整体评价结果是重度污染。其中85%的位点处于重度污染，10%的位点中度污染，只有5%的位点(点8傅家岔左岸)是清洁。2019年总氮污染指数范围是1.55～4.09，均值是2.76，整体评价结果是重度污染，与2018年相一致。其中85%的位点处于重度污染，15%的位点处于中度污染。

2018年总磷污染指数范围是0.93～4.73，均值是2.66，总体评价结果是重度污染。其中75%处于重度污染，20%处于中度污染，只有5%(点8傅家岔左岸)是轻度污染。2019年总磷污染指数范围是0.24～3.00，均值是1.90，总体评价结果是重度污染。65%位点处于重度污染，15%的位点处于中度污染，15%处于轻度污染，只有点15(东湾右岸滩地)是清洁。

2018年综合污染指数(FF)是3.86，评价结果为重度污染。2019年FF值是3.33，评价结果为重度污染。

整体而言，抚河故支沉积物总氮、总磷和有机氮污染严重，一方面与频繁的人类活动有关，另一方面和丰水期水位上升造成对沉积物的搅动有关。

2.2 污染成因分析

2.2.1 营养盐相关性分析

通过对沉积物中总氮、总磷和有机质的相关性研究，来反应各因子之间的相互依存关系，以此来探讨其来源是否相似[16]。

使用Pearson法统计分析2018年抚河沉积物数据，发现2018年pH与有机质呈极显著的负相关(P≤0.01)，相关系数为-0.671。pH与总氮、总磷等相关性并不明显；而总氮、总磷与有机质也无明显的相关性，表明三者来源可能不同。2019年pH与有机质无明显的相关性，但pH和有机质含量高于2018年，间接说明沉积物的pH能影响其有机质的沉积和分解转化。

2018年总氮和总磷与有机质均无明显的相关性，表明氮和磷的主要来源可能是外来污染如污水排放、地表径流等，而非有机质的矿化和分解。有机质与总氮、总磷出现显著的相关性，表明抚河沉积物中的氮和磷主要来源可能为有机质的矿化和分解。相关研究表明水体沉积物总氮中的70%～90%是以有机氮的形式存在的[17]。有研究[18]表明，有机质是磷的重要载体。氮、磷的来源可能与有机质相同。

2.2.2 污染来源调查

走访调查结果表明河道两岸(尤其上中游)遍布一些鱼塘和鸭塘，河道上漂浮着大量的凤眼莲有村庄建立了养猪场。家禽等养殖污水排放进入河中，凤眼莲衰败后可沉积在河道底部。这些均可导致有机质、氮、磷的沉积。参考畜禽养殖业污染治理工程技术规范(HJ497-2009)中对畜禽养殖排污的相关资料，并结合实地走访调查，统计得知抚河两岸养殖业每年排放的总氮量约为7.27～7.35 t，总磷排放量约为11.22～11.29 t。另两岸村民生活污水中总氮全年排放量约为318.25 t，总磷全年排放量约为275.14 t。两岸种植业全年排放总氮、总磷的量分别为976.36，81.64 kg。

根据调查，河道上的主要优势植物是凤眼莲和菰，植物腐解时向水体释放大量的氮磷。除上述一些因素外，水体中的一些悬浮颗粒也易吸附磷，后通过沉降作用存于沉积物种，因此入河的一些泥沙也可能是磷的来源之一。采集的沉积物中，一些样品是泥沙混合物，个别样点全部为沙，而点14舒家湾附近有采砂场，这些因素都直接或间接表明泥沙也是磷污染的来源。

3 结 语

(1) 2018年抚河沉积物中总氮、总磷和有机质平均含量分别为2.00、1.17和21.62 g/kg。2019年抚河沉积物中总氮、总磷和有机质平均含量分别为1.85、0.84和16.25 g/kg。

(2) 有机指数显示沉积物整体处于较清洁，但有机氮指数显示整体处于有机氮污染状态，总氮和总磷污染指数表明抚河故支沉积物整体处于重度污染，综合评价指数评价结果为重度污染。

(3) 2018年总氮、总磷与有机质并无明显的相关性，表明氮磷的主要来源可能是外源污染。2019年总氮、总磷与有机质呈现极显著的相关性，表明总氮和总磷主要来源可能是有机质的矿化和分解。家禽、水产等养殖过程中产生的污染，凤眼莲等水生植物衰败后释放出大量营养盐，都是沉积物污染来源。

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