人为扰动情形下城郊溪流沉积物磷形态及污染特征分析

叶 舟

(芜湖职业技术学院 材料工程学院,安徽 芜湖 241003)

近年来，我国湖泊富营养化现象较为突出，而磷素则是导致水体富营养化现象的主要影响因子[1].作为重要的养分库，沉积物以“磷源”和“磷汇”的形式存在[2]，湖底表层沉积物中的养分不断与上覆水夹层进行物质交换，扰乱了水体营养盐的稳定平衡.底泥污染程度及上覆水营养盐浓度对整个水生态系统影响尤为显著，通过对溪流沉积物磷素污染状况及含量分布的跟踪研究，可以有效掌握水体富营养化机理，并对水体污染实际阻控具有重要意义.

研究发现，沉积物中磷素的释放与各种外部环境因素密切相关，其中由波浪或水流等引起的物理干扰对沉积物中磷素向上覆水释放影响最大[3].目前，针对沉积物磷形态及释放机理的国内外研究颇多，但未综合考虑外源介入和沉积物内部磷素迁移释放共同作用影响[4].然而，大多数学者偏向于大型湖泊的研究，对偏远地区尤其是城镇—农村交错地带溪流的研究却鲜有报道.本文以巢湖一支流靶区内自然状态、点源污染、水土流失三种情形为研究对象，通过测试上覆水体理化性质、溪流表层底质磷素赋存形态来分析研究区域水环境及表层沉积物污染变化特征，以期为巢湖流域污染治理与防治提供理论依据.

1 研究区概况

研究靶区作为巢湖流域二十埠河一重要支流，渠段全长约4 km，宽约2 km，溪流两侧属于低矮丘陵岗地的地貌特征.由于城市化建设的影响，该溪流受到人为扰动影响较为显著，主要表现为以下两个方面：其一是溪流中游左侧有一排污管道(生活污水)随雨水管网直接汇入溪流沟渠中；其二是溪流中下游渠段受城市道路建设过程深层沉积物外露并经夏季雨水冲刷作用汇入溪流，上覆水体基本处于浑浊状态.研究区概况及采样位图如图1所示.

图1沟渠大致位置及采点分布示意图

本研究沟渠全长约2 km，渠段平均宽度和水深各约为2 m、1.5 m.为方便对溪流不同扰动情形进行研究，不妨将1、2号点位定义为自然状态(情形1)、3号点位定义为点源污染(情形2)、4～6号点位定义为水土流失(情形3)(下同).

2 材料与方法

2.1 采样点布设

在溪流渠段沿水流方向上依次设定6个采样点，依次编号为1～6.其中1号位于源头溪流上游段，沟渠两侧水生植物较为丰富；2号位于沟渠转角处，该点位沉积物多以砂石为主；3号位于职教城生活污水排放口下方约30 m处，该采点周围为一面积约70 m2的水潭，沉积物黑臭；4～6号未受明显污染源影响，但受到沟渠水流方向左岸建设用地深挖沉积物的人为扰动影响显著.

2.2 样品采集及测定方法

鉴于综合考虑2019年9月后水土流失(情形3)背景下施工项目已竣工以及秋冬季该研究靶区溪流已逐渐进入枯水期两个方面，本文拟选择该靶区具有代表性的2019年3月至8月(其中3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季)的上覆水质、表层沉积物数据作为研究对象，按照每月一次的频率，在每个点位1 m2区域内采集溪流表层5 cm～10 cm处多个点位的沉积物，充分混合依次装袋备存.底泥经过自然风干处理，去除内部大颗粒杂质，研磨过100目筛，封袋备用，便于后期沉积物磷形态及理化性质分析.

本文将磷形态划分为五种，其中总磷和无机磷采用SMT法测定，易交换态磷、铁铝结合态磷及碎屑磷采用三步连续提取方法分析测定.

3 结果与讨论

3.1 采样点上覆水基本理化性质

通过将采样月份按季度进行划分，并将各点位每月水质的现场指标测试结果加以平均，得到溪流春、夏的各项水质理化指标，结果见表1.

水体理化性质对上覆水及表层底质间磷素的交换具有显著的影响.本溪流上覆水呈弱碱性，其中春夏季pH数值变动不大，ORP(氧化还原电位)处于50 mV～150 mV的水平，其中3号点位最低，可能与污水介入具有直接的关系，后三个点位受3号影响作用明显.EC(电导率)是衡量水质纯度的一个重要指标，3号较其他点位偏大，这也说明人为生活污水给溪流水质带来更大的复杂性.TDS标识的是水体溶解性固体含量，与EC变化趋势一致.

表1 溪流上覆水基本理化指标统计结果

表2 溪流底质基本指标统计结果

3.2 溪流底质基本理化性质分析

表2说明了研究靶区春、夏季溪流底质基本理化性质测试结果.本研究渠段溪流底质呈弱酸性，pH在6～7范围内波动，夏季较春季偏高.有机质(OM)含量范围为3.49%～10.07%，这与岷江干流表层沉积物[5]研究结果相比偏高，主要原因是研究渠段位于下游段，受外界人为污染影响显著.TC(总碳)含量变化趋势与OM较为一致，情形2含量基本为情形1的2倍，为情形3的4～5倍.

3.3 总磷的质量浓度及分布特征

本研究区域总磷质量浓度为241.94 mg·kg-1～924.81 mg·kg-1，具体总磷含量分布如图2所示.其中3号点位表现最高，其余点位基本处于300 mg·kg-1左右，这与巢湖东部湖区[6]表层沉积物总磷浓度826.14 mg·kg-1相比偏低，与近年来污染较为严重的岷江干流[5]表层沉积物总磷浓度453.16 mg·kg-1～1338.15 mg·kg-1相比偏低，说明溪流整体总磷污染程度较低，但人为扰动给溪流水—沉积物环境带来了较大影响.从季节来看，春季高于夏季，姜慧琴[7]等人对乌梁素水体沉积物总磷影响因素分析得出，水动力条件是直接导致总磷含量变化的因素之一，春季水动力扰动作用较弱，自然使得营养物质在表层底质中更容易聚集，导致浓度偏高.

图2 溪流不同季节底质样品中总磷质量浓度变化

3.4 不同形态磷质量浓度及分布特征

图3反映了三种情形下溪流磷素赋存形态分布情况，易交换态磷是磷形态中最为活跃的，易被水生植物吸收，是导致水体富营养化的关键.由于该磷主要吸附在沉积物颗粒物表面，3种情形中此类磷含量较少且变化并不显著，其中情形2稍高，占总磷的1.94%，这与李如忠等[8]对不同水源补给情形下溪流沟渠沉积物磷形态研究中易交换态磷/总磷(2.96%)的结果较为相似.

图3 三种情形下溪流底质样品中各形态磷含量分布

铁铝磷是指可以与表层沉积物及上覆水中铁、铝、锰的氢氧化物、氧化物的结合态磷，向上覆水具有较强潜在释放能力，直接影响了内源磷负荷. 情形1与3含量相当，情形2含量最高，情形2几乎为情形1、3的3倍. 有研究表明，沉积物中铁铝磷含量占总磷的比例与水质污染程度[9]具有直接关系，富营养化越严重的水体其表层沉积物铁铝磷的占比就越高.这也很好地解释了位于排污口下方3号点位水体的污染程度较高的原因.影响铁铝磷含量的因素除上述因子外，还有pH、氧化还原电位、DO(溶解氧)、温度等，其中氧化还原电位占据主导.铁磷组分中Fe3+、Fe2+不断转化，结合的磷随着Fe2+的溶出而被释放到间隙水中，磷与氢氧化物的结合能力也相应降低.

钙磷作为磷形态中惰性磷，整体对上覆水磷含量影响较小.从不同情形磷形态含量也可以看出，钙磷含量明显低于铁铝磷，且情形2条件含量最高.有研究表明[9]，钙磷含量在垂直剖面上呈现出随深度增加逐渐递减的规律.按正常污染趋势看，情形3比情形1磷素含量水平高，但是由于人为扰动(情形3)介入，受深挖底质影响，该渠段表现出钙磷含量偏低的现象，甚至较情形1低.

无机磷为沉积物磷形态的主要组成部分，其中三种情形无机磷/总磷数值分别为73%、72%、65%，这与蒋增杰等[10]对桑沟湾沉积物研究得出的无机磷作为磷素主要赋存形态且占比为73.33%的结论较为相似.情形2条件由于背景浓度较高的原因，无机磷浓度处于最高水平，情形3明显低于情形2，无机磷含量匮乏的原因终归于城市修路深挖底质覆盖于表层沉积物，这也充分说明了不同人为扰动情形给溪流表层沉积物磷素含量带来了很大程度的不确定性，需要我们长期跟进研究.

3.5 底质磷污染评价

3.5.1 污染评价方法

目前国内外对小型溪流、城镇沟渠尚未有一整套的评价方法与体系，本文将选取总磷作为单一污染因子，采用污染指数法[11]对溪流底质污染程度进行分析和评价.其计算公式如下：

PIi=Ci/Cis

式中：PIi为污染指数；Ci为表层底质样品中污染因子i的测定值，单位为mg·kg-1；Cis为i的标准值或土壤背景值，单位为mg·kg-1.

根据显示的污染指数数值，可初步对溪流底质污染状况做一个简单定性判断.污染状况定性评价的依据见表3.

表3 沉积物污染评价分级依据

3.5.2 总磷污染评价

根据加拿大安大略省环境和能源部发布的关于沉积物环境质量的评价指南，安全级别的总磷质量浓度为600 mg·kg-1，本研究溪流底质各点位春、夏季总磷污染程度分布见表4.

数据分析结果表明，总磷的污染指数为0.403～1.541，平均值为0.837. 由此可见，研究靶区溪流底质总磷含量总体不高，污染程度处于有影响水平，生态风险较低. 从总磷污染程度季节层面来分析，春季较夏季偏高，这可能与土壤动物、微生物及水生植物正常生理活动具有一定关系，高温会增强生物机体生理活性，以及水生植物生长较为旺盛，自然也就增强了水体自净能力.

表4 溪流底质各点位污染状况季节分布

从空间上来看，3号点位PI数值都大于1，污染程度最高，结果为轻度及以上.而夏季情形3各点位明显较春季偏低，这主要由于夏季雨水充沛，雨水冲刷人工深挖堆积在两岸的底质，冲积物覆盖在沉积物表层，所采集底质样品总磷污染程度显然偏低.这也说明了人为扰动对于研究溪流底质、上覆水中营养物质的含量具有一定的不确定性和复杂性.

卓海华[12]通过对三峡库区表层沉积物污染状况研究得出：该地区表层沉积物总磷和总有机质含量均较低，基本处于安全级(总磷≤600 mg·kg-1)，这与本文的研究结果相似.本研究区域部分点位虽超过了安全，但是大多数点位处于安全范围内，整体上对水体生物环境影响作用较小.

4 结论

(1)溪流底质总体呈弱酸性，有机质含量处于3.49%～10.07%水平.研究区域总磷含量为241.94 mg·kg-1～924.81 mg·kg-1，其中3号点位最高，且各点位春季浓度较夏季偏高.

(2)无机磷作为总磷的主要成分，占据70%左右，易交换态磷处于最低水平，铁铝磷和钙磷含量相当.从各情形来看，情形2>情形1>情形3，也侧向反映了人为扰动给溪流底质磷含量带来了复杂性.

(3)总磷污染评价表明，该溪流总磷污染指数为0.403～1.541，平均值为0.837.除3号点位处于中等污染水平外，其余点位均表现为低风险状态.从季节来看，春季污染程度较夏季偏高.