天津月牙河沉积物营养盐和重金属浓度水平及生态风险评价

摘 要：为了掌握区域沉积物的环境风险水平，对环境风险管理提供技术依据，以津南区月牙河为研究对象，采集表层和下层沉积物样品共计22个，测定了有机质含量、总氮、总磷、砷、铜、镍、汞、铅、镉、铬、锌等指标含量，运用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法、生态风险指数法和有机污染指数法分析了沉积物中营养盐及重金属的风险水平。结果表明：各指标含量的空间差异较明显。单因子评价结果显示表层样品：锌＞总磷＞总氮=铜=镍=铅=镉=铅＞砷；下层样品中，除总磷和锌指标达到轻度污染水平外，其余指标均为清洁。内梅罗综合评价结果显示，表层樣品中各指标污染程度不同，总氮=总磷=铜=镍=镉=锌＞铬＞砷=铅。各指标的RI均属于低风险，但表层样品存在显著空间差异，而下层样品RI差异较小。有机污染指数均远低于评价标准0.5%，属于“清洁”水平。

关键词：沉积物；重金属；总氮；总磷；生态风险

中图分类号：X82文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）01-00-05

0 引言

重金属往往具有毒性大、不可降解且积累性强等特点，进入地表水体的重金属会被悬浮物或底泥吸附，并通过食物链放大，从而对生态系统造成生态风险[1]。沉积物中的碳、氮、磷等污染物是指示营养盐水平的有效指标，直接反映了水体的污染状况[2]。对水体沉积物中营养盐和重金属进行风险评价，是了解水体污染状况的有效手段，可以为管理部门提供决策依据[3]。当前，我国水体沉积物污染物风险评价所涉及的水体主要有河流、湖泊、海洋及水库等。海河水系是我国华北地区的最大水系，中国七大河流之一，上游包括五大支流即潮白河、永定河、大清河、子牙河、南运河。由于海河流域为我国政治文化中心所在地，在国民经济中占有举足轻重的地位，很多学者对其水体沉积物中重金属污染进行了研究，主要围绕海河流域中部[4]、海河水系[5]、独流减河[6]和月牙河[7]等，但对于海河流域小河道中沉积物的有关研究较少。

近些年，围绕水体沉积物的污染评价方法主要包括单因子污染指数法[3，8，9]、内梅罗综合污染指数法[3，5，6，8，9]和潜在生态风险指数法等[1，3，5，8，9]等。前两个方法是基于相关标准进行的沉积物环境质量评价；潜在生态危害指数法在评价重金属的生态风险时，能同时兼顾污染物浓度和毒理水平；有机污染指数法则可以反映沉积物中氮、磷、碳的风险水平，因此，得到了广泛应用[1，3，5，8，9]。因此，选取单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、生态风险指数法和有机污染指数法对月牙河沉积物中营养盐和重金属进行风险评价，旨在为区域环境风险管控和污染治理提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

月牙河位于天津市津南区，全长约16 km，北起海河，南至马厂减河，流经咸水沽、北闸口、小站三镇，是津南区主要排沥河道，也是重要的蓄水工程。2005年对全河段河道进行清淤和部分堤段护砌。

1.2 样品采集与处理

1.2.1 样品采集

考虑河流分布情况，在整个河段设置11个采样点，相对均匀地分布于河流内。利用抓斗式采泥器采集河道沉积物，用聚乙烯塑料袋封装好并贴好标签保存于保温箱，快速带回实验室。

1.2.2 样品处理

样品经自然风干，剔除杂物，研磨过筛后保存。沉积物样品测定执行国家标准，其中，Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd含量采用电感耦合等离子体质谱法测定，As含量采用原子荧光法测定，总磷采用分光光度法测定，总氮采用凯氏法测定，有机质含量参照LY/T 1237—1999进行测定。为了保证数据的准确性，设置了方法空白、加标样品、加标平行样等质控样品，结果显示：样品加标回收率、平行样相对偏差、方法空白等均满足质控要求。

1.3 评价方法

1.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数（Pi）对沉积物中一种污染指标的污染程度进行评价[8，9]。

Pi=Ci/Si （1）

式中：Ci—指标i的实测浓度值，Si—指标i的评价标准。

河流沉积物的环境评价一般选用环境背景值及相关标准作为评价标准[3]。Ni、Cu、Zn、Cr和As指标选取天津市土壤背景值[6]，分别为33.3 mg/kg、28.8 mg/kg、79.3 mg/kg、84.2 mg/kg、9.6 mg/kg。Pb、Cd指标选取中国水系沉积物背景值[5]，分别为27 mg/kg、0.18 mg/kg。总氮、总磷标准值分别取1000 mg/kg、420 mg/kg[2]。评价标准分级见表1。

1.3.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法（Pn）可对多种污染物复合污染程度进行评价[8，9]。

Pimax =（Ci/Si）max （2）

Piave =（Ci/Si）ave （3）

Pn=[（P2imax+P2iave）/2]1/2 （4）

式中：Ci、Si—同式（1）含义；Pimax—最大单项污染指数，Piave—平均单项污染指数，Pn—内梅罗综合污染指数，评价标准分级见表1。

1.3.3 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数（RI）已广泛应用于重金属生态风险评价[1，3，5，8，9]。该方法综合考虑了污染浓度和毒性水平等因素，反映了重金属对生态环境的潜在影响程度，计算公式如下。

Ei=Ti×（C i/Ci） （5）

（6）

式中：C i—第i种指标实测浓度值；Ci—第i种指标的参比值；Ei——指标i潜在生态危害系数；Ti—指标i的毒性响应系数；RI—综合潜在生态风险指数。各指标参比值同1.3.1节内容；Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni和Cd指标的毒性响应系数分别为5、30、1、2、10[9]、5[8]和30[5]。

1.3.4 有机污染指数法

目前，对地表水沉积物的污染评价常常采用综合污染指数法和有机污染指数法[2，10]。其中综合污染指数法是沉积物中以总磷和总氮污染数据为基础计算综合污染指数（FF），计算过程同内梅罗综合污染指数法，但它忽略了沉积物中有机质的影响[2]。因此，需要采用有机污染指数法（OI）进一步评价沉积物的污染现状。OI、OC和ON分别表示有机污染指数、有机碳和有机氮，单位均为%。

OI=OC×ON （7）

ON=TN×0.95 （8）

OC=OM/1.724 （9）

2 結果与讨论

2.1 污染特征分析

共采集22个样品，检测分析后获取了实验数据，基于EXCEL软件对数据进行分析统计，结果见表2。

由表2可知，月牙河沉积物样品pH为7.88～9.44，属于偏碱性；有机质含量为5.42～76.70 g/kg；总氮含量为238.00～6140.00 mg/kg；总磷含量为381.00～3990.00 mg/kg；砷含量为6.50～17.10 mg/kg；铜含量为13.00～202.00 mg/kg；镍含量为19.00～137.00 mg/kg；铅含量为16.70～56.30 mg/kg；镉含量为0.08～1.70 mg/kg；铬含量为42.00～ 320.00 mg/kg。总体来看，月牙河沉积物中有机质含量、总氮、总磷以及重金属含量均存在明显空间差异。

2.2 单因子污染评价结果

基于总氮、总磷和重金属标准值和浓度计算获取了沉积物中各指标单因子评价结果，见表3。

由表3可知，单因子评价结果：月牙河沉积物表层（0～30 cm）样品中锌属于重度污染，总磷属于重度污染，总氮、铜、镍、铅、镉和铬指标均属于轻度污染，砷达到清洁水平；就各指标污染程度而言，锌>总磷>总氮=铜=镍=铅=镉=铅>砷；而下层（50～80 cm）样品中污染水平相比表层有明显好转，除总磷和锌指标达到轻度污染水平外，其余指标均为清洁。综上，说明月牙河沉积物中不同指标的污染程度存在明显差异。

2.3 内梅罗综合污染评价结果

基于单因子污染评价结果计算获取了内梅罗综合污染评价结果，见表3。从内梅罗综合评价结果可以看出，月牙河沉积物表层（0～30 cm）样品中总氮、总磷、铜、镍、镉和锌指标均达到重度污染水平，铬达到重度污染，砷和铅均为轻度污染；就各指标污染程度而言，总氮=总磷=铜=镍=镉=锌>铬>砷=铅。下层样品中总磷和锌指标达到中度污染水平，砷、铜和镍指标均为轻度污染，总氮、铅和镉指标均达到警戒水平，铬达到安全水平。综上，说明月牙河沉积物中不同指标的污染程度存在明显差异。

2.4 潜在生态风险评价

根据式（6）计算获得了月牙河沉积物各指标的潜在生态风险（RI），见表4。

由表4可知，月牙河沉积物表层（0～30 cm）样品中各监测指标的RI为51.7～428.2，平均值为119.6，属于低风险，但存在显著空间差异。最小值出现在2号点位，该点位周边以水塘和空地为主，人为活动影响最小；最大值出现在5号点位，该点位周边居民区密集，很可能受污水排放和地表径流等影响。不同指标的生态风险存在显著差异，镉（高风险）>铅（中风险）>砷=铜=镍=铬=锌。月牙河沉积物下层（50～80 cm）样品中各指标的RI为50.9～90.0，平均值为69.9，属于低风险，这说明河道周边人类生产生活活动对沉积物污染影响程度有限。就单个指标而言，不同指标的生态风险的差异较小，均属于低风险，生态风险明显小于表层沉积物的生态风险。总体而言，月牙河沉积物中重金属生态风险水平较低，但个别指标需重点关注。

2.5 有机污染指数

沉积物中有机质和氮是重要的营养物质，也是重金属等污染物发生吸附、络合作用的活性物质。因此，以沉积物中总氮和有机碳含量为基础，采用有机污染指数法表征沉积物有机污染程度。评价结果显示：表层（0～30 cm）沉积物中有机碳（OC）含量为0.50%～4.45%，下层（50～80 cm）沉积物中有机碳（OC）含量为0.31%～0.83%；表层沉积物中有机氮（ON）含量为0.04%～0.58%，下层沉积物中有机碳（ON）含量为0.02%～0.09%；表层沉积物有机污染指数（OI）为0.0003%～0.0260%，下层沉积物有机污染指数（OI）为0.0001%～0.0007%，均远低于评价标准0.5%。因此，月牙河沉积物中氮磷有机污染风险属于“清洁”水平。

3 结论

（1）样品中有机质含量、总氮、总磷以及重金属含量均存在明显空间差异。表层样品各指标单因子评价结果显示：锌>总磷>总氮=铜=镍=铅=镉=铅>砷；而下层样品中污染水平相比表层明显好转，除总磷和锌指标达到轻度污染水平外，其余指标均为清洁。

（2）内梅罗综合评价结果显示，表层样品中各指标污染程度不同，总氮=总磷=铜=镍=镉=锌>铬>砷=铅。下层样品中总磷和锌指标达到中度污染水平，砷、铜和镍指标均为轻度污染，总氮、铅和镉指标均为警戒水平，铬达到安全水平。

（3）表层样品各指标的RI为51.7～428.2，属于低风险，但存在显著空间差异；不同指标的生态风险存在显著差异，镉>铅>砷=铜=镍=铬=锌。下层样品各监测指标的RI为50.9～90.0，属于低风险，空间差异较小。

（4）表层样品有机污染指数为0.0003%～ 0.0260%，下层为0.0001%～0.0007%，均远低于评价标准0.5%，月牙河沉积物中氮磷有机污染风险属于“清洁”水平。

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Nutrients and Heavy Metal Concentration and its Ecological Risk Assessment in The Sediments of Yueya River in Tianjin

LIN Tian-chong

（Tianjin YuxiangJinzhun Technology Co.， Ltd， Tianjin 300384， China）

Abstract： In order to master the environmental risk level of regional sediments and provide technical basis for environmental risk management， Yueya River in Jinnan District was taken as the research object. A total of 22 surface and under layer sediment samples were collected and their contents of organic matter， total nitrogen， total phosphorus， arsenic， copper， nickel， mercury， lead， cadmium， chromium， zinc and other indicators were determined. The single factor pollution index， Nemerow pollution index， ecological risk index and organic pollution index were used to analyze the risk levels of nutrients and heavy metals. The results showed that the spatial difference of each index was obvious. Single factor evaluation results showed that the surface samples were zinc > total phosphorus > total nitrogen = copper = nickel = lead = cadmium = lead > arsenic. In the lower samples， all the indexes were clean except that the total phosphorus and zinc reached the slightly polluted level. Nemerow's comprehensive evaluation results showed that the pollution levels of each index in the surface samples were different， total nitrogen = total phosphorus = copper = nickel = cadmium = zinc > chromium > arsenic = lead. The RI of each index belonged to low risk， but the surface sample had significant spatial difference， while the bottom sample had little difference. The organic pollution index was much lower than the evaluation standard 0.5%， belonging to the "clean" level.

Key words： sediments; heavy metal; total nitrogen; total phosphorus; ecological risk

收稿日期：2023-05-05

作者簡介：林天宠（1984-），男，天津人，工程师，大学本科，主要研究方向为土壤污染调查、环境监测与评价等。