人為擾動(dòng)情形下城郊溪流沉積物磷形態(tài)及污染特征分析

葉 舟

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241003)

近年來(lái)，我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象較為突出，而磷素則是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的主要影響因子[1].作為重要的養(yǎng)分庫(kù)，沉積物以“磷源”和“磷匯”的形式存在[2]，湖底表層沉積物中的養(yǎng)分不斷與上覆水夾層進(jìn)行物質(zhì)交換，擾亂了水體營(yíng)養(yǎng)鹽的穩(wěn)定平衡.底泥污染程度及上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)影響尤為顯著，通過(guò)對(duì)溪流沉積物磷素污染狀況及含量分布的跟蹤研究，可以有效掌握水體富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理，并對(duì)水體污染實(shí)際阻控具有重要意義.

研究發(fā)現(xiàn)，沉積物中磷素的釋放與各種外部環(huán)境因素密切相關(guān)，其中由波浪或水流等引起的物理干擾對(duì)沉積物中磷素向上覆水釋放影響最大[3].目前，針對(duì)沉積物磷形態(tài)及釋放機(jī)理的國(guó)內(nèi)外研究頗多，但未綜合考慮外源介入和沉積物內(nèi)部磷素遷移釋放共同作用影響[4].然而，大多數(shù)學(xué)者偏向于大型湖泊的研究，對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)尤其是城鎮(zhèn)—農(nóng)村交錯(cuò)地帶溪流的研究卻鮮有報(bào)道.本文以巢湖一支流靶區(qū)內(nèi)自然狀態(tài)、點(diǎn)源污染、水土流失三種情形為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)試上覆水體理化性質(zhì)、溪流表層底質(zhì)磷素賦存形態(tài)來(lái)分析研究區(qū)域水環(huán)境及表層沉積物污染變化特征，以期為巢湖流域污染治理與防治提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

研究靶區(qū)作為巢湖流域二十埠河一重要支流，渠段全長(zhǎng)約4 km，寬約2 km，溪流兩側(cè)屬于低矮丘陵崗地的地貌特征.由于城市化建設(shè)的影響，該溪流受到人為擾動(dòng)影響較為顯著，主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：其一是溪流中游左側(cè)有一排污管道(生活污水)隨雨水管網(wǎng)直接匯入溪流溝渠中；其二是溪流中下游渠段受城市道路建設(shè)過(guò)程深層沉積物外露并經(jīng)夏季雨水沖刷作用匯入溪流，上覆水體基本處于渾濁狀態(tài).研究區(qū)概況及采樣位圖如圖1所示.

圖1溝渠大致位置及采點(diǎn)分布示意圖

本研究溝渠全長(zhǎng)約2 km，渠段平均寬度和水深各約為2 m、1.5 m.為方便對(duì)溪流不同擾動(dòng)情形進(jìn)行研究，不妨將1、2號(hào)點(diǎn)位定義為自然狀態(tài)(情形1)、3號(hào)點(diǎn)位定義為點(diǎn)源污染(情形2)、4～6號(hào)點(diǎn)位定義為水土流失(情形3)(下同).

2 材料與方法

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

在溪流渠段沿水流方向上依次設(shè)定6個(gè)采樣點(diǎn)，依次編號(hào)為1～6.其中1號(hào)位于源頭溪流上游段，溝渠兩側(cè)水生植物較為豐富；2號(hào)位于溝渠轉(zhuǎn)角處，該點(diǎn)位沉積物多以砂石為主；3號(hào)位于職教城生活污水排放口下方約30 m處，該采點(diǎn)周圍為一面積約70 m2的水潭，沉積物黑臭；4～6號(hào)未受明顯污染源影響，但受到溝渠水流方向左岸建設(shè)用地深挖沉積物的人為擾動(dòng)影響顯著.

2.2 樣品采集及測(cè)定方法

鑒于綜合考慮2019年9月后水土流失(情形3)背景下施工項(xiàng)目已竣工以及秋冬季該研究靶區(qū)溪流已逐漸進(jìn)入枯水期兩個(gè)方面，本文擬選擇該靶區(qū)具有代表性的2019年3月至8月(其中3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季)的上覆水質(zhì)、表層沉積物數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，按照每月一次的頻率，在每個(gè)點(diǎn)位1 m2區(qū)域內(nèi)采集溪流表層5 cm～10 cm處多個(gè)點(diǎn)位的沉積物，充分混合依次裝袋備存.底泥經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干處理，去除內(nèi)部大顆粒雜質(zhì)，研磨過(guò)100目篩，封袋備用，便于后期沉積物磷形態(tài)及理化性質(zhì)分析.

本文將磷形態(tài)劃分為五種，其中總磷和無(wú)機(jī)磷采用SMT法測(cè)定，易交換態(tài)磷、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷及碎屑磷采用三步連續(xù)提取方法分析測(cè)定.

3 結(jié)果與討論

3.1 采樣點(diǎn)上覆水基本理化性質(zhì)

通過(guò)將采樣月份按季度進(jìn)行劃分，并將各點(diǎn)位每月水質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果加以平均，得到溪流春、夏的各項(xiàng)水質(zhì)理化指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1.

水體理化性質(zhì)對(duì)上覆水及表層底質(zhì)間磷素的交換具有顯著的影響.本溪流上覆水呈弱堿性，其中春夏季pH數(shù)值變動(dòng)不大，ORP(氧化還原電位)處于50 mV～150 mV的水平，其中3號(hào)點(diǎn)位最低，可能與污水介入具有直接的關(guān)系，后三個(gè)點(diǎn)位受3號(hào)影響作用明顯.EC(電導(dǎo)率)是衡量水質(zhì)純度的一個(gè)重要指標(biāo)，3號(hào)較其他點(diǎn)位偏大，這也說(shuō)明人為生活污水給溪流水質(zhì)帶來(lái)更大的復(fù)雜性.TDS標(biāo)識(shí)的是水體溶解性固體含量，與EC變化趨勢(shì)一致.

表1 溪流上覆水基本理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 溪流底質(zhì)基本指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 溪流底質(zhì)基本理化性質(zhì)分析

表2說(shuō)明了研究靶區(qū)春、夏季溪流底質(zhì)基本理化性質(zhì)測(cè)試結(jié)果.本研究渠段溪流底質(zhì)呈弱酸性，pH在6～7范圍內(nèi)波動(dòng)，夏季較春季偏高.有機(jī)質(zhì)(OM)含量范圍為3.49%～10.07%，這與岷江干流表層沉積物[5]研究結(jié)果相比偏高，主要原因是研究渠段位于下游段，受外界人為污染影響顯著.TC(總碳)含量變化趨勢(shì)與OM較為一致，情形2含量基本為情形1的2倍，為情形3的4～5倍.

3.3 總磷的質(zhì)量濃度及分布特征

本研究區(qū)域總磷質(zhì)量濃度為241.94 mg·kg-1～924.81 mg·kg-1，具體總磷含量分布如圖2所示.其中3號(hào)點(diǎn)位表現(xiàn)最高，其余點(diǎn)位基本處于300 mg·kg-1左右，這與巢湖東部湖區(qū)[6]表層沉積物總磷濃度826.14 mg·kg-1相比偏低，與近年來(lái)污染較為嚴(yán)重的岷江干流[5]表層沉積物總磷濃度453.16 mg·kg-1～1338.15 mg·kg-1相比偏低，說(shuō)明溪流整體總磷污染程度較低，但人為擾動(dòng)給溪流水—沉積物環(huán)境帶來(lái)了較大影響.從季節(jié)來(lái)看，春季高于夏季，姜慧琴[7]等人對(duì)烏梁素水體沉積物總磷影響因素分析得出，水動(dòng)力條件是直接導(dǎo)致總磷含量變化的因素之一，春季水動(dòng)力擾動(dòng)作用較弱，自然使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在表層底質(zhì)中更容易聚集，導(dǎo)致濃度偏高.

圖2 溪流不同季節(jié)底質(zhì)樣品中總磷質(zhì)量濃度變化

3.4 不同形態(tài)磷質(zhì)量濃度及分布特征

圖3反映了三種情形下溪流磷素賦存形態(tài)分布情況，易交換態(tài)磷是磷形態(tài)中最為活躍的，易被水生植物吸收，是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵.由于該磷主要吸附在沉積物顆粒物表面，3種情形中此類磷含量較少且變化并不顯著，其中情形2稍高，占總磷的1.94%，這與李如忠等[8]對(duì)不同水源補(bǔ)給情形下溪流溝渠沉積物磷形態(tài)研究中易交換態(tài)磷/總磷(2.96%)的結(jié)果較為相似.

圖3 三種情形下溪流底質(zhì)樣品中各形態(tài)磷含量分布

鐵鋁磷是指可以與表層沉積物及上覆水中鐵、鋁、錳的氫氧化物、氧化物的結(jié)合態(tài)磷，向上覆水具有較強(qiáng)潛在釋放能力，直接影響了內(nèi)源磷負(fù)荷. 情形1與3含量相當(dāng)，情形2含量最高，情形2幾乎為情形1、3的3倍. 有研究表明，沉積物中鐵鋁磷含量占總磷的比例與水質(zhì)污染程度[9]具有直接關(guān)系，富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重的水體其表層沉積物鐵鋁磷的占比就越高.這也很好地解釋了位于排污口下方3號(hào)點(diǎn)位水體的污染程度較高的原因.影響鐵鋁磷含量的因素除上述因子外，還有pH、氧化還原電位、DO(溶解氧)、溫度等，其中氧化還原電位占據(jù)主導(dǎo).鐵磷組分中Fe3+、Fe2+不斷轉(zhuǎn)化，結(jié)合的磷隨著Fe2+的溶出而被釋放到間隙水中，磷與氫氧化物的結(jié)合能力也相應(yīng)降低.

鈣磷作為磷形態(tài)中惰性磷，整體對(duì)上覆水磷含量影響較小.從不同情形磷形態(tài)含量也可以看出，鈣磷含量明顯低于鐵鋁磷，且情形2條件含量最高.有研究表明[9]，鈣磷含量在垂直剖面上呈現(xiàn)出隨深度增加逐漸遞減的規(guī)律.按正常污染趨勢(shì)看，情形3比情形1磷素含量水平高，但是由于人為擾動(dòng)(情形3)介入，受深挖底質(zhì)影響，該渠段表現(xiàn)出鈣磷含量偏低的現(xiàn)象，甚至較情形1低.

無(wú)機(jī)磷為沉積物磷形態(tài)的主要組成部分，其中三種情形無(wú)機(jī)磷/總磷數(shù)值分別為73%、72%、65%，這與蔣增杰等[10]對(duì)桑溝灣沉積物研究得出的無(wú)機(jī)磷作為磷素主要賦存形態(tài)且占比為73.33%的結(jié)論較為相似.情形2條件由于背景濃度較高的原因，無(wú)機(jī)磷濃度處于最高水平，情形3明顯低于情形2，無(wú)機(jī)磷含量匱乏的原因終歸于城市修路深挖底質(zhì)覆蓋于表層沉積物，這也充分說(shuō)明了不同人為擾動(dòng)情形給溪流表層沉積物磷素含量帶來(lái)了很大程度的不確定性，需要我們長(zhǎng)期跟進(jìn)研究.

3.5 底質(zhì)磷污染評(píng)價(jià)

3.5.1 污染評(píng)價(jià)方法

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)小型溪流、城鎮(zhèn)溝渠尚未有一整套的評(píng)價(jià)方法與體系，本文將選取總磷作為單一污染因子，采用污染指數(shù)法[11]對(duì)溪流底質(zhì)污染程度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià).其計(jì)算公式如下：

PIi=Ci/Cis

式中：PIi為污染指數(shù)；Ci為表層底質(zhì)樣品中污染因子i的測(cè)定值，單位為mg·kg-1；Cis為i的標(biāo)準(zhǔn)值或土壤背景值，單位為mg·kg-1.

根據(jù)顯示的污染指數(shù)數(shù)值，可初步對(duì)溪流底質(zhì)污染狀況做一個(gè)簡(jiǎn)單定性判斷.污染狀況定性評(píng)價(jià)的依據(jù)見(jiàn)表3.

表3 沉積物污染評(píng)價(jià)分級(jí)依據(jù)

3.5.2 總磷污染評(píng)價(jià)

根據(jù)加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的關(guān)于沉積物環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)指南，安全級(jí)別的總磷質(zhì)量濃度為600 mg·kg-1，本研究溪流底質(zhì)各點(diǎn)位春、夏季總磷污染程度分布見(jiàn)表4.

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，總磷的污染指數(shù)為0.403～1.541，平均值為0.837. 由此可見(jiàn)，研究靶區(qū)溪流底質(zhì)總磷含量總體不高，污染程度處于有影響水平，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低. 從總磷污染程度季節(jié)層面來(lái)分析，春季較夏季偏高，這可能與土壤動(dòng)物、微生物及水生植物正常生理活動(dòng)具有一定關(guān)系，高溫會(huì)增強(qiáng)生物機(jī)體生理活性，以及水生植物生長(zhǎng)較為旺盛，自然也就增強(qiáng)了水體自凈能力.

表4 溪流底質(zhì)各點(diǎn)位污染狀況季節(jié)分布

從空間上來(lái)看，3號(hào)點(diǎn)位PI數(shù)值都大于1，污染程度最高，結(jié)果為輕度及以上.而夏季情形3各點(diǎn)位明顯較春季偏低，這主要由于夏季雨水充沛，雨水沖刷人工深挖堆積在兩岸的底質(zhì)，沖積物覆蓋在沉積物表層，所采集底質(zhì)樣品總磷污染程度顯然偏低.這也說(shuō)明了人為擾動(dòng)對(duì)于研究溪流底質(zhì)、上覆水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量具有一定的不確定性和復(fù)雜性.

卓海華[12]通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)表層沉積物污染狀況研究得出：該地區(qū)表層沉積物總磷和總有機(jī)質(zhì)含量均較低，基本處于安全級(jí)(總磷≤600 mg·kg-1)，這與本文的研究結(jié)果相似.本研究區(qū)域部分點(diǎn)位雖超過(guò)了安全，但是大多數(shù)點(diǎn)位處于安全范圍內(nèi)，整體上對(duì)水體生物環(huán)境影響作用較小.

4 結(jié)論

(1)溪流底質(zhì)總體呈弱酸性，有機(jī)質(zhì)含量處于3.49%～10.07%水平.研究區(qū)域總磷含量為241.94 mg·kg-1～924.81 mg·kg-1，其中3號(hào)點(diǎn)位最高，且各點(diǎn)位春季濃度較夏季偏高.

(2)無(wú)機(jī)磷作為總磷的主要成分，占據(jù)70%左右，易交換態(tài)磷處于最低水平，鐵鋁磷和鈣磷含量相當(dāng).從各情形來(lái)看，情形2>情形1>情形3，也側(cè)向反映了人為擾動(dòng)給溪流底質(zhì)磷含量帶來(lái)了復(fù)雜性.

(3)總磷污染評(píng)價(jià)表明，該溪流總磷污染指數(shù)為0.403～1.541，平均值為0.837.除3號(hào)點(diǎn)位處于中等污染水平外，其余點(diǎn)位均表現(xiàn)為低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài).從季節(jié)來(lái)看，春季污染程度較夏季偏高.