天津月牙河沉積物營養鹽和重金屬濃度水平及生態風險評價

摘 要：為了掌握區域沉積物的環境風險水平，對環境風險管理提供技術依據，以津南區月牙河為研究對象，采集表層和下層沉積物樣品共計22個，測定了有機質含量、總氮、總磷、砷、銅、鎳、汞、鉛、鎘、鉻、鋅等指標含量，運用單因子污染指數法、內梅羅污染指數法、生態風險指數法和有機污染指數法分析了沉積物中營養鹽及重金屬的風險水平。結果表明：各指標含量的空間差異較明顯。單因子評價結果顯示表層樣品：鋅＞總磷＞總氮=銅=鎳=鉛=鎘=鉛＞砷；下層樣品中，除總磷和鋅指標達到輕度污染水平外，其余指標均為清潔。內梅羅綜合評價結果顯示，表層樣品中各指標污染程度不同，總氮=總磷=銅=鎳=鎘=鋅＞鉻＞砷=鉛。各指標的RI均屬于低風險，但表層樣品存在顯著空間差異，而下層樣品RI差異較小。有機污染指數均遠低于評價標準0.5%，屬于“清潔”水平。

關鍵詞：沉積物；重金屬；總氮；總磷；生態風險

中圖分類號：X82文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）01-00-05

0 引言

重金屬往往具有毒性大、不可降解且積累性強等特點，進入地表水體的重金屬會被懸浮物或底泥吸附，并通過食物鏈放大，從而對生態系統造成生態風險[1]。沉積物中的碳、氮、磷等污染物是指示營養鹽水平的有效指標，直接反映了水體的污染狀況[2]。對水體沉積物中營養鹽和重金屬進行風險評價，是了解水體污染狀況的有效手段，可以為管理部門提供決策依據[3]。當前，我國水體沉積物污染物風險評價所涉及的水體主要有河流、湖泊、海洋及水庫等。海河水系是我國華北地區的最大水系，中國七大河流之一，上游包括五大支流即潮白河、永定河、大清河、子牙河、南運河。由于海河流域為我國政治文化中心所在地，在國民經濟中占有舉足輕重的地位，很多學者對其水體沉積物中重金屬污染進行了研究，主要圍繞海河流域中部[4]、海河水系[5]、獨流減河[6]和月牙河[7]等，但對于海河流域小河道中沉積物的有關研究較少。

近些年，圍繞水體沉積物的污染評價方法主要包括單因子污染指數法[3，8，9]、內梅羅綜合污染指數法[3，5，6，8，9]和潛在生態風險指數法等[1，3，5，8，9]等。前兩個方法是基于相關標準進行的沉積物環境質量評價；潛在生態危害指數法在評價重金屬的生態風險時，能同時兼顧污染物濃度和毒理水平；有機污染指數法則可以反映沉積物中氮、磷、碳的風險水平，因此，得到了廣泛應用[1，3，5，8，9]。因此，選取單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、生態風險指數法和有機污染指數法對月牙河沉積物中營養鹽和重金屬進行風險評價，旨在為區域環境風險管控和污染治理提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

月牙河位于天津市津南區，全長約16 km，北起海河，南至馬廠減河，流經咸水沽、北閘口、小站三鎮，是津南區主要排瀝河道，也是重要的蓄水工程。2005年對全河段河道進行清淤和部分堤段護砌。

1.2 樣品采集與處理

1.2.1 樣品采集

考慮河流分布情況，在整個河段設置11個采樣點，相對均勻地分布于河流內。利用抓斗式采泥器采集河道沉積物，用聚乙烯塑料袋封裝好并貼好標簽保存于保溫箱，快速帶回實驗室。

1.2.2 樣品處理

樣品經自然風干，剔除雜物，研磨過篩后保存。沉積物樣品測定執行國家標準，其中，Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd含量采用電感耦合等離子體質譜法測定，As含量采用原子熒光法測定，總磷采用分光光度法測定，總氮采用凱氏法測定，有機質含量參照LY/T 1237—1999進行測定。為了保證數據的準確性，設置了方法空白、加標樣品、加標平行樣等質控樣品，結果顯示：樣品加標回收率、平行樣相對偏差、方法空白等均滿足質控要求。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染指數法

單因子污染指數（Pi）對沉積物中一種污染指標的污染程度進行評價[8，9]。

Pi=Ci/Si （1）

式中：Ci—指標i的實測濃度值，Si—指標i的評價標準。

河流沉積物的環境評價一般選用環境背景值及相關標準作為評價標準[3]。Ni、Cu、Zn、Cr和As指標選取天津市土壤背景值[6]，分別為33.3 mg/kg、28.8 mg/kg、79.3 mg/kg、84.2 mg/kg、9.6 mg/kg。Pb、Cd指標選取中國水系沉積物背景值[5]，分別為27 mg/kg、0.18 mg/kg?？偟?、總磷標準值分別取1000 mg/kg、420 mg/kg[2]。評價標準分級見表1。

1.3.2 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法（Pn）可對多種污染物復合污染程度進行評價[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）含義；Pimax—最大單項污染指數，Piave—平均單項污染指數，Pn—內梅羅綜合污染指數，評價標準分級見表1。

1.3.3 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數（RI）已廣泛應用于重金屬生態風險評價[1，3，5，8，9]。該方法綜合考慮了污染濃度和毒性水平等因素，反映了重金屬對生態環境的潛在影響程度，計算公式如下。

Ei=Ti×（C i/Ci） （5）

（6）

式中：C i—第i種指標實測濃度值；Ci—第i種指標的參比值；Ei——指標i潛在生態危害系數；Ti—指標i的毒性響應系數；RI—綜合潛在生態風險指數。各指標參比值同1.3.1節內容；Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni和Cd指標的毒性響應系數分別為5、30、1、2、10[9]、5[8]和30[5]。

1.3.4 有機污染指數法

目前，對地表水沉積物的污染評價常常采用綜合污染指數法和有機污染指數法[2，10]。其中綜合污染指數法是沉積物中以總磷和總氮污染數據為基礎計算綜合污染指數（FF），計算過程同內梅羅綜合污染指數法，但它忽略了沉積物中有機質的影響[2]。因此，需要采用有機污染指數法（OI）進一步評價沉積物的污染現狀。OI、OC和ON分別表示有機污染指數、有機碳和有機氮，單位均為%。

OI=OC×ON （7）

ON=TN×0.95 （8）

OC=OM/1.724 （9）

2 結果與討論

2.1 污染特征分析

共采集22個樣品，檢測分析后獲取了實驗數據，基于EXCEL軟件對數據進行分析統計，結果見表2。

由表2可知，月牙河沉積物樣品pH為7.88～9.44，屬于偏堿性；有機質含量為5.42～76.70 g/kg；總氮含量為238.00～6140.00 mg/kg；總磷含量為381.00～3990.00 mg/kg；砷含量為6.50～17.10 mg/kg；銅含量為13.00～202.00 mg/kg；鎳含量為19.00～137.00 mg/kg；鉛含量為16.70～56.30 mg/kg；鎘含量為0.08～1.70 mg/kg；鉻含量為42.00～ 320.00 mg/kg?？傮w來看，月牙河沉積物中有機質含量、總氮、總磷以及重金屬含量均存在明顯空間差異。

2.2 單因子污染評價結果

基于總氮、總磷和重金屬標準值和濃度計算獲取了沉積物中各指標單因子評價結果，見表3。

由表3可知，單因子評價結果：月牙河沉積物表層（0～30 cm）樣品中鋅屬于重度污染，總磷屬于重度污染，總氮、銅、鎳、鉛、鎘和鉻指標均屬于輕度污染，砷達到清潔水平；就各指標污染程度而言，鋅>總磷>總氮=銅=鎳=鉛=鎘=鉛>砷；而下層（50～80 cm）樣品中污染水平相比表層有明顯好轉，除總磷和鋅指標達到輕度污染水平外，其余指標均為清潔。綜上，說明月牙河沉積物中不同指標的污染程度存在明顯差異。

2.3 內梅羅綜合污染評價結果

基于單因子污染評價結果計算獲取了內梅羅綜合污染評價結果，見表3。從內梅羅綜合評價結果可以看出，月牙河沉積物表層（0～30 cm）樣品中總氮、總磷、銅、鎳、鎘和鋅指標均達到重度污染水平，鉻達到重度污染，砷和鉛均為輕度污染；就各指標污染程度而言，總氮=總磷=銅=鎳=鎘=鋅>鉻>砷=鉛。下層樣品中總磷和鋅指標達到中度污染水平，砷、銅和鎳指標均為輕度污染，總氮、鉛和鎘指標均達到警戒水平，鉻達到安全水平。綜上，說明月牙河沉積物中不同指標的污染程度存在明顯差異。

2.4 潛在生態風險評價

根據式（6）計算獲得了月牙河沉積物各指標的潛在生態風險（RI），見表4。

由表4可知，月牙河沉積物表層（0～30 cm）樣品中各監測指標的RI為51.7～428.2，平均值為119.6，屬于低風險，但存在顯著空間差異。最小值出現在2號點位，該點位周邊以水塘和空地為主，人為活動影響最??；最大值出現在5號點位，該點位周邊居民區密集，很可能受污水排放和地表徑流等影響。不同指標的生態風險存在顯著差異，鎘（高風險）>鉛（中風險）>砷=銅=鎳=鉻=鋅。月牙河沉積物下層（50～80 cm）樣品中各指標的RI為50.9～90.0，平均值為69.9，屬于低風險，這說明河道周邊人類生產生活活動對沉積物污染影響程度有限。就單個指標而言，不同指標的生態風險的差異較小，均屬于低風險，生態風險明顯小于表層沉積物的生態風險?？傮w而言，月牙河沉積物中重金屬生態風險水平較低，但個別指標需重點關注。

2.5 有機污染指數

沉積物中有機質和氮是重要的營養物質，也是重金屬等污染物發生吸附、絡合作用的活性物質。因此，以沉積物中總氮和有機碳含量為基礎，采用有機污染指數法表征沉積物有機污染程度。評價結果顯示：表層（0～30 cm）沉積物中有機碳（OC）含量為0.50%～4.45%，下層（50～80 cm）沉積物中有機碳（OC）含量為0.31%～0.83%；表層沉積物中有機氮（ON）含量為0.04%～0.58%，下層沉積物中有機碳（ON）含量為0.02%～0.09%；表層沉積物有機污染指數（OI）為0.0003%～0.0260%，下層沉積物有機污染指數（OI）為0.0001%～0.0007%，均遠低于評價標準0.5%。因此，月牙河沉積物中氮磷有機污染風險屬于“清潔”水平。

3 結論

（1）樣品中有機質含量、總氮、總磷以及重金屬含量均存在明顯空間差異。表層樣品各指標單因子評價結果顯示：鋅>總磷>總氮=銅=鎳=鉛=鎘=鉛>砷；而下層樣品中污染水平相比表層明顯好轉，除總磷和鋅指標達到輕度污染水平外，其余指標均為清潔。

（2）內梅羅綜合評價結果顯示，表層樣品中各指標污染程度不同，總氮=總磷=銅=鎳=鎘=鋅>鉻>砷=鉛。下層樣品中總磷和鋅指標達到中度污染水平，砷、銅和鎳指標均為輕度污染，總氮、鉛和鎘指標均為警戒水平，鉻達到安全水平。

（3）表層樣品各指標的RI為51.7～428.2，屬于低風險，但存在顯著空間差異；不同指標的生態風險存在顯著差異，鎘>鉛>砷=銅=鎳=鉻=鋅。下層樣品各監測指標的RI為50.9～90.0，屬于低風險，空間差異較小。

（4）表層樣品有機污染指數為0.0003%～ 0.0260%，下層為0.0001%～0.0007%，均遠低于評價標準0.5%，月牙河沉積物中氮磷有機污染風險屬于“清潔”水平。

參考文獻：

[1] 白冬銳，張濤，包峻松，等.蘇州古城區域河道底泥的重金屬污染分布及生態風險評價[J].環境科學，2021，42（7）：3206-3214.

[2] 孟子豪，楊德國，陳康，等.柘林水庫表層沉積物氮、磷、有機質的時空分布及污染評價[J].環境化學，2023，42（1）：138-149.

[3] 陳明，蔡青云，徐慧，等.水體沉積物重金屬污染風險評價研究進展[J].生態環境學報，2015，24（6）：1069-1074.

[4] 王利娜，周俊麗，趙艷芳，等.海河流域中部表層沉積物中重金屬分布特征及污染評價[J].水資源保護，2021，37（5）：147-152.

[5] 劉思達，肖淑敏，劉金鑫，等.海河水系重金屬污染特征及風險評價[J].生態毒理學報，2022，17（6）：266-276.

[6] 楊雪純.獨流減河流域沉積物重金屬的分布特征及污染風險評價[D].天津：天津理工大學，2022.

[7] 劉建艷.水體沉積物重金屬污染的實驗研究與評價[J].環境工程，2011，29（增刊）：245-248.

[8] 李逸平，王香蓮，金如意，等.鄱陽湖南磯山濕地沉積物重金屬污染特征及潛在生態風險[J].環境污染與防治，2022，44（11）：1491-1502.

[9] 黃志偉，李文靜，李偉杰，等.東江流域土壤重金屬污染特征及潛在風險評價[J].農業環境科學學報，2022，41（3）：504-515.

[10] 包宇飛，胡明明，王殿常，等.黃柏河梯級水庫沉積物營養鹽與重金屬分布特征及污染評價[J].生態環境學報，2021，30（5）：1005-1016.

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：林天寵（1984-），男，天津人，工程師，大學本科，主要研究方向為土壤污染調查、環境監測與評價等。