闽江上游富屯溪表层沉积物营养盐分布特征及生态风险评价

摘要 为了解闽江上游流域表层沉积物营养盐空间分布特征及其污染状况，以闽北富屯溪为研究对象，测定表层沉积物中pH和营养元素的含量，通过有机指数与单因子污染指数评价其污染水平，并探究沉积物碳-氮-磷两两之间的相互耦合关系，揭示其污染来源。结果表明，沉积物呈弱酸性，速效氮符合土壤养分IV级标准，速效磷符合土壤养分Ⅱ级标准。总有机碳（TOC）、总氮（TN）、总磷（TP）的平均含量分别为2.19%、2 472.28 mg/kg和653.10 mg/kg，对多数底栖生物处于可承受范围。有机指数为0.17～1.27，其中33%样点为有机污染;有机氮指数为0.087～0.384，其中83%样点为有机氮污染，具有较大的潜在生态风险;TP的单因子污染指数为0.64～1.64，其中6%样点为重度污染，TP潜在生态风险较低。全流域TOC/TN平均值为10.1 有机质的内源和外源输入基本达到一个平衡状态，但北支以外源为主，西支则以内源为主。同时TOC与TN、TOC与TP均呈弱相关，而TN与TP呈显著相关，氮磷在沉积物积累行为上较为相似，主要受到农业面源及周边城镇生活污废水排放的影响。

关键词 营养盐;表层沉积物;生态风险;闽江上游;富屯溪

中图分类号 X826文献标识码 A文章编号 0517-6611（2022）19-0076-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.19.019

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Distribution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Nutrients in the Surface Sediments of Futunxi in the Upper Reaches of Minjiang River

SU Li-man，LI Qing-yu，YE Hong-meng et al

（School of Ecology and Resource Engineering， Wuyi University， Key Laboratory of Green Technology for Ecological Industry of Fujian， Wuyishan， Fujian 354300）

Abstract In order to understand the spatial distribution characteristics and pollution status of nutrients in the surface sediments of the upper reaches of the Minjiang River，taking the Futunxi in northern Fujian as the research object， the contents of pH and nutrient elements in the surface sediments were measured. The pollution level was evaluated through the organic index and single-factor pollution index，and the mutual coupling relationship between the sediment carbon-nitrogen-phosphorus was further explored to reveal the source of pollution.The results showed that the sediment was weakly acidic，available nitrogen met grade IV standards of soil nutrient ，and available phosphorus met grade Ⅱ standard of soil nutrient .The average contents of TOC， TN and TP were 2.19%， 2 472.28 mg/kg and 653.10 mg/kg， respectively，and in a tolerable range for most benthic rganisms. The organic index was 0.17-1.27， and 33% of the samples were organic pollution. The organic nitrogen index was 0.087-0.384， and 83% of the samples were organic nitrogen pollution，TN had a greater potential ecological risk.The single factor pollution index of TP was 0.64-1.64， and 6% of the samples were severe pollution，TP had the lowest potential ecological risk. The average value of TOC/TN in the whole watershed was 10.21.The internal and external input of organic matter in the sediments of the whole Watershed basically reached a balanced state， but the northern branch was dominated by external sources， and the west branch was dominated by internal sources. At the same time， TOC and TN， TOC and TP were weakly correlated， while TN and TP were significantly correlated.Nitrogen and phosphorus were similar in sediment accumulation behavior， which was mainly affected by agricultural non-point sources and the discharge of domestic sewage and wastewater in surrounding cities and towns.

Key words Nutrients;Surface sediments;Ecological risk;Upstream of Minjiang River;Futunxi watershed

河流沉积物不仅能反映流域内环境的变迁[1]，同时也是水体碳、氮、磷等营养元素的重要储存库。各种来源的营养盐进入水体后，除部分被水生生物吸收利用和以各种形式存在于水中外，仍有大量营养盐经过化学、物理及生物化学作用逐渐沉降到水体底部[2]，成为营养盐最大的汇。另一方面当输入水体的营养盐负荷量减少或外界环境因素发生变化时，沉积物中的氮磷可经过矿化和早期成岩作用进入水体再循环[3]，延续水体富营养化，发挥着营养源的作用。氮、磷是水生生物生长的必需元素，但同时也是水体富营养化的限制元素[3-4]，有机质作为重要的胶体，是反映沉积物有机营养程度的重要标志[5]。因此，研究沉积物营养盐分布特征及污染情况对掌握水体生态系统状况有重要指导意义。

近年来，我国学者对水体沉积物进行了大量的研究，如戴纪翠等[6]分析了胶州湾沉积物中氮的地球化学特征和控制因素;朱广伟等[7]对长江中下游大型湖泊进行研究，发现该区域绝大多数湖泊处于富营养水平;孙文等[8]研究了北运河沙河水库沉积物氮、磷及有机质的分布特征，并指出点源污染是沙河水库污染物积累的重要来源;郑国侠等[9]研究发现南海深海盆沉积物向海水提供氮与磷等营养元素，一定程度上增加了该海域的初级生产力水平。因此，当外源污染物得到有效控制时，内源污染物的释放成为水体环境潜在生态污染风险。目前，沉积物营养元素分布特征的研究主要集中在水库、湖泊、海湾、河口等相对宽广的水域，对邻近山区上游小流域对比研究较少。河流上游作为源头，其输送的营养元素对下游的水质有重要的影响。闽江是福建省最大河流，随着经济的快速发展，各种污染源大量输入水体后，改变了水体营养盐的结构，对水体生态环境造成很大的影响[10]。富屯溪作为闽江上游三大溪之一，是当地水资源重要的调蓄区和“净化池”，但因受到流域周边环境变化的影响，水质由贫营养状态向中营养化发展[11]。而研究河流表层沉积物污染物污染状况，能够较有效地识别和管控河流水环境生态风险。因此，笔者展开对富屯溪流域表层沉积碳、氮、磷的分布特征及相关性进行研究，并评价其污染现状，探究沉积物中有机质的来源，以期为该流域水污染控制及富营养化治理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

富屯溪位于福建省北部，分布于武夷山脉南坡，为闽江上游三大溪之一。流域面积为12 080 km 约占闽江流域面积的22.5%，有西支和北支2条水源，贯穿光泽、宁化、建宁、泰宁、将乐、顺昌、邵武、南平8个县市，全长285 km。该流域地处亚热带，是典型的红壤、黄壤分布区，年均降雨量1 600～2 000 mm，年均径流量为137亿m 年均输沙量为103万t，河道平均坡降1.20‰。流域内土地利用以林地和农业用地为主，四周山体以花岗岩组成为主。

1.2 样品采集与测试

2018年8月用DXCN-3821加重型彼得森抓斗式采样器对富屯溪流域采集18个0～10 cm深度的表层沉积物样品，其中北支6个（1～6号样点）、西支10个（7～16号样点）、主干2个（17～18号样点），采样点分布见图1。每个采样点沿着样线随机取泥5次，并混匀作为此点样品，放入聚乙烯塑料袋中密封，运回实验室。将样品放在干净、阴凉通风的实验台上自然风干，风干样品粉碎研磨并过100目尼龙筛，筛下样保存备用。在采样调查的过程中，记录样点地形地貌条件、土地利用类型、人类活动强度等。

对沉积物样品的pH、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、速效氮（AN）、总磷（TP）和速效磷（AP）含量进行测试。其中pH采用电位计法（土∶水=1∶2.5），TOC采用重铬酸钾容量法-外加热法，TN采用过硫酸钾氧化法，AN采用扩散吸收法，TP采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法，AP采用饱和碳酸氢钠浸提法。每个沉积物样品均进行3组平行试验，所得结果的相对偏差小于5%，以保证试验结果的精度。

1.3 生态风险评价方法

目前，国内外对沉积物中营养盐的生态风险评价尚缺乏统一的评价方法和标准[12-13]，有机指数法和有机氮运用比较广泛，但它只考虑沉积物碳氮的污染，没有考虑磷的污染，因此为了更全面地反映富屯溪沉积物的污染状况，该研究采用有机指数法和有机氮评价富屯溪沉积物碳氮的生态风险，采用单因子污染指数法评价富屯溪沉积物磷的生态风险。

有机指数通常作为评价沉积物环境状况的指标，有机氮指数则是衡量沉积物受氮污染程度的重要指标，评价标准见表 计算方法如下：

有机指数=有机碳（%）×有机氮（%）（1）

有机氮指数=总氮（%）×0.95（2）

采用单因子污染指数法对磷污染因子的污染状况进行评价，评价标准见表 计算方法如下：

Pi=Ci/Cs（3）

式中，Pi为单因子污染指数，Ci为污染因子i的实测值;Cs为污染因子i的评价标准值。该研究参照加拿大安大略省环境和能源部制定的环境质量评价指南[13]，按照该指南，沉积物中能引起最低级别生态毒性效应的TP浓度为600 mg/kg。

1.4 数据处理与分析

研究区采样图采用ArcGIS 10.2绘制，用SPSS 26.0软件进行相关系数分析，采用Origin 2019b绘图。

2 结果与分析

2.1 富屯溪表层沉积物pH和营养元素空间分布特征

从图2可以看出，富屯溪表层沉积物pH为5.12～6.6 均值为5.86，呈弱酸性，空间分布较均匀。TOC浓度为1.43%～5.06%，平均值为2.19%，最高值出现在北支1号点位，最低值出现在西支15号点位，1号采样点位于光泽县城区，人口密度大，点源污染多，生活、工业污水的大量输入导致河流水质较差，初级生产力增大，经长期沉积导致沉积物中营养元素含量较高[4]。空间分布上，北支TOC平均值略高于西支，两支流均表现为上游高下游低的趋势。受人类生活、工农业发展、土地利用及植被分布等影响[14]，TOC含量较高的点位均出现在人类活动频繁的城村和林地附近的河段。沉积物有机质一般可分为藻类、草本类、木质类、木炭4种类型，通常最稳定的是木质类和木炭，其次是草本类，藻类因易氧化分解而不易保存[15]。富屯溪流域森林覆盖率高，林地分布广，植物的碎屑等草本类和木质类来源丰富，通过地表径流进入水体沉积下来，导致林地附近河段沉积物TOC的含量较高。