长三角城郊樟溪流域水体氮磷分布特征及其影响因素

孙丽梅; 裘钱玲琳; 杨磊; 唐剑锋; 徐耀阳

doi:10.7524/AJE.1673-5897.20180502001

长三角城郊樟溪流域水体氮磷分布特征及其影响因素

1. 中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室, 厦门 361021;
2. 中国科学院宁波城市环境观测研究站, 宁波 315830;
3. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085

作者简介: 孙丽梅(1979-),女,讲师,研究方向为水环境监测与质量评价,E-mail:openthefuture@163.com

通讯作者: 唐剑锋, E-mail: jftang@iue.ac.cn ;

基金项目:
国家自然科学基金(41571130063)；中国科学院城市环境与健康重点实验室项目(KLUEH-C-201701)
中图分类号: X171.5

Distribution of Nitrogen and Phosphorus and Its Influencing Factors in Zhangxi Watershed of a Peri-urban Area in the Yangtze River Delta

1. Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China;
2. Ningbo Urban Environment Observation and Research Station, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315830, China;
3. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

Corresponding author: Tang Jianfeng, jftang@iue.ac.cn ;

Fund Project:

摘要: 快速城镇化和人类活动导致城郊流域水体营养盐污染和富营养化问题加重,识别氮、磷污染对流域水质的管控具有重要的意义。本研究选取长三角典型城郊地区宁波樟溪流域,在流域内根据土地利用类型、地形特征等布设样点,于2016年连续4个季度进行水样采集,研究樟溪流域河流水体氮、磷的含量及形态,及氮、磷在该流域的时空分布特征,并对其来源和影响因素进行分析。研究结果表明,流域内氮、磷分布具有较大的空间差异性,其中NH₄⁺-N (n.d.~1.375 mg·L^-1)、TN-N (0.570~11.363 mg·L^-1)、DIP (n.d.~0.169 mg·L^-1)、TP (0.010~1.908 mg·L^-1)。在子流域空间分布上,人类活动频度越高的区域氮、磷的浓度越高,各采样点水体不同形态氮含量和磷含量具有明显的季节变化规律:春季和秋季的含量要高于夏季和冬季。本研究选取采样点距城镇距离、距源头距离以及土地利用类型所占采样点缓冲区的比例来表征人类活动的影响,结果表明,TN和TP含量与距城镇距离呈显著负相关关系,表明城镇化水平对流域氮、磷污染的重要影响。另外,典型城郊流域河流水体氮、磷污染主要受土地利用类型的影响,其含量与农业和城镇用地呈显著正相关关系(P<0.01),其含量随人类活动频度的增加而升高。
- 氮磷 /
- 时空分布 /
- 土地利用 /
- 影响因素 /
- 流域
Abstract: Rapid urbanization combined with intensified human activities lead to serious eutrophication due to extra nitrogen and phosphorus loss in peri-urban areas. Thus, identifying nitrogen and phosphorus distribution is significant for controlling and managing water quality in those areas. In this study, the spatial and temporal distribution of nitrogen and phosphorus as well as the influencing factors were determined for Zhangxi watershed which located at a typical peri-urban area of Ningbo in the Yangtze River Delta. Water samples for nitrogen and phosphorus were collected in four consecutive quarters in 2016 based on land use and topographic features. The results showed that the concentration of nitrogen and phosphorus varied at large ranges, NH₄⁺-N (0.001-1.375 mg·L^-1), TN-N (0.570-11.363 mg·L^-1), DIP (0.008-0.169 mg·L^-1) and TP (0.010-1.908 mg·L^-1), across the watershed. Nitrogen and phosphorus also varied across different seasons. The concentrations are higher in spring and autumn than in summer and winter. Impact of human activities on water quality distribution were quantified with three indices, including distance to town, distance to source and land use. The results showed that the concentration of TN and TP was negatively correlated with the distance from town, indicating that urbanization level was important for nitrogen and phosphorus loss in the watershed. In addition, the concentration of nitrogen and phosphorus in peri-urban areas was positively correlated with agricultural and urban land-use (P <0.01). This indicated that the concentrations of nitrogen and phosphorus in watershed were also strongly influenced by human activities.
- nitrogen and phosphorus /
- spatial and temporal distribution /
- land-use /
- affecting factors /
- watershed

高速发展的工业化进程以及粗放的生产方式，使得大量的重金属进入土壤，导致我国土壤重金属污染形势不容乐观。近年来频发的土壤污染事故，尤其是农田土壤重金属污染事故，引起了人们对重金属污染的研究关注及对其污染危害的广泛研究。

农田土壤重金属污染不仅会影响农产品质量，造成经济损失，还会通过食物链影响人类和其他动物的生命健康，因此，研究农田中土壤重金属污染，探究重金属在农田土壤中的空间分布，评价其可能的潜在风险，对土壤重金属污染的防治以及保护人类生命健康都具有十分重要的意义。

本研究以某村庄无主金矿矿区以北农田土壤为研究对象，对重金属在土壤环境中的空间分布进行研究分析并评价其污染状况，研究结果将为该区域土壤污染治理和防控提供基础理论依据。

1. 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省岷县某金矿区附近（104.231715°～104.244558°E，34.511970°～34.515167°N），该区域地处西秦岭中低山区，地形平缓开阔，属于典型的构造侵蚀中低山地貌；当地气候处于温带半湿润向高寒湿润气候过渡带，高寒阴湿，常年主导风向西北风，平均风速1.3～1.5 m/s，最大风速24 m/s。研究区的土壤类型主要为黑土，土体疏松，结构良好。

1.2 数据来源

本次研究参考了《岷县曙光金矿无主矿区土壤污染治理项目场地环境调查报告》^[1]中23个具有代表性的农田土壤点位数据（2018年4月）进行评价点位分布，见图1。

图 1 研究区点位分布

Figure 1. Distribution map of study area

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1.3 评价方法

本研究使用单因子指数、内梅罗综合污染指数、地质累积指数及潜在生态危害指数的分析方法对土壤中重金属的含量进行评价。各方法的评价标准，见表1。

表 1 选取评价方法的评价标准

Table 1. Evaluation criteria for selecting evaluation methods

地质累计指数法			单因子指数法		内梅罗综合指数法		潜在生态风险指数法
${\text{I}}_{\text{geo}}$	级数	污染程度	P_i	污染程度	P_N	污染程度	${E}_{r}^{i}$	RI	生态风险等级
${\text{I}}_{\text{geo}}$ ≤0	0	无	P_i＜1	无污染	P_N＜0.7	清洁	${E}_{r}^{i}$ ＜40	RI＜150	轻微危害
0＜ ${\text{I}}_{\text{geo}}$ ≤1	1	无-中度	1＜P_i≤2	轻微污染	0.7＜P_N≤1	尚清洁	40≤ ${E}_{r}^{i}$ ＜80	150≤RI＜300	中等危害
1＜ ${\text{I}}_{\text{geo}}$ ≤2	2	中度	2＜P_i≤3	轻度污染	1＜P_N≤2	轻度污染	80≤ ${E}_{r}^{i}$ ＜160	300≤RI＜600	强危害
2＜ ${\text{I}}_{\text{geo}}$ ≤3	3	中-强度	3＜P_i≤5	中度污染	2＜P_N≤3	中度污染	160≤ ${E}_{r}^{i}$ ＜320	RI＞600	很强危害
3＜ ${\text{I}}_{\text{geo}}$ ≤4	4	强度	P_i＞5	重度污染	P_N＞3	重度污染	${E}_{r}^{i}$ ≥320	−	极强危害
4＜ ${\text{I}}_{\text{geo}}$ ≤5	5	强-极强	−	−	−	−	−	−	−
${\text{I}}_{\text{geo}}$ ＞5	6	极强	−	−	−	−	−	−	−
注：“-”，表示无。

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1.4 变异系数

变异系数是统计学中反应数据离散程度的指标，见式（1）：

${\mathrm{C}}_{v}=\frac{\sigma }{\mu }$

$(1)$

式中： $\sigma$ 为重金属i的标准偏差； $\mu$ 为重金属i的平均值。

1.5 数据处理

使用Excel2016对土壤重金属含量、污染指数和生态风险指数进行统计；使用SPSS26.0对数据相关性进行分析；使用ArcGIS10.2绘制土壤点位分布图、重金属的空间分布图。

2. 结果分析

2.1 土壤中重金属空间分布特征

通过对研究区土壤中的As、Cd、Cu、Pb、Cr和Ni 6种金属元素进行克里金插值分析，对Zn、Hg 2种金属元素进行反距离插值分析，得到研究区内各重金属含量的空间分布情况，见图2。

图 2 研究区农田土壤中Pb、Ni、Cu、Cr、Cd、As、Zn和Hg的含量分布

Figure 2. The content distribution map of lead, nickel, copper, chromium, cadmium, arsenic, zinc and mercury in the farmland soil of the study area

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图2可知，8种重金属分布极为相似，均呈现自西向东递减趋势。

2.2 土壤pH及重金属含量分析

土壤pH及重金属含量统计，见表2。

表 2 研究区土壤pH及重金属含量统计

Table 2. Statistics of soil pH and heavy metal content in the study area

元素	最大值/mg·kg⁻¹	最小值/mg·kg⁻¹	中位数/mg·kg⁻¹	平均值/mg·kg⁻¹	标准偏差	变异系数	偏度系数	峰度系数	背景值/mg·kg⁻¹
pH	7.74	7.03	7.18	7.28	0.20	0.03	0.67	−0.54	−
Hg	0.52	0.16	0.21	0.23	0.07	0.30	3.26	13.22	0.02
As	22.40	12.20	15.20	15.79	2.46	0.16	0.82	0.76	12.60
Cd	0.29	0.11	0.19	0.19	0.05	0.25	0.22	−0.80	0.12
Cu	40.80	19.80	27.90	29.02	5.27	0.18	0.64	0.27	24.10
Pb	13.90	7.16	10.60	10.64	1.39	0.13	−0.14	1.70	18.80
Cr	219.00	84.90	154.00	155.10	34.70	0.22	−0.15	−0.61	62.23
Zn	157.00	68.80	96.40	99.50	17.63	0.18	1.33	3.70	69.30
Ni	61.60	28.60	41.30	43.57	7.85	0.18	0.71	0.40	35.20

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表2可知，研究区土壤pH处于7.03～7.74范围内，整体呈弱碱性。土壤中Hg、As、Cd、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni含量分别为0.16～0.52 、12.20～22.40 、0.11～0.29、19.80～40.80、7.16～13.90、84.90～219.00、68.80～157.00和28.60～61.60 mg/kg。与国家标准相比，研究区土壤中8种重金属平均含量均不存在超标现象。与甘肃省背景值相比，研究区土壤中Hg、As、Cd、Cu、Cr、Zn和Ni 7种重金属平均含量超出该区域土壤环境的背景值，说明存在累积现象。

变异系数可反映人类活动对区域内重金属含量的影响程度。通过计算可知，Hg、Cd和Cr在研究区变异系数分别为0.30、0.25和0.22，处于0.2～0.5之间，变异性适度。As、Cu、Pb、Zn和Ni变异系数均低于0.2，变异性相对较弱^[2-4]。由于变异系数数值越大，空间变异性越大，受人为干扰程度越大。因此，研究区Hg变异系数相对较高，偏度和峰度值也相对较高，可推测其受当地人为活动影响较大。

2.3 土壤中重金属污染评价

单因子污染指数能反映单项重金属在土壤中的污染程度；内梅罗指数则能反映土壤中多种重金属的综合污染程度。本研究分别以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）：GB 15618—2018》表1中的限值和甘肃省土壤中金属元素背景值为评价标准，使用上述2种方法对重金属的污染程度进行综合评价，统计，见表3。

表 3 研究区土壤各重金属的单因子指数与内梅罗综合指数统计（以背景值为依据）

Table 3. Statistics of the single factor index and Nemerow comprehensive index of each heavy metal in the soil of the study area (based on background value)

元素	单因子指数			内梅罗综合指数
元素	最大值	最小值	平均值	P_N	土壤环境质量等级
Hg	25.75	7.90	11.43	19.92	重度污染
As	1.78	0.97	1.25	1.54	轻度污染
Cd	2.42	0.95	1.60	2.05	中度污染
Cu	1.69	0.82	1.20	1.47	轻度污染
Pb	0.74	0.38	0.57	0.66	清洁
Cr	3.52	1.36	2.49	3.05	重度污染
Zn	2.27	0.99	1.44	1.90	轻度污染
Ni	1.75	0.81	1.24	1.52	轻度污染

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当以背景值为评价标准时，研究区土壤中Hg、As、Cd、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni的单因子污染指数范围分别为7.90～25.75、0.97～1.87、0.95～2.42、0.82～1.69、0.38～0.74、1.36～3.52、0.99～2.27和0.81～1.75之间，见表3。数据显示100%、91%、96%、87%、100%、96%和96%样点的Hg、As、Cd、Cu、Cr、Zn和Ni含量超过甘肃省土壤背景值。

当以GB 15618—2018限值为评价标准时，研究区Hg、As、Cd、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni的单因子污染指数范围分别为0.046～0.215、0.407～0.747、0.228～0.967、0.198～0.408、0.047～0.116、0.425～1.095、0.275～0.628和0.151～0.616之间，见表4。除Cr轻微超标外，研究区内其余7种重金属元素含量均不超标。内梅罗综合指数显示研究区土壤处于清洁状态。

表 4 研究区土壤各重金属单因子指数与内梅罗综合指数统计（以标准值为依据）

Table 4. Statistics of heavy metal single factor index and Nemerow comprehensive index of soil in the study area (based on standard value)

元素	单因子指数			内梅罗综合指数
元素	最大值	最小值	平均值	P_N	土壤环境质量等级
Hg	0.21	0.05	0.09	0.16	清洁
As	0.75	0.41	0.54	0.65	清洁
Cd	0.97	0.23	0.60	0.81	清洁
Cu	0.41	0.20	0.29	0.35	清洁
Pb	0.12	0.05	0.09	0.10	清洁
Cr	1.10	0.42	0.76	0.94	清洁
Zn	0.63	0.28	0.39	0.52	清洁
Ni	0.62	0.15	0.41	0.52	清洁

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研究区土壤中重金属的地质累积指数统计，见表5。

表 5 研究区土壤中8种重金属地质累计指数统计

Table 5. Statistics of geological cumulative index of eight heavy metals in the soil of the study area

元素	地质累计指数法
元素	范围	平均值	标准差	污染等级
Hg	2.40～4.10	2.88	0.34	无—中度
As	−0.63～025	−0.28	0.22	无
Cd	−0.66～0.69	0.05	0.38	无—中度
Cu	−0.87～-0.17	−0.34	0.26	无
Pb	−1.98～-1.02	−1.42	0.20	无
Cr	−0.14～1.23	0.69	0.35	无—中度
Zn	−0.60～0.59	−0.08	0.24	无
Ni	−0.88～0.22	−0.30	0.25	无

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表5可知，8种重金属的地质累积指数平均值由大到小依次为Hg>Cr>Cd>Zn>As>Ni>Cu>Pb。结果显示，除Hg、Cr和Cd以外，其余5种重金属均无污染程度。8种重金属地质累积指数的极大值均﹥0，表明研究区内存在重金属累积现象，其中Hg累积最严重，其次是Cr和Cd。

研究区域8种重金属潜在生态风险系数，见表6。

表 6 研究区土壤中8种重金属的潜在生态风险系数统计

Table 6. Potential ecological risk coefficient statistics of eight heavy metals in the soil of the study area

项目		范围	平均值	风险等级
单项潜在生态风险	Hg	316～1 030	457.04	极强危害
	As	9.68～17.78	12.53	轻微危害
	Cd	28.50～72.50	48.01	中等危害
	Cu	4.11～8.46	6.02	轻微危害
	Pb	1.90～3.70	2.83	轻微危害
	Cr	2.73～7.04	4.98	轻微危害
	Zn	0.99～2.27	1.44	轻微危害
	Ni	4.06～8.75	6.19	轻微危害
综合潜在生态风险		408～1 144	539.00	轻微危害

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表6可知，8种重金属单项潜在生态风险指数均值大小顺序为Hg>Cd>As>Ni>Cu>Cr>Pb>Zn。其中，As、Ni、Cu、Cr、Pb和Zn潜在生态风险系数均值均﹤40，处于轻微危害水平；Hg潜在生态风险系数均值为457.04，明显高于其他重金属，处于极强危害水平；Cd潜在生态风险系数均值为48.01，处于中等危害水平。研究区多元素综合污染指数均值为539，整体潜在生态风险等级较高，主要贡献因子为Hg。

2.4 土壤中重金属相关性分析

土壤重金属的来源主要包括自然源和人为源。通过重金属之间的相关性分析能够判断几种重金属的来源是否一致，若重金属间相关性较强，表现为显著正相关时，说明这些重金属的来源具有同一性。否则，可能有多个来源^[5]。对研究区农田土壤重金属进行Spearman相关性分析，见表7。

表 7 土壤重金属相关系数（Spearman）

Table 7. Correlation coefficient of soil heavy metals (Spearman)

元素	Hg	As	Cd	Cu	Pb	Cr	Zn	Ni
Hg	1
As	0.346	1
Cd	−0.159	0.322	1
Cu	0.110	0.136	0.644^**	1
Pb	−0.146	−0.044	−0.179	−0.049	1
Cr	0.100	0.218	0.093	0.033	0.182	1
Zn	−0.164	0.415^*	0.495^*	0.493^*	0.131	0.230	1
Ni	0.009	0.209	0.363	0.637^**	−0.060	0.519^*	0.504^*	1
注：在 0.05 级别（双尾），相关性显著；*在0.01级别（双尾），相关性显著。

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表7可知，重金属Cu-Cd、Ni-Cu之间的相关系数分别为0.644、0.637，达到极显著正相关关系（P＜0.01)，Zn-As、Zn-Cd、Zn-Cu、Ni-Cr和Ni-Zn之间的相关系数分别为0.415、0.495、0.493、0.519和0.504，达到显著正相关关系（P＜0.05），表明其来源具有同源性。

3. 讨论

数据显示研究区内100%、91%、96%、87%、100%、96%和96%样点的Hg、As、Cd、Cu、Cr、Zn和Ni超过甘肃省土壤背景值，研究区土壤中重金属累积现象严重，其中以Hg的累积现象最为严重。这一结论与孙建伟等^[6]、张江华等^[7]和林荩等^[8]对豫西金矿区、小秦岭金矿区和潼关金矿区的研究结果相似，进一步说明矿区周边农田土壤重金属污染主要是由开采活动造成的。

此外，牛真茹等^[9]通过对某金属冶炼场浅层土壤重金属空间变异规律和分布特征的研究发现重金属渗滤液沿地形优势通道迁移，在局部地段累积，导致土壤中重金属污染严重。结合本次研究区和矿区的位置关系，推测造成研究区内土壤重金属累积现象的原因可能为长时间的雨水冲刷，使矿山上的重金属迁移至研究区内造成。重金属含量统计中Hg的变异系数较高，峰度值、偏度值也较高，表明Hg含量受人为干扰较大，结合矿区开采背景，推测研究区土壤中Hg累积现象严重主要与矿区的混乱开采有关。

由于研究区土地用途为农田，且该区域重金属累积现象较严重，长远来看，应采取相应的措施减缓矿区对研究区的影响。目前，该矿区已关停，矿区对研究区土壤的影响主要通过重金属的自然迁移实现，因此，后续管理过程中针对研究区的保护措施应当以切断重金属的迁移途径为主。建议在矿区周边采用防渗阻隔技术，阻断重金属向矿区周边区域及深层土壤迁移的途径。同时，对阻隔产生的积水进行定期收集和处理，避免含重金属的水体造成进一步的污染。再者，建议针对矿区周边农田建立连续监测机制，动态监测周边土壤中的重金属含量以判断土地用途的合理性。

4. 结论

（1）研究区农田土壤中存在重金属累积现象。

（2）研究区农田土壤中Hg的累积受人为干扰程度最大，累积现象最严重，生态风险贡献值最高。

（3）研究区农田土壤中As、Cd、Cu、Zn、Cr和Ni同源性较高，主要来源为自然源。Hg的来源为复合源（人为源+自然源），其中人为源为主要来源。

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1. 材料与方法
1.1 研究区概况
1.2 数据来源
1.3 评价方法
1.4 变异系数
1.5 数据处理
2. 结果分析
2.1 土壤中重金属空间分布特征
2.2 土壤pH及重金属含量分析
2.3 土壤中重金属污染评价
2.4 土壤中重金属相关性分析
3. 讨论
4. 结论

长三角城郊樟溪流域水体氮磷分布特征及其影响因素

作者简介: 孙丽梅(1979-),女,讲师,研究方向为水环境监测与质量评价,E-mail:openthefuture@163.com

通讯作者: 唐剑锋, E-mail: jftang@iue.ac.cn ;