氮、磷元素是水生物生长的必要元素，也是水体富营养化的限制性元素.沉积物作为污染物的“汇”，可逐步积累并贮存通过污水排放、地表径流进入水体中的氮、磷元素，同时作为污染物的“源”，可随水体物理、化学、地质等环境因子的改变向上覆水中释放氮、磷元素，是评价河流水体健康与否的重要指标(李如忠等，2010；岳维忠等，2007；陈会霖，2013；杨丽原等，2007).

氮、磷元素在沉积物中的分布往往受到多重环境因子和人为因素的影响，是国内外学者的研究热点(Shrestha and Kazama， 2007; Prastka et al., 1998; Karl，1999).目前国内针对氮磷元素的研究主要集中在表层沉积物中的垂向分布，对中下层沉积物中氮磷分布特征研究很少，也较少涉及季节变化特征，此外，目前研究对象主要为海洋、湖泊，对各大河流沉积物中的氮磷元素分布特征鲜有涉猎，尤其在渭河流域，学者们更多关注沉积物重金属的分布特征(王天阳和王国祥，2008；丛敏，2013；杨小刚等，2014).

渭河是陕西关中地区人们生产、生活的主要水源，近年来随着渭河沿线工厂增多、人口增加，渭河水质受到严重破坏，水体中营养元素含量明显上升.沉积物反映了环境的“积分值”，能够记录一定时期内环境变化历史，氮、磷元素在沉积物中的时空分布特征对于研究渭河流域污染现状、预测污染趋势、评估水体环境质量有着重要意义.国外对于河流污染已经有了长期完善的观测资料，值得借鉴，国内针对渭河流域污染的研究开始较晚，尤其对于氮磷污染研究缺少历史数据，本次研究对于渭河的长期观测，基础数据的获得，污染状况的评估都有重要的意义.

渭河发源于甘肃鸟鼠山，流经宁夏，于陕西潼关汇入黄河，是黄河最大支流.渭河流域东西横跨104°00′E至110°20′E，南北延伸33°50′N至37°18′N，总长818 km，汇水面积1.35×10⁵ km²，海拔由西向东从3865 m递减至300 m(宋进喜和李怀恩，2004).

渭河流域位于半干旱地区，属于大陆性季风气候.冬季受蒙古高压影响寒冷、干燥、少雨，夏季受西太平洋亚热带高压影响炎热、多雨.流域降雨、温度、蒸发量、径流量的年际和年内变化显著.根据渭河流域1960—2009年间的统计数据，渭河流域年平均气温为3.7~13.9 ℃；年平均降雨量为530~600 mm，其中6月平均降雨量为60 mm，大于全年降雨量的1/10，12月平均降雨量仅约为10 mm，不足全年降雨量的1/50；潜在蒸发量为770~1100 mm；最大径流量一般出现在多雨的7—10月(王雁林等，2006).

渭河流域在陕西境内汇水面积6.67×10⁴ km²，占总面积的49.4%，渭河干流全长818 km，陕西境内河长502 km，占渭河总长度的61.4%(Zuo et al., 2014).渭河在陕西境内北邻黄土高原，南接秦岭山脉，渭河两大主要支流泾河和洛河分别覆盖渭河流域总面积的33.7%和20.0%.渭河陕西段土质类型主要为北部黄土高原的黄土，中部关中平原的褐色土壤和南部秦岭山脉的棕色土壤，主要土地利用类型为农业、牧场和森林，其中农业灌溉占到渭河流域总用水量的54.0%(Li et al., 2013).

为研究渭河陕西段沉积物中总氮、总磷的时间和空间分布特征，选取了渭河流域陕西境内的宝鸡眉县、咸阳、西安草滩镇(以下简称“草滩”)、西安临潼区(以下简称“临潼”)、渭南华县共5处作为研究点(图 1)，采样时间分别为2013年夏季(6月)和2013年冬季(12月)，夏季为6月为丰水月，12月为枯水月.在每个研究点，沿水流方向依次布置3～4根PVC竖管进行采样.咸阳采样点2013年夏季正在进行河道修整，考虑到非自然状况对实验结果的影响，故本次研究舍弃咸阳夏季数据，只研究咸阳站点的空间分布特征.各研究点详细的地理坐标以及基本水文参数如表 1所示.

图 1(Fig. 1)

图 1 研究点分布示意图(1. 眉县；2. 咸阳；3. 草滩；4. 临潼；5. 华县) Fig. 1 Illustration map of the study sites of the Weihe River

表1(Table 1)

表1 研究点基本情况 Table 1 Basic hydrological conditions of each study site

表1 研究点基本情况 Table 1 Basic hydrological conditions of each study site

野外实验中采集河床沉积物利用的是聚氯乙烯(即PVC)竖管，该管具有耐高压、密封性能好、轻便的特点，竖管管长1.6 m，内径5.4 cm，壁厚3 mm.采样时将3～4根竖管平行于河岸方向插入河床，保证每根竖管内的沉积物高度都不小于70 cm，静置一段时间后拔出竖管，将管内沉积物由上至下按照0～10 cm，10～20 cm，20～35 cm，35～50 cm，50～70 cm分层，置于密封袋内带回实验室冷藏放置，在24 h内测定沉积物中总氮、总磷含量.

为研究总氮、总磷分布的影响因素，需测定上覆水中的理化因子.野外现场实验采用STARFLOW6526流速水位温度测量仪和便携式pH/DO/电导率测量仪分别测量上覆水水温、pH值、电导率、溶解氧以及流速等指标，各采样点的地理坐标采用GPS定位仪测定.

参照国标半微量开氏法(GB 7173-87)进行沉积物中总氮测定，参照国标碱熔-钼锑抗分光光度法(HJ 632—2011)进行沉积物中总磷的测定.

总磷、总氮在沉积物中的垂向分布和季节变化特征利用Excel2007作图比较分析，根据沉积物中总磷、总氮含量与环境因子的相关性系数大小，可以判断影响沉积物中总磷、总氮时空变化的因素，相关性分析利用SPSS19.0完成.

渭河各研究点夏季沉积物中总磷含量在5.55~28.75 g · kg^-1之间，平均值为15.79 g · kg^-1，各点平均含量排序为：临潼>华县>草滩>眉县；总氮含量在1.98~10.55 g · kg^-1之间，平均值为5.50 g · kg^-1，各点平均含量排序为：眉县>草滩>华县>临潼.

冬季沉积物中总磷含量在2.35~11.76 g · kg^-1之间，平均值为5.91 g · kg^-1，各点平均含量排序为：临潼>眉县>草滩>华县>咸阳；总氮含量在0.29~8.71 g · kg^-1之间，平均值为2.46 g · kg^-1，各点平均含量排序为草滩>眉县>华县>咸阳>临潼.

由此可知，各研究点同季节沉积物总磷和总氮含量排序并不一致，同种污染物不同季节在沉积物中的含量排序也不尽相同.

按季节划分，将各研究点沉积物中的总磷、总氮含量绘制出如图 2所示的垂向分布图.从图 2显示的特征可以看出，冬季和夏季沉积物中总氮含量的变异性均小于总磷含量的变异性，大部分研究点总磷、总氮含量的垂向分布遵循在0~20 cm随深度增加而逐渐减小，20~50 cm随深度增加而逐渐增大，50~70 cm又逐渐减小的变化趋势，且表层含量最高.由于沉积物的积累性，不同层的沉积物形成于不同年代，因此各层沉积物中氮磷含量与形成沉积物时的排放量有关.

图 2(Fig. 2)

图 2 各研究点沉积物TP、TN垂向分布特征 Fig. 2 Vertical distribution of TP and TN of Weihe River sediments in each site

其中咸阳冬季沉积物中总磷、总氮含量呈现先增大后减小的相反变化趋势，这可能是由于地理位置的特殊性.咸阳采样点位于沣河与渭河的交汇处，沣河河水所携带的污染物容易在此处沉积，使得沉积物表面污染物含量增大，此外，由于两条河流的协同冲刷作用，河床沉积物的粒度分布、稳定性以及其他物理化学性质也受到影响，造成咸阳沉积物中总磷、总氮不同于其他点位的分布特征.而草滩冬、夏两个季节沉积物中总磷、总氮含量呈现出随深度增加而逐渐减小的变化特征，这与湖泊沉积物中总氮、总磷含量垂向分布极为相似(王雨春等，2002；高丽等，2004)，湖泊水体流动性低，水交换缓慢，沉积物性质较为稳定，草滩的污染物分布特征也是由于稳定的沉积物性质所致.草滩采样点位于生态景观园区外围，附近有学校、医院等建筑，河水流量、流速在人为控制下波动较小，受自然因素影响较其他点位小，河流生态环境较为稳定，沉积物中的污染物分布呈现与湖泊相似的分布特征.氮、磷等营养元素与重金属等污染物性质不同，与生物活性关联很大，极易受到温度、流速、水体酸碱性、生物扰动等环境因子的干扰，具有较强的变异性，这也是造成各点位之间分布特征有所差别的重要原因.

按照不同的采样点，比较沉积物中总氮、总磷的季节变化，结果分别如图 3和图 4所示.

图 3(Fig. 3)

图 3 各研究点沉积物TP季节变化特征 Fig. 3 Seasonal change of TP of river sediments in each site

图 4(Fig. 4)

图 4 各研究点沉积物TN季节变化特征 Fig. 4 Seasonal change of TN of Weihe River sediments in each site

从总体上来看，各个研究点沉积物中总磷、总氮的垂向分布曲线有所不同，但基本都呈现夏季含量高于冬季含量的趋势，其中草滩沉积物中总氮含量出现的冬季高于夏季的情况可能是由于偶然排污量增大所致.夏季和冬季河流水环境的改变是一个重要因素，夏季气温较高，水生动物活动加剧，导致沉积物中的营养元素总氮、总磷含量增加，冬季气温较低，含量减小；同时，水生植物在夏季大量繁殖，死亡后植物残体会积聚在沉积物表层，导致沉积物中总磷、总氮含量增加，而冬季水生动物死亡，残体矿化会导致河流溶解氧含量降低，沉积物的还原环境会导致反硝化作用的加剧，氮元素以气态向大气环境逸散，沉积物中总氮含量减小，且厌氧环境下，水体电位降低，难溶的金属结合态磷被还原成易于溶解的低价态磷，向上覆水中扩散，导致沉积物中总磷含量降低.此外，氮、磷元素的外源输入也是一个影响因素，夏季气温升高，人类活动也开始加剧，生产生活导致的人为污染排放较冬季增多，沉积物中累积的总磷、总氮含量自然增多.

除外源污染外，沉积物自身的粒径组成、上覆水的理化因子等，也会直接或间接作用于氮、磷元素在水体中的迁移转化，影响沉积物对氮、磷元素的吸收释放，与沉积物中总氮、总磷含量具有一定相关性(尹维翰等，2004).

本次研究将分好层的沉积物进行粒度分析，发现夏季和冬季各层沉积物均以粉砂(0.01~0.1 mm)、砂(0.1~1 mm)和砾(大于1 mm)为主，且两个季节各组分含量相差不大.本次研究测定的上覆水理化因子有温度、pH、电导率、溶解氧和流速等.上述环境因子与沉积物中总磷、总氮含量数据分别经检验符合正态分布，对它们进行相关性分析，结果如表 2所示.

表2(Table 2)

表2 不同季节沉积物中总磷、总氮含量与环境因子的Pearson相关系数 Table 2 Pearson correlation coefficient between TP，TN in river sediments and environmental factors in different seasons

表2 不同季节沉积物中总磷、总氮含量与环境因子的Pearson相关系数 Table 2 Pearson correlation coefficient between TP，TN in river sediments and environmental factors in different seasons 注：**在0.01水平(双侧)上显著相关，*在0.05水平(双侧)上显著相关. 粉砂 砂 砾 温度 pH 电导 DO 流速 夏季 TP 0.268 -0.209 -0.216 0.498 * 0.587* 0.526* 0.578* -0.337 TN 0.129 -0.033 -0.344 -0.324 -0.038 0.433 0.812** 0.462 冬季 TP 0.233 -0.338 -0.096 0.608* -0.533* 0.893** 0.681* -0.075 TN 0.723** -0.583* -0.544* -0.040 -0.417 0.381 0.935** -0.353

从相关系数来看，夏季沉积物的粒度组成对总磷、总氮含量影响较弱，冬季沉积物粒度组成对总磷含量一向也不大，而冬季总氮含量与砂、砾均呈现很好的负相关，相关系数分别为-0.583和-0.544，与粉砂呈现很好正相关，相关系数为0.723.说明在冬季，当沉积物中砂和砾的含量较高时，总氮含量就低，当粉砂含量较高时，总氮含量就高，即沉积物颗粒越小，总氮含量越高.总磷、总氮含量与粒径成反比的原因是在大颗粒的沉积物环境，颗粒间隙较大，沉积物环境不稳定，由水体进入沉积物中的各类含氮化合物容易被分解，从而不易于在沉积物中累积.此外，大颗粒沉积物具有较小的比表面积，进而减小了沉积物吸附容量.

在以往研究中，一些学者认为粒度组成与沉积物营养元素含量相关，而本次研究总体来看，沉积物的粒度组成对沉积物中总磷、总氮含量影响并不大.渭河陕西段流经关中平原，流域内土壤多为褐土，这种土壤一般呈微碱性，交换性盐基以钙、镁为主，钙会与营养元素形成稳定结合态累积于沉积物中，因此本次研究不同于以往研究结果可能是由于渭河沉积物的特殊化学组成对氮磷元素迁移的干扰作用大于粒度组成造成的.

在夏季和冬季，上覆水体温度与沉积物总氮含量均呈现负相关，而与沉积物总磷含量均呈现很好的正相关.在温度较高的草滩和临潼两个研究点，沉积物总磷含量稍高于其他研究点.这是由于温度的升高，会导致水生植物的大量繁殖和水生动物的新陈代谢，因此作为沉积物磷元素来源的水生动植物残体、排泄物也大量增加，因此沉积物中总磷含量随温度升高而增加.高温下微生物活动更加活跃，底质矿化过程和氧气消耗加快，硝化反应减弱，沉积物向上覆水中释放NH₄⁺，因此沉积物中总氮含量随温度升高而减小.在本次研究中，沉积物总氮和总磷含量并不随同一种环境因子的改变呈现相同的变化趋势，这可能是由于二者的来源不同，若主要来源为外源污染，受到水体环境的影响就会减小.

pH无论在夏季还是冬季与沉积物中总氮含量的相关性均比较弱，而与夏季沉积物中总磷含量呈正相关，与冬季沉积物中总磷含量成负相关，也就是说，无论上覆水pH值增大或减小，都会影响沉积物中总磷含量.有学者在研究不同条件下pH值对沉积物中不同形态磷的转化规律时发现，只要水体偏离了中性条件，无论在酸性还是碱性条件下，都会导致沉积物中的磷向上覆水中释放，从而降低沉积物中总磷含量(梁淑轩等，2010).这是由于无论pH增加或减小，都会导致Fe-P与Ca-P的比值增加，促进磷元素向上覆水中的释放.

电导率与盐度成正比关系，是通过影响沉积物颗粒的吸附点位来影响沉积物中营养元素的含量，由相关系数可以看出，在本次研究中，电导率对沉积物中总磷含量影响较大.沉积物中含有大量钙、铁结合态磷，盐度的增加会导致铁离子减少而钙离子增加，促使Ca-P增加而Fe-P减少，因此磷元素向上覆水中的溶解扩散减弱，在沉积物中的积累增强.

溶解氧在冬季和夏季与沉积物中总氮含量相关性分别为0.812和0.935，这是因为沉积物与上覆水中氮元素的交换主要是通过硝化和反硝化作用来实现的，而水环境中的溶解氧含量是控制这两种作用的关键.溶解氧浓度增加，硝化作用增强，沉积物中硝态氮增加，同时水生动物残体矿化作用增强，都使得沉积物中总氮含量增加(张小勇，2013)，溶解氧浓度减小，反硝化作用增强，沉积物中硝态氮向铵态氮转化，向上覆水中释放NH₄⁺，沉积物中总氮含量减小.另有研究表明，好氧条件下沉积物中高价态金属离子与磷结合，造成磷的吸附，而在厌氧条件下，高价态金属还原为低价态，导致磷向水体中释放，在本研究中，夏季与冬季DO与沉积物中总磷含量相关性分别为0.578和0.681(李辉等，2011).

根据分析结果，无论在夏季还是冬季，流速与沉积物中总磷、总氮含量相关系数均较小.在以往研究中，往往认为水动力扰动可以通过使表层沉积物不断悬浮再沉降来影响沉积物中污染物含量，但由于所研究河段河床宽阔，水流平缓，对沉积物的动力扰动作用较小，因此研究区域内流速对沉积物中总磷、总氮含量影响较小.

1)渭河各研究点夏季沉积物中总磷含量在5.55~28.75 g · kg^-1，总氮含量在1.98～10.55 g · kg^-1，冬季沉积物中总磷含量在2.35～11.76 g · kg^-1，总氮含量在0.29～8.71 g · kg^-1.各研究点同季节沉积物总磷和总氮含量排序并不一致，同种污染物不同季节在沉积物中的含量排序也不尽相同.

2)从垂向分布上来看，大部分研究点总磷、总氮含量的垂向分布遵循在0～20 cm随深度增加而逐渐减小，在20～50 cm随深度增加而逐渐增大，50～70 cm又逐渐减小的变化趋势，且表层含量最高.

3)从季节变化上来看，各研究点沉积物中总磷、总氮含量基本都呈现夏季含量高于冬季含量的趋势.

4)根据相关性分析结果，沉积物的粒度组成和上覆水流速都不是影响沉积物中总磷、总氮含量的关键因素，上覆水理化因子中，温度、pH与各个季节沉积物中总磷含量密切相关，电导率主要影响沉积物中总磷含量，而溶解氧是夏、冬两季总磷、总氮含量的主要影响因素.