在我国南方水系发达、人口密度大的地区，河道底泥的产生量远大于处置量，给生态环境带来较大压力与挑战。河道疏浚出来的底泥在早期多采用堆置填埋方式处理，然而在城镇人口稠密、土地面积有限的地区，堆置填埋最终将面临无处可堆、无处可埋的困境，且可能带来二次污染^[1]。资源化利用是当前解决疏浚产生底泥的重要途径，主要包括作为农用地土壤^[2]、农用污泥堆肥^[3]、园林绿化土壤^[4]等土地利用，及制砖^[5]、制陶粒^[6]等筑基或建材利用^[7]。

河道湖泊底泥的pH、粒级组成及氮磷钾等养分的含量与土壤较为相似或接近^[8]，因此作为农用地土壤、园林绿化土壤等土地利用是底泥快速、大量消纳的有效手段之一^[9]。在资源化利用之前，通常需要对底泥进行环境生态风险评估。评估方法根据污染物类型一般分为有机物污染评估与重金属污染评估。底泥的重金属污染环境风险主要采用污染指数法进行评估。目前较为普遍的方法有内梅罗综合污染指数(Nemerow index，NPI)法^[10]、污染负荷指数(Pollution load index，PLI)法^[11]、地累积指数(Geo-accumulation Index，I_geo)法^[12]和潜在生态风险指数(Potential ecological risk index, RI) 法^[13]等。其中，内梅罗综合污染指数法与污染负荷指数法关注多元素协同作用，通过综合多因子污染水平对环境风险进行评估；地累积指数法与潜在生态风险指数法侧重单一污染物风险，可定量关键单因子污染物的污染水平。

在我国长江经济带多区域曾存在不同程度的环境污染问题，导致居民健康存在潜在风险。“十四五”规划实施以来，江苏省深入打好蓝天、碧水、净土保卫战，全面加强自然生态环境的治理与保护。作为长三角经济高地的苏南地区，产业结构密集，河道沿线人口高负荷分布，近年来持续开展河道清淤疏浚、截污纳管和土壤修复工程，环境质量得到持续改善^[14]，但同时也产生了河道底泥处置问题。苏南地区某典型城镇水系发达，河网密布，主要依托吴淞江及其支流构成完整的水系网络，总水域面积约占镇域面积的12%，年河道清淤量达数十万立方米^[15]。其河道底泥养分含量较高^[16]，重金属沉积较为普遍^[17]，大多数区域有机物含量较低^[18]。因此，本文以该地区河道底泥为研究对象，采用多点调查取样的方法，分析样点养分、重金属等的含量，对照国家标准，并采用多种污染指数法，对样点底泥的资源化潜力和环境风险进行评估，本着“变废为宝”原则，根据评估结果对不同情况底泥的利用提出合适的建议，为底泥的合理处置和“无废城市”建设提供参考。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

苏南地区地处长三角核心腹地，被誉为“江南鱼米之乡”，是千年农耕文明的传统沃土，同时该地区也是区域产业升级的新兴工商业枢纽。研究区地处江苏与上海交界之处，属亚热带季风海洋性气候，降水量为1 407 mm，平均气温为18 ℃，总面积约50.7 km²，人口密集，土地面积有限，河网密布，是长三角一体化发展的核心区域之一。

1.2 样品采集

选取研究区代表性河道采集底泥样品，采样时间为2022年9月21—24日。采样点的布设依据河流的地理分布、流经区域(如生活区、工业区、农业区等)及清淤情况(近两年清淤过或未清淤过)等，最终，选择代表性河道15~30条，每条河道设样点2~3个，共50个样点(图 1)。使用抓斗式采样器采集0~30 cm表层底泥，去除杂质后，放入聚乙烯袋密封带回实验室备用。

1.3 测定指标与方法

参考《土壤农业化学分析方法》^[19]，对底泥样品的pH、主要养分及重金属含量等进行分析。其中，pH采用电位法测定，水土质量比为2.5∶1；有机质采用重铬酸钾氧化–容量法测定；铵态氮和硝态氮采用2 mol/L KCl溶液浸提、流动分析仪(SMART- CHEM 200，Westco)测定，铵态氮与硝态氮之和为速效氮；有效磷通过碳酸氢钠浸提、酶标仪(Epoch，BioTek)测定；速效钾通过乙酸铵浸提、火焰光度计(M410，Sherwood)测定；全Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As通过氢氟酸–硝酸–高氯酸–盐酸消解，采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-AES，Avio200，PerkinElmer)测定；全Hg通过硝酸–盐酸消解、硼氢化钾还原，采用原子荧光光谱仪(AFS，AFS-8520，北京科创海光仪器有限公司)测定。

1.4 土壤重金属环境风险评价方法 1.4.1 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数(NPI) 法是建立在单因子污染指数评价方法上的一种综合评价方法，突出了高浓度重金属污染物对环境的影响，能全面反映底泥中各污染物的平均污染水平。该指数对应污染等级与环境意义如表 1所示^[10]，其计算公式为：

$ {\text{P}}{{\text{I}}_i} = \frac{{{C_i}}}{{{S_i}}} $

(1)

$ {\text{NPI}} = \sqrt {\frac{{I_{{\text{max}}}^2 + {{\bar I}^2}}}{2}} $

(2)

式中：PI_i为第 i种污染物的单因子污染指数；C_i为测得的污染物浓度；S_i为第i种污染物的环境标准值，本文采用GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》^[2]中对应元素的农用地土壤污染风险筛选值；I_max为i种污染物单项污染指数中的最大值；$\bar I$为i种污染物单项污染指数的平均值。

1.4.2 污染负荷指数法

污染负荷指数(PLI)法通过计算多种污染物浓度与环境背景值的比值定量评价区域污染程度，是用于量化环境中多种污染物累积程度的综合指标。该指数对应污染等级与环境意义如表 2所示^[11]，计算公式为：

$ {\text{PLI}} = \sqrt[n]{{\mathop \prod \limits_{i = 1}^n {\text{C}}{{\text{F}}_i}}} $

(3)

式中：CF_i为污染系数，是污染物i的实测浓度与污染物的背景值的比值；n为污染物种类数。本文根据中国南方地区水系沉积物中元素丰度，以文中水系沉积物各元素含量的平均值作为背景值^[20]。

1.4.3 地累积指数法

地累积指数(I_geo)法早期被用于水体重金属污染评价，倾向于各重金属元素间的比较，可较为充分地体现人类活动对单个重金属污染的影响。该指数对应污染程度如表 3所示^[12]，其计算公式为：

$ {I_{{\text{geo}}}} = {\text{lo}}{{\text{g}}_2}\left( {{C_i}/\left( {1.5 \times {B_n}} \right)} \right) $

(4)

式中：C_i为重金属 i的测试浓度(mg/kg)；B_n为该重金属在土壤中的化学背景值(mg/kg)，因各地母岩差异可能会引起背景值的不同，本文选取校正系数1.5进行修正。

1.4.4 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是从沉积学角度对重金属污染进行评价。该方法通过计算单一污染物对生态系统的潜在生态风险系数(E_r)及多项污染物的综合潜在生态风险指数(RI)，从而对环境潜在生态风险进行评估。该方法将底泥重金属含量、种类、毒性水平与水体对重金属污染物的敏感性结合起来，采用等价属性指数分级法进行评价分析，表征底泥土地利用后的环境风险。相应指数对应污染物生态风险程度如表 4所示^[13]，计算公式为：

$ C_{\text{f}}^i = \frac{{C_{\text{s}}^i}}{{C_{\text{n}}^i}} $

(5)

$ E_{\text{r}}^i = T_{\text{r}}^i \times C_{\text{f}}^i $

(6)

$ {\text{RI}} = \sum E_{\text{r}}^i = \sum T_{\text{r}}^i \times C_{\text{f}}^i $

(7)

式中：$ C_{\text{f}}^i $为重金属单项污染系数；$ C_{\text{s}}^i $为土壤重金属 i的实测值；$ C_{\text{n}}^i $为重金属 i的背景值，本文中背景值参考中国南方地区水系沉积物各元素含量的平均值^[20]；$ E_{\text{r}}^i $为重金属 i的单项潜在生态风险系数；$ T_{\text{r}}^i $为重金属 i的毒性系数，本文中Hg、Cd、As、Pb、Ni、Cu、Cr、Zn的毒性系数分别为40、30、10、5、5、5、2和1^[13]。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2019与SPSS 27进行相关数据处理与描述性统计，应用ArcGIS Pro绘制底泥采样点分布图，使用OriginPro 2024软件绘制数据关系图。

2 结果与分析 2.1 底泥养分含量特征

由表 5可知，研究区河道底泥50个样本的pH在7.28~7.85，整体偏碱性；速效氮含量为12.1~ 165.6 mg/kg，平均值为73.6 mg/kg；有效磷含量范围为7.7~495.0 mg/kg，平均值为201.5 mg/kg；速效钾含量范围为96.2~402.1 mg/kg，平均值为214.3 mg/kg；有机质含量为24.2~73.2 g/kg，平均值为38.5 g/kg。样点肥力指标分布直方图(图 2)显示，速效氮含量低于40 mg/kg的样点占比18%，超过160 mg/kg的样点占比为2%，80% 的样点含量为40~140 mg/kg。有效磷含量低于50 mg/kg的样点仅有2个，72% 的样点含量在100~300 mg/kg。速效钾含量低于100 mg/kg的样点仅有1个，92% 的样点含量在100~300 mg/kg。所有样点有机质含量均大于20 g/kg，其中96% 的样点含量在20~60 g/kg。

对照第二次全国土壤普查养分分级标准^[21]可知，研究区底泥样品中，98% 的样点有效磷含量 > 40 mg/kg，达Ⅰ级(极丰富)水平；62% 的样点速效钾含量 > 200 mg/kg，达Ⅰ级(极丰富)水平；86% 的样点有机质含量 > 30 g/kg，达Ⅱ级(丰富)水平。

2.2 底泥重金属环境风险

研究区河道底泥重金属含量结果如表 6所示。各重金属的变异系数为0.20~5.00，变异范围较大。全As含量范围为0.00~32.07 mg/kg，平均值为8.64 mg/kg；全Zn含量范围为0.00~238.10 mg/kg，平均值为60.69 mg/kg；全Pb含量范围为0.00~ 16.34 mg/kg，平均值为1.86 mg/kg；全Cd含量范围为0.00~ 0.34 mg/kg，平均值为0.01 mg/kg；全Ni含量范围为14.00~81.50 mg/kg，平均值为30.59 mg/kg；全Hg含量范围为0.04~0.28 mg/kg，平均值为0.11 mg/kg；全Cr含量范围为65.71~179.50 mg/kg，平均值为91.01 mg/kg；全Cu含量范围为0.00~112.81 mg/kg，平均值为33.24 mg/kg。

2.2.1 内梅罗综合污染指数

研究区河道底泥中8种重金属的单因子污染评价结果如图 3所示。可见，各重金属单因子污染指数平均值大小为：Cr(0.46) > Cu(0.33) > Ni(0.31) > As(0.29) > Zn(0.24) > Hg(0.05) > Cd (0.02)=Pb(0.02)。根据表 1标准，其中，Pb、Ni、Hg和Cr均为无污染水平，As、Cd和Cu均有1个样点处于轻度污染水平，无样点处于中度及以上污染水平。研究区各样点内梅罗综合污染指数(NPI)在0.24~0.92，平均值为0.43，处于清洁状态、轻微污染的样点占比分别为90% 和10%。总体上，单因子污染指数显示，研究区少数样点存在As、Cd和Cu轻度污染；综合污染指数显示，研究区重金属综合污染程度主要处于无污染水平，仅有5个样点处于轻微污染水平。

2.2.2 污染负荷指数

研究区河道底泥中8种重金属的污染负荷指数(PLI)评价结果如图 4所示。可见，各样点PLI在0.24~1.99，平均值为0.98。研究区60% 的样点PLI < 1，处于无污染水平，40% 的样点PLI在1~2，处于轻度污染水平。总体上，研究区河道底泥存在轻度污染，但无样点处于中度及以上污染等级。

2.2.3 地累积指数

研究区河道底泥中8种重金属的地累积指数(I_geo)评价结果如图 5所示。可见，各重金属I_geo平均值大小为：Cd (0.00) > Cr (–0.17) > Hg (–0.25) > Pb (–0.39) > Cu (–0.46) > Ni (–0.60) > As (–1.06) > Zn (–1.68)。其中，各样点底泥Pb和Cd均处于无污染水平，但Cd存在局部样点累积现象；绝大部分样点As、Zn、Ni和Cr均处于无污染水平，无污染样点占比分别为92%、82%、88% 和82%；仅有2个样点的Hg和3个样点的Cu处于轻微至中度污染水平。总体上，本次采样点基本处于无污染或轻度污染水平；但对于单个重金属，个别样点中的Hg或Cu存在一定的轻度或中度污染。

2.2.4 潜在生态风险指数

研究区河道底泥中8种重金属的潜在生态风险指数评价结果如图 6所示。可见，各重金属单项潜在生态风险指数($ E_{\text{r}}^i $)平均值大小为：Hg (31.33) > As (5.76) > Cu (5.36) > Ni (3.82) > Cr (2.19) > Cd (1.46) > Zn (0.77) > Pb (0.40)。研究区河道底泥整体污染程度偏低，仅单个样点Cd和少数样点Hg表现为中等潜在生态风险，其余样点的Cd、Hg以及全部样点的As、Zn、Pb、Ni、Cr、Cu均处于低潜在生态风险水平，无样点达到强潜在生态风险程度。因此，Cd和Hg可能是研究区河道底泥最主要的潜在生态风险因子。此外，研究区河道底泥的综合潜在生态风险指数(RI)在14.61~123.47，平均值为51.10，表明所有样点均处于轻度生态风险水平，无样点存在中度及以上生态风险。

2.3 底泥肥力与重金属的相关性

皮尔逊相关分析(表 7)显示，研究区河道底泥全Zn与速效氮、有效磷呈极显著正相关(r=0.676，P < 0.01；r=0.607，P < 0.01)，与有机质呈显著正相关(r=0.344，P < 0.05)，这表明有机质可能是速效氮、有效磷和Zn的重要载体。全Zn、全Cu和全Ni两两之间存在极显著(P < 0.01)的相关性，r > 0.5，其中全Zn与全Cu的r为0.786，全Ni与全Cu的r为0.695，说明这3种元素可能具有相同或一致的来源。全Pb与全Cd、全Ni与全Cr、全Pb与全Cr和全Cr与全Cu之间的r均超过0.5，具有极显著的相关性(P < 0.01)。

3 讨论 3.1 底泥重金属环境风险评价

研究区地处长三角地区，自21世纪初该区域通过产业结构升级，淘汰高能耗高污染传统工业，发展绿色产业，协同推进土壤污染治理，土壤重金属含量呈现持续下降趋势，实现了环境质量改善与居民健康风险防控^[22]。本研究采用多种方法评估显示，研究区重金属生态风险整体处于较低水平，但局部样点存在重金属累积。

根据GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》^[2]，研究区50个样点河道底泥中重金属含量均低于标准中碱性土壤污染风险管控值，其中仅各有1个样点的As、Cd和Cu含量略高于风险筛选值。而根据GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》^[3]，98% 的样点均达到农用污泥A级标准，全部样点均达到农用污泥B级标准，这表明研究区河道底泥可用于耕地、园地、牧草地。同样，内梅罗综合指数(NPI)与污染负荷指数(PLI)评价结果也表明，研究区河道底泥整体上处于无污染至轻度污染水平，且单因子污染指数进一步揭示了导致底泥污染的主要重金属及其空间异质性。地累积指数(I_geo)评价结果表明，有个别样点存在Cd、Hg和Cu轻度污染。前人研究也发现，长江中下游城市群土壤中有一定的Cu累积^[17]。上海市典型圩区底泥监测结果显示，Cu易通过点源输入进入河道，因其迁移性较弱而易滞留于沉积物中，导致局部点位Cu含量异常升高^[23]。潜在生态风险指数评价结果显示，研究区底泥重金属整体污染程度偏低，其中个别样点Hg和Cd生态风险水平相对偏高，这可能主要与其毒性系数(T_r^Cd=30，T_r^Hg=40)远高于其他元素(T_r=1~10)有关。邓晓茜等^[24]对江苏东南部近岸海域沉积物的研究以及刘玮晶等^[25]对江苏省中部城镇河流底泥的调查分析，均发现Cd和Hg是主要污染因子。此外，Cd可能通过地表径流进入水体，导致底泥Cd污染^[26]。刘强等^[27]对江苏南京沿江底泥Cd的生态风险评估表明，5% 的区域出现Cd轻微超标和累积，Cd存在局部点位的累积，这与本研究仅个别样点超标的结果相似。对比分析显示，珠江三角洲^[28-29]的底泥Hg污染也具有显著空间异质性。本研究发现，底泥重金属含量的变异系数为0.20~4.00，进一步表明样点重金属的空间异质性显著，这与苏州老城区河道底泥重金属的空间分布特征相似^[30]，可能源于研究区河网的分散性。此外，研究区河道底泥多种重金属含量呈显著或极显著相关(表 7)。有研究表明，元素同源或伴生的可能性越大，元素间关联性越强^[31]。因此，研究区重金属元素间可能还存在一定的同源伴生关系。

3.2 底泥肥力状况及其资源化利用

研究区河道底泥有机质及氮、磷、钾等养分含量均较高，对照第二次全国土壤普查养分分级标准^[21]可知，86% 的样点有机质含量达Ⅱ级(丰富)水平，98% 的样点有效磷含量达Ⅰ级(极丰富)水平，62% 的样点速效钾达Ⅰ级(极丰富)水平(表 5、图 2)。养分含量丰富的底泥与其上覆水体互为养分物质的“源”与“汇”，这也是底泥多采用疏浚、异位处置的重要原因。受限于处置场地、技术和经费等，我国主要河湖底泥的清淤需求每年数百万立方米至数千万立方米。据报道，2024年新一轮太湖清淤工程拟完成800多万立方米底泥的清淤。底泥处置工作复杂且繁重，而直接利用则可能对粮食安全^[32]和人体健康^[33]造成潜在风险。因此，应对底泥进行系统分析和评估，并依据结果分类分级，对含有的重金属等污染物进行稳定化处理，对养分等有益成分进行合理化利用，从而通过“无害化”与“稳定化”技术实现污染控制，推动底泥“资源化”利用和“减量化”处置，将底泥变废为宝。

本次调查结果显示，研究区河道底泥养分含量整体较高，重金属含量均低于国家相关标准中碱性土壤污染风险筛选值(表 6)。基于内梅罗综合污染指数与污染负荷指数的综合评估结果表明，该区域河道底泥整体处于无污染或轻度污染状态(图 3、图 4)。但地累积指数和潜在生态风险指数的单因素指标解析表明，该区域存在空间异质性污染特征，个别样点呈现Cd、Cu和Hg元素局部富集现象(图 5、图 6)。因此，研究区底泥总体符合相关底泥农用的国家标准，具备土地利用的潜力，但对于有一定污染的局部样点，仍需重点关注相关重金属的迁移与生物累积效应，可尝试通过物理、化学或生物等手段进行处理，并作筑基或建材^[7]等其他途径的资源化利用。

4 结论与建议

1) 研究区河道底泥呈弱碱性且养分含量较高，98% 的样点有效磷与62% 的样点速效钾均达Ⅰ级(极丰富)水平，86% 的样点有机质含量达Ⅱ级(丰富)水平，具备农用资源化利用潜力。

2) 研究区各样点河道底泥重金属含量均低于国家相关标准中碱性土壤污染风险筛选值。基于内梅罗综合污染指数与污染负荷指数的综合评估结果表明，该区域河道底泥整体处于无污染或轻度污染状态；而地累积指数和潜在生态风险指数的单因素指标解析结果显示，该区域河道底泥存在空间异质性污染特征，个别样点呈现Cd、Cu和Hg元素局部富集现象，需重点关注其迁移与生物累积效应。