黃浦江表層沉積物重金屬生態風險評價

楊濤，張昊飛，胡險峰，許鵬，龔婉卿，蔣真毅，莫磊

(1.國家海洋局東海環境監測中心 上海 201206； 2.海洋赤潮災害立體監測技術與應用國家海洋局重點實驗室 上海 201206； 3.上海市海洋業務受理中心 上海 200050)

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黃浦江表層沉積物重金屬生態風險評價

楊濤1，2，張昊飛1，2，胡險峰3，許鵬1，2，龔婉卿1，2，蔣真毅3，莫磊3

(1.國家海洋局東海環境監測中心 上海 201206； 2.海洋赤潮災害立體監測技術與應用國家海洋局重點實驗室 上海 201206； 3.上海市海洋業務受理中心 上海 200050)

選取2013—2015年黃浦江表層沉積物數據，利用地質積累指數法、內梅羅綜合指數法、潛在生態危害指數法對Cu、Pb、Zn、Cd數據進行評價。結果表明，2013—2015年黃浦江沉積物Cu、Pb、Zn和Cd的數據低于黃浦江背景值，表明重金屬污染有降低的趨勢；就單個重金屬元素而言，3種評價方法中，地質積累指數法和內梅羅綜合指數法的評價結果均為無污染或輕微污染，而潛在生態危害指數法結果為Cu、Pb、Zn元素屬于中度污染，3種評價方法得出4種元素的污染程度也不相同；內梅羅綜合指數法和潛在生態危害指數法評價結果表明，黃浦江沉積物重金屬綜合污染指數或綜合生態風險均處于較低風險。

重金屬污染；海洋環境；生態風險；海洋傾廢

沉積物作為水環境的重要組成部分，同時也是污染物的“源”和“匯”。重金屬具有致畸、致癌、致突變等特性，多年來持續受到廣泛的關注。重金屬可通過廢水排放、大氣沉降、淋溶作用等進入地表水體，進入水體的重金屬大部分轉移至沉積物中，而沉積物中的重金屬在一定條件下又釋放進入水體中；此外，通過生物放大和富集作用，重金屬會對生態系統構成直接和間接的威脅[1-2]。黃浦江兩岸有大小碼頭100余座，為維護碼頭的正常運行，需每年對黃浦江進行疏浚，而疏浚物的處置方式主要是海洋傾倒，因此開展黃浦江沉積物中重金屬的環境風險評價尤為重要。

針對重金屬污染環境風險評價，國內外學者提出多種方法，大致分為兩類，即指數法和綜合模型法[3-4]。受不同評價區指標和權重難以統一的限制，綜合模型法的通用性較差，指數法使用更為普遍。指數法較常用的有內梅羅綜合指數法、地質積累指數法以及潛在生態危害指數法3種，本文在對黃浦江表層沉積物重金屬進行取樣測定的基礎上，運用法進行風險評價，以便對黃浦江沉積物進行較為客觀全面的生態風險評價，為黃浦江流域水環境質量的綜合評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

2013—2015年在黃浦江沿岸碼頭設置采樣點，其中:吳涇電廠碼頭(A)采樣點位于E121°28′07.5″、N31°05′00.8″；董家渡輪渡碼頭(B)采樣點位于E121°30′14.4″、N31°13′0.10″；上海船廠碼頭(C)采樣點位于E121°31′04.2″、N31°15′04.4″海事局碼頭(D)采樣點位于 E121°33′40.9″、N31°16′39.5″；朱家門碼頭(E)采樣點 位于E121°34′02.8″、N31°17′08.0″高化實業公司碼頭(F)采樣點位于E121°33′37″、N31°18′43″海楊浦糧庫碼頭(G)采樣點位于E121°33′18.2″、N31°19′17.4″閘北電廠碼頭(H)采樣點位于E 121°31′33.4″、N31°20′38.3″上海國際郵輪公司碼頭(I)采樣點位于E 121°30′07.6″、N31°24′45.4″。分別從9個采樣點采集表層沉積物0～2 cm 的樣品各1份，采樣時用GPS定位。樣品的采集、固定、儲存、運輸及處理均按照GB 17378.3 《海洋監測規范》第3部分中的相關規定執行。

1.2 樣品分析

稱取1.0 g樣品，經HNO3-HClO4消化處理后，用火焰原子吸收法測定Zn，用石墨爐原子吸收法測定Cu、Pb、Cd。測定步驟均按照GB 17378.3《海洋監測規范》第5部分中相關規定執行。

2 結果分析

2.1 黃浦江沉積物重金屬含量變化趨勢

2013—2015年黃浦江沉積物重金屬要素含量和黃浦江沉積物重金屬的歷史數據及背景值如表1、表2所示。其中，2013—2015年Cu、Pb、Zn的含量要略高于中國大陸、中國土壤、上海土壤和工業化前沉積物全球背景值，Cd的含量要高于中國大陸、中國土壤、上海土壤背景值而小于工業化前沉積物全球背景值；與歷史數據相比，2013—2015年Cu和Pb的數據要略低于2004年的數據，而Zn和Cd的數據要明顯低于2004年的數據，表明重金屬污染有降低的趨勢。

表1 2013—2015年黃浦江沉積物重金屬要素含量 mg·kg-1

續表

表2 黃浦江沉積物中重金屬的歷史資料及 有關背景值 mg·kg-1

2.2 黃浦江沉積物重金屬年際變化特征

2013—2015年黃浦江沉積物重金屬的年際變化特征如圖1所示。其中，Pb的含量有所降低，且差異顯著；Cd的含量呈小幅度上升的趨勢，但沒有顯著差異；Cu和Zn的含量表現穩定。

圖1 2013—2015年黃浦江沉積物重金屬年際變化

2.3 黃浦江沉積物重金屬污染的生態風險

2.3.1 地質積累指數法

地質積累指數法是廣泛應用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量分析方法，將背景值作為標準對重金屬進行歸一化處理，兼顧人類活動對環境的影響和重金屬分布的自然變化特征，為污染過程評價提供而有效的評價方法[10]。計算公式為：

式中：Igeo為地質積累指數；Cn為樣品中元素n的濃度；Bn為背景濃度，即工業化前全球沉積物重金屬背景濃度；k為修正系數，一般k=1.5，用來表征沉積特征、巖石地質及其他影響。

按Igeo值的大小，可以將沉積物中重金屬污染程度分為7個等級(0～6級)(表3)。

表3 地質積累指數與污染程度分級

地質積累指數評價后2013—2015年黃浦江沉積物重金屬污染等級如表4所示。從不同元素的評價數據來看，污染級別總體在0～1級；對Cu來說，2013-2015年上海國際郵輪公司碼頭屬于無污染，其余碼頭屬于輕度污染；對Zn來說，2014年、2015年上海國際郵輪公司碼頭屬于無污染，其余碼頭屬于輕度污染；對Pb來說，有18.5%的碼頭監測屬于輕度污染，其余屬于無污染；對Cd來說，所有碼頭均屬于無污染。4種元素污染程度從大到小依次為Zn、Cu、Pb、Cd，不同監測點之間沒有明顯差別。

2.3.2 內梅羅綜合指數法

單因子指數法計算公式為：

式中：Pij代表第i種土壤類型j污染物的污染指數；Cij代表第i種土壤類型j污染物的實際測量值(mg/kg)，Sj代表第j個污染物的背景值。由于黃浦江主要承載輸運功能，采用土壤環境質量標準(GB15618—1995)二級標準進行評價，其評價標準為Cu、Pb、Zn、Cd含量分別為100、300、250、0.30 mg/kg[11]。

內梅羅指數法公式為：

式中：P代表土壤質量綜合指數，Pmax代表最大單項污染指數值，Pavg代表所有污染物單項污染平均值。其分級標準如表4所示。

表4 2013—2015年黃浦江沉積物地質積累指數、污染等級和污染指數

表5 土壤質量分級標準

用內梅羅綜合指數對黃浦江進行重金屬污染評價(表4)。結果表明，除Cd在2014年閘北電廠碼頭和2015年上海楊浦糧庫碼頭污染指數超過1、超過土壤背景值外，其余各元素在2013—2015年各碼頭污染指數都小于1即沒有超標；從各元素之間的污染指數來看，污染情況從大到小依次為Cd、Pb、Cu、Zn；從綜合污染指數來看，各碼頭在2013—2015年絕大多數屬于清潔或尚清潔水平，風險程度為安全或警戒級，只有2015年上海楊浦糧油碼頭污染物超過背景值水平、有輕微污染風險。

2.3.3 潛在生態危害指數法

瑞典學者 Hakanson 提出沉積物風險評價的方法，計算公式為：

黃浦江沉積物各重金屬的污染指數、潛在生態危害系數和生態危害指數如表7所示。

表6 重金屬元素潛在生態污染危害標準

表7 2013—2015年黃浦江沉積物重金屬污染指數和潛在生態危害指數

續表

黃浦江沉積物中 Cu的污染指數絕大部分介于1～3，僅有2014年上海國際郵輪公司碼頭Cu污染指數小于1，說明Cu基本屬于中度污染；Zn的污染指數全部介于1～3，說明Zn屬于中度污染；Pb的污染指數絕大部分介于1～3，僅在2014年上海楊浦糧庫碼頭、2015年吳涇電廠碼頭和上海國際郵輪公司碼頭的指數小于1，說明Pb基本屬于中度污染；Cd的污染指數全部小于1，說明Cd 屬于低污染。4種元素污染程度從大到小依次為Zn、Cu、Pb、Cd。

從不同采樣點來看，2013—2015年各采樣點Cu、Pb、Zn、Cd的潛在生態危害系數均小于 40，屬于低風險危害；從黃浦江沉積物整體重金屬的潛在生態危害來看，4種重金屬的潛在生態風險系數從大到小依次為Cd、Cu、Pb、Zn，平均值分別為15.0、9.11、6.73、1.86。

從潛在生態危害指數的評價結果來看，黃浦江沉積物中重金屬潛在生態危害指數均小于150，屬于低生態風險。從采樣時間和采樣點來看，潛在生態危害指數并沒有出現一定的時空分布規律。

3 不同評價方法的比較

運用地質積累指數法、內梅羅綜合指數法、潛在生態危害指數法對黃浦江沉積物重金屬進行風險評價，其產生的評價結果相近但也存在一定的差異。就單個重金屬元素的污染指數來看，地質積累指數法和內梅羅綜合指數法的評價結果均為無污染或輕微污染；潛在生態危害指數法中，Cu、Pb、Zn元素屬于中度污染，Cd屬于低污染。3種評價方法得出4種元素的污染程度也不盡相同，其中地質積累指數法和潛在生態危害指數法污染程度由大到小依次為Zn、Cu、Pb、Cd，內梅羅綜合指數法污染程度由大到小依次為Cd、Pb、Cu、Zn；從綜合污染指數來看，內梅羅綜合指數法和潛在生態危害指數法評價結果表明，2013—2015年各碼頭重金屬污染或生態風險均處于較低風險。

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Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Sediments of Huangpu River(in Shanghai)

YANG Tao1，2，ZHANG Haofei1，2，HU Xianfeng3，XU Peng1，2，GONG Wanqing1，2，JIANG Zhenyi3，MO Lei3

(1.East China Sea Environmental Monitoring Center of SOA，Shanghai 201206，China；2.Key Laboratory of Integrated Marine Monitoring and Applied Technologies for Harmful Algal Blooms，S.O.A.，MATHAB，Shanghai 201206，China；3.Shanghai Ocean Business Reception Center，Shanghai 200050，China)

Cumulative index method，Nemerow index method and Hakanson’s ecological risk index method were used to evaluate the heavy metals including Cu，Pb，Zn，Cd in sediment from Huangpu River since 2013 to 2015.The results indicated that the concentrations of Cu，Pb，Zn，Cd since 2013 to 2015 were lower than the background values，which indicated the heavy metal pollution had a tendency of reduce.The evaluation results showed that Cu，Pb，Zn belonged to the low degree pollution with cumulative index method and Nemerow index method，while which belonged to Moderate pollution with Hakanson’s ecological risk index method.In addition，the degree of pollution between the single kind of heavy metals was different with above-mentioned methods.The comprehensive pollution index or integrated ecological risk of heavy metals in sediments of Huangpu River were at low risk with Nemerow index method and Hakanson’s ecological risk index method.

Heavy metal pollution，Marine environment，Ecological risk，Ocean dumping

2016-07-22；

2016-11-25

海洋傾廢對上海海域生態環境影響及對策措施研究(滬海科2015-03-03).

楊濤，工程師，碩士研究生，研究方向為海洋環境科學，電子信箱：yangtao@eastsea.gov.cn

張昊飛，高級工程師，博士，研究方向為海洋環境科學，電子信箱：zhanghf@eastsea.gov.cn

P7

A

1005-9857(2016)12-0054-07