太湖梅梁湾湖口表层沉积物中氮磷、重金属的风险评价

孟翠,侯艳红,郑磊



太湖梅梁湾湖口表层沉积物中氮磷、重金属的风险评价

孟翠1,侯艳红2,郑磊3*

1. 山东省环境保护科学研究设计院, 山东 济南 250000 2. 河南鑫安利职业健康科技有限公司, 河南 郑州 450001 3. 国家环境分析测试中心, 北京 100029

为评价太湖梅梁湾入湖口沉积物中氮磷、重金属的风险，本文选取太湖西部入湖口沉积物样品，分析总氮、总磷和重金属的含量，并采用不同的沉积物背景值或质量基准阈值对其进行风险评价。结果表明：太湖梅梁湾西部入湖口沉积物总氮和总磷含量分别为2714.93±314.85 mg/kg和963.85±100.30 mg/kg，重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量分别为5.7±0.4 mg/kg、226.0±63.7 mg/kg、207.9±50.0 mg/kg、83.9±13.4 mg/kg、29.2±1.6 mg/kg和368.8±29.3 mg/kg。用4种不同沉积物氮磷背景值和基准阈值作为评价值，综合污染指数表明：氮磷外源输入严重，且有严重的生态风险。推荐选用太湖沉积物氮磷背景值和中国东部典型湖泊沉积物总磷、总氮基准值阈值评价太湖沉积物氮磷污染程度及生态风险。用3种不同沉积物重金属背景值作为评价值，地质累积指数表明Cd存在轻度到偏重度累积，潜在生态危害指数表明Cd有中度到很严重的潜在生态风险；平均沉积物质量基准系数表明：用生物效应法沉积物质量基准评价，Cu、Ni对生物有很大风险；用相平衡法沉积物质量基准评价，只有Cr对生物有很大可能风险；用一致性沉积物质量基准评价，处于高风险的重金属有Cd、Cr、Cu、Ni。推荐平均沉积物质量基准系数选用一致性沉积物质量基准作为评价值评价沉积物中的重金属生态风险。

梅梁湾; 氮磷; 重金属; 风险评价

梅梁湾是太湖北部周边区域的重要饮用水源地，也是太湖受污染最为严重的湖湾。已有研究表明，梅梁湾入湖河流武进港、直湖港水域氮磷污染严重，水质均在V类以上[1]。直湖港以工业污染为主，武进港以农业污染为主[2]，沉积物中均含有重金属污染，因此有必要对入湖口进行沉积物风险评价。

风险评价最核心的任务是选择合适的评价方法及评价阈值。目前，沉积物中营养盐氮磷的评价方法有有机指数评价标准、有机氮评价法[3]、单一因子标准指数法[4]、综合污染指数评价法[5]。沉积物氮磷的评价阈值主要依赖国外沉积物基准阈值或国内当地未受污染的背景值[6,7]，其适当性值得探讨。沉积物重金属的评价方法有地质累积指数法[8]、潜在生态危害指数法[9]、沉积物质量基准系数法（Sediment Quality Guidelines Quotient, SQG-Q）等。目前国内没有统一的沉积物质量基准，有学者运用不同的推算方法建立不同沉积物质量基准作为评价值来进行风险评价。张婷等[10]运用生物效应法建立了淡水水体沉积物重金属质量基准；有些学者运用相平衡法建立了太湖水体沉积物重金属质量基准并进行了沉积物重金属质量评价[11-13]；有些学者用一致性沉积物质量基准（Consensus-Based SQGs，CBSQGS）评价过沉积物中金属的污染状况[14-16]。

虽然沉积物氮磷及重金属风险评价方法及基准阈值有很多，但很少有研究综合比较多种评价方法及基准阈值来评价沉积物风险。因此本文通过在梅梁湾西部入湖河口区域采集沉积物样品，分析其中存在的总氮、总磷和重金属含量，选用多种评价方法及基准阈值，综合评价梅梁湾西部入湖河口区域表层沉积物风险，以期为梅梁湾西部入湖河口区域的氮磷和重金属污染控制提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

选择太湖梅梁湾西部入湖河口区域，设置采样点3个（1#、2#和3#）（图 1），用抓斗式采泥器采集表层沉积物样品，装入聚乙烯塑料袋中，排除空气后封口，然后用黑色垃圾袋套上避光，置于低温保温箱（包含冰袋）中运回实验室，并于4 ℃下保存。每个采样点采集3个平行样品以减少数据的不确定性。

图1 采样点位置

用冷冻干燥机将沉积物样品冻干，经压碎、过筛、研磨、混合等步骤，分别过60目和100目尼龙筛，样品分别用于总氮、总磷的测定和重金属的分析。总氮总磷采用紫外分光光度法测定，重金属采用浓硝酸-氢氟酸-浓盐酸电热板消解，2%硝酸定容后用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）对重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn进行测定，所有元素含量均在方法检测范围内。沉积物样品的测试结果以mg/kg干重表示。

1.2 沉积物中氮磷的评价方法

式中：S为单项评价指数或标准指数；C为评价因子的实测浓度值（mg/kg）；C为评价因子的评价标准值（mg/kg）；为项污染物污染指数平均值，max为最大单项污染指数。总氮TN指数、总磷TP指数及综合污染指数的污染程度分级见表1，污染程度分级引自王佩等[7]。

表1 底泥营养盐污染程度分级

1.3 沉积物重金属评价方法

1.3.1 地质累积指数德国海德堡大学学者Miilten提出的地质累积指数（Index of Geoaccumulation,geo）是对沉积物外源重金属的累积状况进行评价，主要反映外源不同重金属的富集程度[8]。计算如下：geo=log2[C/(kB] (3)

式中：C为沉积物中重金属的浓度（mg·kg-1）；为造岩运动可能引起背景值波动而设定的常数（一般取1.5）；B为普通页岩中重金属元素的地球化学背景值。污染等级分为7个等级，分别为清洁、轻度、偏中度、中度、偏重度、重度和极重度，等级对应的geo值为0以下，0~1，1~2，2~3，3~4，4~5和大于5。

1.3.2 潜在生态危害指数瑞典学者Hakanson提出使用潜在生态危害指数（Potential Ecological Risk Index, RI）定量评价沉积物潜在生态危害程度。该方法利用沉积物实测重金属含量与工业化以前沉积物重金属的最高背景值的比值乘以重金属的生物毒性系数，进行加权求和得到RI[17]，其主要考虑不同金属毒性对生物的生态风险[18]。

Cfi = Cdi/Cri (4)

Eri = Tri×Cfi (5)

RI = ∑Eri (6)

式（4~6）中：Cfi是重金属的污染系数；Cdi为沉积物重金属含量的实测值；Cri为沉积物背景参考值；Eri是单种重金属的潜在生态危害系数；Tri是重金属的毒性系数；RI是多种重金属潜在生态危害指数。单因子Eri潜在生态风险分级标准为低、中、高、严重、很严重5个等级，分别对应的数值为40以下，40~80，80~160，160~320，大于320；RI潜在生态风险分级标准为低、中、高、严重4个等级，分别对应的数值为150以下，150~300，300~600及600以上。重金属Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn的毒性系数分别取30、10、5、5、2、1。

1.3.3 平均沉积物质量基准系数平均沉积物质量基准系数法是Caeiro等以专家知识和判断为基础，对众多评价指数的性能进行综合评价选出的具有较高可信性的重金属评价方法[12,19]。可通过比较沉积物重金属含量与引起生物毒性的重金属浓度阈值的比值来推测其生物毒性效应，具有快速预测沉积物的生物毒性、迅速判断重金属污染区域等优点[20]。其计算方法如下[21]：

式中，SQG为第种重金属的沉积物质量基准（mg·kg-1），C为第种重金属在沉积物中的总含量（kg-1)。评价等级分别为低、中、高三个潜在风险等级，对应的-值分别为-≤0.1；0.1<-<1；-≥1。

1.3.3.1 相平衡法推算的值相平衡法推算的值是单值基准，基于水相-沉积物相平衡分配原理，利用水环境质量基准求得沉积物质量基准，即临界效应浓度（Threshold effect level，TEL）。一旦沉积物的污染物含量超过TEL，则威胁底栖生物安全[22]。

1.3.3.2 生物效应法推算的值生物效应法推算的值是双值基准，基于生物剂量-效应关系，通过建立生物效应数据库并进行数据统计分析，获得临界效应浓度TEL和可能效应浓度（Probable effect level，PEL）。当污染物中某种重金属的浓度低于TEL时，意味着负面生物毒性效应几乎不会发生；污染物浓度高于PEL时，则负面生物毒性效应将频繁发生，如介于二者之间，负面生物毒性效应会偶尔发生[20]；

1.3.3.3 一致性沉积物质量基准值一致性沉积物质量基准值即CBSQG，是双值基准，通过选择几种具有相似评价目标的单个SQG，计算几何平均值求得污染物的效应浓度[23]。阈值包括阈值效应浓度（Threshold Effect Concentration, TEC）和可能效应浓度（Probable Effect Concentration, PEC），前者为毒性阈值下限，后者为毒性阈值上限；当沉积物中污染物含量低于前者时，毒性效应发生的概率通常低于25%；而当沉积物中污染物含量高于后者时，毒性效应发生的概率很高，通常大于75%[24]。

2 结果与分析

2.1 梅梁湾西部入湖口沉积物中氮磷的综合污染评价指数

太湖梅梁湾西部入湖河口区域沉积物总氮含量为2714.93±314.85 mg/kg，而总磷含量为963.85±100.30 mg/kg。选取4个水平的沉积物氮磷评价值评价梅梁湾入湖口氮磷的综合污染水平，得到总氮TN、TP及对应等级见表2。评价值的大小代表对沉积物氮磷含量污染水平的影响。评价值越低，意味着污染指数越高。从4种评价值比较来看，中国东部典型湖泊沉积物的总氮基准阈值最高，是加拿大总氮阈值的2倍多，和美国的沉积物总氮基准阈值相当，比太湖1960年的沉积物总磷背景值高。加拿大总磷基准阈值最大，其他三种方法的总磷基准阈值相当。根据沉积物氮磷风险评价方法，单因子污染TN、TP等级及综合污染等级均超过4，根据表1底泥营养盐污染程度分级判断，均为氮磷重度污染。以不具有生物效应表征的沉积物背景值做评价值[27]，单因子污染TN、TP等级及综合评价指数表明：氮磷的外源输入严重；以具有生物效应表征的基准值阈值作评价值[25,26,7]，单因子污染TN、TP等级及综合评价指数表明：氮磷存在严重的生态风险。

表2 不同评价标准下沉积物氮磷综合污染评价指数

其中，A采用王健等[25]推荐的中国东部典型湖泊沉积物总磷、总氮基准值阈值；B采用加拿大安大略省环境和能源部1992年发布的指南中沉积物中能引起最低级别生态风险效应的总氮、总磷阈值[26]；C采用美国沉积物基准[7]；D采用1960年太湖沉积物中的氮磷背景值[27]。

2.2 梅梁湾入湖口表层沉积物重金属风险评价

2.2.1 不同沉积物重金属的背景值比较太湖梅梁湾西部入湖河口区域沉积物中重金属含量Cd为5.7 mg/kg，Cr为226 mg/kg，Cu为207.9 mg/kg，Ni为83.9 mg/kg，Pb为29.2 mg/kg，Zn为368.8 mg/kg。采用地质累积指数与潜在生态风险指数评价沉积物中重金属的累积及生态风险水平，都与选取的重金属背景值密切相关。表3列出了研究中常用的3种沉积物重金属背景值。比较而言，3种重金属沉积物背景值自小到大依次为太湖沉积物背景值<工业化前土壤背景值<江苏省土壤背景值。采用平均沉积物质量基准系数评价沉积物中重金属的生态风险与沉积物中重金属基准值的选择密切相关。表3列出了目前广泛采用的3种沉积物基准方法确定的太湖重金属沉积物基准。比较TEL，生物效应法确定的Cd低值基准值是相平衡法基准值的6倍，是CBSQGS值中TECs的3倍。其余重金属基准值相当。比较PEL，生物效应法确定的5种重金属基准值PEL与CBSQGS值的PECs值相当。

2.2.2 地质累积指数比较本研究分别以3种背景值为评价值，使用地质累积指数法评价了沉积物重金属污染，见表4。以江苏省土壤重金属背景值作评价值，Cd轻度累积，其余金属均未累积；以工业化前背景值作为评价值，Cd、Cu、Ni为偏中度累积；以太湖沉积物背景值作为评价值，Cd偏重度累积，Cu、Ni、Zn（偏）中度累积。

表3 沉积物中重金属的评价值比较

注：a为生物效应法；b为相平衡法；c为一致性沉积物法。

Note: a: Biological effect method; b: The method of phase balance; c: Conformance sediment method.

表 4 不同沉积物重金属背景值下的地质累积指数比较

注：1：江苏土壤背景值；2：工业化前土壤背景值；3：太湖沉积物背景值。

Note: 1: Soil background value in Jiangsu Province; 2: Soil background value before industrialization; 3: Background value of sediments in Taihu.

2.2.3 潜在生态危害指数表5依次以3种背景值为评价值评价了沉积物重金属的潜在生态风险。以江苏省土壤重金属背景值作评价值，Cd风险中度，整体潜在风险低；以工业化前背景值作为评价值，Cd风险严重，整体潜在风险中等；以太湖沉积物背景值作为评价值，Cd风险很严重，整体潜在风险很严重。

表5 不同沉积物重金属背景值下的潜在生态危害指数比较

注：1：江苏土壤背景值；2：工业化前土壤背景值；3：太湖沉积物背景值。

Note: 1: Soil background value in Jiangsu Province; 2: Soil background value before industrialization; 3: Background value of sediments in Taihu.

以上两种指数评价结果表明：Cd存在累积并有潜在生态风险。具体来看，随着Cd背景值评价标准依次收紧，单个金属的累积程度变化分级明显，Cd由轻度、偏中度至偏重度累积；从潜在风险看，除Cd潜在风险由中度变很严重外，其他重金属单个潜在风险均处于低等。

2.3.3 平均沉积物质量基准系数比较若考虑生物效应因素，可以使用沉积物质量基准评价沉积物重金属生态风险。根据生物效应法、相平衡法及一致性沉积基准3种方法推算的SQG值，评价沉积物中重金属的生态风险见表6。以生物效应法推算的TEL-与PEL-作为评价值，Cu、Ni的PEL-大于1，生物很大可能发生风险，意味着负面毒性效应将频繁发生；Cd、Zn浓度处于PEL与TEL间，生物可能有风险，即负面毒性效应偶尔发生；Pb则没有生态风险，即其负面生物毒性效应几乎不会发生；综合为0.72，生物处于中等风险。以相平衡法推算的TEL-为评价值，各重金属基准选择文献来源中最大值，只有Cr对生物有很大可能风险，意味着Cr严重威胁底栖生物安全，其他重金属无风险，综合为1.05，底栖生物处于严重风险。以CBSQGS中的TECs-SQG与PECs-为评价值，Cd、Cr、Cu、Ni对生物均有很大可能的风险，即毒性效应发生的概率大于75%；Zn对生物可能有风险，即发生毒性效应的概率在介于25%~75%；Pb发生生物毒性效应的概率低于25%，可认为没有风险，整体为1.22，生物处于严重风险。可见，采用CBSQG评价，对生态具有高度风险的重金属有Cd、Cr、Cu、Ni，涵盖了潜在生态风险评价方法评价的Cd重度风险、生物效应法评价的Cu、Ni重度风险与相平衡法评价的Cr风险。

表6 不同沉积物质量基准下的沉积物质量基准系数比较

注：a为生物效应法；b为相平衡法；c为一致性沉积物法。

Note: a: Biological effect method; b: The method of phase balance; c: Conformance sediment method.

3 讨论

研究比较太湖区域沉积物中氮磷污染程度，陈雷等[29]报道直湖港入湖口总氮2000 mg/kg以上，总磷约900 mg/kg，与本研究结果接近。王佩等[7]报道武进港和直湖港入湖口总磷为412.06 mg/kg，比本研究的值低4倍多。太湖沉积物中的氮磷背景值是未受到污染前太湖沉积物的氮磷背景值，侧重沉积物受外界干扰营养盐的含量变化[27]。加拿大、美国的沉积物基准主要侧重考虑污染物对底栖类生物的安全级别，在安全级别的沉积物中未观察到中毒效应[4]。王健等[25]基于环境背景值与统计频度法利用流域内100个湖泊沉积物的氮磷浓度分析求得沉积物基准阈值，其侧重沉积物营养盐对藻类生物效应。因流域自身特点，建议选择当地区域的沉积物背景值或基准阈值作为污染程度或生态风险评价阈值。本文倾向选择太湖沉积物氮磷背景值评价外源氮磷的输入程度，以及选择中国东部湖区的沉积物氮磷质量阈值评价太湖区域的氮磷生态风险。

比较其他研究对太湖区域的沉积物重金属风险评价，张伯镇等[30]利用太湖沉积物背景值计算的RI表明：梅梁湾西部Cd具有中度风险，其他无风险。刘嘉妮等[31]利用江苏省土壤背景值计算Igeo指数表明Cd中度累积，Pb、Zn偏中度累积。RI风险指数表明太湖西部入湖点存在Cd中度潜在生态风险，Cu、Ni、Zn、Pb、Cr、Cd整体存在中度潜在生态风险。邓保乐等[11]利用相平衡法推算的SQG值评价梅梁湾整个区域的沉积物重金属风险时发现：Pb、Cu可能存在相当的生态风险，而Zn、Cd没有生态风险。郑丙辉等[13]利用相平衡法推算的SQG值评价梅梁湾整个区域的沉积物重金属风险发现：Cu、Pb、Zn、Cd均无生态风险。侯俊等[12]利用相平衡法推算的SQG值评价梅梁湾整个区域的沉积物重金属风险发现：梅梁湾区域的Cr超出基准值1.50倍以上，Pb、Zn、Cu浓度尚在基准值以下对生态无风险。以上研究均采用单一的背景值或基准阈值来评价沉积物重金属的风险，这带来很大的片面性。采用地质累积指数法评价沉积物重金属侧重于外来重金属的输入效应。潜在生态风险指数低估了存在生态风险的重金属类别及严重程度。在平均沉积物质量基准系数中，CBSQG做评价标准评价的重金属最全面，建议在评价沉积物重金属的生态风险中使用。CBSQG通过有效整合现有的沉积物质量基准，评价结果体现的是沉积物中污染物与生物效应之间的因果关系[23]。

4 结论

（1）梅梁湾西部入湖河口区域沉积物总氮和总磷含量分别为2714.93±314.85 mg/kg和963.85±100.30 mg/kg。选用4种不同沉积物氮磷背景值和质量阈值作为评价值，沉积物氮磷综合污染指数均表明：沉积物氮磷外源输入严重且有严重的生态风险。因此，需对该区域及周围入湖河流的氮磷输入加以控制。因流域自身特点确定的沉积物背景值和基准阈值不同，建议使用太湖沉积物背景值及中国东部典型湖泊沉积物总磷、总氮基准值阈值评价区域的氮磷污染程度及生态风险。

（2）梅梁湾西部入湖河口区域沉积物的重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量分别为5.7 ± 0.4 mg/kg、226.0 ± 63.7 mg/kg、207.9 ± 50.0 mg/kg、83.9 ± 13.4 mg/kg、29.2 ± 1.6 mg/kg和368.8 ± 29.3 mg/kg。选用3种沉积物重金属背景值，地质累积指数表明Cd可能有轻度到偏重度累积，潜在生态风险指数也表明Cd可能存在中度到很严重的生态风险；平均沉积物质量基准系数选用CBSQG作为评价值，评价的对生态具有高度风险的重金属有Cd、Cr、Cu、Ni，涵盖了潜在生态风险评价方法评价的Cd重度风险、生物效应法评价的Cu、Ni重度风险与相平衡法评价的Cr风险，建议平均沉积物质量基准系数选用CBSQG作为评价值评价沉积物重金属生态风险。

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Risk Assessment of Nitrogen, Phosphorus and Heavy Metals in Surface Sediment of MeiLiang Bay Estuarine, Taihu Lake

MENG Cui1, HOU Yan-hong2, ZHENG Lei3*

1.250000,2.450001,3.100029,

In order to evaluate the risk of nitrogen, phosphorus and heavy metals in sediments of Meiliang Bay estuarine, the contents of total nitrogen, total phosphorus and heavy metals in sediment samples from western Taihu Lake are analyzed and the risk is evaluated by using different sediment background values or quality benchmark thresholds. The results show that the contents of total nitrogen and total phosphorus in sediments from the western Meiliang Bay estuarine of Taihu Lake are 2714.93 ± 314.85 and 963.85 ± 100.30 mg/kg, respectively, and the contents of the heavy metals Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn are 5.7 ± 0.4 mg / kg, 226.0 ± 63.7 mg / kg, 207.9 ± 50.0 mg / kg, 83.9 ± 13.4 mg / kg, 29.2 ± 1.6 mg / kg and 368.8 ± 29.3 mg / kg, respectively. Four different sediment nitrogen and phosphorus background values and benchmark thresholds are used as evaluation values, and the comprehensive pollution index shows that nitrogen and phosphorus exogenous input is serious, and there are serious ecological risks. Background values of nitrogen and phosphorus in sediments of Taihu Lake and benchmark thresholds of total nitrogen and total phosphorus in sediments of typical lakes in eastern China are recommended to evaluate the nitrogen and phosphorus pollution level and ecological risks in sediments of Taihu Lake. With 3 different sediment background values of heavy metals as evaluation values, the geological accumulation index indicates that Cd has a slight to heavy degree accumulation, and the potential ecological hazard index indicates that Cd has a moderate to very serious potential ecological risk. Mean sediment quality guideline quotient (SQG-Q) shows that great ecological risk comes from Cu and Ni with SQG values derived by the biological effect method, or from Cr with SQG values derived by the phase equilibrium method, or from Cd, Cr, Cu and Ni with SQG values derived by consensus-based sediment quality (CBSQGS). It is recommended to use CBSQGSvalues of heavy metals in SQG-Q to assess the ecological risk of heavy metals in sediments.

Meiliang Bay; nitrogen and phosphorus; heavy metal; risk assessment

X502

A

1000-2324(2019)02-0297-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.027

2017-10-27

2017-12-11

孟翠(1983-),女,硕士,现从事环境影响评价. E-mail:mengcui6@163.com

Author for correspondence. E-mail:zhenglei069@126.com