长江上游珍稀鱼类自然保护区代表性测站的镉生态风险评估

马翔宇，鲁建婷，麻 林，钱 宝，闫 峰

（1.南昌大学建筑工程学院，江西 南昌，330031；2.湖南省水利厅，湖南 长沙，410007；3.水利部长江水利委员会水文局，湖北 武汉，430010）

长江上游珍稀鱼类自然保护区主要包括金沙江、岷江、赤水河等长江上游干流及部分支流，涉及云南、贵州、四川、重庆三省一市。主要保护对象为白鲟、达氏鲟、胭脂鱼等。近年来，随着社会和经济的迅速发展，长江上游部分河段水环境持续恶化，严重影响了鱼类的生存和繁衍。

镉（Cd2+为主）是一种有毒重金属元素，也是长江上游沉积物污染最严重的重金属元素之一[1]。具有高毒性、难降解、易残留等特点，其在水生生物体内的半衰期可达10～35年[2]。大量研究证明，镉会影响鱼类胚胎的发育和仔鱼的存活，还可以作用于细胞的抗氧化酶系统、降低细胞对氧自由基的清除，影响水生生物胚胎的发育、幼体的存活以及成体的繁殖[3，4]。同时，镉由于能使蛋白质变性且无法通过水体的自净作用去除，是一种会对环境、水生生物和人体健康造成潜在危害的重金属[5]。

淡水中的镉主要来源于工业污水直接排放、铬矿渣、粉尘坠于地表水和镉渣废物的随意倾倒。此外，水体中的重金属主要被沉积物吸附，许多外在环境因素均可使沉积物中的重金属再次释放，造成“二次污染”[6，7]。早在1972年，世界卫生组织就将镉列为第3位优先研究的食品污染物，美国国家环境保护局（US EPA）于1986年将镉列为制定水质基准时的优先控制污染物。目前，许多国家都相继颁布了镉的淡水水生生物水质基准[8]。但我国水质基准的研究相对滞后，缺少适合国情的镉水生生态风险基准。长期以来，都未能对长江上游珍稀鱼类保护区进行准确的生态风险评估。

水生生物基准是保护水生生物水质基准的简称，是指水环境中的污染物对水生生物及其使用功能不产生长期和短期不良或有害效应的最大允许浓度，它是水质基准的核心组成部分之一[9]。2020年2月，我国生态环境部颁布了《淡水水生生物水质基准-镉》[10]。本研究将基于该生态风险基准，结合风险商模型和长江水利委员会水文局的监测资料，对长江上游珍稀鱼类保护区镉的生态风险进行评估，从而为长江流域的生态保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区跨越四川、云南、贵州、重庆三省一市，地理坐标为东经104°9′～106°30′、北纬 27°29′～29°4′的长江上游干流及部分支流，宽度为各河流10年一遇最高水位线以下的水域和滩涂。保护区河流总长度1 162.61km，总面积33 174.213hm2。保护区水域分布有鱼类189种，其中包括白鲟、达氏鲟、胭脂鱼等38种国家级保护动物。

如图1所示，本次研究的区域为金沙江段（屏山-宜宾段）、岷江段（高场-宜宾段），沱江段（富顺-泸州段），共设置金沙江段的屏山和宜宾、岷江段的高场站、沱江段的富顺站和泸州站5个监测点。评价指标为水体总硬度和镉（Cd），评价数据为水利部长江水利委员会水文局2018年的逐月监测资料。

图1 研究区域

1.2 镉的生态风险基准

2020年2月，我国生态环境部发布了《淡水水生生物水质基准—镉》和《淡水水生生物水质基准技术报告-镉》[11]。在上述规范中，镉的生态风险基准被划分为短期水质基准（short-term water quality criteria，SWQC）和长期水质基准（long-term water quality criteria，LWQC），分别用于评估镉对水生生物的急性毒性和慢性毒性。SWQC表示对95%的中国淡水水生生物及其生态功能不产生急性有害效应的水体中镉的最大浓度。LWQC表示对95%的中国淡水水生生物及其生态功能不产生慢性有害效应的水体中镉的最大浓度。

尽管水体硬度减缓重金属生物毒性的作用机制存在争议[12，13，14]，水体硬度对重金属生物毒性的减缓作用已被广为认可。生态环境部通过大量毒理学实验表明：镉的淡水水生生物水质基准和水体总硬度成正相关关系。如表1所示，生态环境部在《淡水水生生物水质基准—镉》给出了部分有限离散水体总硬度下的镉生态风险基准。本研究将基于MATLAB中的interp1函数进行插值，从而得到其他水体总硬度下镉的生态风险基准值。

表1 淡水水生生物水质基准—镉

1.3 风险商模型

风险商值模型[15，16]是应用最为广泛的生态风险评估模型之一，计算方法为：

式中：RQ为风险商值，EEC为环境浓度，mg/L；WQC为生态风险基准，mg/L。大量研究表明：风险商值可判别风险等级[17]，当0.01≤RQ20.1时为低风险；0.1≤RQ21为中风险；RQ≥1为高风险。

需要指出的是，由于镉的生态风险基准被划分为SWQC和LWQC；相应的，根据评价基准的不同，镉的风险商被分为短期风险商（short-term risk quotient，SRQ）和长期风险商（long-term risk quotient，LRQ），分别用于评估镉的急性毒性和慢性毒性。

2 结果与讨论

2.1 水体硬度的特征

水的硬度（也叫矿化度）是指溶解在水中的钙盐和镁盐含量的多少，含量多的硬度大，反之则小。大量研究表明，当水体硬度[18]较高时，钙镁离子可以与镉离子等重金属离子产生拮抗作用，减少水生生物对金属离子的吸收，从而降低镉离子的毒性[19]，提高水体的SWQC和LWQC。

根据长江水利委员会水文局的监测资料，各测站的水体硬度的时空分布如图2所示。

图2 长江上游珍稀鱼类保护区各测站的水体硬度的时空分布

各测站的水体硬度范围和均值如表2所示。

由表2可知，富顺站是水体硬度最高的测站，其水体硬度的范围为182.7～299.2mg/L，均值为239.68mg/L。高场站是水体硬度最低的测站，其水体硬度的范围为117.3～176mg/L，均值为 145.07mg/L。屏山站、宜宾站、泸州站的水体硬度范围分别为136.3～194.2mg/L，126.8～185.8mg/L，132.1～170.4mg/L。均值分别为 158.93mg/L，154.39mg/L，150.39mg/L。

表2 各测站水体硬度范围及均值 mg/L

根据资料可知，富顺站位于有“盐都”之称的四川自贡市[20]富顺县。该地区盐矿资源丰富，因此水体中溶有大量的钙盐和镁盐。这直接导致该测站水体硬度远高于其他四个测站。其他四个测站的水体硬度相近，未表现出明确的季节性和地域性规律。这主要是钙镁离子的浓度受众多因素的影响导致。

2.2 生态风险基准的特征

根据《淡水水生生物水质基准-镉》中提供的部分有限离散水体总硬度下的镉生态风险基准，使用MATLAB中的interp1函数进行插值，得到长江上游珍稀鱼类保护区各测站的SWQC和LWQC的时空分布如图3、图4所示。

图3 长江上游珍稀鱼类保护区各测站的SWQC的时空分布

图4 长江上游珍稀鱼类保护区各测站的LWQC的时空分布

各测站的SWQC和LWQC的范围和均值如表3、表4所示。

由表3、表4所示，富顺站是长江上游珍稀鱼类保护区中基准值最高的的测站。它的SWQC和LWQC范围分别是 7.93～12.97μg/L 和 0.33～0.44μg/L，年均值分别为10.49μg/L和0.38μg/L。高场站是长江上游珍稀鱼类保护区中基准值最低的的测站。它的SWQC和LWQC 范围分别是 6.94～7.64μg/L 和 0.30～0.32μg/L，年均值分别为6.26μg/L和0.28μg/L。此外，屏山站的SWQC和 LWQC范围分别是 5.87～8.45μg/L和 0.27～0.34μg/L，年均值分别为 6.89μg/L 和 0.30μg/L。宜宾站的SWQC和LWQC范围分别是5.43～8.08μg/L和0.26～0.33μg/L，年均值分别为 6.68μg/L和 0.30μg/L。泸州站的SWQC和LWQC范围分别是5.68～7.40μg/L和0.27～0.31μg/L，年均值分别为 6.51μg/L和 0.29μg/L。

表3 各测站SWQC范围和均值 μg/L

表4 各测站LWQC范围和均值 μg/L

由《淡水水生生物水质基准-镉》可知，镉的淡水水生生物水质基准和水体总硬度成正相关关系。由于富顺站的水体硬度相对较高，其SWQC和LWQC相较其他测站偏高。同理，由于高场站的水体硬度相对较低，其SWQC和LWQC均低于其他测站。

2.3 生态风险评价

根据风险商模式，结合各测站镉的浓度和生态基准数据，评估长江上游珍稀鱼类保护区各测站的SRQ和LRQ分别如图5、图6所示。

图5 长江上游珍稀鱼类保护区各测站的SRQ的时空分布

图6 长江上游珍稀鱼类保护区各测站的LRQ的时空分布

各测站的SRQ和LRQ风险商范围、均值和风险等级如表5、表6所示。

如表5、表6所示，高场站是长江上游珍稀鱼类保护区中镉风险最高的测站。它的SRQ和LRQ风险商范围分别为0.14～0.50和3.31～9.97，均值分别为0.37和7.99。其短期风险为“中”等级，长期风险为“高”等级。泸州站的镉风险最低，它的SRQ和LRQ风险商范围分别为0.03～0.11和0.79～2.23，均值分别为0.05和1.06。其短期风险为“低”等级，长期风险为“高”等级。屏山站，宜宾站，富顺站的SRQ风险商范围分别为 0.11～0.43，0.19～0.46，0.11～0.31。均值分别为0.31，0.35，0.23。短期风险均为“中”等级。LRQ 风险商的范围分别为 2.50～9.13，4.34～9.53，3.34～7.59。均值分别为7.14，7.76，6.34。长期风险均为“高”等级。

表5 各测站SRQ风险商的范围和均值

表6 各测站LRQ风险商的范围和均值

通过比较表5和表6中各测站的风险等级可见，各测站均存在短期风险等级和长期风险等级不同的问题，这主要是因为SRQ和LRQ使用SWQC和LWQC两种不同的基准导致。由SWQC和LWQC的定义可知：SWQC和LWQC分别表示对95%的中国淡水水生生物及其生态功能不产生急性有害效应的水体中镉的最大浓度和对95%的中国淡水水生生物及其生态功能不产生慢性有害效应的水体中镉的最大浓度。这表明：研究区域内各代表性测站水体的镉含量均具有相对较低的急性有害效应，表现为“低”“中”风险等级；但各代表性测站水体的镉含量均具有相对较高的慢性有害效应，因此均表现为“高”风险等级。

总的来看，本次研究的各测站均存在镉风险较高的问题。这主要是因为川南和川西南各类金属资源集中分布，矿产的开采和冶炼企业比较集中，有大量含镉废水排放至金沙江、岷江和沱江导致。同时，镉渣废物的随意倾倒，镉离子会随着地表径流汇入河流中，同样会导致长江上游珍稀鱼类保护区的镉含量增加，进而导致镉的生态风险升高。

结合式（1）所示，生物安全基准高，意味着同等暴露浓度下，生态风险商更低。位于沱江下游的富顺站的SWQC和LWQC均较高，但其短期风险为“中”等级，长期风险为“高”等级。这表明该站所在位置的水体镉含量远大于其他四个测站。

因此，对金沙江、岷江和沱江中上游采矿和冶炼行业的综合治理已是刻不容缓。其中，对沱江的综合治理更应是重中之重。

3 结 论

屏山站、宜宾站、高场站、泸州站、富顺站的SWQC年均值分别为 6.89μg/l、6.68μg/l、6.26μg/l、6.51μg/l、10.49μg/l；LWQC 年均值分别为 0.30μg/l、0.30μg/l、0.28μg/l、0.29μg/l、0.38μg/l。其中岷江的生态风险基准值低于金沙江段、川江段和沱江段，这是因为它的水体总硬度相对其他三者较低所致。

高场站是所有测站中镉风险最高的测站，它的SRQ 为 0.37，属于“中”风险级，LRQ 为 7.99，属于“高”风险级。镉风险最低的测站为泸州，它的SRQ为0.05，属于“低”风险级，LRQ为1.06，为“高”风险级。屏山站、宜宾站、富顺站的SRQ分别为0.31、0.35、0.23，均为“中”风险级；LRQ 为 7.14、7.78、6.34，均为“高”风险级。

长江上游珍稀鱼类保护区中，各测站普遍存在镉风险较高的问题。加强对川西南、川南采矿和冶炼行业的治理应作为金沙江、岷江和沱江中上游各级环保部门的重点工作之一。同时，加强对长江上游珍稀鱼类保护区镉含量和水体总硬度的监测和预警应当作为保护区今后水资源管理的重点之一。