京杭大运河江南城镇段表层沉积物重金属富集水平及潜在生态风险评价*

余广彬 刘 义 俞 慎 李桂林

(1.中国科学院城市环境研究所，中国科学院城市环境与健康重点实验室，厦门，361021;2.中国科学院研究生院，北京，100049)

京杭大运河江南城镇段表层沉积物重金属富集水平及潜在生态风险评价*

余广彬1，2刘 义1，2俞 慎1＊＊李桂林1

(1.中国科学院城市环境研究所，中国科学院城市环境与健康重点实验室，厦门，361021;2.中国科学院研究生院，北京，100049)

以京杭大运河9个江南城镇段表层沉积物为研究对象，研究具城镇源特征的重金属(Cu、Pb、Zn、Cd和Cr)在表层沉积物中的富集水平及其潜在生态风险.结果表明，Cu、Pb、Zn和Cd在大运河城镇段表层沉积物中显著富集，分别为所属长江沉积物相应背景值的 1.2—6.4、1.8—5.8、2.6—18.7 和 7.1—22.7 倍，Cr与背景值接近，属轻微富集.潜在生态风险评价进一步表明，城镇段大运河表层沉积物重金属(Cu、Pb、Zn、Cd和Cr)含量已达到“强”富集水平，属污染水平，其中Cd的生态风险指数最高.根据国家土壤环境质量标准(GB15618—1995)，城镇段大运河表层沉积物的传统农田堆肥可能存在生态风险.表层沉积物重金属富集水平对大运河水环境质量、农业生产和生态环境健康已构成威胁，必要的环境保护和管理措施迫在眉睫，尤其是对Cd污染的修复.

表层沉积物，重金属，富集水平，潜在生态危害指数，京杭大运河江南城镇段.

沉积物是环境污染物的天然汇［1-2］，受污染表层沉积物中的重金属也可通过各种方式进入水体［3-5］，导致水环境质量退化［6］，并通过食物链威胁人类健康［7-9］.已有相关研究报道人类活动，尤其在人口密集的城镇，与沉积物重金属的富集水平密切关联［10］.但城市化对流域或水体沉积物重金属富集及其生态风险效应的研究尚未系统开展.

京杭大运河江南段(江南运河)地处太湖流域，是长江三角洲地区重要的运输航道，其沿岸城镇人口约1.3千万，并作为沿线约94万公顷农田的灌溉水源.沿岸农村有用河泥作为农业堆肥、改良土壤的传统，并有食用鱼、螺等大运河水产品的习惯.近年，伴随着快速的城市化和经济的高速发展，大运河成为沿岸城镇的排污水道，大量含有污染物(氮磷和重金属)的污水未经处理排入运河水体，导致其水环境质量不断恶化［11］.因此，对京杭大运河表层沉积物的重金属富集研究具有十分重要的社会意义，但至今对其重金属的潜在生态风险研究很少［12-14］.朱广伟等［12］、匡俊和顾凤祥［13］及戴秀丽等［14］分别发现杭州、苏州和无锡城市段表层沉积物重金属污染状况已经相当严重，其中Cu、Zn和Cd为主要的污染金属.但上述研究大多基于全量与地质背景值的变动情况阐述重金属的富集水平，缺乏基于毒性响应和复合污染的生态风险评价;研究尺度也仅局限于单一城市段，并未对作为整体的京杭大运河江南段进行系统的研究.因此，开展京杭大运河江南城镇段表层沉积物重金属富集水平和潜在生态风险的研究，具有重要的现实意义.

本研究以京杭大运河9个江南城镇段为研究对象，研究表层沉积物中具有城市污染特征的重金属(Cu、Pb、Zn、Cd和Cr)富集状况，采用潜在生态风险指数评价其重金属富集水平和特征以及潜在生态风险，以期为大运河城镇段水质管理和环境保护提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 样品采集与前处理

选取京杭大运河江南段沿岸9个城镇段，包括3个乡镇(平望、石门和崇福)，2个县级市(丹阳和吴江)，3个地级市(常州、无锡和苏州)和1个省会城市(杭州)，并在丹阳所辖的乡村区域选取一段农田作为参照.在每个采样段每隔500 m设定一个采样点，为保证样品对采样段的代表性，在每个采样段至少采集4个表层沉积物样品，总计采集87个样品.各样段样品采集信息，见表1.

用彼得逊(Peterson)采泥器采集河床表层沉积物，将所采集的表层沉积物装入聚乙烯自封袋内，密封、标记，放入车载冰箱内－10℃冷冻保存;同时用GPS定位采样点经纬度.表层沉积物样品经真空冷冻干燥机(FD-1C-50，北京博医康实验仪器有限公司)干燥后，在玛瑙研钵内将表层沉积物样品磨细，并过100目尼龙筛，用于重金属含量的测定.

表1 京杭大运河江南采样段基本信息Table 1 Basic information of each sampling section of the Grand Canal，China

1.2 重金属含量测定

准确称取1.0 g沉积物样品(过100目筛)，用浓硝酸(国药，优级纯)和浓高氯酸(国药，优级纯)消解，具体消解步骤参照文献［15］.消解液经定容后过0.45 μm滤膜，滤液收集于聚乙烯瓶中，4℃冷藏保存，待测.淡水沉积物标准样(GBW-07317，地球物理地球化学勘查研究所)用于质量控制，经同步消解，与样品消解液一起测定.

消解液重金属浓度采用原子吸收光谱仪(Solaar M6，GF95 graphite furnace，Zeeman background correction，Thermo Electron Corp.，Waltham，MA，USA)测定，其中，Cu 和 Zn 采用火焰光度法测定，Pb、Cd和Cr采用石墨炉法测定.同时，每20个样品插入检查标准样(国家标准物质研究中心).本研究标准曲线拟合度均大于95%，淡水沉积物标准样品(GBW-07317，地球物理地球化学勘查研究所)重金属回收率分别为 Cu:88.4%、Pb:104.8%、Zn:87.4%、Cd:86.9%和 Cr:85.2%.所有平行样品间标准偏差均小于5%.本研究所有样品的测定工作均在中国科学院城市环境研究所城市生态健康与环境安全研究中心完成.

1.3 潜在生态风险指数

潜在生态风险指数(Potential ecological risk index)是广泛应用于污染物生态风险评价的方法之一［16-20］.该指数包括单一污染物富集指数、污染物复合污染指数CH、生物毒性以及指数灵敏度等复合单元，可定量评价某一特定环境中的每种污染物的累积水平以及多种污染物的复合效应.潜在生态风险指数计算公式如下［21］:

式中，Ci为污染物i在沉积物中的含量;Bi为污染物i的背景值，为了更好地反映京杭大运河江南城镇段表层沉积物重金属污染状况，本研究将长江沉积物背景值被作为参比值［22］;为毒性响应系数，Cu、Pb、Zn、Cd 和 Cr的毒性响应系数分别为 5、5、1、30 和2［21］;为污染物i的富集指数，即沉积物中单一污染物i的富集水平;CH为复合污染指数，即沉积物中多个污染物的综合富集水平;为生态风险因子，即单个污染物i的生态风险程度;RI为生态风险指数，表征沉积物污染物的潜在生态风险程度.依据参考文献［23］，将 Cu、Pb、Zn、Cd和 Cr的潜在生态风险指数等级划分列于表2.

表2 修正的潜在生态风险指数评价等级划分Table 2 Classification of modified potential ecological risk index

1.4 数据分析与统计

不同城镇段间各重金属富集水平和潜在生态风险指数差异采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行统计分析，相关统计分析由SPSS(Ver.13.0)软件完成.

2 结果与讨论

2.1 各城镇段大运河表层沉积物重金属富集和复合污染水平

京杭大运河江南城镇段表层沉积物重金属的平均含量大致以Cu、Pb和Zn为主，Cr和Cd含量较低(表3)，但是各重金属的富集水平()则为Cd ＞ Cu≈ Pb≈ Zn ＞ Cr(图1)，Cu、Pb、Zn和Cd分别为长江沉积物相应背景值的 1.2—6.4、1.8—5.8、2.6—18.7 和 7.1—22.7 倍.所有城镇段大运河表层沉积物的Cu、Pb、Zn和Cd都呈“中等”及以上富集水平，其中Cd的富集水平最高(平均值大于 6)，Cu、Zn和Cd的富集程度与其他学者在运河杭州［12］、苏州［13］和无锡［14］城市段的研究结果基本一致，这表明Cu、Zn和Cd存在较普遍的富集现象.不同城镇段中以崇福镇段表层沉积物Pb、Zn和Cr富集水平最高(P＜0.05)，石门镇段表层沉积物Cr为“中等”富集(图1).这可能与崇福镇和石门镇当地传统制革业有关，Cr经污水排放和大气沉降进入运河.同时，江南城镇段大运河表层沉积物重金属含量均显著高于中国大陆沉积物背景值［24］，其中Cd的平均含量为背景值的10—34倍、Cu为背景值的1—7倍、Pb为背景值的1.5—5倍、Zn为背景值的3—21倍，Cr含量除在崇福镇段和石门镇段外与中国大陆沉积物背景值较为接近.可见，Cu、Pb、Zn和Cd在研究河段具有普遍的富集现象，这与已有的研究结果相吻合［12］.总体上，江南城镇段大运河表层沉积物Cu、Pb、Zn和Cr含量显著高于农田段(P＜0.05)，具有明显的城镇源特征.但杭州段表层沉积物重金属含量与农田段较为接近，这可能与其完善的截污减排和定期清淤措施有关［12］.同时，由于大运河水体由当地水网支持，水体交换能力较差，导致大运河表层沉积物重金属含量高于我国其它主要河流沉积物(表3)，如长江潮间带［25］、黄河兰州段［26-27］和珠江香港段［28］.此外，调查的9个江南城镇段大运河表层沉积物Zn和Cd含量均高于我国土壤环境质量二级标准值(GB15618—1995，表3)，使得沿岸传统的沉积物堆肥改良土壤的农事操作可能导致重金属污染的风险.

重金属复合污染指数(CH)表明大运河城镇段表层沉积物受Cu、Pb、Zn、Cd和Cr的污染十分严重，所有城镇段均达到或者超过“强”污染水平(CH＞10)，其中石门镇、崇福镇、丹阳市、吴江市和常州市等城镇段超过了“很强”污染水平(CH＞20)(图1).并且，农田段和苏州市段大运河表层沉积物重金属复合污染指数已接近“很强”污染水平，这主要是由于Cd富集的贡献，达到重金属复合污染指数的24%—69%(图1).大运河农田段表层沉积物Cd富集水平高，可能来源于沿岸农业活动的农药和肥料的使用.因此，作为研究河段目前主要的环境风险因子，Cd对大运河江南段生态环境健康状况的影响已不容忽视.

表3 大运河江南城镇段表层沉积物重金属全量(Mean±SD，mg·kg－1)Table 3 Total contents of selected heavy metals in surface sediments from urban sections of the Grand Canal，China

图1 大运河江南城镇段表层沉积物重金属富集指数()、复合污染指数(CH)、生态风险因子()和生态危害指数(RI)(平均值±标准误)Fig.1 Enrichment index()，integrated pollution index(CH)，ecological risk factor()，and ecological risk index(RI)of the heavy metals in surface sediments from the investigated urban sections of the Grand Canal，China(Mean ± SE)

2.2 城镇段大运河表层沉积物重金属潜在生态风险

与复合污染指数(CH)相似，城镇段大运河表层沉积物重金属的生态风险指数均达到“强”生态风险程度(RI＞220，图1)，这同样是由于Cd的高生态风险因子()所致，其大于210(图1)，再次表明京杭大运河江南段城镇表层沉积物Cd的潜在生态风险很高并且具普遍性.这与其他学者在杭州段和苏州段的类似研究结果一致［12，13］.并且 Cd属于 IA级致癌物［29］，在饮用水中含量超标可引发“骨痛病”［30］.因此，本研究建议Cd应该作为京杭大运河表层沉积物重金属污染的优先控制因子，应采取有效措施减少和防止其对人类健康的潜在风险.

3 结论

通过对京杭大运河江南9个城镇段表层沉积物重金属污染现状的系统研究发现，Cu、Pb、Zn、Cd在沉积物中显著富集，而Cr轻微富集，城镇段Cu、Pb、Zn和Cr显著高于农田段，具有显著的城镇源特征.除丹阳和常州外，城镇段的Cd均低于农田段.沉积物潜在生态风险指数法表明，Cd是江南城镇段大运河表层沉积物重金属污染的优先控制因子，不但富集水平高，而且其潜在的生态风险极高.对大运河沉积物Cd污染的防治和减少其对水体二次污染风险需要采取积极措施.同时，Cu、Pb和Zn在表层沉积物中有较高的富集，但其潜在生态风险相对较低.此外，城市化过程对重金属在大运河城镇段表层沉积物重金属污染和潜在生态风险的贡献不明确.

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ENRICHMENT AND POTENTIAL ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENT FROM URBAN SECTIONS ALONG THE GRAND CANAL OF CHINA

YU Guangbin1，2LIU Yi1，2YU Shen1LI Guilin1
(1.Key Lab of Environment and Health，Institute of Urban Environment，Chinese Academy of Sciences，Xiamen，361021，China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China)

Enrichment levels of urban derived heavy metals(Cu，Pb，Zn，Cd，and Cr)and their potential ecological risks were investigated in surface sediments from 9 urban sections along the Grand Canal.Results indicated that Cu，Cd，Pb，and Zn were heavily enriched in the urban section sediments.Their concentrations were 1.2—6.4(Cu)，1.8—5.8(Pb)，2.6—18.7(Zn)and 7.1—22.7(Cd)times the background values of the surface sediment in the Yangtze River Delta，respectively.The potential ecological risk assessment pointed out that the enrichment levels of selected heavy metals reached the“highly polluted”level in the urban surface sediments，and Cd had the greatest potential ecological risk.Following the National Soil Environmental Quality Guidelines(GB15618—1995)，the traditional agricultural use of surface sediments as manure would cause secondary pollution risk by heavy metals.In short，the enrichment of heavy metals in urban sediments resulted in threats to water quality，agricultural production，and ecosystem health in the regions of the Grand Canal.Environmental protection measures and proper management should be taken for the Grand Canal.

surface sediment，heavy metal，enrichment level，potential ecological risk index，urban sections of the Grand Canal.

2011年2月28日收稿.

*国家自然科学基金面上项目(40871244)和中国科学院“百人计划”项目(A0815)资助.

＊＊通讯联系人，Tel:0592-6190778;E-mail:syu@iue.ac.cn