黄浦江表层沉积物重金属生态风险评价

杨涛，张昊飞，胡险峰，许鹏，龚婉卿，蒋真毅，莫磊

(1.国家海洋局东海环境监测中心 上海 201206； 2.海洋赤潮灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室 上海 201206； 3.上海市海洋业务受理中心 上海 200050)



黄浦江表层沉积物重金属生态风险评价

杨涛1，2，张昊飞1，2，胡险峰3，许鹏1，2，龚婉卿1，2，蒋真毅3，莫磊3

(1.国家海洋局东海环境监测中心 上海 201206； 2.海洋赤潮灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室 上海 201206； 3.上海市海洋业务受理中心 上海 200050)

选取2013—2015年黄浦江表层沉积物数据，利用地质积累指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态危害指数法对Cu、Pb、Zn、Cd数据进行评价。结果表明，2013—2015年黄浦江沉积物Cu、Pb、Zn和Cd的数据低于黄浦江背景值，表明重金属污染有降低的趋势；就单个重金属元素而言，3种评价方法中，地质积累指数法和内梅罗综合指数法的评价结果均为无污染或轻微污染，而潜在生态危害指数法结果为Cu、Pb、Zn元素属于中度污染，3种评价方法得出4种元素的污染程度也不相同；内梅罗综合指数法和潜在生态危害指数法评价结果表明，黄浦江沉积物重金属综合污染指数或综合生态风险均处于较低风险。

重金属污染；海洋环境；生态风险；海洋倾废

沉积物作为水环境的重要组成部分，同时也是污染物的“源”和“汇”。重金属具有致畸、致癌、致突变等特性，多年来持续受到广泛的关注。重金属可通过废水排放、大气沉降、淋溶作用等进入地表水体，进入水体的重金属大部分转移至沉积物中，而沉积物中的重金属在一定条件下又释放进入水体中；此外，通过生物放大和富集作用，重金属会对生态系统构成直接和间接的威胁[1-2]。黄浦江两岸有大小码头100余座，为维护码头的正常运行，需每年对黄浦江进行疏浚，而疏浚物的处置方式主要是海洋倾倒，因此开展黄浦江沉积物中重金属的环境风险评价尤为重要。

针对重金属污染环境风险评价，国内外学者提出多种方法，大致分为两类，即指数法和综合模型法[3-4]。受不同评价区指标和权重难以统一的限制，综合模型法的通用性较差，指数法使用更为普遍。指数法较常用的有内梅罗综合指数法、地质积累指数法以及潜在生态危害指数法3种，本文在对黄浦江表层沉积物重金属进行取样测定的基础上，运用法进行风险评价，以便对黄浦江沉积物进行较为客观全面的生态风险评价，为黄浦江流域水环境质量的综合评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品的采集

2013—2015年在黄浦江沿岸码头设置采样点，其中:吴泾电厂码头(A)采样点位于E121°28′07.5″、N31°05′00.8″；董家渡轮渡码头(B)采样点位于E121°30′14.4″、N31°13′0.10″；上海船厂码头(C)采样点位于E121°31′04.2″、N31°15′04.4″海事局码头(D)采样点位于 E121°33′40.9″、N31°16′39.5″；朱家门码头(E)采样点 位于E121°34′02.8″、N31°17′08.0″高化实业公司码头(F)采样点位于E121°33′37″、N31°18′43″海杨浦粮库码头(G)采样点位于E121°33′18.2″、N31°19′17.4″闸北电厂码头(H)采样点位于E 121°31′33.4″、N31°20′38.3″上海国际邮轮公司码头(I)采样点位于E 121°30′07.6″、N31°24′45.4″。分别从9个采样点采集表层沉积物0～2 cm 的样品各1份，采样时用GPS定位。样品的采集、固定、储存、运输及处理均按照GB 17378.3 《海洋监测规范》第3部分中的相关规定执行。

1.2 样品分析

称取1.0 g样品，经HNO3-HClO4消化处理后，用火焰原子吸收法测定Zn，用石墨炉原子吸收法测定Cu、Pb、Cd。测定步骤均按照GB 17378.3《海洋监测规范》第5部分中相关规定执行。

2 结果分析

2.1 黄浦江沉积物重金属含量变化趋势

2013—2015年黄浦江沉积物重金属要素含量和黄浦江沉积物重金属的历史数据及背景值如表1、表2所示。其中，2013—2015年Cu、Pb、Zn的含量要略高于中国大陆、中国土壤、上海土壤和工业化前沉积物全球背景值，Cd的含量要高于中国大陆、中国土壤、上海土壤背景值而小于工业化前沉积物全球背景值；与历史数据相比，2013—2015年Cu和Pb的数据要略低于2004年的数据，而Zn和Cd的数据要明显低于2004年的数据，表明重金属污染有降低的趋势。

表1 2013—2015年黄浦江沉积物重金属要素含量 mg·kg-1

续表

表2 黄浦江沉积物中重金属的历史资料及 有关背景值 mg·kg-1

2.2 黄浦江沉积物重金属年际变化特征

2013—2015年黄浦江沉积物重金属的年际变化特征如图1所示。其中，Pb的含量有所降低，且差异显著；Cd的含量呈小幅度上升的趋势，但没有显著差异；Cu和Zn的含量表现稳定。

图1 2013—2015年黄浦江沉积物重金属年际变化

2.3 黄浦江沉积物重金属污染的生态风险

2.3.1 地质积累指数法

地质积累指数法是广泛应用于研究沉积物中重金属污染程度的定量分析方法，将背景值作为标准对重金属进行归一化处理，兼顾人类活动对环境的影响和重金属分布的自然变化特征，为污染过程评价提供而有效的评价方法[10]。计算公式为：

式中：Igeo为地质积累指数；Cn为样品中元素n的浓度；Bn为背景浓度，即工业化前全球沉积物重金属背景浓度；k为修正系数，一般k=1.5，用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响。

按Igeo值的大小，可以将沉积物中重金属污染程度分为7个等级(0～6级)(表3)。

表3 地质积累指数与污染程度分级

地质积累指数评价后2013—2015年黄浦江沉积物重金属污染等级如表4所示。从不同元素的评价数据来看，污染级别总体在0～1级；对Cu来说，2013-2015年上海国际邮轮公司码头属于无污染，其余码头属于轻度污染；对Zn来说，2014年、2015年上海国际邮轮公司码头属于无污染，其余码头属于轻度污染；对Pb来说，有18.5%的码头监测属于轻度污染，其余属于无污染；对Cd来说，所有码头均属于无污染。4种元素污染程度从大到小依次为Zn、Cu、Pb、Cd，不同监测点之间没有明显差别。

2.3.2 内梅罗综合指数法

单因子指数法计算公式为：

式中：Pij代表第i种土壤类型j污染物的污染指数；Cij代表第i种土壤类型j污染物的实际测量值(mg/kg)，Sj代表第j个污染物的背景值。由于黄浦江主要承载输运功能，采用土壤环境质量标准(GB15618—1995)二级标准进行评价，其评价标准为Cu、Pb、Zn、Cd含量分别为100、300、250、0.30 mg/kg[11]。

内梅罗指数法公式为：

式中：P代表土壤质量综合指数，Pmax代表最大单项污染指数值，Pavg代表所有污染物单项污染平均值。其分级标准如表4所示。

表4 2013—2015年黄浦江沉积物地质积累指数、污染等级和污染指数

表5 土壤质量分级标准

用内梅罗综合指数对黄浦江进行重金属污染评价(表4)。结果表明，除Cd在2014年闸北电厂码头和2015年上海杨浦粮库码头污染指数超过1、超过土壤背景值外，其余各元素在2013—2015年各码头污染指数都小于1即没有超标；从各元素之间的污染指数来看，污染情况从大到小依次为Cd、Pb、Cu、Zn；从综合污染指数来看，各码头在2013—2015年绝大多数属于清洁或尚清洁水平，风险程度为安全或警戒级，只有2015年上海杨浦粮油码头污染物超过背景值水平、有轻微污染风险。

2.3.3 潜在生态危害指数法

瑞典学者 Hakanson 提出沉积物风险评价的方法，计算公式为：

黄浦江沉积物各重金属的污染指数、潜在生态危害系数和生态危害指数如表7所示。

表6 重金属元素潜在生态污染危害标准

表7 2013—2015年黄浦江沉积物重金属污染指数和潜在生态危害指数

续表

黄浦江沉积物中 Cu的污染指数绝大部分介于1～3，仅有2014年上海国际邮轮公司码头Cu污染指数小于1，说明Cu基本属于中度污染；Zn的污染指数全部介于1～3，说明Zn属于中度污染；Pb的污染指数绝大部分介于1～3，仅在2014年上海杨浦粮库码头、2015年吴泾电厂码头和上海国际邮轮公司码头的指数小于1，说明Pb基本属于中度污染；Cd的污染指数全部小于1，说明Cd 属于低污染。4种元素污染程度从大到小依次为Zn、Cu、Pb、Cd。

从不同采样点来看，2013—2015年各采样点Cu、Pb、Zn、Cd的潜在生态危害系数均小于 40，属于低风险危害；从黄浦江沉积物整体重金属的潜在生态危害来看，4种重金属的潜在生态风险系数从大到小依次为Cd、Cu、Pb、Zn，平均值分别为15.0、9.11、6.73、1.86。

从潜在生态危害指数的评价结果来看，黄浦江沉积物中重金属潜在生态危害指数均小于150，属于低生态风险。从采样时间和采样点来看，潜在生态危害指数并没有出现一定的时空分布规律。

3 不同评价方法的比较

运用地质积累指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态危害指数法对黄浦江沉积物重金属进行风险评价，其产生的评价结果相近但也存在一定的差异。就单个重金属元素的污染指数来看，地质积累指数法和内梅罗综合指数法的评价结果均为无污染或轻微污染；潜在生态危害指数法中，Cu、Pb、Zn元素属于中度污染，Cd属于低污染。3种评价方法得出4种元素的污染程度也不尽相同，其中地质积累指数法和潜在生态危害指数法污染程度由大到小依次为Zn、Cu、Pb、Cd，内梅罗综合指数法污染程度由大到小依次为Cd、Pb、Cu、Zn；从综合污染指数来看，内梅罗综合指数法和潜在生态危害指数法评价结果表明，2013—2015年各码头重金属污染或生态风险均处于较低风险。

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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

海洋倾废对上海海域生态环境影响及对策措施研究(沪海科2015-03-03).

杨涛，工程师，硕士研究生，研究方向为海洋环境科学，电子信箱：yangtao@eastsea.gov.cn

张昊飞，高级工程师，博士，研究方向为海洋环境科学，电子信箱：zhanghf@eastsea.gov.cn

P7

A

1005-9857(2016)12-0054-07