趙艷民，張 雷，王麗婧，秦延文，鄭丙輝，馬迎群，遲明慧，劉志超，楊晨晨，李利強(qiáng)

(1：中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)(2：洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，岳陽(yáng) 414000)

基于篩分水平濃度法的洞庭湖沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)初步分析

趙艷民1，張 雷1，王麗婧1，秦延文1，鄭丙輝1，馬迎群1，遲明慧1，劉志超1，楊晨晨1，李利強(qiáng)2

(1：中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)(2：洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，岳陽(yáng) 414000)

基于2013-2015年調(diào)查獲取的129個(gè)洞庭湖表層沉積物和底棲生物的調(diào)查數(shù)據(jù)，應(yīng)用篩分水平濃度法初步探討了洞庭湖沉積物幾種重金屬沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的推薦值. 結(jié)果表明，洞庭湖沉積物砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鉛(Pb)和鋅(Zn)含量均值為17.2、2.63、56.9、32.4、38.4和96.3 mg/kg (DW)；篩分水平濃度法獲取的洞庭湖沉積物As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn質(zhì)量基準(zhǔn)分別為11.97、1.13、42.03、19.17、23.63和67.54 mg/kg (DW). 通過與不同國(guó)家及地區(qū)指定的重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)推薦值以及本地區(qū)采用其他方法推導(dǎo)的重金屬基準(zhǔn)推薦值進(jìn)行比較，推算出本研究獲取的6種重金屬沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)推薦值接近所有數(shù)據(jù)的中間值. 對(duì)于洞庭湖流域，不同方法獲取的沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)具有可比性. 然而，鑒于用于推導(dǎo)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集涉及的區(qū)域較為有限，且除了重金屬污染外，影響底棲生物分布的因素較為復(fù)雜，導(dǎo)致獲取的沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)推薦值存在一定的不確定性.

洞庭湖；重金屬；沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)；篩分水平濃度法

湖泊沉積物是流域內(nèi)各種污染物質(zhì)的蓄積庫(kù)，重金屬等污染物經(jīng)過水體顆粒物的吸附、絡(luò)合、螯合等方式與懸浮顆粒物結(jié)合并最終沉降于沉積物中，因此湖泊沉積物記錄了湖區(qū)環(huán)境變化的豐富信息，在一定程度上反映了流域人類開發(fā)活動(dòng)對(duì)湖泊環(huán)境的影響[1-2]. 由于重金屬污染具有難降解、生物累積和食物鏈放大等生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，成為湖泊水環(huán)境中備受關(guān)注的污染物[3].

沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)(sediment quality criteria, SQC)是特定的化學(xué)物質(zhì)在沉積物中不對(duì)底棲生物產(chǎn)生不利影響的保護(hù)性臨界水平[4]，是底棲生物劑量-效應(yīng)關(guān)系的反映[5]，也是進(jìn)行沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù). 自美國(guó)于1980s開展沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)研究工作以來，北美、歐洲以及澳大利亞、新西蘭和中國(guó)香港等國(guó)家和地區(qū)先后采用不同的方法構(gòu)建了淡水沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)，其中一些已經(jīng)作為臨時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)被環(huán)境管理部門采用[6]. 然而，現(xiàn)有沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)應(yīng)用目的、保護(hù)目標(biāo)、保護(hù)程度和基準(zhǔn)的建立方法不同，加之沉積物污染物毒性受到諸如自身存在形態(tài)、沉積物粒度、有機(jī)碳等眾多復(fù)雜因素的影響，使得各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)之間存在較大差異[7]，對(duì)于同種重金屬，不同國(guó)家和組織之間的基準(zhǔn)值之間差異超過幾十倍[8]，因此難以直接套用國(guó)外沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)應(yīng)用于我國(guó)沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià).

1990s我國(guó)學(xué)者開始從不同角度介紹了國(guó)際對(duì)于沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的研究進(jìn)展[9-11]. 近年來，不同研究者開始采用不同方法開展沉積物中重金屬[12-13]、有機(jī)污染物[14-15]基準(zhǔn)推導(dǎo)方法研究. 目前沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的推導(dǎo)方法超過10余種，其中影響較大的包括背景值法(sediment background approach, SBA)、相平衡分配法(equilibrium partitioning approach, EqP)、沉積物加標(biāo)毒性實(shí)驗(yàn)法(spiked sediment bioassay approach, SSBA)、篩分水平濃度法(screening level concentration approach, SLCA)、沉積物質(zhì)量效應(yīng)三元法(sediment quality triad approach, SQTA)等[16].

篩分水平濃度法是基于污染物的生物效應(yīng)推導(dǎo)保護(hù)底棲生物免受污染物危害的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)方法，最初由Neff等[17]提出用于建立美國(guó)海洋以及淡水沉積物非極性有機(jī)污染物的環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn). 趙艷民等[18]對(duì)篩分水平濃度法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并應(yīng)用篩分水平濃度法獲取了渾河沉積物銅、鉛、鋅、鎘4種重金屬的基準(zhǔn)值.

洞庭湖(28°44′～29°35′N，111°53′～113°05′E)[19]位于湖南省東北部，長(zhǎng)江中游荊江段南岸，北通過松滋口、太平口、藕池口(三口)承接長(zhǎng)江來水，西南部則有湘、資、沅、澧水(四水)來水，湖水經(jīng)由東北部的城陵磯匯入長(zhǎng)江，是我國(guó)五大淡水湖之一. 湖南省是我國(guó)著名的“有色金屬之鄉(xiāng)”，主要入湖河流之一的湘江流域更是我國(guó)有色金屬開采和冶煉重要基地，沿江兩岸工礦企業(yè)排放到湘江的廢水中富含鎘(Cd)、銅(Cu)、鉛(Pb)和鋅(Zn)等重金屬元素[20]，最終匯入洞庭湖，導(dǎo)致洞庭湖水系重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)不斷增加[21]. 近年來，涉及洞庭湖沉積物重金屬的研究日益增多[19,22-23]，但對(duì)于洞庭湖沉積物中重金屬的基準(zhǔn)研究尚未見報(bào)道.

本研究利用2013-2015年獲取的洞庭湖沉積物和底棲生物調(diào)查數(shù)據(jù)，應(yīng)用篩分水平濃度法推導(dǎo)洞庭湖沉積物中砷(As)、Cd、鉻(Cr)、Cu、Pb和Zn的質(zhì)量基準(zhǔn)值，為制定沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、開展水環(huán)境綜合管理提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 樣品采集及保存

2013-2015年采用1/16 m2的改良彼得遜采泥器共收集129個(gè)洞庭湖表層沉積物以及底棲生物樣品，采樣涉及的區(qū)域如圖1，每個(gè)湖區(qū)單次采集3～9個(gè)樣本，采樣深度約為0～10 cm. 沉積物樣品裝入密封袋中置于4℃低溫保存，用以進(jìn)行理化分析. 大型底棲動(dòng)物利用分樣篩(60目)篩選，標(biāo)本采用75%(體積分?jǐn)?shù))乙醇保存.

圖1 洞庭湖典型采樣區(qū)域Fig.1 Sampling area in Lake Dongting

1.2 樣品分析與質(zhì)量控制

沉積物在通風(fēng)的室內(nèi)自然風(fēng)干、除雜、混合均勻后，用木棒和瑪瑙研缽磨碎，過100目尼龍篩后采用HNO3-HF(V∶V=5∶1)微波消解，電熱板趕酸，2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))HNO3定容至100 ml，ICP-MS(Agilent 7500CX)測(cè)定. 大型底棲動(dòng)物樣品在解剖鏡和顯微鏡下進(jìn)行鑒定和數(shù)量統(tǒng)計(jì)，獲取的大型底棲動(dòng)物大部分鑒定到種，少數(shù)鑒定到屬，詳細(xì)記錄各物種的數(shù)目，最后換算成每平方米的個(gè)體數(shù)目.

分析實(shí)驗(yàn)過程中每批樣品均做全程空白，以消除樣品處理以及測(cè)定過程中可能帶入的污染. 同步分析了購(gòu)自中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所生產(chǎn)的水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07309)，元素As、Cd、Cu、Cr、Pb和Zn的回收率分別為93%、87%、84%、98%、89%和108%，均在美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(USEPA)要求范圍(80%～120%)之內(nèi)，所有樣品均進(jìn)行平行樣測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%.

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理. 使用Origin 8.0軟件進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)等相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)繪圖.

2 結(jié)果

2.1 洞庭湖沉積物重金屬含量水平

本研究中洞庭湖表層沉積物As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量平均值分別為17.2、2.63、56.9、32.4、38.4和96.3 mg/kg(DW)，不同沉積物樣品中的重金屬元素含量變異范圍較大. 6種重金屬平均含量均高于全國(guó)水系沉積物平均值，As、Cd、Cr和Pb含量高于湖南潮土背景值，表現(xiàn)一定的污染，尤其是洞庭湖沉積物中Cd含量超過全國(guó)水系沉積物平均值近20倍(表1).

表1 洞庭湖表層沉積物重金屬含量(mg/kg(DW))

Tab.1 Heavy metal contents in surface sediments of Lake Dongting

指標(biāo)AsCdCrCuPbZn洞庭湖沉積物平均值17．22．6356．932．438．496．3洞庭湖沉積物最大值49．710．012980．686．0203洞庭湖沉積物最小值8．850．7235．912．310．232．1湖南潮土背景值[24]11．00．1832．070．023．098．0全國(guó)水系沉積物平均值[25]9．100．1438．021．025．068．0

2.2 篩分水平濃度法計(jì)算洞庭湖沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)

2.2.1 物種篩分水平濃度的計(jì)算 2013-2015年洞庭湖共篩查出大型底棲動(dòng)物47種(屬)，隸屬于3門6綱，其中軟體動(dòng)物門19種(屬)，環(huán)節(jié)動(dòng)物門寡毛綱7種，節(jié)肢動(dòng)物門昆蟲綱16種，甲殼綱3種(屬)，扁形動(dòng)物門蛭綱2種. 根據(jù)篩分水平濃度法的要求[17,26]，為剔除個(gè)別物種引起的偶然誤差，選取檢出率超過5%的38種物種作為篩分物種推導(dǎo)沉積物重金屬基準(zhǔn)值. 出現(xiàn)篩分物種的沉積物樣品重金屬含量值進(jìn)行排序，取90%的篩分物種對(duì)應(yīng)的沉積物重金屬含量值作為該篩分物種的篩分濃度(species screening level concentration, SSLC)，具體見表2.

表2 洞庭湖沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的SSLCs*

Tab.2 SSLCs for As, Cd, Cr, Cu, Pb and Zn in the sediments of Lake Dongting

底棲生物檢出率/%SSLC/(mg/kg(DW))AsCdCrCuPbZn凹狹隱搖蚊Cryptochironomusdefectus27．1317．852．2153．3143．9631．9489．33多巴小搖蚊Microchironomustabarui16．2824．012．6541．9620．1243．9880．76黃色羽搖蚊Chironomusflaviplumus24．8113．392．9266．4326．0331．8295．94喙隱搖蚊Cryptochironomusrostratus13．9511．382．7441．2939．8451．1590．38九斑多足搖蚊Polypedilummasudai8．5321．851．8765．9338．9836．8358．61雙線環(huán)足搖蚊Cricotopusbicinctus12．4038．851．9272．5335．7330．9481．21蚊型前突搖蚊Procladiusculiciformis20．0824．732．7660．5430．4248．5793．45霞甫多足搖蚊Polypedilumconvexum14．7329．821．1145．4321．6342．45104．40云集多足搖蚊Polypedilumnubifer20．9324．012．6541．9620．1243．9880．76中國(guó)長(zhǎng)足搖蚊Tanypuschinensis22．4819．852．3163．3143．9651．9499．33薄殼麗蚌Lomprotulaleleaci5．4313．253．8646．9418．2319．2673．05背角無齒蚌Anodontawoodiana5．4319．961．8850．6423．6534．68114．61赤豆螺Bithyniafuchsiana9．3010．043．7272．1836．2717．3045．44大沼螺Parafossaruluseximius10．0821．982．5070．5233．2253．11129．98淡水殼菜Limnopernalacustris11．6331．375．0148．3428．1655．97104．69方格短溝蜷Semisulcospiracancellata24．8112．811．3963．8629．8731．45142．04河蜆Corbiculafluminea28．6810．512．7953．0420．6327．7675．18黑龍短溝蜷Semisulcospiraamurensis10．0839．664．0171．3457．2640．28132．69湖球蜆Sphaeriumlacustre11．639．461．0658．9428．7938．94143．69殼菜Limnopernalacustris6．9821．231．7353．6930．2536．9479．84拉氏蜆Corbiculalargillierti11．6320．073．3867．3119．4525．1596．65梨形環(huán)棱螺Bellamyapurificata25．5816．224．6650．7622．6636．9866．74銅銹環(huán)棱螺Bellamyaaeruginosa29．4614．541．8190．0940．8142．04102．10圓頂珠蚌Uniodouglasiae20．9319．713．8167．2132．4550．4986．10中國(guó)圓田螺Cipangopaludinachinensis18．6015．641．3258．4621．4241．0994．69淡水單孔蚓Monopylephoruslimesus16．2817．241．0443．6935．6943．69103．69霍甫水絲蚓Limnodrilushoffmecisteri24．8128．463．0687．6949．9656．33183．46巨毛水絲蚓Limnodrilusudekemianus27．9118．952．7870．4650．3656．84122．69前囊管水蚓Aulodrilusprothecatus20．1623．254．9467．9839．953．64169．88蘇氏尾鰓蚓Branchiurasoweribig27．9124．263．1389．4628．6454．86119．98正顫蚓Tubifextubifex6．9824．482．0686．5446．9846．54124．94中華顫蚓Tubifexsinicus6．9817．262．3169．9351．3643．69119．69蜉游Ephemerasp．13．1828．960．9638．9619．8427．4363．25低頭石蠶Neureclipsissp．20．1617．922．0354．6926．5435．6471．96鉤蝦Gammarussp．20．9323．361．0865．6923．3928．9471．24箭蜓Gomphussp．8．5315．692．3251．7933．6431．9776．94蠓蚊Ceratopogonidaesp．20．1611．241．3250．3131．6231．2969．81蛭類Hirudineasp．23．2619．361．8766．3232．4533．6496．46

*檢出率為樣品中物種的出現(xiàn)次數(shù)與總有效樣本數(shù)的百分比(包括不同采樣站點(diǎn)，或同一采樣站點(diǎn)不同采樣時(shí)間獲取的樣品).

2.2.2 篩分水平濃度的計(jì)算 不同物種的SSLC按照從小到大的順序進(jìn)行排序，并進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果表明As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn 6種重金屬元素的物種篩分水平濃度SSLC均符合正態(tài)分布(表3).

表3 洞庭湖沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的SSLC分布檢驗(yàn)

Tab.3 Normality test of SSLCs for As, Cd, Cr, Cu， Pb and Zn in the sediments of Lake Dongting

統(tǒng)計(jì)量AsCdCrCuPbZn樣本量383838383838Shapiro?Wilk檢驗(yàn)(檢驗(yàn)水平為0．05)0．060．060．080．060．350．09Kolmogorov?Smirnov檢驗(yàn)(檢驗(yàn)水平為0．05)0．690．800．890．970．980．48

利用表2中的數(shù)據(jù)，做出洞庭湖沉積物As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的物種篩分濃度的百分位圖，并利用Origin 8.5軟件對(duì)其進(jìn)行正態(tài)擬合，根據(jù)不同物種的SSLC擬合結(jié)果，選擇5%(即95%的物種得到保護(hù))對(duì)應(yīng)的As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量作為洞庭湖沉積物中各種金屬篩分水平濃度(screening level concentration，SLC)(圖2)，最終獲取洞庭湖沉積物As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的SLC分別為11.97、1.13、42.03、19.17、23.63和67.54 mg/kg(DW)，即可作為洞庭湖沉積物6種重金屬的基準(zhǔn)值.

圖2 推導(dǎo)洞庭湖沉積物As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的SLCsFig.2 SLCs of As, Cd, Cr, Cu, Pb and Zn for the sediments of Lake Dongting

3 討論

3.1 不同國(guó)家和地區(qū)的沉積物重金屬基準(zhǔn)值

不同國(guó)家和地區(qū)的沉積物重金屬基準(zhǔn)存在明顯差異，除Zn基準(zhǔn)最大值和最小值的差異小于10倍之外，其他重金屬基準(zhǔn)值差異均超過10倍，其中Cd基準(zhǔn)最大值和最小值之比達(dá)到60倍，Cu基準(zhǔn)最大值和最小值之比也超過40倍(表4). 基準(zhǔn)差異產(chǎn)生的主要原因在于各國(guó)家和地區(qū)制定沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的方法各不相同，保護(hù)目標(biāo)和保護(hù)程度也有差異，因此在篩選環(huán)境因子以及獲得生物效應(yīng)數(shù)據(jù)方面會(huì)產(chǎn)生差異[8]. 本研究基于篩分水平濃度法獲取的洞庭湖沉積物Cd、Cu、Pb、Zn 4種重金屬的基準(zhǔn)值與霍文毅等[27]基于相平衡分配法獲取的洞庭湖沉積物基準(zhǔn)值大體相當(dāng)，表明同一區(qū)域內(nèi)不同方法獲取的沉積物重金屬基準(zhǔn)值具有可比性.

然而，由于沉積物中重金屬的生物效應(yīng)受到諸多因素的制約和影響，這些影響因素又隨沉積物類型和環(huán)境條件的改變而表現(xiàn)出較大的不同，導(dǎo)致本研究獲取的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)仍然存在較大的不確定性. 首先，由于重金屬的生物毒性主要取決于形態(tài)而非總量[28]，而特定重金屬在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化過程中通常伴隨著形態(tài)改變，篩分水平濃度法獲取沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)無法區(qū)分不同形態(tài)的重金屬對(duì)生物效應(yīng)的貢獻(xiàn). 此外，不同區(qū)域、不同時(shí)間沉積物的粒度[29]、特定化學(xué)物質(zhì)的含量[30](如有機(jī)碳、酸可揮發(fā)性硫化物)、氧化還原條件往往存在差異，造成了應(yīng)用沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)進(jìn)行沉積物質(zhì)量質(zhì)量評(píng)價(jià)的不確定性.

表4 不同國(guó)家和地區(qū)沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)值(mg/kg(DW))*

Tab.4 Sediment quality criteria values for heavy metals in different countries or areas

沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)來源AsCdCrCuPbZn洞庭湖基準(zhǔn)本研究11．971．1342．0319．1723．6367．54洞庭湖基準(zhǔn)[31]0．1619．0010．0056．00鄱陽(yáng)湖基準(zhǔn)[27]0．3346．0018．0064．00黃河中游基準(zhǔn)[27]1．3023．0017．0098．00長(zhǎng)江中下游基準(zhǔn)[27]1．70650．00250．00300．00太湖基準(zhǔn)[32]6．4255．3020．60201．50遼河基準(zhǔn)[32]5．4252．8018．90177．70NOAA的ERL[33]8．201．2081．0034．0046．70150．00NOAA的ERM[33]70．009．60370．00270．00218．00410．00佛羅里達(dá)州LEL[34]6．000．6026．0016．0031．00120．00佛羅里達(dá)州PEL[34]41．604．21160108112271USEPA的TEL?HA28[35]11．000．5836．0028．0037．0098．00USEPA的PEL?HA28[35]48．003．20120．00100．0082．00540．00最大值70．009．60370．00650．00250．00540．00最小值6．000．1626．0016．0018．9056．00最大值/最小值11．6760．0014．2340．6313．239．64

*ERL為效應(yīng)范圍低值；ERM為效應(yīng)范圍中值；LEL為最低效應(yīng)水平；PEL為可能效應(yīng)水平；TEL-HA28和PEL-HA28為28 dHyalellaazteca閾值效應(yīng)水平閾值和可能效應(yīng)水平閾值；NOAA為美國(guó)大氣與海洋管理局；FDEP為美國(guó)佛羅里達(dá)州環(huán)境保護(hù)局.

3.2 篩分水平濃度法推導(dǎo)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的分析與建議

與背景值法[1]、相平衡分配法[12, 14]和沉積物加標(biāo)毒性實(shí)驗(yàn)法[8, 36]等沉積物質(zhì)量推導(dǎo)方法相比，篩分水平濃度法的優(yōu)勢(shì)在于：(1)適用范圍廣. 篩分水平濃度法通過獲取相互匹配的沉積物和底棲生物調(diào)查數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析獲取沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)，對(duì)污染物的類型以及沉積物的種類無特殊限定，可用于各種類型污染物(重金屬、持久性有機(jī)污染物)的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)推導(dǎo)；(2)在一定程度上反映了污染物的生物毒性. 不同污染物之間相加、拮抗、協(xié)同關(guān)系最終以對(duì)底棲生物綜合毒性的方式作用于底棲生物，而篩分水平濃度法以底棲生物物種出現(xiàn)與否作為對(duì)沉積物綜合毒性的反應(yīng)；(3)方法簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的可操作性. 篩分水平濃度法能夠在不需要額外增加相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，直接利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn). 作為構(gòu)建沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的主流方法之一，加拿大安大略省利用篩分水平濃度法構(gòu)建了包括金屬、PCBs和有機(jī)氯殺蟲劑的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)[37-38]. 篩分水平濃度法的缺點(diǎn)則包括：(1)難以辨別其他因素的影響，如人工或天然因素造成的底棲生物棲息地環(huán)境改變；(2)難以明確污染物和生物效應(yīng)之間的因果關(guān)系；(3)以底棲生物出現(xiàn)與否作為評(píng)判指標(biāo)過于“激進(jìn)”，缺乏對(duì)亞致死劑量的考慮；(4)篩分水平濃度法推導(dǎo)的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的合理與否，在很大程度上取決于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的豐富程度，對(duì)于特定流域，數(shù)據(jù)不足將會(huì)導(dǎo)致較大的不確定性. USEPA以篩分水平濃度法推導(dǎo)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)時(shí)，要求每種物種在觀測(cè)站位中出現(xiàn)頻率超過10次，而用于推導(dǎo)SLC的SSLC數(shù)不少于20個(gè)[39].

本研究中受限于調(diào)查范圍以及調(diào)查方法. 本研究獲取的數(shù)據(jù)有限，而且洞庭湖人類開發(fā)活動(dòng)尤其是洞庭湖大量采砂，嚴(yán)重干擾了底棲生物的正常分布，導(dǎo)致調(diào)查數(shù)據(jù)有所偏差，因此本研究獲取的洞庭湖沉積物重金屬的質(zhì)量基準(zhǔn)具有一定的不確定性. 隨著我國(guó)監(jiān)測(cè)體系的完善，尤其是“十二五”期間，我國(guó)生物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)日趨完善[40]，用于推導(dǎo)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的相互匹配的化學(xué)數(shù)據(jù)和生物調(diào)查數(shù)據(jù)逐漸豐富，沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)推薦值的不確定性有望降低. 此外，針對(duì)篩分水平濃度以底棲動(dòng)物出現(xiàn)與否作為評(píng)判指標(biāo)過于“激進(jìn)”的問題，可適當(dāng)選擇篩分物種進(jìn)行沉積物加標(biāo)毒性試驗(yàn)，補(bǔ)充個(gè)體、組織、細(xì)胞乃至分子水平的效應(yīng)的相關(guān)結(jié)果，降低基準(zhǔn)的不確定性.

目前我國(guó)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)研究尚處于起步階段，篩分水平濃度法作為一種計(jì)算簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、能夠充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)且獲取的結(jié)果能夠反映底棲生物對(duì)污染物反應(yīng)的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)推導(dǎo)方法，在水環(huán)境管理中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值. 然而篩分水平濃度法也存在一定的局限和不足，未來工作中應(yīng)著力在以下幾個(gè)方面進(jìn)行補(bǔ)充和完善，提高沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)：(1)建立沉積物生物效應(yīng)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)各學(xué)科各部門數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通. 篩分水平濃度法的精準(zhǔn)度取決于數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量，針對(duì)我國(guó)水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)掌握在環(huán)保、水利、農(nóng)業(yè)等不同部門的現(xiàn)狀，有必要在相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)、校正和可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，建立統(tǒng)一的沉積物生物效應(yīng)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，為推導(dǎo)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)奠定基礎(chǔ). (2)重視沉積物化學(xué)分析、毒性實(shí)驗(yàn)和生物調(diào)查的結(jié)合研究，建立沉積物污染和生物效應(yīng)之間的因果關(guān)系，提高基準(zhǔn)的可靠性. (3)加強(qiáng)對(duì)沉積物中污染物生物毒性的影響因素研究，如開展沉積物粒度、有機(jī)碳、酸可揮發(fā)性硫化物等因素與沉積物中污染物毒性的相關(guān)關(guān)系研究，為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)提供依據(jù).

4 結(jié)論

洞庭湖沉積物重金屬元素含量高于全國(guó)水系沉積物平均值，表現(xiàn)出一定的污染，其中鎘污染程度最高. 應(yīng)用篩分水平濃度法獲取了洞庭湖沉積物As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的基準(zhǔn)值，分別為11.97、1.13、42.03、19.17、23.63和67.54 mg/kg. 同一區(qū)域應(yīng)用不同沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)推導(dǎo)方法獲取的重金屬基準(zhǔn)值具有可比性. 然而，受限于調(diào)查數(shù)據(jù)以及沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)推導(dǎo)方法自身的局限性，獲取的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)值具有一定的不確定性.

致謝：南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王新華教授在物種鑒定方面提供大量幫助，在此表示感謝.

[1] F?rstner U, Wittmann GTW eds. Metal pollution in the aquatic environment. Berlin: Springer-Verlag, 1979:110-192.

[2] Rognerud S, Fjeld E. Trace element contamination of Norwegian Lake sediments.Ambio, 2001, 30(1):11-19.

[3] Yan Ting, Liu Enfeng, Zhang Enlouetal. The spatio-temporal variations of heavy metals in the sediment of Lake Fuxian and the contamination assessment.JLakeSci, 2016, 28(1):50-58. DOI:10.18307/2016.0106. [燕婷, 劉恩峰, 張恩樓等. 撫仙湖沉積物重金屬時(shí)空變化與人為污染評(píng)價(jià). 湖泊科學(xué), 2016, 28(1): 50-58.]

[4] Chen Jingsheng, Wang Feiyue. Some problems on sediment quality criteria.EnvironmentalChemistry, 1992, 11(3):60-70. [陳靜生, 王飛越. 關(guān)于水體沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)問題. 環(huán)境化學(xué), 1992, 11(3): 60-70.]

[5] DiToro DM, McGrath JA. Technical basis for narcotic chemicals and polycyclic aromatic hydrocarbon criteria Ⅱ. Mixtures and sediments.EnvironmentalToxicologyandChemistry, 2000, 19(8): 1951-1970.

[6] Chapman PM, Alland PJ, Vigers GA. Development of sediment quality values for Hong Kong Special Administrative Region: A possible model for other jurisdictions.MarinePollutionBulletin, 1999, 38(3): 161-169.

[7] US EPA. A Guidance manual to support the assessment of contaminated sediments in freshwater ecosystem great lakes national program office. Chicago： Illinois, 2002, EPA-905-B02-001-B.

[8] Chen Yunzeng, Yang Hao, Zhang Zhenkeetal. The difference and cause analyses of freshwater sediment quality guidelines.JLakeSci, 2005, 17(3):193-201. DOI:10.18307/2005.0301. [陳云增, 楊浩, 張振克等. 淡水沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)差異分析. 湖泊科學(xué), 2005, 17(3): 193-201.]

[9] Liu Wenxin, Luan Zhaokun, Tang Hongxiao. Sediment quality criteria for heavy metal pollution in the Lean River II. Equilibrium partitioning approach.ActaScientiaeCircumstantiae, 1999, 19(3): 230-235. [劉文新, 欒兆坤, 湯鴻霄. 河流沉積物重金屬污染質(zhì)量控制基準(zhǔn)的研究Ⅱ. 相平衡分配方法(EqP). 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 19(3): 230-235.]

[10] Wen Xianghua. Sediment quality criteria for heavy metals.EnvironmentalChemistry, 1993, 12(5): 334-341. [文湘華. 水體沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)研究. 環(huán)境化學(xué), 1993, 12(5): 334-341.]

[11] Wang Lixin, Chen Jingsheng. The advance of approaches for deriving sediment quality criteria for heavy metals.ActaScientianrumNaturaliumUniversitatisNeiMongl, 2003, 34(4): 472-477. [王立新, 陳靜生. 建立水體沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)的方法研究進(jìn)展. 內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2003, 34(4): 472-477.]

[12] Fang Tao, Xu Xiaoqing. Establishment of sediment quality criteria for metals in water of the Yangte River using equilibrium-partitioning approach.ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasin, 2007, 16(4): 525-531. [方濤, 徐小清. 應(yīng)用平衡分配法建立長(zhǎng)江水系沉積物金屬相對(duì)質(zhì)量基準(zhǔn). 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2007, 16(4): 525-531.]

[13] Zhang Ting, Zhong Wenyu, Zeng Yietal. Sediment heavy mentals quality criteria for fresh waters based on biological effect database approach.ChineseJournalofAppliedEcology, 2012, 23(9): 2587-2594. [張婷, 鐘文玨, 曾毅等. 應(yīng)用生物效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)法建立淡水水體沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 23(9): 2587-2594.]

[14] Zhu Lingyan, Liu Nannan, Deng Baole. Sediment quality criteria for organic pollutants based on phase-equilibrium partitioning approach: A review.ChineseJournalofAppliedEcology, 2009, 20(10): 2574-2580. [祝凌燕, 劉楠楠, 鄧保樂. 基于相平衡分配法的水體沉積物中有機(jī)物污染物質(zhì)量基準(zhǔn)研究進(jìn)展. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(10): 2574-2580.]

[15] Zhong Wenyu, Chang Chun, Zeng Yietal. Development of freshwater sediment quality criteria for nonionic organics—Using Lindan as an example.AsianJournalofEcotoxicology, 2011, 6(5): 476-484. [鐘文玨, 常春, 曾毅等. 非離子有機(jī)物淡水沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)推導(dǎo)方法——以林丹為例. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2011, 6(5): 476-484.]

[16] Chen Yunzeng, Yang Hao, Zhang Zhenkeetal. Reiview of approaches for deriving sediment quality guidelines.AdvancesinEarthScience, 2006, 21(1): 53-61. [陳云增, 楊浩, 張振克等. 水體沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法研究進(jìn)展. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2006, 21(1): 53-61.]

[17] Neff JM, Bean DJ, Comaby BWetal. Sediment quality criteria methodology validation calculation of screening level concentration from field data. Washington DC: Office of Water Regulation and Standards, 1986.

[18] Zhao Yanmin, Zhang Lei, Qin Yanwenetal. Sediment quality critera for heavy metals in Hunhe River based on screening level concentration approach.AsianJournalofEcotoxicology, 2014, 9(2): 329-338. [趙艷民, 張雷, 秦延文等. 篩分水平濃度法構(gòu)建渾河沉積物重金屬基準(zhǔn)初步研究. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2014, 9(2): 329-338.]

[19] Zhu Yunlong, Jiang Jiahu, Sun Zhandongetal. Character and assessment of heavy metals in the sediments from Lake Dongting.JLakeSci, 20(4): 477-485. DOI:10.18307/2008.0411. [祝云龍, 姜加虎, 孫占東等. 洞庭湖沉積物中重金屬污染特征與評(píng)價(jià). 湖泊科學(xué), 2008, 20(4): 477-485.]

[20] Wang Qiuheng, Wang Shuyun, Liu Meiying. Saftey evaluation on pollution of Xiang River valley in Hunan Province.ChinaWater&WasteWater, 2004, 20(8): 104-106. [王秋衡, 王淑云, 劉美英. 湖南湘江流域污染的安全評(píng)價(jià). 中國(guó)給水排水, 2004, 20(8): 104-106.]

[21] Zhang Guanggui, Huang Bo. Health risk assessment of heavy metals in Dongting Lake water system in Hunan Province, China.WaterResourcesProtection, 2014, 30(1): 14-17, 47. [張光貴, 黃博. 湖南洞庭湖水系沉積物重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià). 水資源保護(hù), 2014, 30(1): 14-17, 47.]

[22] Dong Meng, Zhao Yunlin, Lei Cunxietal. Distribution and pollution evaluation of four kinds of heavy metals in chau embankment soil of South Dongting Lake.Soils, 2010, 42(3): 453-458. [董萌, 趙運(yùn)林, 雷存喜等. 南洞庭湖洲垸土壤中四種重金屬的分布特征及污染狀況評(píng)價(jià). 土壤, 2010, 42(3): 453-458.]

[23] Wan Qun, Li Fei, Zhu Huinaetal. Distribution characteristics, pollution assessment and source identification of heavy metals in the sediment of east Dongting Lake.ResearchofEnvironmentalSciences, 2011, 24(12): 1378-1384.[萬群, 李飛, ?；勰鹊? 東洞庭湖沉積物中重金屬的分布特征、污染評(píng)價(jià)與來源辨析. 環(huán)境科學(xué)研究, 2011, 24(12): 1378-1384.]

[24] Li Yongjin, Tang Yuxi, Tang Jieetal. Distribution and ecological risk assessment of heavy metal elements in soils of the beaches in Dongting Lake.JournalofCentralSouthUniversityofForestry&Technology, 2011, 31(2): 55-59. [李永進(jìn), 湯玉喜, 唐潔等. 洞庭湖灘地重金屬分布及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià). 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2011, 31(2): 55-59.]

[25] Yan Mingcai, Chi Qinghua, Gu Tiexinetal. Average element content of various sediments in China.Geophysical&GeochemicalExploraion, 19(6): 468-472. [鄢明才, 遲清華, 顧鐵新等. 中國(guó)各類沉積物化學(xué)元素平均含量. 物探與化探, 1995, 19(6): 468-472.]

[26] US EPA. Sediment quality criteria methodology validation: Calculation of screening level concentrations from field data. Washington DC: Office of Water, 1986.

[27] Huo Wenyi, Chen Jingsheng. Water-particulate distribution coefficient of heavy metal and application in sediment quality criteria in China River.EnvironmentalSciences, 1997, 18(4): 10-13. [霍文毅, 陳靜生. 我國(guó)部分河流重金屬水-固分配系數(shù)及在河流質(zhì)量基準(zhǔn)研究中的應(yīng)用. 環(huán)境科學(xué), 1997, 18(4): 10-13.]

[28] Lee CF, Jones-Lee A. Can chemically-based sediment quality criteria be used as reliable screening tools for water quality impacts?SocietyofEnvironmentalToxicologyandChemistryNews, 1996, 16(3): 14-15.

[29] Horowitz AJ, Elrick KA. The relation of stream sediment surface area, grain size, and compostion to trace element chemistry.AppliedGeochemistry, 1987, 2(4): 437-451.

[30] Di Toro DM, Mahony JD, Hansen DJetal. Toxicity of cadmium in sediments: The role of acid volatile sulfide.EnvironmentalToxicologyandChemistry, 1990, 9(12): 1487-1502.

[31] Wang Feiyue. Environmental Geochemistry of particulate matter and heavy metals in eastern China[Dissertation]. Beijing: Peking University, 1995. [王飛越. 中國(guó)東部河流顆粒物-重金屬環(huán)境地球化學(xué)[學(xué)位論文]. 北京: 北京大學(xué), 1995.]

[32] Deng Baole, Zhu Lingyan, Liu Manetal. Sediment quality criteria and ecological risk assessment for heavy metals in Taihu Lake and Liao River.ResearchofEnvironmentalSciences, 2011, 24(1): 33-42. [鄧保樂, 祝凌燕, 劉慢等. 太湖和遼河沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估. 環(huán)境科學(xué)研究, 2011, 24(1): 33-42.]

[33] NOAA. Screening Quick Reference Tables (SQuiRT). Washington DC: Coastal Protection and Restoration Division, 1999.

[34] MacDonald DD. Approach to the assessment of sediment quality in Florida coastal waters. Tallahassee, Florida: Florida Department of Environmental Protection Office of Water Policy, 1994.

[35] MacDonald DD, Ingersoll CG, Berger TA. Development and evaluation of consensus-based sediment quality guidelines for freshwater ecosystems.ArchivesofEnvironmentalContaminationandToxicology, 2000, 39(1): 20-31.

[36] Swartz RC, Kemp PF, Schults DWetal. Acute toxicity of sediment from Eagle Harbour, Washington, to the infaunal amphipodRhepoxyniusabronius.EnvironmentalToxicologyandChemistry, 1995, 8(3): 215-222.[37] Jaagumagi R. Development of the ontario provincial sediment quality guidelines for Arsenic, Cadmium, Chromium, Copper, Iron, Lead, Manganese, Mercury, Nickel, and Zinc. Toronto: Water Resources Branch, Environment Ontario, 1990.

[38] Jaagumagi R. Development of the ontario provincial sediment quality guidelines for PCBs and the organochlorine pesticides. Toronto: Water Resources Branch, Environment Ontario, 1990.

[39] Chapman PM. Current approaches to developing sediment quality criteria.EnvironmentalToxicologyandChemistry, 1989, 8(7): 589-599.

[40] Yin Kun, Lü Yibing, Teng Enjiang. American water environment bio-monitoring system and its suggestion for bio-monitoring in China.TheAdministrationandTechniqueofEnvironmentalMonitoring, 2012, 24(5): 8-12. [陰琨, 呂怡兵, 滕恩江. 美國(guó)水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)體系及對(duì)我國(guó)生物監(jiān)測(cè)的建議. 環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù), 2012, 24(5): 8-12.]

Sediment quality criteria for heavy metals in Lake Dongting based on screening level concentration approach

ZHAO Yanmin1, ZHANG Lei1, WANG Lijing1, QIN Yanwen1**, ZHENG Binghui1, MA Yingqun1, CHI Minghui1, LIU Zhichao1, YANG Chenchen1& LI Liqiang2

(1:StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,P.R.China)(2:DongtingLakeEco-EnvironmentMonitoringCentre,Yueyang414000,P.R.China)

129 surface sediment samples and the co-occurrence macrozoobenthos samples were collected from Lake Dongting during 2013-2015. Concentrations of six kinds of heavy metal—arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr), copper (Cu), lead (Pb) and zinc (Zn) in the sediment were measured and the species composition of macrozoobenthos was identified. The results showed that the average concentrations of As, Cd, Cr, Cu, Pb and Zn were 17.2, 2.63, 56.9, 32.4, 38.4 and 96.3 mg/kg (DW), respectively. Based on the field data on the co-occurrence of sediments and macrozoobenthos and the concentrations of heavy metal, the screening level concentration (SLC) approach was induced to preliminarily explore the sediment quality criteria (SQC) recommended values of heavy metal for surface sediments from Lake Dongting. The calculated SQCs of As, Cd, Cr, Cu, Pb and Zn of Lake Dongting were 11.97, 1.13, 42.03, 19.17, 23.63 and 67.54 mg/kg (DW), respectively. These SQC values were compared with those of different countries and regions. It was found that SQCs obtained in this study were close to the median values of the reference data. The SQCs of heavy metal in Lake Dongting came from different derivation methods were comparative. However, there is still some uncertainty when applied the values of SQC derived from screen level concentration approach. One reason responsible for the uncertainty of the SQCs is that the field data used to derive SQCs is limited. In addition of heavy metal pollution, many other factors can affect the distribution of macrozoobenthos, which will lead to relatively biased in the values of SQCs.

Lake Dongting; heavy metal; sediment quality criteria; screening level concentration approach

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB417004)和國(guó)務(wù)院三峽辦洞庭湖江湖生態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(JJ[2015]-002)聯(lián)合資助. 2016-01-29收稿; 2016-04-13收修改稿. 趙艷民(1979～)，男，博士，副研究員；E-mail: zhaoym@craes.org.cn.

*通信作者；E-mail: Qinyw@craes.org.cn.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(1)： 78-86

DOI 10.18307/2017.0109

?2017 byJournalofLakeSciences