2020, Vol. 27
水生生态系统中沉积物是其重要组成部分, 承载着重要的环境演变信息[1], 其环境质量关系整个水生态系统的健康与可持续发展。在水产养殖池塘中, 沉积物表层的化学和生物学过程直接影响水质和养殖产量, 池塘沉积物作为各种化学物质的存储库、植物和动物的栖息地以及营养素再循环中心对生态系统是有益的[2], 但它同时会消耗大量氧, 变成厌氧状态或成为有毒溶解物质的来源[3-4], 因此池塘沉积物环境质量状况对生态系统稳定性、养殖生产效益以及食品安全均有重要意义。
国内沉积物中营养盐及重金属风险评价研究多见于河流[5]、湖库[6-7]及近海[8-9], 池塘沉积物中氮、磷、碳的研究常见于氮、磷收支类研究[10-11], 而对池塘沉积物氮、磷、碳及重金属风险评价尚未见报道。本文通过对上海地区养殖池塘沉积物中氮、磷、有机碳以及部分重金属的常年连续监测, 联合使用多种评价方法分析和评价该地区池塘沉积物环境质量状态, 为相关方面管理工作者提供客观、科学的管理依据, 以服务于上海市“都市绿色健康”农业。
1 材料与方法 1.1 样品采集2016—2019年对上海地区36个养殖场池塘沉积物进行跟踪监测, 养殖场覆盖崇明区、奉贤区、青浦区、松江区、金山区和浦东新区, 共采样沉积物样品360个, 池塘养殖种类主要包括淡水鱼, 包括草鱼(Ctenopharyngodon idellus)、青鱼(Mylopharyngodon piceus)、翘嘴红鲌(Culter alburnus)、黄颡鱼(Pelteobagrus fulvidraco)等, 以及凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)和中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)。池塘样点编号规则为“养殖种类首字母+池塘顺次编号”, 如F1为1号淡水鱼养殖池塘, 各样点一年内采样频次0~4次不等, 各样点分布见图 1。
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图 1 上海地区养殖池塘样点分布图 Fig.1 Distribution of pond samples of Shanghai |
利用柱状采泥器(北京普雷德仪器设备有限公司)在池塘对角线平均取三点采集三管0~20 cm的沉积物样品, 现场分0~10 cm和10~20 cm两层, 同层样品混匀。样品带回实验室后去除石块、螺蛳等杂质, 自然风干后研磨过100目(孔径0.150 mm)筛, 存储待测。
1.2 测定方法与数据处理全自动凯氏定氮仪(沛欧KJELTEC 8400)测定沉积物中总氮(TN)含量(干重, 下同), 碱熔–钼锑抗分光光法(HJ 632-2011)测定沉积物中总磷(TP)含量, 岛津SSM-5000差减法测定沉积物中有机碳(TOC)含量。电感耦合等离子体质谱法[12]测定沉积物中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd和As等元素, 微波消解原子荧光法[13]测定沉积物中Hg含量。
为保证测定结果的准确性, 进行沉积物标准品分析和样品重复性分析(重复率为5%), 样品分析误差均小于10%, 符合质量控制要求。利用Office Excel 2013软件进行数据汇总, SPSS 19.0软件进行数据统计分析, 数据显著性差异分析方法为单因素ANOVA分析, 以P < 0.05作为差异显著性水平。KMO和Bartlett球形度检验结果显示KMO值为0.686, 大于0.5, 相伴概率为0.00, 可进行因子分析(PCA), Origin Lab 8.0绘图。
1.3 氮磷碳评价方法综合污染指数法选用TN和TP为评价参数, 表征沉积物N、P综合累积程度, 单因子指数又可分别反映N和P的富营养化程度, 计算公式为:
| $ {S_i} = \frac{{{C_i}}}{{{C_s}}} $ | (1) |
| $ {\rm{FF}} = \sqrt {\frac{{{F^2} + F_{{\rm{max}}}^2}}{2}} $ | (2) |
式中, Si为单项污染指数或单因子指数; Ci为评价因子i的实测浓度值(mg/kg); Cs为评价因子i的评价标准值(mg/kg); F为n项污染物污染指数平均值; Fmax为最大单项污染指数, FF为综合污染指数, 污染程度分级参考王佩等[14]。
有机指数法[15]评价沉积物中有机质和氮的累积程度, 计算公式为:
| $ {\rm{Org - Index = Org - C \times Org - N = Org - C \times TN \times 95\% }} $ | (3) |
式中, Org-Index为有机指数; Org-C为沉积物中有机碳(TOC)含量(%); Org-N为沉积物中有机氮含量, 以95%的TN含量(%)计。当Org-Index≤0.05时沉积物为清洁状态, 0.05 < Org-Index≤0.20为轻度有机污染, 0.20 < Org-Index < 0.50为中度有机污染, Org-Index≥0.50为重度有机污染。
1.4 重金属评价方法 1.4.1 地质累积指数法地质累积指数法(geo- accumulation index, Igeo)主要用于对沉积物外源重金属的累积状况进行评价, 计算公式:
| $ {I_{geo}} = {\log _2}\frac{{C_d^i}}{{K \times C_s^i}} $ | (4) |
式中, Cdi为沉积物重金属i的实测值(mg/kg); K为造岩运动可能引起的背景值波动而设定的常数, 一般为1.5; Csi为相应重金属元素的背景值(mg/kg)。污染程度分级见表 1。
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表 1 地质累积指数法和潜在生态危害风险指数法等级划分汇总 Tab.1 Classification summary of Igeo, Er, and RI |
潜在生态危害指数(potential ecological risk index, RI)法[16]考虑不同金属毒性对生物的生态风险, 定量评价沉积物中重金属潜在生态危害程度, 计算公式:
| $ {\rm{RI}} = \sum\limits_{i = 1}^n {E_r^i} = \sum\limits_{i = 1}^n {T_r^i} \times C_f^i = \sum\limits_{i = 1}^n {T_r^i} \times \frac{{C_d^i}}{{C_s^i}} $ | (5) |
式中, Cdi为重金属i在沉积物中的实测值(mg/kg); Csi为重金属i的背景参考值(mg/kg); Cfi为重金属i的污染系数; Tri为重金属i的生态毒性响应系数, Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg和As的毒性系数分别取5、1、5、30、2、40和10; Eri为单因子重金属i的生态危害系数。RI等级划分结果见表 1。
1.4.3 一致性沉积物质量基准法一致性沉积物质量基准(consensus-based sediment quality guidelines, CBSQGs)[17]是一种着重于协调不同基准优劣的聚合沉积物基准, 它通过筛选几种具有相似评价目标的单个沉积物质量基准(SQGs), 取其几何平均值来获得相应污染物的效应浓度。CBSQGs包括阈值效应浓度(threshold effect concentrations, TECs)和可能效应浓度(probable effect concentrations, PECs), 当沉积物中污染物含量低于TECs时, 认为不会发生生物毒性效应, 当沉积物中污染物含量高于PECs时, 认为会发生生物毒性效应, 当污染物含量介于TECs和PECs之间时, 认为发生和不发生生物毒性效应的概率相当, 无法预测其生物毒性效应。MacDonald等[17]引用平均可能效应浓度商(mean probable effect concentration quotient, MPEC-Q)来评价多种重金属致污物的综合生物毒性效应, 其计算公式为:
| $ {M_{{\rm{PEC - Q}}}} = \left( {\mathop \sum \limits_{i = 1}^n C_d^i/PE{C_i}} \right)/n $ | (6) |
式中, Cdi为第i种重金属的实测值(mg/kg); PECi为第i种重金属的可能效应浓度(mg/kg); n为重金属种类个数。当MPEC-Q < 0.5时, 沉积物中重金属不会引发生物毒性反应; 当MPEC-Q > 0.5时, 发生生物毒性概率随MPEC-Q值呈指数上升趋势。
2 结果与分析 2.1 氮、磷和有机碳的分布上海地区池塘表层0~10 cm层沉积物中TN、TP和TOC平均含量同10~20 cm层无显著差异(P > 0.05), 各样点池塘表层20 cm内沉积物中TN、TP和TOC平均分布见图 2, TN含量范围287.24~ 2683.24 mg/kg, 平均为(873.37±352.45) mg/kg, TP含量范围216.84~1755.69 mg/kg, 平均为(685.66± 199.66) mg/kg, TOC含量范围1.41~19.78 mg/g, 为(6.62±3.05) mg/g。鱼塘、虾塘和蟹塘沉积物中TN、TP和TOC的平均分布均无显著差异(P > 0.05), 鱼塘沉积物中TN、TP和TOC的变异系数(CV)均高于虾塘和蟹塘, 淡水鱼养殖池塘各样点内氮、磷、碳元素含量存在较高空间差异。沉积物中氮、磷、碳年均含量变化趋势见图 3, 鱼、虾和蟹塘沉积物中TN和TOC年际间年均含量无明显差异(P > 0.05), 2018年、2019年鱼、虾、蟹塘沉积物中TP年均含量较2016和2017年高, 沉积物中TN和TP含量无逐年累积态势, 2019年监测到养殖末期池塘沉积物中TOC含量较养殖初期增加了11.24%, 绝对增量0.689%。有研究表明, 对虾养殖周期内TOC含量随着养殖时间的延长呈上升趋势, 增加比例10%左右[18-20]。与其他地区池塘及本地水域沉积物相比, 上海地区池塘沉积物中TN、TP和TOC的平均分布均低于北京[21]和广州地区[22]的高产鱼塘, 同山东[23]与河北[24]对虾池塘及上海本地的罗氏沼虾池塘[25]相当, 低于上海郊区河道[25]、黄浦江[26]和淀山湖[27], 高产池塘投饵量相对更高, 城市河道及湖泊受密集人口及工业的影响水域沉积物富营养化更严重。整体上, 上海地区养殖池塘沉积物中氮、磷和碳等营养盐元素累积量相对较低。
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图 2 上海地区不同养殖池塘采样点中TN、TP和TOC平均分布柱状图 Fig.2 Average columns of TN, TP and TOC in different pond sites of Shanghai |
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图 3 上海地区不同养殖种类池塘沉积物中TN、TP和TOC年均值变化趋势 同一养殖种类组内标有相同字母的年均值之间无显著差异(P > 0.05). Fig.3 Varience tendency of the annual averages of TN, TP, and TOC in different species farming pond sediments of Shanghai No significant difference between the annual averages marked with the same letter in the same species group (P > 0.05). |
上海地区池塘沉积物中C/N比值(TOC与TN的质量比)范围2.99~20.59, 平均为7.82±2.33, 鱼、虾和蟹塘之间C/N比均值无显著差异(P > 0.05)。根据C/N比可分析沉积物中有机物的来源, 陆地土壤或受外源输入影响较重的水域沉积物C/N比较高(> 12)[28], 碳源多来自藻类和浮游生物的水域沉积物C/N比一般小于7, 如外源污染较重的巢湖东区沉积物中C/N比为16~20[29], 太湖受陆源输入影响较重的东太湖区域C/N比明显高于其他区域[15]。87.93%的本地池塘沉积物样品中C/N比低于10, 表明池塘沉积物中C主要来源于池塘内部的生物沉降。个别样品C/N比值很高(C/Nmax=20.59), 所在采样点下一季度样品C/N值随后降至7左右, 表明C/N高值时间段内存在优质C源的加入[30]。池塘沉积物中N/P比范围0.28~ 3.06, 为1.23±0.40, 鱼、虾和蟹塘之间无显著差异(P > 0.05)。沉积物中的N、P组成随环境条件的改变而变化, 因外源污染物持续输入武汉东湖[31]沉积物中N/P比值在1982—1984年时达到13.47~ 16.47, 经过20年治理和发展后, N/P降至3左右。
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表 2 上海地区养殖池塘沉积物中C/N比和N/P比结果描述性汇总 Tab.2 Descriptive summary of ratios between carbon and nitrogen, and nitrogen and phosphorus in pond sediments of Shanghai |
池塘沉积物0~10 cm层和10~20 cm层内各重金属平均分布均无显著差异(P > 0.05), 20 cm层内沉积物中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg和As的平均含量见表 3, Cd和Hg的CV值较高, 分别为81.27%和60.38%。Cu、Pb、Cd、Cr和As在不同养殖种类池塘的平均分布无显著差异(P > 0.05), 虾塘沉积物中Zn平均含量显著高于鱼塘和蟹塘(P < 0.05), 虾、蟹塘沉积物中Hg平均含量显著高于鱼塘(P < 0.05)。不同养殖种类沉积物中个别重金属含量的显著差异可能与饲料组分不同有关, 涂杰峰等[32]对水产饲料中重金属的研究结果显示对虾饲料中Cd、Hg含量明显高于淡水鱼饲料。池塘沉积物中重金属的空间分布差异大, 尤其是淡水鱼类养殖池塘, 池塘沉积物中重金属年际分布见图 4, 无明显累积现象, 不同重金属个别年份平均分布量相对较高。
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表 3 上海地区养殖池塘沉积物中重金属平均含量汇总 Tab.3 Summary of heavy metal averages in sediment of aquaculture ponds in Shanghai |
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图 4 上海地区养殖池塘沉积物中重金属的年均分布柱状图 同一重金属指标组内标有不同字母的年际均值间存在显著差异(P < 0.05). Fig.4 Column of annual value of heavy metals in pond sediments of Shanghai Different letters indicate significant difference between annual mean values in the same group (P < 0.05). |
参考无公害食品淡水养殖产地环境沉积物质量要求标准[33](标准中未涉及的Cu和Zn以《海洋沉积物质量》[34]一级标准中相关限值为参考, 重金属样品超标率由高至低分别为: Cr 6.42%、Cd 4.13%、Cu 3.21%和Hg 1.38%, Zn、Pb和As无超标现象。与周边水域及典型养殖池塘相比(图 5), 太湖流域河流沉积物[35]中重金属平均含量均高于各地养殖池塘及上海长江口西北部[36], 太湖流域河流水环境受周边发达的经济社会影响, 沉积物中重金属含量较高, 湖州市养殖池塘沉积物中Zn、Cr、Cu、Pb、Cd和Hg平均含量明显高于上海地区, 湖州是我国重要的传统三大淡水养殖区之一[37], 其淡水养殖产量高、投饵量大, 沉积物中重金属累积量相对较高。上海市长江口西北部沉积物中重金属含量略低于本地养殖池塘, 该区域划有多个水源地水库、渔业自然保护区等特殊功能用区, 环境管理相对较严格, 其沉积物环境质量相对较好。
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图 5 上海周边水域沉积物中重金属含量分布 Fig.5 Distribution of heavy metals in sediment of the waters around Shanghai |
池塘沉积物中与N、P、TOC及重金属之间的相关性分析和因子分析(PCA)可揭示元素间潜在关系, 探究其来源问题, 指标相关性分析(表 4)表明: TN、TP和TOC之间均显著正相关(P < 0.05), Cu与TN、TP、TOC、Zn、Pb、Cd、Cr和As之间显著正相关(P < 0.05); Zn与TN、Pb、Cr和Hg之间显著正相关(P < 0.05); Pb与Cd、Cr、Hg和As之间显著正相关, 与TP和TOC之间显著负相关(P < 0.05); Cd与TN、TOC和Hg显著正相关(P < 0.05), 与As显著负相关; Hg与TN显著正相关(P < 0.05); As与TN、TP和TOC显著负相关。重金属指标之间相关性显著表明重金属来源有其共性, 沉积物中营养盐指标同Cu显著正相关, 与Pb和As显著负相关。PCA分析结果得到3个主成分(图 6), 累积方差贡献率为64.45%。成分1的主要构成为TN、TP和TOC, 方差贡献率为27.96%, 该类营养盐因子来源相同, 主要为池塘进水、饲料及浮游植物类沉降; 成分2主要构成涵盖了大多数重金属, 如Cu、Zn、Pb、Cr和As, 方差贡献率为25.45%, 成分3由Cd和Hg主要构成, 方差贡献率为11.04%。
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表 4 上海地区养殖池塘沉积物中N、P、TOC以及重金属等各指标间相关系数 Tab.4 Correlation coefficients between nitrogen, phosphorus, total orgamic carbon and heavy metals in pond sediments of Shanghai |
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图 6 上海地区养殖池塘沉积物中N、P、TOC及重金属因子载荷图 |
根据以上统计分析结果, 可将重金属分为三大类:第一类为Cu和Zn, 沉积物中Cu和Zn通常与工业生产和排污有关[38-39], 且渔用饲料和鱼药中Cu和Zn的添加现象较为普遍[40], 同时Cu和Zn与营养盐指标密切相关性证明其来源与进水及饲料有关; 第二类为Pb、Cr和As, 此类重金属的富集可反映人类活动的影响, 电池及化工涂料等工业排污中含有大量Cr、As、Pb和Cd等[41], 上海地区处长江三角洲, 其潮滩性质的土壤受工业和生活排污的影响Cr、Pb等累积量较大[42]; 第三类为Cd和Hg, Cd和Hg的来源与工业生产有关外, 还与渔用饲料密切相关, 鱼粉作为渔用饲料的优质蛋白源, 其Cd含量超标比例较为严重[43], 目前因为鱼粉对水产动物提供的优质营养成分及优秀诱食效果使其在水产饲料中无法被完全取代。
2.5 N、P、TOC风险评价分别以3种(表 5)广泛使用的N、P背景值为标准对池塘沉积物进行综合污染评价, 结果显示(表 6):在加拿大安大略省制定的沉积物N、P标准[44]下, 70.90%的沉积物样品中TN属轻度到中度污染, 88.26%的样品中TP属轻度到中度污染, 整体上池塘沉积物中N为中度污染, P为轻度污染, N、P综合为中度污染, 表明池塘沉积物已受污染, 但多数底栖生物可以承受; 以美国环境保护局制定的底泥分类N、P最低标准[14]和中国东部浅水湖泊沉积物N、P基准阈值[45]为评价基准, 池塘沉积物中N、P风险评价结果一致, 72.3%~82.63%的样品中TN属清洁等级, 92.02%~96.24%的样品中TP处中度到重度污染, 整体上池塘沉积物中N为清洁状态, P为中度污染。有机指数法评价结果表明(图 7), 处清洁和轻度污染等级的样品占比分别为59.57%和36.42%, 鱼、虾、蟹塘沉积物Org- Index平均值分别为0.069、0.069和0.049, 整体处清洁至轻度有机污染状态, 极少样品(4.02%)为中度及重度有机污染, 多来自鱼塘和虾塘。
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表 5 沉积物中TN和TP常用背景值 Tab.5 Background values of TN and TP in sediment |
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表 6 上海地区养殖池塘沉积物氮磷污染指数均值及分级占比 Tab.6 Pollution index averages and grading proportion of TN and TP in pond sediments of Shanghai |
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图 7 上海地区池塘沉积物样品有机指数法污染分级样品量分布柱状图 Fig.7 Histogram of pollution grading sample amount of pond sediments by organic index method in Shanghai |
以1990年中国环境监测总站发布的《中国土壤元素背景值》[46]中上海市表层0~20 cm土壤中重金属背景值为标准的重金属地质累积指数评价结果(表 7)表明, 96.63%样品中各重金属处于清洁等级, 轻度污染、偏中度污染和中度污染等级的样品平均占比分别为2.74%、0.56%和0.08%, 主要涉及指标为Cd。
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表 7 上海地区养殖池塘沉积物样品重金属污染风险指数均值汇总 Tab.7 Summary of heavy metal pollution index in sediment samples of aquaculture ponds in Shanghai |
以上海市土壤重金属背景值为参考值的潜在生态危害指数(RI)评价结果显示, 统计表明, 100%沉积物样品中Cu、Zn、Pb、Cr和As的单因子潜在生态危害指数(Er)均处低风险等级, Hg为低风险等级和中度风险等级的样品占比分别为89.4%和10.6%, Cd为低风险等级、中度风险等级和高度及严重风险等级的样品占比分别为82.5%、13.89%和3.6%。重金属中Cd的单因子潜在生态危害系数最高, 平均为33.69, 养殖品种间无显著差异(P > 0.05)。综合潜在生态危害指数(RI)统计显示96.9%的样品处低风险等级, 处中度风险等级和高度风险等级的样品占比分别为2.7%和0.28%, 池塘沉积物整体上处低潜在生态风险, 不同养殖品种比较而言, 虾塘沉积物重金属潜在生态风险相对较高。
对比淡水沉积物一致性沉积物质量基准(CBSQGs)阈值(图 8), 所有样品中Cu、Zn、Pb、Cd、Hg和As含量均低于其PECs, 2.5%的样品中Cr含量高于PECCr, 涉及养殖品种为鱼、虾、蟹, 且来自不同采样点位。沉积物重金属含量介于TECs和PECs之间的样品占比由高至低分别为Cr (54.44%)、As (20.28%)、Cu (6.67%)、Zn (1.67%)、Hg (1.11%)和Cd (0.28%), 所有样品中Pb含量均低于TECPb, 可见个别沉积物中Cr很可能对底栖生物产生毒性效应, 而大多沉积物样品中Pb、Cd、Hg、Zn、Cu和As不太可能引发底栖生物毒性效应。54.44%样品的中Cr和20.28%样品中的As含量介于其TECs和PECs之间, 此类样品中Cr和As对底栖生物的毒性效应不能界定, 但其可能生物毒性效应水平随污染物浓度的增加而呈递增态势[17]。根据CBSQGs法使用指南[47]中对生物毒性等级划分方法(表 8), Cr含量位于生物毒性2级的样品占比48.89%, Cr生物毒性3级的样品占比5.56%, As含量介于TECs和PECs之间的样品生物毒性等级均为2级。所有沉积物样品平均可能效应浓度商(MPEC-Q)均低于0.5, 平均为0.168, 重金属综合生物毒性效应评价结果显示池塘沉积物不会引发生物毒性效应。
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图 8 上海地区养殖池塘沉积物样品中重金属含量及平均可能效应浓度商分布散点图 Fig.8 Scatter of heavy metal concentrations and mean PEC quotient in sediment of aquaculture ponds in Shanghai |
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表 8 CBSQGs法等级分布表 Tab.8 Descriptive concern level scheme |
研究表明上海地区池塘沉积物N、P、TOC及重金属的平均分布相对较低, 本地淡水鱼养殖正向休闲渔业转型, 渔产量不再是养殖户首要目的, 投饵量的降低、水质及底质管理措施的加强(如晒塘、养殖过程中微生物制剂的添加)等均使养殖环境得到改善。本地凡纳滨对虾的养殖多为一年两造, 养殖期间虾塘水质相对较肥[48], 养殖结束后沉积物表层富含有机质的土壤颗粒被外排水带走, 晒塘等操作使池塘底泥土壤氧化, 促进有机物质分解。中华绒螯蟹养殖期间池塘种植大量水草, 水草可为河蟹提供食物, 起到遮蔽作用, 还对池塘沉积物中N、P、有机质等有良好净化效果[49], 虾、蟹的底部扰动同样会加剧表层沉积物有机物质矿化。本地凡纳滨对虾养殖期间调水剂和底质改良剂添加量普遍较鱼塘和蟹塘高, 这可能是虾塘沉积物中部分重金属(Zn、Hg)平均含量相对较高的原因之一, 外源添加剂是池塘生态系统中重金属的来源之一[50]。
3.2 沉积物风险评价池塘沉积物中氮磷综合污染指数风险评价结果因背景值不同而差异较大, 对比文中引用的三种N、P背景值, 中国东部浅水湖泊TN、TP阈值同EPA标准限值相当, 而TN阈值是安大略省TN基准值的2倍多, TP阈值是安大略省TP基准值的0.7倍左右, 安大略省制定的沉积物质量评价基准对N的要求最高。不同于前两种N、P背景值, 安大略省标准值是根据沉积物中污染物对底栖生物的生态毒性效应制定, 具有生物效应表征, 在此标准下本地池塘沉积物中N、P已受污染, 但仍在底栖生物可承受范围内, 从不具有生物效应表征的基准值评价, 池塘沉积物中N累积量较低, P的相对累积量较高。N、P累积水平不同的主要原因与N、P循环特性有关, P是典型的沉积型循环, 在土壤中多以难溶化合物形式存在, N更易通过各种生化反应进入水–大气–土壤循环, 循环速度显著高于P[51]。池塘沉积物中N、P的来源同TOC紧密相关, 结合有机指数评价结果看, 以N、P自然背景值为基准对池塘沉积物中N、P风险评价更为合适。
地质累积指数和潜在生态风险评价结果表明上海地区养殖池塘沉积物中重金属整体上处清洁和低风险等级, 其中Cd的累积现象较其他重金属重。饲料是池塘沉积物中Cd的主要来源之一, 饲料中过量的Cd主要来自一些动物性原料、矿物质添加剂等[52], 有研究结果显示长三角淡水养殖池塘沉积物样品中Cd的超标率达67%, 水产品中Cd的污染情况最为严重, 存在食用安全隐患, 沉积物中Cd的累积状况需引起高度关注, 养殖过程中饲料品质及用量的掌控对营造健康养殖环境, 提高水产品品质极为重要[53]。
一致性沉积物质量基准法(CBSQGs)预测上海地区池塘沉积物整体上无生物毒性效应, 但个别沉积物样品中Cr引发生物毒性效应的概率很大, 不同于其他两种方法评价Cd的风险相对较高的结论。导致此差异的原因之一为评价标准值不同, CBSQGs中大多重金属TECs值是上海市土壤背景值的1~2倍左右, 而TECCd是CsCd的7倍多, TECCr仅为CsCr的50%倍, 可见CBSQGs中对Cd的无生物毒性要求标准较低, 对Cr的要求较严格。其二, CBSQGs法是基于沉积物中致污物对底栖生物的毒性反应浓度作出的预测, 具生物效应表征, 地质累积指数评价法将沉积物中致污物浓度与其背景值比较, 其结果反映致污物的外源累积状况, 潜在生态风险评价法在对比致污物背景值的基础上考虑了不同致污物的毒性效应, 不同重金属毒性效应系数差异较大, TrCd为TrCr的15倍。另外, CBSQGs法不涉及水生环境中致污物的生物富集、食物链转移以及对其他野生动物或人类的影响, 有其明显的使用局限性, 如该法不适用生物富集型化合物(多氯联苯、甲基汞等)的生物毒性预测[46], 对Hg的无毒性预测概率仅为35%[17], 因此利用多种评价方法评估沉积物中重金属生态风险, 可为我们提供更加综合且全面的评估信息。
4 结论2016—2019年上海地区淡水养殖池塘0~ 20 cm层沉积物中TN、TP和TOC的含量范围分别为287.24~2683.24 mg/kg、216.84~1755.69 mg/kg和1.41~19.78 mg/g, 平均分布均无养殖种类间差异, 年际间年均值差异不显著(P > 0.05)。TN、TP和TOC之间相关性显著(P < 0.05), 共同来源于池塘内部沉降。沉积物营养盐综合污染指数和有机指数法评价结果表明沉积物中N和有机物的累积量较低, P累积量相对较高, 但低于其他地区高产池塘。
沉积物中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg和As的平均含量分别为(22.15±6.63) mg/kg、(66.96± 21.93) mg/kg、(14.89±5.82) mg/kg、(0.17±0.14) mg/kg、(50.13±19.45) mg/kg、(0.063±0.038) mg/kg和(7.69± 2.53) mg/kg, 凡纳滨对虾塘中Zn平均分布显著高于淡水鱼塘和中华绒螯蟹塘(P < 0.05), 虾塘和蟹塘中Hg平均分布显著高于鱼塘(P < 0.05), 其他重金属平均分布无显著品种差异(P > 0.05)。沉积物样品中Zn、Pb和As均无超标现象, Cr、Cd、Cu和Hg样品超标率分别为6.42%、4.13%、3.21%和1.38%。地质累积指数法、潜在生态危害指数法和一致性沉积物质量基准评价结果表明上海地区池塘沉积物中重金属整体上处于清洁等级、低潜在生态危害和不会引发生物毒性效应状态, 部分池塘沉积物中Cd和Cr的累积仍需引起密切关注。
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