第22卷第1期2002年1月生 态 学 报A CTA ECOLO G I CA S I N I CA V o l .22,N o.1Jan .,2002利用综合评价方法和等级模型评价乐安江水体重金属污染 何孟常1,2，王子健13
(11中国科学院生态环境研究中心 环境水化学国家重点实验室，北京100085;2.北京师范大学环境科学研究所水环境模拟国家重点实验室，北京 100875)
基金项目：国家自然科学基金(40071073)资助项目，部分得到国际铜业协会支持(T PT 0605)
收稿日期:2001201214；修订日期:2001211203
作者简介：何孟常(1963～)，男，博士。主要从事环境污染及其生态效应研究。
生活全报道摘要：采用1992～1995年在江西乐安江所获得的野外调查数据，对化学、毒理学和生态学数据的性质进行分析比较。分析了不同类型评价参数的性质和综合利用时存在的问题，并提出了三者综合的评价方法和一个等级模型，来评价江西省乐安江河流重金属污染及潜在的生态影响。结果表明对于复杂的河流生态系统，采用多指标综合评价方法是描述污染和预测污染生态效应的一种有效途径。
关键词：重金属污染；生态风险评价；多指标；综合方法
A ssessi ng Heavy M eta ls Pollution i n the L e ′an R iver by M ulti -i n -dex and an I n tegra tive M odel
H E M eng 2Chang 1,2,W AN G Zi 2J ian 13 (1.S ta te K ey L abora tory of E nv ironm en ta l A qua tic Che m istry ,R e 2sea rch Cen ter f or E co 2E nv ironm en ta l S cience ,Ch inese A cad e my of S ciences ,B eij ing 100085,Ch ina ;2.S ta te K ey L abora to 2ry of W a ter E nv ironm en t S i m u la tion ,Institu te of E nv ironm en ta l S ciences ,B eij ing N or m a l U n iversity ,B eij ing 100875,Ch i 2
na )A cta Ecolog ica S in ica ,2002,22(1):80
～86Abstract :T he assess m ent of heavy m etal po lluti on in river is an i m po rtant top ic in the fields of w ater quali 2ty research .T he chem ical ,toxico logical o r eco logical app roaches have been extensively and independently
used to assess eco logical consequences of heavy m etals po lluti on in m any rivers
.Independent app licati on of each param eter to assess w ater quality has disci p linary li m itati on and ,therefo re ,the integrati on of these assess m ents gives a better exp lanati on to chem ical po lluti on and the associated eco logical effects in a river .
T h is paper compared the characteristics of chem ical ,bi o logical and eco logical data obtained from the field studies carried out in L e ′an R iver ,J iangxi P rovince during 1992to 1995.T here w ere th ree types of data have been included in the assess m ent :chem ical data include concentrati ons of heavy m etals in river w ater ,interstitial w ater ,and sedi m ent ,toxic data included overall toxicity in different types of samp les perfo r m ed w ith lum inobacterium P .qing hanesis 67and P .p hosp horeum ,algae C .vu lg aris and S .obliqnus ,and invertebrate D .m ag na ,as w ell as eco logical data included the abundance and richness of aquatic and bentho s species in the river .
T he characteristics of different type of data and so 2fo r m ed indicato rs used in traditi onal eco logical risk assess m ent w ere evaluated .T heir app licati on in assessing o r p redicting eco logical i m pact of heavy m etals
could result in differences
.In the case study ,the chem ical data show ed good acco rdance w ith eco logical data ,but neither chem ical no r eco logical data w ere in good acco rdance w ith toxic data .T here w ere tw o m aj o r exp lanati ons to these disagreem ents .F irstly ,the observed toxicity of the co llected samp les could no t be attributed to heavy m etals that w ere m easured and there w ere o ther po llutants o r acidity affecting
the aquatic bi o ta .Secondly ,the chem icals in w ater and in sedi m ent could no t be to tally bi oavailable and the bi oavailability depended on site 2specific aquatic conditi on .
A n integrative m ethodo logy and a h ierarch ical model w ere developed fo r assessing the po tential eco 2logical i m pact of heavy m etal po lluti on in the river .In the app roach ,N em erow Index w as used to describe w ater po lluti on by m ulti p le m etals ,R isk Index w as used to describe sedi m ent po lluti on by m ulti p le m etals ,relative inh ibiti on o r death rate from acute toxicity tests of m ulti p le species w ere classified into toxicity lev 2els to indicate the toxicity associated w ith environm ental samp les ,Shannon 2W eaver D iversity Index w as used to describe diversity of algae ,crustacean ,ro tifer and p ro tozoan comm unities and M argalef D iversity
Index w as used to describe diversity of benthonic m acro invertebrates
.Based on these index ,a h ierarch ical model w as app lied to rank the observed effects and the effects w ere divided into five classes :i
.e .no 2ef 2fect ,sligh tly affected ,moderately affected ,strongly affected and seri ously affected .
It w as show n that the m ulti 2index descri p ti on and the p ropo sed app roach should be an effecti
ve w ay fo r understanding of m etal po lluti on and its associated eco logical i m pact in L e ′an R iver .A t up stream ,w a 2ter po lluti on occurred in raining season and should be m ainly caused by zinc and it show ed a moderate toxi 2city to D .m ag na .Bo th chem ical po lluti on and toxicity to certain species did cause system deteri o rati on .
A ffected by the copper m in discharge ,river w ater w as severely po lluted by heavy m etals and acidity and the aquatic eco system w as severely deteri o rated .How ever ,neither river w ater no r sedi m ent show ed toxic effects in acute bi oassay ,indicating the m etal po llutants ,w hen m easured in to tal concentrati on ,w ere mo stly in inert fo r m s .Eco logical consequence should be m ainly associated w ith acidity .
A t converging w ith J ishui R iver ,w h ich is a tributary discharging so luble m etals to the river ,chem i 2cal ,bi o logical and eco logical data show ed in good acco rdance and the eco system deteri o rati on should be clo sely related w ith heavy m etal po lluti ons .
湍流耗散率Dow nstream of the river ,concentrati ons of heavy m etals in aqueous phase did no t exceed the allow 2able criteria and eco system w as gradually recovered .T he eco system recovery should be due to the diluti on effects ,strong buffer capacity ,as w ell as intrude of species from the lakeside .Ho
深圳潮汕商会会长吴开松w ever ,bo th w ater and sedi m ent show ed sligh t to moderate toxicity ,indicating chem ical po lluti on o ther than m etals and the dis 2turbance to sedi m ent m ay result in po tential eco logical i m pact .
Key words :heavy m etal po lluti on ;eco logical risk assess m ent ;integrated app roach
文章编号:100020933(2002)0120080207 中图分类号:Q 142,X 13112,X 171,5 文献标识码:A
目前，化学、生态学和毒理学等方法已被广泛应用于评价水环境中的重金属污染。然而，每一类方法都有它的优点和限制。化学方法得到的结果具有法律效率，便于将数据直接用于环境管理，但不能反映水体的毒性和生态状况[1]。总量测定也不能反映生物有效态的浓度和不同的环境效应[2]。水生生物已被用来监测不同水体的毒物影响和确定污染源[3]，生物监测方法已被证实是一种确定复杂污染物生物效应的可靠方法[1～5]，但缺乏和污染物浓度之间的对应关系。生态监测所得到的数据直接反映水生态系统的状况，但生态系统的退化受多种环境条件变化的影响。因此在实际研究工作中，很难用单一的评价方法，来解决复杂的环境问题，需要化学、生态和毒理学等多学科及多种评价方法的综合[6,7]。而目前关于如何利用化学、毒理学和生态学方法，以及实际应用于河流污染评价的工作尚少。
本文基于1992～1995年国际合作生态研究计划(CER P )课题所获得的数据，对乐安江化学、毒理学和生态学数据进行分析比较，提出了一个等级模型，来综合评价乐安江河流重金属污染状况。
1 研究方法
乐安江表层水中主要的污染物是重金属Cu 、Pb 和Zn 。对乐安江表层水中3种重金属浓度，水质评价
标准采用国家《地面水环境质量标准》中的 类标准(GB :3838288)和《渔业水质标准》
(TJ 35279)，即:Cu =181期何孟常等：利用综合评价方法和等级模型评价乐安江水体重金属污染
0101m g l,Pb=0105m g l,Zn=011m g l，采用N em erow水质指数公式进行综合[8]。
乐安江沉积物中主要的污染物也是重金属Cu、Pb和Zn。乐安江沉积物重金属Cu、Pb和Zn的背景浓度分别为45m g kg、34m g kg和117m g kg，采用瑞典学者H akanson的潜在生态风险性指数(R isk Index)公式对多种重金属污染物进行综合评价[9]。
原生动物、藻类和浮游动物落多样性指数，采用香农2威纳多样性指数公式计算[10]。底栖无脊椎动物多样性指数利用马格莱夫指数公式计算[11]。
对乐安江河水和沉积物提取液进行了多指标毒性测试，包括发光菌(P hotobacterium p hosp horeum T3和V ibro qing haiensis Q267)、小球藻(Ch lorella vu lg aris)和斜生栅藻(S cened es m us obliqnus)毒性测试，以及大型蚤(D ap hnia m ag na)急性和慢性毒性测试，结果以相对抑制率或相对死亡率表示。
该文所有原始数据分别取自CER P数据库。
根据表层水的N em erow指数值、沉积物生态风险性指数值、生物多样性指数值和毒性检验的相对抑制率或死亡率的大小，可把表层水和沉积物中重金属的污染及生态系统受影响程度分为：没有影响、轻微影响、中等影响、较强影响和严重影响5个等级[7]。针对乐安江河流污染的实际情况，乐安江表层水和沉积物的污染及对生态系统影响的等级划分见表1。
表1 化学、生态学和毒理学评价分类等级模型[7]
Table1 H ierarchical model for che m ical,ecolog ical and tox icolog ical assess men ts
效应I mpact
等级
Grade
水质指数值
N em erow
index
沉积物风
险指数值
H akanson
index
生物多样性
鼠咬热
指数比值3
R elative
bi odiversity index
相对抑制率
或死亡率
Inh ibiti on o r
death rate
没有影响N o i m pact <1<201.00
轻微影响Sligh t i m pact 1～220～800.75～1.00～25%
中等影响M oderate i m pact 2～380～1600.50～0.75>25%～50%
较强影响Strong i m pact 3～5160～2400.25～0.50>50%～75%
严重影响V ery strong i m pact >5>240<0.2575%～100%
3藻类、浮游动物和底栖动物的平均多样性指数比值(污染站位 对照站位)R elative B i odiversity Index w as defined as the rati o of the averaged bi odiversity index of algae,zoop lank ton and bentho s at po lluted site to that at contro l site
利用各指标及其分级，得出相应的环境质量评价结果，并在此基础上综合判断污染及其生态影响。不同评价的目的、方法，及其综合流程示于图1。
2 结果与讨论
2.1 乐安江表层水化学污染评价
乐安江河水受到来自德兴铜矿的矿山酸性废水和洎水河河水的污染，主要的环境污染物是酸性废水和重金属铜铅锌的污染。利用N em erow指数对河水中的重金属污染程度进行了评价，结果见图2。在乐安江未受德兴铜矿矿山酸性废水污染的对照河段(A01)，由于其上游有一活性炭工厂排放一些含锌废水，河水受到轻微的污染。在沽口河段(A04)，由于德兴铜矿矿山酸性废水的影响，河水受到重金属的严重污染。另据文献报道，此河段河水中的pH值也相当低，并且丰水期比枯水期酸污染严重，河水pH分别为3124和4125[22]。A05至A06河段，由于河水的稀释、吸附沉淀等作用，表层水没有受到影响。在戴村河段(A07)，由于受到来自洎水河河水的重金属污染，表层水重金属污染相当严重。在A08～A13河段，表层水仍有轻微的污染。在蔡家湾(A13)之后，河水才恢复到正常水平。
2.2 沉积物污染评价
根据H akanson的生态风险性(R I)指数公式，探讨了乐安江沉积物中重金属污染。从图3可以看出，海口(A01)沉积物基本上没有污染。沽口(A04)至虎山(A08)河段，具有很高的R I值，沉积物已经污染，并具有很强生态风险性。污染应该主要来自德兴铜矿酸性废水和洎水河。A08至A09河段沉积物具有中等或轻28 生 态 学 报22卷
图1 河流重金属污染评价方法学框图
F ig .1 M ethodo logy fo r the assess m ent of heavy m etal po lluti on
1.M ethod fo r Eco logical R isk A ssess m ent (ERA );
2.A pp roaches in ERA ;
3.Chem ical A pp roach ;
4.Toxico logical A pp roach ;
5.Eco logical A pp roach ;
6.O bjectives of A ssess m ent ;
7.Chem istry of W ater and Sedi m ent ;
8.Toxicity of W ater and Sedi m ent Samp les ;
9.Structure and Functi on of A quatic Eco system ;10.T ask s ;11.A nalysis of H eavy M etals ;12.B i oassay ;13.Eco logical Survey ;14.Index ;15.N em erow Index ;16.Inh ibiti on o r D eath R ate ;17.Species R ichness and B i odiversity ;18.M odels ;19.H ierarch icalM odel ;20.R esults ;21.A ssess m
李桂南
ents
图2 乐安江表层水重金属污染评价图
F ig .2 T he assess m ent of heavy m etal po lluti on in surface w ater of L e ′an R iver
1.A ssess m ent of Surface W aters 1没有影响N o i m pact .轻微影响Sligh t i m pact 1中等影响M oderate
i m pact 1较强影响Strong i m pact 1严重影响V ery strong i m pact A 00
～A 18.样点Samp le p lo t 微的污染，以后逐步减弱，在接近入湖口的蔡家湾(A 13)至龙口(A 16)河段沉积物表现为轻微污染。
2.3 生态学数据评价
1993年6月(丰水期)和1994年10月(枯水期)分别对乐安江的浮游植物、浮游动物和底栖生物进行
3
81期何孟常等：利用综合评价方法和等级模型评价乐安江水体重金属污染
48 生 态 学 报22卷
图3 乐安江沉积物重金属污染评价
F ig.3 T he assess m ent of heavy m etal po lluti on in sedi m ent of L e′an R iver(11A ssess m ent of Sedi m ents)
图例同图2L egend sam e as fig.2
了野外调查[12,13]。根据藻类、浮游动物和底栖动物的多样性指数值，计算出三者的多样性指数与对
照站位多样性指数的平均比值，然后进行生态影响等级划分(图4)。结果表明，在A04采样站位，由于受到德兴铜矿矿山酸性废水的污染，该河段的水生生态系统被严重破坏。从A05至A08河段，生态系统较强地被破坏。在乐安江的下游(A13～A16)，由于污染程度减轻，同时，来自鄱阳湖物种的迁移，该河段的生水生态系统逐渐恢复，只受到轻微的影响。
图4 乐安江水生生态系统状况评价
F ig.4 T he assess m ent of the eco logical characteristic in L e′an R iver(1.A ssess m ent of Eco system)
jackknife图例同图2L egend sam e as fig.2
2.4 表层水和沉积物提取液生物毒性评价
乐安江表层水T3发光菌和Q67毒性检验结果表明(图5),A01采样站位显示轻微的毒性,A04和A05表层水
没有毒性，在A07采样站位，表层水由于受到洎水河水的污染，显示极强的毒性,A08～A16河段的河水显示轻到中等的毒性。
对于乐安江沉积物提取液进行生物毒性检验结果用几何平均值表示，结果绘于图6。沉积物提取液大型蚤(D.m ag na)急性毒性检验表明，丰水期各河段沉积物都显示极强的毒性，枯水期只有A07河段的样品显示极强的毒性。
乐安江沉积物提取液的藻类(C.vu lg raris和S.obliqnus)生长抑制实验表明,A01、A04和A05样品没有或显示轻微的毒性,A07样品显示中等的毒性,A08样品没有毒性,A13样品显示轻微的毒性。如果仅仅根据上述毒性评价结果，各类样品显示的毒性主要是来自洎水河的污染物，而不是德兴铜矿。
2.5 化学、毒理学和生态学方法评价结果的比较与综合
通过对乐安江河流重金属污染化学、生物和毒理学方法评价结果的综合比较，可知用不同评价方法来描述或预测重金属污染的生态影响，结果并不相同。其中化学和生态的数据之间相对一致，而部分采样点生物毒性数据并不和化学或生态数据重合。考虑到本文所收集的数据仅限于对该水体影响重大的重金属
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