李永峰， 王秋娟， 張百慧

（東北林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)系，黑龍江哈爾濱150040）

湖泊富營養(yǎng)化已成為全球性的環(huán)境污染問題[1]，在外源污染逐漸得到有效控制的條件下，沉積物作為內(nèi)源在一定條件下會向上覆水體釋放營養(yǎng)物質(zhì)，成為湖泊水體的主要污染物[2]，同時還會對藻類和水生生物群落產(chǎn)生不良的影響[3]。因此制定一個沉積物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來判斷不同污染程度的沉積物對上覆水和底棲生物產(chǎn)生的影響是治理湖泊富營養(yǎng)化的科學(xué)依據(jù)和治理湖泊污染的有效手段。國外從20世紀(jì)80年代后期就開始系統(tǒng)的研究水體沉積物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而目前，我國對這方面的研究還處于初級階段[4]。因此急需制定一個符合我國國情的湖泊沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)以進(jìn)一步分析湖泊底泥的污染程度、沉積物對湖泊富營養(yǎng)化所產(chǎn)生的作用，從而有效的保護(hù)水環(huán)境質(zhì)量和水生態(tài)系統(tǒng)的健康，為治理湖泊富營養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 目前主要的水體沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法

沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)是指特定化學(xué)物質(zhì)在沉積物中的實際允許數(shù)值，可以指示沉積物污染程度和分布特征，是沉積物分析與研究的基本點[5]。沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)是對環(huán)境質(zhì)量的評價，它既可以彌補(bǔ)水質(zhì)基準(zhǔn)的不足，又能為不同濃度的污染物所帶來的生物效應(yīng)提供理論基礎(chǔ)。國外研究者提出了十余種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法，已得到廣泛接受的方法有：大量的沉積物毒性方法、背景值法、相平衡分配法、沉積物質(zhì)量三元法、表觀效應(yīng)閾值法、示蹤沉積物毒性法等。這些方法大體可分為兩類，即基于污染物在沉積物中的平衡分配關(guān)系建立的基準(zhǔn)和基于污染物生物效應(yīng)建立的基準(zhǔn)[6]。前者利用了基于廣泛生物實驗的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，間接考慮了污染物的生物有效性，忽略了除間隙水以外的其它暴露途徑，因而影響到基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可靠性。后者則基于沉積物中污染物的生物效應(yīng)，融合了廣泛多樣的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)，但需要大量的生物有效性數(shù)據(jù)且不能明確污染物的生物有效性，以及污染物-生物效應(yīng)間的因果關(guān)系[7]。

1.1 背景值法

未受人類污染影響的土壤自身的化學(xué)元素和化合物的含量，稱為土壤的背景值[8]。土壤背景值是一個相對的概念，“零污染”土壤樣本是不存在的。背景值法是環(huán)境評價中應(yīng)用的基本方法，它根據(jù)沉積物中的背景值或參考值，監(jiān)測某種污染物質(zhì)相對于該背景值的顯著變化。

在實際研究中，可通過兩種簡單的方法獲得背景值：（1）尋找與所研究的沉積物性質(zhì)相似、生成條件相近的相對未污染樣品，分析其中化學(xué)物質(zhì)的含量[9]，如頁巖、古湖沉積物；（2）遠(yuǎn)離人類活動的地區(qū)現(xiàn)代湖泊沉積物等沉積物相應(yīng)于工業(yè)化前年代的深度上化學(xué)物質(zhì)的含量。用背景值來作為基準(zhǔn)，是在缺少不同沉積物中污染物濃度下的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)的條件下所得到的沉積物污染的一個基準(zhǔn)。該方法受人為主觀影響定置標(biāo)準(zhǔn)，在缺乏客觀生物數(shù)據(jù)或絕對標(biāo)準(zhǔn)值的情況下，不能顯示出生物所受的影響，地區(qū)差異較大而且禁止任何自然情況下的化學(xué)物質(zhì)的增加，因此只可作為參考[10]。

1.2 相平衡分配法

相平衡分配法（EqP）由美國環(huán)保局(USEPA)1985年提出并將其作為推薦方法之一，是數(shù)值型的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的典型代表，它以熱力學(xué)平衡分配理論為基礎(chǔ)，著力于預(yù)測沉積物、間隙水（沉淀物之間的水）和污染物之間的化學(xué)相互作用。根據(jù)毒性物質(zhì)所產(chǎn)生的生物效應(yīng)，來預(yù)測間隙水中不同的污染物濃度。該方法主要用來保護(hù)底棲生物，適用于逐類化學(xué)污染物[11]。EqP沉淀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是在一個污染物濃度和生物效應(yīng)之間建立一種直接的因果關(guān)系的方法。由于該方法具有可靠的理論基礎(chǔ)，在我國也引起了環(huán)境工作者的重視，在利用相平衡分配法評價河流和海洋沉積物金屬污染研究中取得了一些成果[12]。因此該方法被較為廣泛的應(yīng)用于沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立。

相平衡分配法建立在3個重要的經(jīng)驗基礎(chǔ)之上[13]：①化學(xué)物質(zhì)在沉積物/間隙水相間的交換快速而可逆，處于熱力學(xué)的平衡，因而可用相平衡分配系數(shù)(Kp)描述這種平衡；②沉積物中化學(xué)物質(zhì)的生物有效性與間隙水中該物質(zhì)的游離濃度(非絡(luò)合態(tài)的活性濃度)呈良好的相關(guān)性，而與總濃度不相關(guān)；③底棲生物與上覆水生物具有相近的敏感性，因而可將水質(zhì)基準(zhǔn)應(yīng)用于沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)中。根據(jù)相平衡分配法的基本理論，當(dāng)水體中某污染物濃度達(dá)到水質(zhì)基準(zhǔn)時，沉積物中該污染物的濃度即為其SQG值[14]：

其中：Kp為污染物在表層沉積物固相/水相間的相平衡分配系數(shù)，建立沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的關(guān)鍵在于的確定，對于不同的物質(zhì)Kp也不同，WQC為水質(zhì)基準(zhǔn)。

1.3 沉積物質(zhì)量三元法

該方法提出于20世紀(jì)80年代中期[15]。沉積物質(zhì)量三元法對于描述沉積物質(zhì)量是一種基于生物響應(yīng)的方法，是生物響應(yīng)性沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的首選方法。他通常采用沉積物化學(xué)、沉積物毒性和底棲生物群落三個步驟，三個部分提供了相互補(bǔ)充的數(shù)據(jù)，沉積物化學(xué)提供關(guān)于污染物的信息但不提供對生物的影響。沉積物生物鑒定提供沉積物毒性的對于生物生長的直接證據(jù)，測定的生物效應(yīng)包括魚貝類死亡率、呼吸變異、發(fā)育異常、致畸、致變、細(xì)菌毒理學(xué)指標(biāo)等。但是，實驗室條件下，生物監(jiān)測不能確切的反映暴露在有毒化學(xué)品下的現(xiàn)場情況，因此在實驗室條件下應(yīng)同時進(jìn)行現(xiàn)場生物測試。沉積物質(zhì)量三元法的三個組成部分將化學(xué)和生物反映數(shù)據(jù)組合起來。再通過與背景區(qū)域的對比來確定沉積物中污染物的濃度。這種組合方法既是描述性又是數(shù)字性的。他通常用來描述沉積物質(zhì)，也用于生成具體的沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)他們還提供了最有力的證據(jù)確定污染引起的環(huán)境退化。

沉積物質(zhì)量三元法也可以用來滿足下列目標(biāo):確定沉積物污染地區(qū)的污染問題引起的環(huán)境退化的發(fā)生;要優(yōu)先考慮退化地區(qū)及其對環(huán)境具有重要意義;預(yù)測可能會發(fā)生的環(huán)境退化現(xiàn)象。

1.4 表觀效應(yīng)閾值法

表觀效應(yīng)閾值法最早由Barrick等提出，該方法與沉積物質(zhì)量三元法相似，不同的是沉積物質(zhì)量三元法的化學(xué)和生物資料來自同一地理區(qū)域即可，但表觀效應(yīng)閾值法要求化學(xué)、生物和沉積物生物毒性測試必須按站位同步進(jìn)行。表觀效應(yīng)閾值法應(yīng)用相關(guān)的生物和沉積物化學(xué)數(shù)據(jù)，評估相關(guān)的污染物在沉積物中的濃度，當(dāng)沉積物中污染物超過某一特定濃度時認(rèn)為他會對環(huán)境中的生物產(chǎn)生不良影響。根據(jù)特定的地理區(qū)域的AET值的發(fā)展，它們可以用來預(yù)測在毒性化合物濃度已知的情況下是否會發(fā)生預(yù)期的生物效應(yīng)。

將污染物濃度高低排列，生物不受影響的最高污染物濃度即為表觀效應(yīng)閾值。初步基于AET值，在許多方法中深層次的方案是確定兩個沉積物質(zhì)量值:第一組值是確定產(chǎn)生生物效應(yīng)的最低濃度。第二組值是確定產(chǎn)生生物反應(yīng)的較高的化學(xué)品濃度。這兩個濃度范圍是對于在不同的化學(xué)品濃度下生物生長的“安全的”和“溫和的”化學(xué)品濃度。

表觀效應(yīng)閾值法的可靠性和客觀性均較高，可以建立不同沉積物類型和不同化學(xué)物的質(zhì)量值。表觀效應(yīng)閾值法的主要缺點也是要求資料太多，同時，不能獲得特定污染物的劑量一響應(yīng)關(guān)系，也不能確定沉積物中污染物之間的復(fù)合效應(yīng)[16]。

1.5 示蹤沉積物毒性法

該方法是把某一種(或一種以上)已知成分的化學(xué)混合物或污染物直接加入至“清潔”沉積物中，并將某種受試生物暴露于其中，示蹤沉積物毒性法與水質(zhì)基準(zhǔn)的建立方法是一樣的，能明確地給出污染物劑量與受試生物效應(yīng)之間關(guān)系，也能精確地闡明沉積物中污染物的復(fù)合效應(yīng)，是一種理想的制訂沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的方法。

2 各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法的比較

由于研究背景、研究方法和所要達(dá)到的目標(biāo)不同，每一種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法都有其適用性和局限性，因此每種單獨的方法還不能建立一套被普遍認(rèn)可的沉積物物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)。由此可看出對于針對不同條件的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法的客觀的分析和評價對于探索和建立適合我國水質(zhì)和沉積物特點的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)具有特殊重要的意義?？偨Y(jié)各種方法可以看出，現(xiàn)有的方法都在于保護(hù)水生生物為目的，以不同的污染物濃度對應(yīng)不同的生物反應(yīng)所得到的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)為依據(jù)來建立沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的。于此同時，除背景值法和相平衡分配法外，其他各個基準(zhǔn)的建立方法都需要與大量的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)來結(jié)合建立各種基準(zhǔn)，各種沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法的具體比較結(jié)果見下表1、2。

表1 沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法的對比Table 1 Comparison ofestablishment methods ofsediment qualityguidelines

表2 沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法及其特性概括Table 2 Establishment methods ofsediment qualityguidelines and their characteristics

制定沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)具有重大的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價值，是指示沉積物污染程度和分布特征的主要依據(jù)[17]。對比分析各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的制定方法的優(yōu)點及其局限性，發(fā)現(xiàn)各個方法所得出的結(jié)果差異性較大，以至于難以建立起普遍意義的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)，主要是因為各個沉積物標(biāo)準(zhǔn)制定方法由于其保護(hù)的目標(biāo)和保護(hù)的程度差異性較大，因此在篩選主要的控制因子和生物有效性數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生差距，同時各個湖區(qū)的沉積物理化性質(zhì)和污染程度的出差異也導(dǎo)致各個評價方法的評價結(jié)果存在差異。

在建立沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)時應(yīng)考慮各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法聯(lián)合建立一個基準(zhǔn)，僅靠其中一種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)很難來建立一致的基準(zhǔn)。而且大量的生物有效性數(shù)據(jù)的缺乏導(dǎo)致了所建立的各種方法所建立的基準(zhǔn)與生物的相關(guān)性較差。因此，本研究中各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法所建立基準(zhǔn)中最推薦的方法為吸附-解吸平衡法與背景值法連用，通過此方法了解沉積物的污染程度及其分布特征，可作為制定底泥疏浚規(guī)劃提供理論工具。

3 結(jié)論

通過對幾種常用的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法的比較，分析指出其局限性和適用性，指出在建立沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)時應(yīng)考慮各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法聯(lián)合建立一個適合我國社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基準(zhǔn)。本文主要從生物有效性數(shù)據(jù)缺失的角度分析推薦吸附-解吸平衡法與背景值法連用來建立沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)。

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