寧璇璇，夏炳訓(xùn)，姜軍成，紀(jì)殿勝，楊魯寧

（國家海洋局煙臺(tái)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東 煙臺(tái) 264006）

近岸海域是海洋與陸地生態(tài)系統(tǒng)的交匯地帶，具有海陸過渡區(qū)特有的脆弱性與敏感性（范學(xué)忠等，2010），不僅記錄了大量海陸相互作用的信息，也集中反映了人類活動(dòng)對(duì)該區(qū)域的影響程度。隨著沿海城市發(fā)展進(jìn)程的加快，近岸海域環(huán)境污染日益嚴(yán)重，其中重金屬污染尤為突出。由于重金屬污染物具有毒性強(qiáng)、不易分解等特點(diǎn)，且可沿食物鏈傳遞和富集，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)及人體健康（如20世紀(jì)50年代日本的“水俁病”、“骨痛病”）具有較大危害（王文雄等，2004；王曉蓉，2001）。重金屬進(jìn)入受納水體后，絕大部分經(jīng)吸附沉淀迅速轉(zhuǎn)移至沉積物中，使沉積物成為主要存儲(chǔ)庫（Sin et al，2001）；而吸附在沉積物中的重金屬又通過不斷的解析過程，長期向水體釋放并引發(fā)二次污染（Valdes et al，2005）?？梢姡哂性磁c匯雙重作用的沉積物在重金屬污染評(píng)價(jià)中至關(guān)重要（Chapman et al，1999）。全球首屆沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)會(huì)議就強(qiáng)調(diào)了沉積物風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的重要性，并把重金屬列為主要評(píng)價(jià)因子之一（Chapman，1995）。

煙臺(tái)市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)是國務(wù)院首批設(shè)立的國家級(jí)開發(fā)區(qū)，先后有多項(xiàng)重大項(xiàng)目落戶發(fā)展。沿海重大項(xiàng)目的建設(shè)投產(chǎn)一方面促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，但也對(duì)近岸海域的生態(tài)環(huán)境造成了不小沖擊。為研究該區(qū)域的重金屬污染狀況，本文在分析表層沉積物重金屬含量及分布特征的基礎(chǔ)上，對(duì)污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期為該海域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與分析

根據(jù)2006-2010年煙臺(tái)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站對(duì)開發(fā)區(qū)用海項(xiàng)目海域環(huán)境的監(jiān)測(cè)資料，選取監(jiān)測(cè)站位共40個(gè)，如圖1所示。沉積物樣品經(jīng)曙光采泥器（張口面積0.05 m2）采集，取其中央未受干擾的表層0-2 cm泥樣于聚乙烯袋中，按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2007）進(jìn)行貯存、預(yù)處理及分析。樣品經(jīng)自然風(fēng)干，去除雜物充分混合，研磨后過160目篩供分析使用。稱取0.200 0 g烘干樣品，經(jīng)HNO3-HClO4消解后，采用原子吸收分光光度計(jì)火焰法測(cè)定Zn含量、石墨爐法測(cè)定Cu、Pb、Cd含量；經(jīng)HNO3-HCl體系消解后，采用原子熒光光度計(jì)測(cè)定Hg、As含量；TOC采用重鉻酸鉀氧化還原容量法測(cè)定；分析過程使用近海海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07314進(jìn)行質(zhì)量控制。

圖1 監(jiān)測(cè)站位

1.2 評(píng)價(jià)與計(jì)算方法

地累積指數(shù)法（Müller，1969）公式為：

式中：Cn為重金屬n的實(shí)測(cè)值；是考慮到造巖運(yùn)動(dòng)可能引起背景值波動(dòng)而設(shè)定的常數(shù)，通常取1.5；Bn指在沉積母質(zhì)中元素n的地球化學(xué)背景值。依據(jù)Igeo將污染程度分為7個(gè)等級(jí)（Müller，1969），見表1。

表1 Igeo與污染分級(jí)

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法（Hakanson，1980）975公式為：

式中：Ci為元素i的實(shí)測(cè)值；為i的背景濃度；為單因子污染指數(shù)；Cd為總體污染程度；為污染物i的毒性響應(yīng)系數(shù)；為i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；ERI為多種污染物的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染程度分級(jí)（Hakanson，1980）993見表2。

表 2 ERI 與污染程度的關(guān)系

表 2 ERI 與污染程度的關(guān)系

綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度＜1 低 ＜8 低 ＜40 低 ＜150 低1～3 中等 8～16 中等 40～80 中等 150～300 中等3～6 重 16～32 重 80～160 較重 300～600 較重≥6 嚴(yán)重 ≥32 嚴(yán)重 160～320 重 ≥600 嚴(yán)重≥320 嚴(yán)重Cfi單因子污染程度Cd綜合污染程度Eri單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度ERI

1.3 參數(shù)確定

1.3.1 背景值確定

為避免采用大尺度平均值產(chǎn)生的偏差，本文選取北黃海沉積物中重金屬背景值（李淑媛等，1994）作參比來評(píng)價(jià)重金屬的污染情況，見表3。

表3 重金屬的背景濃度值及毒性響應(yīng)系數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 煙臺(tái)近海表層沉積物重金屬含量及分布特征

表4為調(diào)查區(qū)域表層沉積物重金屬含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯?，研究區(qū)域表層沉積物重金屬含量均值低于國家沉積物Ⅰ類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上限值，Cu、Hg最高值也未超出Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值（國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2002）。其中，Hg的變異系數(shù)較大，Pb、Cu次之，Cd、Zn、As變異系數(shù)較小。與國內(nèi)其它海域的調(diào)查數(shù)據(jù)（表4）比較發(fā)現(xiàn)（李玉，2005；彭士濤等，2009；張淑娜等，2008；王秋蓮等，2010；劉芳文等，2002；王蓓，2008；張玉鳳等，2008），調(diào)查區(qū)域的Cu、Pb、Zn含量較低，而Cd含量高于天津及長江口近海海域的調(diào)查結(jié)果；Hg略高于天津近海海域，遠(yuǎn)低于膠州灣和珠江口；As含量高于珠江口表層沉積物含量。

根據(jù)各站位測(cè)定結(jié)果繪制重金屬含量平面分布圖，如圖2所示。Cu、Zn、As含量呈現(xiàn)由西至東降低、套子灣內(nèi)由北向南增大的變化趨勢(shì)。Cu最高值出現(xiàn)在31號(hào)站位，最低值為18號(hào)站位；Zn最高值為38號(hào)站位，最低值為20號(hào)站位；As最高值為34號(hào)站位，最低值為14號(hào)站位。Pb在山后附近海域及調(diào)查區(qū)域西側(cè)均存在高值區(qū)，高值中心點(diǎn)位于24和35號(hào)站位，濃度分別為25.01和22.5 mg/kg；Cd分布趨勢(shì)與Pb類似，高值中心點(diǎn)位于35和22站位，濃度分別為0.47和0.35 mg/kg。Hg高值集中在調(diào)查區(qū)域西側(cè)的30、34、35等站位，其它站位含量較低。

表4 調(diào)查區(qū)域和其它海域表層沉積物重金屬元素含量（平均值）（單位：mg·kg-1）

2.2 有機(jī)碳含量與重金屬分布特征的相關(guān)性分析

圖2 重金屬的空間分布圖

圖3 有機(jī)碳（%）的含量分布

作為良好的重金屬結(jié)合底物，有機(jī)質(zhì)含量是影響表層沉積物重金屬分布的主要因子之一（Soares et al，1999；Borg et al，1996）。根據(jù)表層沉積物有機(jī)碳含量繪制平面分布圖，如圖3所示。采用SPSS 15.0軟件對(duì)重金屬分布特征及TOC含量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)Cu、Hg、Zn、As之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系；Pb與Cu、Zn正相關(guān)，但與其它重金屬不存在相關(guān)性；Cd在0.05水平上與Hg相關(guān)。Cu、Hg、Zn、As與TOC含量在0.01水平呈顯著正相關(guān)，而Pb、Cd與TOC含量之間無明顯相關(guān)關(guān)系（表5）。Katz等（1981）提出水體中受污染的顆粒物富集載重大量的有機(jī)物，它們是重金屬良好的吸附劑，能夠攜帶重金屬進(jìn)行共沉積。根據(jù)上述分析推測(cè)，調(diào)查區(qū)域表層沉積物重金屬Cu、Hg、Zn、As可能具有相似的污染來源，而Pb、Cd的分布特征和相關(guān)性分析結(jié)果表明，其主要污染來源與其它幾種重金屬不同。

表5 重金屬及與有機(jī)碳含量的相關(guān)性分析

2.3 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

各金屬元素Igeo計(jì)算結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)域Cd以輕度污染為主，在17、22和35號(hào)站位出現(xiàn)偏中度污染；其它金屬Igeo均值都<0，但個(gè)別站位的Cu、Pb和Hg含量超過背景值，如Cu在31和35號(hào)站位出現(xiàn)輕度污染，24號(hào)站位出現(xiàn)Pb輕度污染，Hg在13、34、35、38與39號(hào)站位出現(xiàn)輕度污染；Zn、As在所有站位均保持清潔狀態(tài)。各金屬元素污染程度依次為：Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Hg＞As。

2.4 污染指數(shù)分析

調(diào)查區(qū)域各重金屬的單因子污染系數(shù)Cfi和綜合污染指數(shù)Cd如表7所示。從Cfi來看，Cd屬于中等污染；其余重金屬Cfi均值小于1，屬于低污染水平，但Cu、Pb、Hg在部分站位達(dá)到中等污染水平。各元素的平均污染程度排序?yàn)椋篊d＞Cu＞Hg＞Pb＞Zn＞As。可以看出，雖然 Cfi與 Igeo的計(jì)算方法都是基于重金屬實(shí)測(cè)值與區(qū)域背景值的比較得出，然而由于分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不同可導(dǎo)致污染等級(jí)的劃分出現(xiàn)一定的差異。兩種方法的分析結(jié)果均表明，Cd是調(diào)查區(qū)域的主要污染因子，這可能與煙臺(tái)開發(fā)區(qū)內(nèi)電子信息、機(jī)械、汽車行業(yè)密集分布有關(guān)。從綜合污染指數(shù)來看，調(diào)查區(qū)域Cd均值<8，總體屬于低污染水平，而位于調(diào)查區(qū)域西側(cè)的34、35和38號(hào)站位Cd值大于8，達(dá)到中等污染程度。

2.5 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

表8為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Eri和污染物綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ERI的計(jì)算結(jié)果。從Eri結(jié)果來看，Cd在絕大多數(shù)站位的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中等水平，7個(gè)站位Eri值>80，達(dá)到較重風(fēng)險(xiǎn)，其余少數(shù)站位屬于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)；雖然Hg的Eri均值<40，但在13、30、34、35站位已處于較重風(fēng)險(xiǎn)，在38和39站位屬于中等風(fēng)險(xiǎn)；Cu、Pb、Zn、As在各站位均屬于低風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)排序?yàn)椋篊d＞Hg＞Cu＞As＞Pb＞Zn，其中Cd是調(diào)查海域最主要的風(fēng)險(xiǎn)因子，Hg也存在一定風(fēng)險(xiǎn)。這與Cfi計(jì)算結(jié)果的排列順序有所差別，原因是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)考慮了重金屬的生物毒性效應(yīng)因素，相關(guān)結(jié)果更能反映重金屬元素的潛在生態(tài)危害。從ERI看，13、30、34、35、38和39號(hào)站位的值介于150～300，綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)處于中等，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性最高的站位為35號(hào)站，其ERI值為267.33，是由于Cd和Hg的風(fēng)險(xiǎn)較大所致。其余站位的值ERI＜150，處于低風(fēng)險(xiǎn)水平。

表6 調(diào)查區(qū)域表層沉積物重金屬的地累積指數(shù)

表7 重金屬污染單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

表8 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

3 結(jié)論

（1）煙臺(tái)開發(fā)區(qū)近海表層沉積物6種重金屬含量均值低于國家沉積物Ⅰ類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值。Cu、Hg、Zn、As之間及與有機(jī)碳含量間存在顯著正相關(guān)性，表明這4種金屬具有相似來源。

（2）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，Cd是調(diào)查區(qū)域的主要風(fēng)險(xiǎn)因子，該區(qū)域總體處于低風(fēng)險(xiǎn)水平。

Borg H，Jonsson P，1996.Large-scale metal distribution in Baltic Sea sediments.Marine Pollution Bulletin，32（1）：8-21.

Chapman P M，Wang F Y，1999.Appropriate applications of sediment quality values for metals and metalloids.Environmental Science and Technology，33（22）：3937-3941.

Chapman P M，1995.Sediment quality assessment：status and outlook.Journal of Aquatic Ecosystem Health，4（3）：183-194.

Hakanson L，1980.An ecological risk index for aquatic pollution contro1：a sedimentological approach.Water Research，14（8）：975-1001.

Katz A，Kaplan I R，1981.Heavy metals behavior in coastal sediments of Southern California：a critical review and synthesis.Marine Chemistry，10（4），261-299.

Müller G，1969.Index of geo-accumulation in sediments of the Rhine River.GEO Journal，2（3）：108-118.

Sin S N，Chua H，Lo W，et al，2001.Assessment of heavy metal cations in sediments of Shing Mun River，Hong Kong.Environment International，26（5-6）：297-301.

Soares H M V M，Boaventura R A R，Machado A A S C，et al，1999.Sediments as monitors of heavy metal contamination in the Ave river basin（Portugal）：multivariate analysis of data.Environmental Pollution，105（3）：311-323.

Valdes J，Vargas G，Sifeddinea A，et al，2005.Distribution and enrichment evaluation of heavy metals in Mejillones Bay（23°S），Northern Chile：geochemical and statistical approach.Marine Pollution Bulletin，50（12）：1558-1568.

范學(xué)忠，袁琳，戴曉燕，等，2010.海岸帶綜合管理及其研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào)，30（10）：2756-2765.

國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2007.GB 17378.5-2007海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2002.GB 18668-2002海洋沉積物質(zhì)量.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

李淑媛，苗豐民，劉國賢，1994.北黃海沉積物中重金屬分布及環(huán)境背景值.黃渤海海洋，12（3）：20-24.

李玉，2005.膠州灣主要重金屬和有機(jī)污染物的分布及特征研究.青島：中國科學(xué)院海洋研究所，52-53.

劉芳文，顏文，王文質(zhì)，等，2002.珠江口沉積物重金屬污染及其潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià).海洋環(huán)境科學(xué)，21（3）：34-38.

彭士濤，胡焱弟，白志鵬，2009.渤海灣底質(zhì)重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).水道港口，30（1）：57-60.

王文雄，潘進(jìn)芬，2004.重金屬在海洋食物鏈中的傳遞.生態(tài)學(xué)報(bào)，24（3）：599-604.

王曉蓉，2001.環(huán)境化學(xué).南京：南京大學(xué)出版社，1-2.

王秋蓮，劉春光，關(guān)玉春，等，2010.天津近岸海域表層沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).南開大學(xué)學(xué)報(bào)，43（4）：61-66.

王蓓，2008.長江口及其鄰近海域沉積物重金屬環(huán)境地球化學(xué)研究.青島：中國海洋大學(xué)，25-26.

張淑娜，唐景春，2008.天津海域沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害評(píng)價(jià).海洋通報(bào)，27（2）：85-90.

張玉鳳，王立軍，霍傳林，等，2008.錦州灣表層沉積物重金屬污染狀況評(píng)價(jià).海洋環(huán)境科學(xué)，27（2）：178-181.