陳繼藝,楊 娜,陳旭陽(yáng),冀春艷,劉保良

(1.自然資源部北海海洋中心,廣西北海 536000; 2.自然資源部第四海洋研究所,廣西北海 536000)

廣西主要的貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)域集中分布在廉州灣、欽州灣等重要的半封閉型天然良港,灣內(nèi)灘涂寬闊,適合貝類(lèi)生物的索餌棲息。隨著廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的高速發(fā)展,近海捕撈和海水養(yǎng)殖規(guī)模大幅提升,沿海開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)越發(fā)密集,加上近岸海域的入海河流較多[1],自然和人為因素使得養(yǎng)殖海域受到不同程度的污染,導(dǎo)致近岸海水養(yǎng)殖區(qū)面臨較嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[2-4]。

海洋環(huán)境中的重金屬物質(zhì)是養(yǎng)殖海域污染評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)[5]。重金屬污染物在海水-沉積物界面不是固定不變的,它可以通過(guò)一系列的理化過(guò)程重新釋放和循環(huán)遷移,對(duì)養(yǎng)殖海域造成二次污染[6]。重金屬元素在貝類(lèi)體內(nèi)富集和積累到一定濃度會(huì)導(dǎo)致貝類(lèi)畸形甚至死亡[7],最終通過(guò)食物鏈傳遞影響人體健康[8]。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)海洋環(huán)境重金屬的污染調(diào)查做了諸多報(bào)道[2,9,10],但大多只分析水質(zhì)或沉積物介質(zhì)中的重金屬污染狀況,而針對(duì)貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)、底質(zhì)及生物體重金屬的污染研究相對(duì)較少。因此,本文以廣西沿海的主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)(廉州灣貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)、茅尾海牡蠣養(yǎng)殖區(qū)、紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū))作為研究對(duì)象,通過(guò)2016-2018年養(yǎng)殖區(qū)域的海水、沉積物及牡蠣生物體3種介質(zhì)中重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As)的調(diào)查分析數(shù)據(jù),結(jié)合重金屬的環(huán)境行為特征,對(duì)養(yǎng)殖區(qū)域不同環(huán)境介質(zhì)中重金屬的含量分布特征和污染狀況進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià),掌握重金屬污染物的積累規(guī)律及富集程度,根據(jù)尊重海洋、順應(yīng)海洋、保護(hù)海洋的原則,為廣西海洋生態(tài)文明建設(shè)和貝類(lèi)養(yǎng)殖海域環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 站位設(shè)置

數(shù)據(jù)來(lái)源于2016-2018年廣西3個(gè)主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)域的海洋環(huán)境調(diào)查結(jié)果。以廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)——廉州灣貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)(站位1-7)、茅尾海牡蠣養(yǎng)殖區(qū)(站位8-14)及紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)(站位15-21)為研究區(qū)域,共布設(shè)21個(gè)監(jiān)測(cè)站位,即每個(gè)養(yǎng)殖區(qū)均設(shè)7個(gè)站位,具體地理位置如圖1所示。

圖1 養(yǎng)殖區(qū)監(jiān)測(cè)站位

1.2 方法

1.2.1 樣品采集與分析

每年8月分別采集3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)的海水、沉積物和貝類(lèi)生物體樣品。其中海水樣品用5 L有機(jī)玻璃采水器采集,由于各養(yǎng)殖海域水深均小于10 m,因此每個(gè)監(jiān)測(cè)站位只采集水深約0.5 m的表層水樣;沉積物樣品用不銹鋼抓斗式采泥器采集,利用長(zhǎng)柄塑料勺挖取未受干擾的表層(0-5 cm)沉積物混合樣置于聚乙烯袋中冷藏保存;貝類(lèi)生物體樣品采集已達(dá)到商品規(guī)格的牡蠣(共9份),每份牡蠣樣品的數(shù)量為15-20個(gè),用現(xiàn)場(chǎng)海水沖洗干凈后裝入聚乙烯袋中冷凍保存。

所有樣品的采集、貯存與運(yùn)輸、制備、消化預(yù)處理、分析檢測(cè)均依據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378-2007)[11]第3-6部分的方法進(jìn)行。其中,海水樣品中的Cu、Pb、Zn、Cd采用陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定,沉積物及生物體樣品中的Cu、Zn采用火焰原子吸收光譜法測(cè)定,Pb、Cd采用無(wú)火焰原子吸收光譜法測(cè)定,3種介質(zhì)中的Hg、As采用原子熒光光譜法測(cè)定。

1.2.2 單因子污染指數(shù)(Pi)法

研究區(qū)域海水、貝類(lèi)生物體中重金屬污染程度的評(píng)價(jià)模式采用單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià),其計(jì)算公式為

Pi=Ci/Si,

(1)

式(1)中,Pi為重金屬i的污染指數(shù);Ci和Si分別為不同介質(zhì)中重金屬i的實(shí)測(cè)含量及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值,其中海水采用《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)[12]中的二類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià),貝類(lèi)生物體采用《海洋生物質(zhì)量》(GB 18421-2001)[13]中的一類(lèi)生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.3 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)(Igeo)[14]是德國(guó)科學(xué)家Müller提出的關(guān)于沉積物重金屬污染程度的定量指標(biāo),是國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用的一種評(píng)價(jià)模式[15],其計(jì)算公式為

(2)

式(2)中,Igeo為沉積物中重金屬元素的地積累指數(shù);Cn為重金屬n在沉積物中的實(shí)測(cè)含量;k為成巖作用而取的系數(shù),綜合考慮了各地巖石差異可能會(huì)引起的背景值變化,一般取值1.5;Bn為普通頁(yè)巖中重金屬n的地球化學(xué)背景值。

1.2.4 生物富集系數(shù)

通常采用生物富集系數(shù)(Bioconcentration Factors,BCF)[16]來(lái)表示海洋生物對(duì)環(huán)境中重金屬的富集能力,其計(jì)算公式為

BCF=Ci/Cs,

(3)

式(3)中,Ci為生物體中重金屬的含量,Cs為海水中重金屬的含量。當(dāng)BCF大于1 000時(shí),表明水生生物對(duì)某種污染物質(zhì)有潛在的嚴(yán)重積累風(fēng)險(xiǎn)[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 海水重金屬含量分布

廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)海水中重金屬的含量水平見(jiàn)表1。從表1可以看出,除廉州灣貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)2018年的Hg、茅尾海牡蠣養(yǎng)殖區(qū)2017年的Hg和2018年的Cu、紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)2016年的Pb和2017年的Hg外,其余重金屬平均含量均小于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)中的一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)海水中重金屬含量

不同養(yǎng)殖區(qū)域的海水重金屬含量分布特征略有差異,廉州灣貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)及茅尾海牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的海水重金屬平均含量表現(xiàn)為Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg,紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的海水重金屬平均含量(μg·L-1)為Zn(9.62)>Cu(2.38)>Pb=As(0.95)>Cd(0.15)>Hg(0.065),3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)域的海水重金屬含量分布規(guī)律均為Zn的濃度最高,Cu次之,Hg最小?？傮w上,研究區(qū)域海水中重金屬平均含量均小于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的二類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值,適合貝類(lèi)養(yǎng)殖;其中最小含量為2016年茅尾海牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的Cd,8-14站位含量均為未檢出,最大含量為2016年紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的Cu,超標(biāo)站位為19號(hào)站。

與國(guó)內(nèi)其他海域比較(表2),廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)海水重金屬Zn、Cd和As的平均含量水平相對(duì)較低,Cu、Pb和Hg的平均含量相差不大。

表2 與國(guó)內(nèi)其他海域海水中重金屬含量比較

2.2 海水重金屬污染評(píng)價(jià)

采用《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的二類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值(Si)對(duì)廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)的海水水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)等級(jí)劃分列于表3[23]。

表3 海水水質(zhì)污染等級(jí)劃分

研究區(qū)域海水中各重金屬的污染指數(shù)(Pi)見(jiàn)表4。由表4可知,廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)海水中的重金屬元素對(duì)水質(zhì)污染程度依次為Cu>Hg>Zn=Pb>Cd>As,總體海水質(zhì)量狀況較好,水質(zhì)屬于本底水平。從單個(gè)養(yǎng)殖海域來(lái)看,廉州灣貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)2016-2018年的水質(zhì)均屬本底水平;茅尾海牡蠣養(yǎng)殖區(qū)2018年Cu(0.57)、2017年Hg(0.41)的污染指數(shù)稍大,屬于海水清潔水平;紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)2016年Cu(0.45)、2017年Hg(0.65)的污染指數(shù)略大,屬于海水較清潔水平。

表4 廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)海水重金屬Pi評(píng)價(jià)

2.3 沉積物重金屬含量分布

廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物重金屬的含量分析結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,除紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)2016年As的平均含量略高外,其余養(yǎng)殖區(qū)年際間重金屬的平均含量均低于《海洋沉積物質(zhì)量》(GB 18668-2002)[24]中的一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值,適合養(yǎng)殖。

不同養(yǎng)殖區(qū)域的沉積物重金屬含量分布特征有所不同,廉州灣貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)的沉積物重金屬平均含量(mg·kg-1)為Zn(53.1)>Pb(29.3)>Cu(18.8)>As(9.37)>Cd(0.16)>Hg(0.05),茅尾海牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的沉積物重金屬平均含量(mg·kg-1)為Zn(48.5)>Cu(19.9)>Pb(15.8)>As(8.20)>Cd(0.10)>Hg(0.060),紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的沉積物重金屬平均含量(mg·kg-1)為Zn(78.7)>As(19.4)>Cu(19.0)>Pb(11.0)>Hg(0.118)>Cd(0.08)。3個(gè)養(yǎng)殖海域沉積物中重金屬含量的分布規(guī)律均為Zn最高,這與海水中Zn的分布特征是一致的,說(shuō)明水體中含量較高的Zn元素在沉積物中也隨之較高。

與國(guó)內(nèi)其他海域分析比較(表6)可知,廣西貝類(lèi)養(yǎng)殖海域沉積物重金屬中Cu、Pb和Zn的平均含量水平相對(duì)較低,Hg略高,Cd和As的平均含量水平與其他海域差別不大。

表6 與國(guó)內(nèi)其他海域沉積物中重金屬含量比較

2.4 沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

根據(jù)廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的分析結(jié)果,采用地積累指數(shù)(Igeo)法對(duì)該海區(qū)的沉積物重金屬進(jìn)行污染評(píng)價(jià)。地積累指數(shù)作為研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo),不僅考慮了人為污染、環(huán)境地球化學(xué)背景值等因素,還特別關(guān)注自然造巖作用可能引起的背景值的變化。據(jù)此,采用中國(guó)陸殼豐度[28]作為廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)沉積物重金屬的地球化學(xué)背景值,中國(guó)陸殼頁(yè)巖中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的背景值分別為38、15、86、0.055、0.08和1.9 mg·kg-1。地積累指數(shù)(Igeo)的污染等級(jí)劃分見(jiàn)表7。

表7 地積累指數(shù)污染等級(jí)劃分

研究區(qū)域表層沉積物中重金屬的污染狀況列于表8。結(jié)果表明,廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物重金屬除As外,Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的地積累指數(shù)(Igeo)均較小,基本介于0-1,沉積物屬于較清潔程度。其中As在3個(gè)養(yǎng)殖海域的Igeo值與其他5項(xiàng)沉積物重金屬相比均略高,可能是受養(yǎng)殖餌料與人工投放消毒劑的影響。一般來(lái)說(shuō),As受自然環(huán)境因素的積累是極少的。從整體上看,廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)域沉積物中6種重金屬的污染程度依次為As>Cd>Pb>Hg>Cu=Zn。

表8 廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)沉積物重金屬I(mǎi)geo污染評(píng)價(jià)

2.5 生物體重金屬含量分布

廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)生物體中重金屬的含量水平如表9所示,所采集的生物體均為近江牡蠣(Crassostrearivularis)。由數(shù)據(jù)可知,除Hg和As含量水平較低外,3個(gè)養(yǎng)殖海域近江牡蠣貝體中Cu、Pb、Zn和Cd在不同年際間的重金屬含量水平有超出一類(lèi)海洋生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況,其中廉州灣貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)2017年1號(hào)站位的Cu超標(biāo)最重,已超出三類(lèi)海洋生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表9 廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)生物體中重金屬含量

不同養(yǎng)殖區(qū)域的生物體重金屬含量分布特征亦存在一定差異,廉州灣貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)的生物體重金屬平均含量(mg·kg-1)依次是Cu(67.2)>Zn(40.6)>Cd(0.59)>As(0.13)>Pb(0.10)>Hg(0.011),茅尾海牡蠣養(yǎng)殖區(qū)及紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的生物體重金屬平均含量均表現(xiàn)為Zn>Cu>Cd>As>Pb>Hg?？傮w上來(lái)看,研究區(qū)域生物體中重金屬平均含量的總順序亦與茅尾海、紅沙養(yǎng)殖區(qū)相同,這與趙鵬等[29]對(duì)北部灣欽州港近江牡蠣重金屬污染分析的研究結(jié)果是一致的。

與國(guó)內(nèi)其他海域貝類(lèi)生物體重金屬含量比較(表10)可以看出,廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)生物體重金屬中Pb和As與其他海域相比含量較低,Cu、Zn、Cd和Hg的含量變化差別不大。

表10 與國(guó)內(nèi)其他海域貝類(lèi)生物體中重金屬含量比較

2.6 生物體重金屬污染評(píng)價(jià)及富集程度

采用《海洋生物質(zhì)量》[13]中一類(lèi)海洋生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(Si)對(duì)廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)生物體重金屬進(jìn)行Pi評(píng)價(jià),結(jié)果如表11所示。結(jié)果表明,研究區(qū)域2016-2018年近江牡蠣生物體中Cu、Pb、Zn、Cd和Hg存在不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象,僅As符合一類(lèi)海洋生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值,其中廉州灣貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)近江牡蠣重金屬污染程度依次為Cu(6.72)>Cd(2.93)>Zn(2.03)>Pb(1.03)>Hg(0.22)>As(0.13),茅尾海牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的污染順序?yàn)閆n(13.28)>Cu(3.54)>Cd(3.13)>Pb(1.30)>As(0.43)>Hg(0.27),紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的污染順序?yàn)閆n(3.77)>Hg(0.79)>Cu(0.70)>Cd(0.67)>Pb(0.63)>As(0.10)?？傮w上,廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)生物體中6種重金屬的污染程度表現(xiàn)為Zn>Cu>Cd>Pb>Hg>As。

表11 廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)生物體重金屬Pi評(píng)價(jià)及BCF

海洋生物的富集狀況可以通過(guò)生物體中重金屬和海水中重金屬的含量比值來(lái)反映。由表11得知,廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)近江牡蠣體內(nèi)重金屬的富集能力為Zn>Cu>Cd>Hg>As>Pb。除Pb、Hg和As外,Zn、Cu、Cd的BCF均大于1 000,說(shuō)明這3種重金屬在研究區(qū)域近江牡蠣貝體中的富集積累較為嚴(yán)重,這與高淑英等[34]對(duì)福建湄洲灣的研究結(jié)果是一致的,牡蠣對(duì)Cu、Zn和Cd的富集能力比其他海洋生物要高得多。

研究發(fā)現(xiàn),海水中Zn和Cu的含量相對(duì)較高,近江牡蠣貝體中Zn和Cu的含量亦較高,這與其在海水中的棲息環(huán)境是密切相關(guān)的。通常情況下,Zn和Cu是海洋生物生長(zhǎng)過(guò)程中必須吸收的微量元素,其他幾種非生命所需的重金屬元素與這兩種元素的富集量相比較低。廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)近江牡蠣貝體中重金屬的富集能力與其含量的高低并不完全一致,一方面受海水和沉積物中重金屬的化學(xué)元素背景值相對(duì)較高的影響,另一方面也與海洋生物的種類(lèi)、生命周期和攝食特征等因素有關(guān)[35]。

3 結(jié)論

①3個(gè)貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)海水中各類(lèi)重金屬含量的空間分布差異較小,含量分布規(guī)律均表現(xiàn)為Zn最高,Cu次之,Hg最小。研究區(qū)域貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)海水中重金屬的含量依次是Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg,重金屬污染程度順序?yàn)镃u>Hg>Zn=Pb>Cd>As,符合二類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來(lái)看,廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)海水質(zhì)量狀況較好,屬于本底水平。

②各貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中重金屬的含量分布規(guī)律均表現(xiàn)為Zn最高、Hg最低,這與海水中Zn和Hg的含量分布特征是一致的;6種沉積物重金屬的含量總順序是Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg,除2016年紅沙牡蠣養(yǎng)殖區(qū)As的平均含量略高外,其余年際間重金屬的平均含量均符合一類(lèi)海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);地積累指數(shù)(Igeo)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明,廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)除As的Igeo值略高外,Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的Igeo值基本介于0-1,沉積物環(huán)境屬于較清潔水平,適合貝類(lèi)養(yǎng)殖。

③廣西主要貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)近江牡蠣貝體中重金屬的平均含量順序是Zn>Cu>Cd>As>Pb>Hg,這與海水和沉積物重金屬中Zn、Cu的含量較高是一致的;近江牡蠣貝體中6種重金屬的污染程度順序是Zn>Cu>Cd>Pb>Hg>As,其富集能力為Zn>Cu>Cd>Hg>As>Pb,Zn、Cu和Cd的富集系數(shù)相對(duì)較高,在貝體內(nèi)的蓄積情況較突出,應(yīng)加以關(guān)注。