烟台开发区近海表层沉积物重金属的分布特征与风险评价

2013-08-14宁璇璇夏炳训姜军成纪殿胜杨鲁宁

海洋通报 2013年1期

宁璇璇，夏炳训，姜军成，纪殿胜，杨鲁宁

（国家海洋局烟台海洋环境监测中心站，山东烟台 264006）

近岸海域是海洋与陆地生态系统的交汇地带，具有海陆过渡区特有的脆弱性与敏感性（范学忠等，2010），不仅记录了大量海陆相互作用的信息，也集中反映了人类活动对该区域的影响程度。随着沿海城市发展进程的加快，近岸海域环境污染日益严重，其中重金属污染尤为突出。由于重金属污染物具有毒性强、不易分解等特点，且可沿食物链传递和富集，对海洋生态系统及人体健康（如20世纪50年代日本的“水俣病”、“骨痛病”）具有较大危害（王文雄等，2004；王晓蓉，2001）。重金属进入受纳水体后，绝大部分经吸附沉淀迅速转移至沉积物中，使沉积物成为主要存储库（Sin et al，2001）；而吸附在沉积物中的重金属又通过不断的解析过程，长期向水体释放并引发二次污染（Valdes et al，2005）。可见，具有源与汇双重作用的沉积物在重金属污染评价中至关重要（Chapman et al，1999）。全球首届沉积物质量评价会议就强调了沉积物风险性评价的重要性，并把重金属列为主要评价因子之一（Chapman，1995）。

烟台市经济技术开发区是国务院首批设立的国家级开发区，先后有多项重大项目落户发展。沿海重大项目的建设投产一方面促进了当地经济发展，但也对近岸海域的生态环境造成了不小冲击。为研究该区域的重金属污染状况，本文在分析表层沉积物重金属含量及分布特征的基础上，对污染程度及潜在生态风险进行了评价，以期为该海域的生态环境保护提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 样品采集与分析

根据2006-2010年烟台海洋环境监测中心站对开发区用海项目海域环境的监测资料，选取监测站位共40个，如图1所示。沉积物样品经曙光采泥器（张口面积0.05 m2）采集，取其中央未受干扰的表层0-2 cm泥样于聚乙烯袋中，按照《海洋监测规范》（国家质量技术监督局，2007）进行贮存、预处理及分析。样品经自然风干，去除杂物充分混合，研磨后过160目筛供分析使用。称取0.200 0 g烘干样品，经HNO3-HClO4消解后，采用原子吸收分光光度计火焰法测定Zn含量、石墨炉法测定Cu、Pb、Cd含量；经HNO3-HCl体系消解后，采用原子荧光光度计测定Hg、As含量；TOC采用重铬酸钾氧化还原容量法测定；分析过程使用近海海洋沉积物标准物质GBW07314进行质量控制。

图1 监测站位

1.2 评价与计算方法

地累积指数法（Müller，1969）公式为：

式中：Cn为重金属n的实测值；是考虑到造岩运动可能引起背景值波动而设定的常数，通常取1.5；Bn指在沉积母质中元素n的地球化学背景值。依据Igeo将污染程度分为7个等级（Müller，1969），见表1。

表1 Igeo与污染分级

潜在生态风险指数法（Hakanson，1980）975公式为：

式中：Ci为元素i的实测值；为i的背景浓度；为单因子污染指数；Cd为总体污染程度；为污染物i的毒性响应系数；为i的潜在生态风险系数；ERI为多种污染物的综合风险指数。各评价指标的污染程度分级（Hakanson，1980）993见表2。

表 2 ERI 与污染程度的关系

综合潜在生态风险程度＜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 较重 300～600 较重≥6 严重 ≥32 严重 160～320 重 ≥600 严重≥320 严重Cfi单因子污染程度Cd综合污染程度Eri单因子潜在生态风险程度ERI

1.3 参数确定

1.3.1 背景值确定

为避免采用大尺度平均值产生的偏差，本文选取北黄海沉积物中重金属背景值（李淑媛等，1994）作参比来评价重金属的污染情况，见表3。

表3 重金属的背景浓度值及毒性响应系数

2 结果与讨论

2.1 烟台近海表层沉积物重金属含量及分布特征

表4为调查区域表层沉积物重金属含量的统计结果。可以看出，研究区域表层沉积物重金属含量均值低于国家沉积物Ⅰ类质量标准上限值，Cu、Hg最高值也未超出Ⅱ类标准限值（国家质量技术监督局，2002）。其中，Hg的变异系数较大，Pb、Cu次之，Cd、Zn、As变异系数较小。与国内其它海域的调查数据（表4）比较发现（李玉，2005；彭士涛等，2009；张淑娜等，2008；王秋莲等，2010；刘芳文等，2002；王蓓，2008；张玉凤等，2008），调查区域的Cu、Pb、Zn含量较低，而Cd含量高于天津及长江口近海海域的调查结果；Hg略高于天津近海海域，远低于胶州湾和珠江口；As含量高于珠江口表层沉积物含量。

根据各站位测定结果绘制重金属含量平面分布图，如图2所示。Cu、Zn、As含量呈现由西至东降低、套子湾内由北向南增大的变化趋势。Cu最高值出现在31号站位，最低值为18号站位；Zn最高值为38号站位，最低值为20号站位；As最高值为34号站位，最低值为14号站位。Pb在山后附近海域及调查区域西侧均存在高值区，高值中心点位于24和35号站位，浓度分别为25.01和22.5 mg/kg；Cd分布趋势与Pb类似，高值中心点位于35和22站位，浓度分别为0.47和0.35 mg/kg。Hg高值集中在调查区域西侧的30、34、35等站位，其它站位含量较低。

表4 调查区域和其它海域表层沉积物重金属元素含量（平均值）（单位：mg·kg-1）

2.2 有机碳含量与重金属分布特征的相关性分析

图2 重金属的空间分布图

图3 有机碳（%）的含量分布

作为良好的重金属结合底物，有机质含量是影响表层沉积物重金属分布的主要因子之一（Soares et al，1999；Borg et al，1996）。根据表层沉积物有机碳含量绘制平面分布图，如图3所示。采用SPSS 15.0软件对重金属分布特征及TOC含量进行Pearson相关分析，发现Cu、Hg、Zn、As之间存在显著正相关关系；Pb与Cu、Zn正相关，但与其它重金属不存在相关性；Cd在0.05水平上与Hg相关。Cu、Hg、Zn、As与TOC含量在0.01水平呈显著正相关，而Pb、Cd与TOC含量之间无明显相关关系（表5）。Katz等（1981）提出水体中受污染的颗粒物富集载重大量的有机物，它们是重金属良好的吸附剂，能够携带重金属进行共沉积。根据上述分析推测，调查区域表层沉积物重金属Cu、Hg、Zn、As可能具有相似的污染来源，而Pb、Cd的分布特征和相关性分析结果表明，其主要污染来源与其它几种重金属不同。

表5 重金属及与有机碳含量的相关性分析

2.3 地累积指数评价

各金属元素Igeo计算结果如表6所示。结果表明，调查区域Cd以轻度污染为主，在17、22和35号站位出现偏中度污染；其它金属Igeo均值都<0，但个别站位的Cu、Pb和Hg含量超过背景值，如Cu在31和35号站位出现轻度污染，24号站位出现Pb轻度污染，Hg在13、34、35、38与39号站位出现轻度污染；Zn、As在所有站位均保持清洁状态。各金属元素污染程度依次为：Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Hg＞As。

2.4 污染指数分析

调查区域各重金属的单因子污染系数Cfi和综合污染指数Cd如表7所示。从Cfi来看，Cd属于中等污染；其余重金属Cfi均值小于1，属于低污染水平，但Cu、Pb、Hg在部分站位达到中等污染水平。各元素的平均污染程度排序为：Cd＞Cu＞Hg＞Pb＞Zn＞As。可以看出，虽然 Cfi与 Igeo的计算方法都是基于重金属实测值与区域背景值的比较得出，然而由于分级标准不同可导致污染等级的划分出现一定的差异。两种方法的分析结果均表明，Cd是调查区域的主要污染因子，这可能与烟台开发区内电子信息、机械、汽车行业密集分布有关。从综合污染指数来看，调查区域Cd均值<8，总体属于低污染水平，而位于调查区域西侧的34、35和38号站位Cd值大于8，达到中等污染程度。

2.5 潜在生态风险评价

表8为潜在生态风险系数Eri和污染物综合风险指数ERI的计算结果。从Eri结果来看，Cd在绝大多数站位的潜在生态风险处于中等水平，7个站位Eri值>80，达到较重风险，其余少数站位属于低风险状态；虽然Hg的Eri均值<40，但在13、30、34、35站位已处于较重风险，在38和39站位属于中等风险；Cu、Pb、Zn、As在各站位均属于低风险。风险系数排序为：Cd＞Hg＞Cu＞As＞Pb＞Zn，其中Cd是调查海域最主要的风险因子，Hg也存在一定风险。这与Cfi计算结果的排列顺序有所差别，原因是风险评价考虑了重金属的生物毒性效应因素，相关结果更能反映重金属元素的潜在生态危害。从ERI看，13、30、34、35、38和39号站位的值介于150～300，综合风险等级处于中等，生态风险性最高的站位为35号站，其ERI值为267.33，是由于Cd和Hg的风险较大所致。其余站位的值ERI＜150，处于低风险水平。

表6 调查区域表层沉积物重金属的地累积指数

表7 重金属污染单因子评价结果

表8 重金属潜在生态风险系数及风险指数

3 结论

（1）烟台开发区近海表层沉积物6种重金属含量均值低于国家沉积物Ⅰ类质量标准限值。Cu、Hg、Zn、As之间及与有机碳含量间存在显著正相关性，表明这4种金属具有相似来源。

（2）风险评价表明，Cd是调查区域的主要风险因子，该区域总体处于低风险水平。

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