威海双岛湾海域重金属的分布特征及生态风险评价

张学超，刘 营*，宋吉德，宋喜红，胡红智，李晓敏，李 强

威海双岛湾海域重金属的分布特征及生态风险评价

张学超，刘 营*，宋吉德，宋喜红，胡红智，李晓敏，李 强

（威海市海洋环境监测中心，山东威海 264209）

根据2012年双岛湾海域环境调查资料，研究了海水和表层沉积物中重金属的分布特征以及生态风险。结果显示，双岛湾海域海水中的重金属Cu和Pb在湾中部和湾底的部分站位含量较高，Zn和Cr含量在湾底最高、湾外最低，Cd和Hg在湾底和湾外的含量均高于湾中部，As的分布比较均匀；除Zn和Pb外，其余重金属含量均高于周边其他海域。双岛湾海域沉积物中重金属含量较低，与区域背景值相近，其中重金属Hg和Cd在湾内沉积作用明显，而Cu、Pb和Cr在湾外沉积作用比较明显。相关性分析表明，有机碳含量对双岛湾沉积物中的重金属分布影响不大。生态风险评价结果表明，双岛湾海域海水未受到重金属的污染；表层沉积物中重金属存在中低度的生态风险，具有潜在的不利生物毒性效应，重金属毒性大小依次为Pb＞As＞Cu＞Hg＞Cr=Cd＞Zn。

双岛湾；重金属；分布特征；生态风险评价

0 引言

海湾作为海洋产业的聚集地，担负着养殖、旅游、运输及纳污等多种职能，其生态环境压力不容忽视。重金属是会对生态环境造成极大危害的污染物，对水生生物和人体健康有较大的负面影响，重金属污染问题已成为国内外学者研究的重要内容［1-2］。针对我国河流、海湾和近岸海域重金属的相关研究已有诸多报道［2-4］，常用的重金属风险评价方法主要有污染指数法［5］、地累积指数法［6］、污染负荷指数法［7］、回归过量分析法［8］、潜在生态风险指数法［9］和平均沉积物质量基准系数法（sediment quality guidelines，SQG-Q）［10］等。由于SQG-Q法综合考虑了各种污染因素，且采用了最近修订的基准值而具有较高的可信度和可接受的不确定水平［11］。

双岛湾位于山东省威海市西部，向北开口于黄海，为一狭长的潟湖型海湾，面积约18 km2，周边主要入海河流包括羊亭河和初村河，湾口附近建有离岸污水排放管道，区域内有菲律宾蛤仔（Ruditapes philippinarum）增殖区，也是威海市重要的海水增养殖区之一。近年来，双岛湾海域开发与利用活动越来越多，有学者对双岛湾海域营养状况进行了分析［12］，但针对双岛湾海域重金属状况方面的研究尚未见报道。本文根据2012年6月双岛湾海域环境调查资料，分别对该海域海水和表层沉积物中的重金属含量分布特征进行了研究，并对其污染程度和生态风险进行评价，以期为双岛湾海域的可持续发展和环境保护提供科学依据。

1 研究方法

1.1 站位布设

2012年6月于山东威海双岛湾海域布设海水监测站位17个，沉积物监测站位10个，站位布设如图1所示。

1.2 样品采集与测定

海水和表层沉积物样品的采集、消解和分析均按《海洋监测规范》［13］进行，Cu、Pb、Cd和Cr采用无火焰原子吸收分光光度法测定，Zn采用火焰原子吸收分光光度法测定，Hg和As采用原子荧光法测定，有机碳采用重铬酸钾氧化-还原法测定。采样过程中同时采集现场空白样和现场平行样，实验室分析采用平行样、加标回收样和质控样分析等进行质量控制，以保证样品数据的可靠性。

1.3 数据分析与评价

1.3.1 重金属变异系数

采用变异系数［14］来分析重金属空间波动程度的大小，计算公式为：

式中：CV为变异系数，S2标识各重金属含量的标准偏差，X为各重金属含量的平均值。

1.3.2 重金属富集系数

采用富集系数［15］来表示沉积物中各重金属的富集程度，计算公式为：

式中：C为富集系数，Cs为重金属的实测值，Cn为重金属参照值，本文选用黄海表层沉积物参照值［16］，见表1。

1.3.3 海水重金属生态质量评价

采用水质质量指数法［17］对海水重金属污染水平进行综合评价，计算公式为：

式中：P为重金属综合污染指数；Ci为第i种重金属实测浓度；Cis为第i种重金属评价标准值，本文选用《海水水质标准》［18］第二类海水水质标准值。P值小于1，污染等级为没有影响；1～2为轻微影响；2～3为中等影响；3～5为较强影响；超过5为严重影响。

1.3.4 沉积物重金属风险评价

本研究使用SQG-Q法对沉积物重金属生态风险进行综合评价，计算公式为：

式中：PELQi为第i种污染物的可能效应浓度系数；Ci为第i种污染物的浓度；PELi为第i种污染物的可能效应浓度，评价等级见表2。

本方法运用可能效应浓度（probable effect level，PEL）来确定SQG-Q系数。PEL和临界效应浓度（threshold effect level，TEL）均从北美沉积物生物效应数据库（BEDS）中导出。PEL和TEL可用来说明沉积物的重金属污染程度，并用于判别生物毒性效应：当污染物浓度低于TEL时，不利生物毒性效应很少发生；污染物浓度高于PEL时，不利生物毒性将频繁发生。因此，只要判断一种或几种重金属浓度所在范围就可得出其是否产生生物毒性。

2 结果与讨论

2.1 海水中重金属的分布特征

双岛湾海域海水中的重金属含量分布见表3。调查海域海水中的重金属含量均符合《海水水质标准》中的第二类海水水质标准。重金属Cr、Pb、Cd和Zn的变异系数较高，表明其空间分布不均匀，离散性较大，受人为扰动或外来因素影响较大。重金属Cu和Pb在湾中部和湾底的部分站位含量较高，Zn和Cr含量在湾底最高、湾外最低，表明这4种重金属可能受入海河流影响较大；Cd和Hg在湾底和湾外的含量均高于湾中部，表明这2种重金属含量可能受入海河流和污水离岸排放的共同影响；As的分布比较均匀，其含量在湾内和湾外相差不大。

双岛湾海域海水中的各重金属平均含量与周边其他海域相差较大（表4），重金属Zn含量显著低于渤海、胶州湾和荣成湾海域，与南黄海海域相差不大；Pb含量与荣成湾比较接近，但高于南黄海海域；Cd含量高于荣成湾、南黄海和渤海，但低于胶州湾；Cr、Cu和As含量稍高于其他海域。总体来说，双岛湾海域海水中部分重金属含量偏高，这可能与其附近有较多中小型企业的污水集中排放［12］以及海水交换不畅有关。

2.2 沉积物中重金属的分布特征

双岛湾海域沉积物中的重金属含量见表5。调查海域沉积物中各重金属含量水平总体较低，均符合《海洋沉积物质量标准》［22］中的第一类海洋沉积物质量标准。除As和Zn外，其余各重金属的变异系数均较高，说明重金属在沉积物中的分布差异性较大。从表5可以看出，Cd的富集系数最大，Cu和Pb的富集系数次之，说明这3种元素在沉积物中的富集程度较高。与海水中的重金属分布不同，沉积物中的重金属Hg和Cd在湾内沉积作用明显，而Cu、Pb和Cr在湾外沉积作用比较明显。沉积物中重金属的分布除了受物源的影响外，还受海流、潮流和波浪等沉积动力因素的共同影响［23］。双岛湾为一狭长型海湾，湾底有2条河流注入，湾外存在污水离岸排放口，因此双岛湾海域海水与沉积物中重金属的分布和富集受径流、排污、双岛湾狭长的地形特点以及湾口潮流的共同作用，呈现不同的分布特征。

与附近其他海域沉积物中的重金属平均含量相比，双岛湾海域沉积物中的Zn和Cr含量显著低于其他海域，但Zn含量与荣成月湖相近。其他重金属元素与位于附近的威海湾以及桑沟湾相差不大，与山东半岛东北部的重金属含量也较为接近，但远远低于胶州湾（表6），这表明双岛湾海域沉积物中的重金属与区域背景值相近，未受到明显污染。

使用SPSS 11.5软件对沉积物中各重金属、有机碳进行Pearson相关性分析，以考察沉积物中重金属的来源及相关性，结果见表7。7种重金属中，Hg与Cr以及Cr与Pb的相关性显著（P＜0.05），其余重金属均不存在显著的相关性。有机碳含量和成分的变化是影响沉积物中重金属分布的主要因子之一［29］，双岛湾海域沉积物中As的含量与有机碳呈显著正相关，表明As在沉积物中的分布受有机碳含量的影响明显，其他重金属与有机碳相关性均不显著，表明有机碳对这些元素的分布影响不大。

2.3 重金属生态风险评价

2.3.1 海水中重金属生态质量评价

采用水质质量指数法对双岛湾海域海水重金属污染水平进行综合评价，结果见表8。双岛湾海域海水重金属质量指数在0.22～0.38之间，其中最小值出现在B1站位，最大值出现在A7站位，各站位P值均小于1，表明双岛湾海域海水中的重金属含量较低，未受到重金属的污染。

2.3.2 沉积物中重金属生态风险评价

采用SQG-Q法评价双岛湾海域沉积物中重金属的生态风险，结果见表9。各站位SQG-Q值在0.11～0.17之间，相差不大，其中最高值出现在B4站位，最低值出现在B8站位。各站位SQG-Q值均介于0.1～0.5之间，表明双岛湾海域沉积物中重金属存在中低度的生态风险，具有潜在的不利生物毒性效应。使用PEL/TEL基准对沉积物中各重金属含量进行判断（表5和表9），部分站位的Cu、Pb和As超过了临界效应浓度（TEL），但均低于可能效应浓度（PEL），因此不利生物毒性效应会偶尔发生；其余元素含量均低于TEL，不利生物毒性效应很少发生。根据7种重金属元素各站位PELQ的平均值确定其毒性大小依次为：Pb＞As＞Cu＞Hg＞Cr=Cd＞Zn。

3 结论

（1）双岛湾海域海水中重金属含量符合《海水水质标准》中的第二类海水水质标准，与周边其他海域相比，除Zn和Pb外，其余重金属含量较高。各重金属空间分布不均匀，离散性较大，受径流、排污、地形及潮流等因素影响明显。

（2）双岛湾海域沉积物中重金属含量符合《海洋沉积物质量标准》中的第一类海洋沉积物质量标准，各重金属含量较低，与区域背景值相近。除As和Zn外，重金属在沉积物中的分布差异性较大。相关性分析表明，Hg与Cr以及Cr与Pb的同源性较好，有机碳含量对双岛湾沉积物中的重金属分布影响不大。

（3）生态风险评价结果显示，双岛湾海水未受到重金属的污染。双岛湾海域沉积物存在中低度的生态风险，具有潜在的不利生物毒性效应，重金属毒性大小依次为Pb＞As＞Cu＞Hg＞Cr=Cd＞Zn。

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Distributions and ecological risk assessment of heavy metals in Shuangdao Bay of Weihai

ZHANG Xue-chao，LIU Ying*，SONG Ji-de，SONG Xi-hong，HU Hong-zhi，LI Xiao-min，LI Qiang
（Weihai Marine Environmental Monitoring Center，Weihai 264209，China）

Based on the data of environmental survey of Shuangdao Bay in 2012，the distribution patterns and ecological risk assessment of heavy metals in seawater and surface sediments were analyzed.The results show that the contents of Cu and Pb in seawater are higher in the middle and end of the bay，Zn and Cr are the highest in the end of the bay and the lowest in the external bay，Cd and Hg are the lowest in the middle of the bay，while the distribution of As is uniform.Compared with other estuaries in adjacent area，all heavy metals except Zn and Pb show a higher level.The contents of heavy metals in surface sediments are low，the distributions of Hg and Cd in the mid bay and Cu，Pb and Cr in the external bay are higher than those in other areas.The correlation analysis show that no significant relationship is found between organic carbon and heavy metals in surface sediments.The ecological risk assessment indicates that the pollution of heavy metals in seawater is in the lowest level，the surface sediments has low to medium potential for biological toxicity effect，the sequence of ecological risk intensity caused by different heavy metals is Pb＞As＞Cu＞Hg＞Cr= Cd＞Zn.

Shuangdao Bay；heavy metal；distribution；ecological risk assessment

X55

A

1001-909X（2014）02-0085-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.012

张学超，刘营，宋吉德，等.威海双岛湾海域重金属的分布特征及生态风险评价［J］.海洋学研究，2014，32（2）：85-90，

10.3969/ j.issn.1001-909X.2014.02.012.

ZHANG Xue-chao，LIU Ying，SONG Ji-de，et al.Distributions and ecological risk assessment of heavy metals in Shuangdao Bay of Weihai［J］.Journal of Marine Sciences，2014，32（2）：85-90，doi：10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.012.

2013-06-18…………

2014-03-13

威海市科技发展计划项目资助（2011188）

张学超（1970-），男，山东临沂市人，高级工程师，主要从事海洋环境监测与评价方面的研究。E-mail：whzxc@126.com

*通讯作者：刘营，男，工程师，E-mail：oceanlying@gmail.com