渤海倾倒区沉积物重金属富集特征及其潜在生态风险评价

2014-08-14郑琳刘艳袁媛周春莹曲亮

海洋通报 2014年3期

郑琳，刘艳，袁媛，周春莹，曲亮

（1.国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室，山东青岛 266033；2.国家海洋局北海环境监测中心，山东青岛 266033；3.国家海洋局烟台海洋环境监测中心站，山东烟台 264006）

渤海是我国唯一半封闭型内海，海域面积约7.7万km2。近年来环渤海经济区是我国经济发展的重点，随着渤海沿岸区域经济开发的不断加大，海洋倾倒量逐年增长。据统计，渤海近5年间共接收倾倒物1.15×108m3，年均倾倒量达2.3×107m3（图1）。目前渤海的倾倒物主要是建港疏浚物和港池、航道维护性疏浚物。陈江麟等（2004）、李任伟等（2008）、刘明等（2012）研究指出辽东湾、海河口及天津沿岸、秦皇岛近岸海域、渤海湾中部海域表层沉积物中受到Hg、Cd、Zn、As的污染，近岸沉积物在疏浚及倾倒过程中会形成二次污染，重金属是倾倒物中最普遍的环境污染物质。近年来，学者对倾倒区重金属污染评价进行了研究（张丽旭等，2005；刘孟兰等，2007；张亮等，2011；郑琳等，2008），但是对渤海倾倒区沉积物中重金属污染确鲜有报道。2012年，渤海在用倾倒区为6个，倾倒区沉积物中重金属污染状况及其生态风险是海洋管理部门和公众关注的热点问题。为此，本文以2012年渤海6个在用倾倒区沉积物监测资料为基础，采用沉积物重金属潜在生态风险指数法，对渤海倾倒区沉积物环境中重金属污染特征以及可能存在的生态危害效应进行分析，从而为海洋倾倒区的科学使用提供一定的科学依据。

图1 2008-2012年渤海倾倒量变化（万m3）

1 资料与方法

1.1 资料

图2 渤海海洋倾倒区分布图

渤海6个在用倾倒区为：葫芦岛港临时海洋倾倒区、锦州港航道工程疏浚物临时海洋倾倒区、天津港疏浚物海洋倾倒区（C区）、黄骅港临时海洋倾倒区（C1区）、黄骅港综合港区航道工程疏浚物临时海洋倾倒区、莱州港5万吨级航道工程临时海洋倾倒区，分布位置见图2。监测时间为2012年6、8月与9月，每个倾倒区分别布设5个沉积物站，采集表层沉积物样品。重金属主要监测项目为：Hg、Cu、Pb、Cd、Zn和As。样品采集和分析均按照《海洋监测规范》（GB 17378.5-2007）和《海洋倾倒区监测技术规程》（国家海洋局，2002）要求进行。重金属Cu、Pb、Cd分析方法为原子吸收法，Hg、As分析方法为原子荧光光度法。监测结果见表1。

表1 渤海倾倒区表层沉积物监测结果

1.2 评价方法

目前对海洋倾倒区沉积物重金属环境评价多采用单因子指数法或综合指数法进行多因子评价，这些方法比较简单，但是却仅仅考虑了沉积物中重金属的污染现状，均没有考虑海洋生物对重金属污染的响应特征，更不能说明沉积物中重金属可能存在的生态危害效应（陈静生等，1989）。瑞典学者Hakanson提出的潜在生态风险指数法正是从沉积物中重金属可能存在的生态危害效应这个角度出发，利用重金属总量化学指标分析数据，结合各重金属污染物生物毒性大小的不同，多种重金属污染物的综合作用和沉积特征、区域敏感性等角度综合评价沉积物中重金属污染物的潜在生态危害效应，并定量给出了生态危害程度的划分标准，它将污染物与生物毒性、生态危害有机地结合，兼有现时与潜在风险评价的研究层次（刘成等，2002；马德毅等，2003）。

本文根据所监测的项目及研究的实际情况，选取Hg、Cd、Cu、Pb、Zn、As共6种重金属为评价因子，利用富集系数法和Hakanson提出的潜在生态风险指数法，对渤海倾倒区海域重金属污染状况及其对海洋生态系统的潜在生态风险进行分析和评价。

1.2.1 富集系数法

为了定量反映渤海倾倒区表层沉积物中各种重金属的污染状况及其在沉积物环境中的富集程度，本文选用富集系数来表示，计算公式如下：

表2 重金属的背景参照值和毒性响应参数

沉积物中多种重金属的综合污染效应，通过综合指数Cd来表征，计算公式为：

式中：Cd是综合污染指数，是沉积物多种重金属污染指数之和，以前述所选择的6种重金属来评价沉积物中重金属的综合污染情况。

1.2.2 重金属潜在生态风险评价

采用Hakanson潜在生态风险指数法进行评价，计算公式如下（Hakanson etal，1980）：

表3 ，Cd，，ERI与污染程度的关系

风险程度分级 ERI 风险程度分级Ci Ci f 污染程度分级 Cd 污染程度分级 Eirf＜1 低污染 Cd＜6 低污染 Eir＜25 轻微 ERI＜110 低1≤Cif＜3 中污染 6≤Cd＜12 中污染 25≤Eir＜50 中等 110≤ERI＜220 中3≤Cif＜6 较高污染 12≤Cd＜24 较高污染 50≤Eir＜100 强 220≤ERI＜440 较高Ci f≥6 很高污染 Cd≥24 很高污染 100≤Eir＜200 很强 ERI≥440 很高Ei r≥200 极强

2 结果与讨论

2.1 重金属污染现状分析

把渤海6个倾倒区的监测结果代入式（1）和（2），计算各倾倒区重金属污染现状，结果见表4。可以看出，渤海海洋倾倒区分布区域不同，表层沉积物中重金属富集程度不同：

（1）葫芦岛港倾倒区Hg、Zn富集程度相对最大，富集系数为1.66和1.08，为中污染程度；Pb、Cd、As、Cu 4个评价因子为低污染，富集系数在0.59～0.80之间。各种重金属平均富集程度由大到小排序为：Hg＞Zn＞Cd＞Pb＞Cu＞As。

（2）锦州港倾倒区Zn富集程度最大，富集系数为1.21，为中污染程度，其余5个评价因子为低污染，除Hg、Pb富集系数略高为0.82和0.52，其余因子富集程度相对较低，富集系数均小于0.5。各种重金属平均富集程度由大到小依次为：Zn＞Hg＞Pb＞Cd＞As＞Cu。

（3）天津倾倒区（C区）As富集程度最大，富集系数为1.44，为中污染，其余评价因子均为低污染，其中Cu、Pb、Zn富集系数分别为0.87、0.86和0.78。各种重金属平均富集程度由大到小依次为：As＞Cu＞Pb＞Zn＞Cd＞Hg。

（4）黄骅港倾倒区（C1区）As富集显著，富集系数已达4.08，达到较高污染；其余评价因子均为低污染，仅Pb、Cu富集系数相对较高为0.83、0.72。各种重金属平均富集程度由大到小依次为：As＞Pb＞Cu＞Cd＞Zn＞Hg。

表4 渤海倾倒区重金属污染程度及分布状况

（5）黄骅港综合港倾倒区各评价因子均富集较低，为低污染，除Pb、Zn富集系数相对较高为0.84、0.80外，其余均低于0.5。各种重金属平均富集程度由大到小依次为：Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cd＞Hg。

（6）莱州港倾倒区各评价因子均富集较低，为低污染，除Pb、As富集系数相对较高为0.83、0.69外，其余均低于0.5。各种重金属平均富集程度由大到小依次为：Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cd＞Hg。

沉积物中重金属Cu、Zn、Pb、Cr的来源主要以自然来源为主，同时受到人类活动的影响。Hg、Cd、As主要来源为人类活动。重金属富集与沉积物粒度有密切的关系，主要富集在粉砂和粘土粒级沉积物中。倾倒区接收的都是建港疏浚物和港池、航道维护性疏浚物，港池和航道是人类活动影响较为显著的区域，因此，倾倒区沉积物重金属含量受到人类活动影响显著。从前述分析可以看出，渤海倾倒区沉积物中重金属富集相对程度最高的为As，Zn、Hg、Pb次之，富集程度较低的重金属为Cu和Cd。除Pb、Cu在整个渤海倾倒区富集程度相当外，其余呈现区域性富集特征：As富集区域集中在天津和黄骅区域，Zn、Hg、Cd富集区域集中在辽东湾内。

从倾倒区分布可以看出，葫芦岛港和锦州港倾倒区位于辽东湾北部，沉积物类型为粘土质粉砂和砂质粉砂，重金属较易富集，该海域长期受到沿海冶炼厂等工业污水排放的影响，重金属Zn、Hg、Cd含量一直较高（陈江麟等，2004；胡宁静等，2010）。同时葫芦岛与锦州港以煤炭、矿石、石油化工装卸运输为主，人为活动对沉积物重金属含量影响显著，因此该区域沉积物中Zn、Hg、Cd富集明显。天津和黄骅倾倒区位于渤海湾中部，沉积物组成以粉砂和粘土质粉砂为主。李任伟等（2008）、郁滨赫等（2013）等研究显示倾倒区所在海域沉积物中重金属Cu、Pb、Cr含量较高。天津和黄骅2个倾倒区监测显示仅As富集显著，其余重金属富集不明显。原因可能是倾倒区离近岸河口及排污区域较远，重金属来源较少，富集不明显；As富集可能是港口以煤炭、矿石运输为主，受到人为活动影响。莱州港倾倒区位于莱州湾湾口，水体交换能力较好，沉积物类型为粉砂质砂、砂质粉砂，与渤海其他海湾沉积物中重金属含量相比，该海域重金属含量总体较低（罗先香等，2010；陈江麟等，2004）。监测显示倾倒区内重金属富集系数均小于1，富集不明显。

2.2 重金属的潜在生态风险评价

渤海倾倒区表层沉积物重金属潜在生态风险评价结果见表5，同时，用某一重金属值除以ERI值计算出不同重金属对ERI的总体贡献，见表6。可以看出，渤海倾倒区多种重金属潜在生态风险水平为：除葫芦岛港倾倒区有1个站位生态风险指数为114.55，为中等风险外，渤海倾倒区沉积物重金属生态风险指数ERI均小于110，生态风险等级为低风险，重金属对海洋生态系统的潜在危害低。

渤海倾倒区沉积物重金属潜在生态风险指数均数由大到小依次为：As、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn，其中As、Cd、Hg对潜在生态风险指数ERI的贡献率达到81.8%，是需要重点关注的风险因子。渤海倾倒区沉积物重金属潜在生态风险呈现显著的空间差异性：

（1）葫芦岛港和锦州港倾倒区具有较高潜在生态风险的重金属为Hg和Cd。其中，葫芦港倾倒区Hg的潜在生态危害系数平均值达到66.45，为强风险等级；有2个站位Cd的潜在生态风险等级为中等风险。锦州港倾倒区有1个站位Hg的达到51，为强风险等级。Hg和Cd两个因子对ERI的贡献率达87%和84%。

（2）黄骅港倾倒区（C1区）具有较高潜在生态风险的重金属为As，平均值为40.77，达到中等风险等级，As因子对ERI的贡献率达64.3%。

（3）天津港倾倒区（C区）、黄骅综合港区和莱州港倾倒区所监测的6个重金属因子对海洋生态系统的潜在生态危害非常轻微，潜在生态危害系数平均值变化为 0.76～14.4。

综合上述两种评价结果，可以看出，从污染程度角度渤海倾倒区海域重金属的排列顺序与从生态危害的角度各金属的潜在生态风险性排列顺序并不一致，这可能是由于有些重金属具有亲颗粒性，容易被悬浮物吸附迁移进入沉积物中矿化埋藏，使它们对生物的毒性降低，同时，各种重金属对海洋生物的毒性不同，污染程度较高的不一定对生态系统的危害就高（贾振邦等，1997），因此，只有把两种方法相结合，才能更全面的反映渤海倾倒区海域重金属的污染特征和对海洋生态系统的危害性。

表5 渤海倾倒区重金属的潜在生态风险因子和风险指数

表6 渤海倾倒区沉积物中不同金属对ERI的贡献率

3 结论

利用富集系数法和Hakanson提出的生态风险指数法，对渤海6个在用倾倒区沉积物表层重金属Hg、Cd、Cu、Pb、Zn和As的污染特征和潜在生态风险性进行了分析和评价，结论如下：

（1）渤海倾倒区沉积物重金属富集程度相对最高的为As，Zn、Hg、Pb次之，富集程度较低的重金属为Cu和Cd。除Pb、Cu在整个渤海倾倒区富集程度相当外，其余重金属富集呈现区域性特征：黄骅港倾倒区（C1区）As富集显著，污染程度较高；葫芦岛港倾倒区Hg、Zn、锦州港倾倒区Zn、天津倾倒区（C区）As均富集达到中等污染程度；黄骅港综合港倾倒区和莱州港倾倒区重金属富集程度较低。

（2）渤海倾倒区海域沉积物重金属综合潜在生态风险处于较低水平，风险程度依次为：As＞Cd＞Hg＞Pb＞Cu＞Zn，且呈现显著的生态风险空间差异性：①葫芦岛港和锦州港倾倒区沉积物中具有较高潜在生态风险的重金属为Hg和Cd；其中，葫芦港倾倒区Hg的潜在生态风险为强风险等级、局部区域Cd的潜在生态风险等级为中等风险；锦州港倾倒区局部区域Hg的潜在生态风险为强风险等级。②黄骅港倾倒区（C1区）具有较高潜在生态风险重金属为As，且达到中等风险等级。③天津港倾倒区（C区）、黄骅综合港区和莱州港倾倒区重金属潜在生态风险非常轻微。

（3）倾倒区使用管理及环境监测中应不仅关注富集程度较高的重金属因子，同时应加强对具有较高潜在生态风险重金属因子的监测。

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