辽宁大长山海洋牧场拟建海域表层沉积物重金属潜在生态风险的评价

2015-02-17陈勇温泽民尹增强刘永虎田涛

大连海洋大学学报 2015年1期

陈勇，温泽民，尹增强，刘永虎，田涛

(大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁大连116023)

生态风险是生态系统及其组分所承受的风险，指一个种群、生态系统或整个景观的正常功能受外界胁迫后，在目前和将来该系统内部某些要素或其本身的健康、生产力、遗传结构、经济价值和美学价值减少的可能性［1］。生态风险评价是评价负生态效应可能发生或正在发生的可能性，这种可能性是归结于受体暴露在单个或多个胁迫因子下的结果。对渔业海域的表层沉积物重金属潜在生态风险进行评价，对海洋牧场的建设选址具有重要意义。重金属对水生生物，包括水生动物、植物和微生物都有一定的毒害作用［2-12］。重金属一旦进入生物体，会与蛋白和酶等大分子结合并使之变性，或引起遗传物质变异，导致个体的生理和代谢障碍，通过食物链 (网)的累积放大作用进而影响到生态系统的结构与功能［13］。水—沉积物界面是环境中水相和沉积物相之间的转换区，是底栖生物的栖息地带，是水生生态系统的重要组成部分［14］。沉积物中的重金属元素在一定条件下可重新释放进入上覆水，对海洋环境造成二次污染。沉积物也是水生生物尤其是底栖动物重金属摄入的重要来源［15-17］。

沉积物中重金属含量的水平可以反映海域重金属的污染情况［18］，且采用分析沉积物中重金属含量的方法以评估重金属对海洋生态系统的危害，更具可靠性［19］。底播增殖和人工鱼礁投放是海洋牧场建设中的两个重要环节。其中，底播增殖的对象(海参、鲍鱼、扇贝类等底栖生物)栖息地为沉积物表面，而人工鱼礁投放后产生的上升流效应［20］也会将部分沉积物质再次带入上覆水。因此，沉积物质量在一定程度上影响着海洋牧场的生物品质。

本研究中，通过2013年对大长山海洋牧场拟建海域的3次调查结果，对调查海域沉积物重金属含量进行分析，并对该海域沉积物重金属潜在生态风险进行评价，旨在为大长山海域进行海洋牧场建设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

2013年5月、8月和11月分别对大长山海洋牧场拟建区7个调查站位 (图1)采集表层沉积物样品，样品重金属含量由国家海洋环境监测中心分析，分析项目包括 Pb、Cd、Cu、Zn、As和 Hg，分析方法见表1。样品的采集、保存和分析过程中的质量控制步骤均参照海洋监测规范 (GB17378—2007)［21］。

表1 沉积物重金属分析方法Tab.1 Analysis methods of heavy metals in the sediments

图1 调查站位Fig.1 Survey stations

1.2 方法

1．2．1 单因子污染指数和综合污染指数评价采用单因子污染指数(实测污染物浓度与背景值的比值)和综合污染指数Cd(各单因子污染指数之和)反映沉积物重金属的污染程度［22］。单因子污染指数计算公式为

综合污染指数Cd反映多种重金属污染综合效应，其计算公式为

其中:Cd为综合污染指数;为评价因子i的污染指数。单因子污染指数和综合污染指数评价标准见表3。

1．2．2 潜在生态风险评价采用瑞典学者Hakanson［24］于 1980年提出的潜在生态危害指数法(Potential ecological risk index)对沉积物重金属污染程度进行评价，其计算公式为

表2 污染因子参考值和重金属毒性系数Tab.2 Baseline values of pollution factors and toxicity coefficients of heavy metals

表3 沉积物单因子污染指数和综合污染指数的评价标准Tab.3 Evaluation criteria of single factor pollution indices and integrated pollution indices of sediments

表层沉积物中重金属浓度越大，重金属污染物的种类数越多，重金属的毒性水平和水生生物对重金属污染的敏感性就越高，潜在生态危害指数值也越大，表明对海洋生态环境的潜在危害也越大［19］，对海洋牧场这一以实现生态健康、环境友好、资源丰富、产品安全为目标的现代渔业生产模式产生的负面影响也越大。

表4 潜在生态危害指数与沉积物重金属污染程度的关系［19，24］Tab.4 Relationships between the potential ecological risk indices and the degree of pollutionof heavy metals in sediments

2 结果与讨论

2.1 沉积物重金属含量的分析

根据2013年5月、8月、11月3次对沉积物的调查结果 (表5)以及海洋沉积物Ⅰ类标准可知，5月、8月和11月Cu、Cd、Pb、As、Zn、Hg的含量均低于海洋沉积物第Ⅰ类标准。其中Cu、Cd、Pb的含量有下降的趋势，As的含量有上升趋势，Zn的含量从5月的平均值54．8 mg/kg骤升到8 月的 100．0 mg/kg，之后又回落到 52．2 mg/kg，Hg在0．019 ～0．023 mg/kg之间变动。

根据各调查站位沉积物重金属3次调查的平均值 (表6)可知，Cd和Pb的最高平均值出现在DCS01站位，分别为 0．25、23．76 mg/kg;As和Hg最高平均值出现在DCS03站位，分别为4．70、0．027 mg/kg;Cu和Zn最高平均值出现在DCS06站位，分别为 20．06、77．36 mg/kg。

表5 5月、8月和11月调查海域沉积物重金属的含量Tab.5 Contents of heavy metals in sediments of ranching area in May，August and November mg/kg

表6 各站位沉积物重金属含量3次调查的平均值Tab.6 Average contents of heavy metals in sediments at each stations for 3 survey mg/kg

海洋中重金属来源可划分为天然来源与人为来源。天然来源如海底火山喷发将地壳深处的重金属带到海底，通过海流作用把重金属及其化合物注入海洋;地壳岩石风化后通过大气沉降与陆地径流等方式也将重金属注入海洋，构成了海洋重金属的环境本底值。人为来源如矿山与海洋油井的开采、工农业污水与废水的排放 (如冶金、电镀、蓄电池、颜料、制革、涂料及化工厂的排水、重金属农药厂废水的排放和重金属农药的流失等)［25-26］。

调查海域沉积物重金属含量3次调查的平均值变化不大，且均在第Ⅰ类沉积物范围内变化。说明调查海域沉积物质量良好，受人为因素影响很小，其变化可能主要来自自然因素影响。这与大长山岛内经济发展主要以渔业和旅游业等低污染行业为主、重视环境保护、调查海域离河流入海口相对较远、无陆地径流直接流入等因素有关。

2.2 单因子污染指数和综合污染指数评价

根据用单因子污染指数法和综合污染指数法对3次调查沉积物重金属的评价结果 (表7～表9)可知，2013年5月、8月、11月大长山海洋牧场拟建海域沉积物 Pb、Cd、Cu、Zn、As、Hg单因子污染指数均小于1，为低污染，而综合污染指数均小于5，表明大长山海洋牧场拟建海域沉积物重金属处于低污染水平。由2013年5月、8月、11月沉积物重金属单因子污染指数平均值变化趋势(图2)可知，各站位Cu、Cd单因子污染指数平均值从5月到11月呈先减小后增大趋势;Pb单因子污染指数呈逐渐减小趋势;As、Zn单因子污染指数呈先增大后减小趋势;Hg单因子污染指数变化趋势不明显。各站位综合污染指数平均值依次为8月＞5月＞11月。

表7 5月份沉积物单因子污染指数和综合污染指数Tab.7 Single factor pollution indices and comprehensive pollution indices of sediments in May

表8 8月份沉积物单因子污染指数和综合污染指数Tab.8 Single factor pollution indices and comprehensive pollution indices of sediments in August

表9 11月份沉积物单因子污染指数和综合污染指数Tab.9 Single factor pollution indices and comprehensive pollution indices of sediments in November

2.3 潜在生态风险指数评价

根据用潜在生态风险指数法对大长山海洋牧场拟建海域沉积物重金属的评价结果 (表10～表12)可知，3次调查中沉积物单因子生态风险指数:5 月，Cd(12．9)＞Hg(4．0)＞Cu(2．44)＞Pb(2．10)＞As(1．87)＞Zn(0．36);8 月，Cd(8．91)＞Hg(4．46)＞As(2．54)＞ Cu(1．89)＞Pb(1．68)＞Zn(0．67);11 月，Cd(7．89)＞Hg(4．29)＞As(2．11)＞Cu(2．01)＞Pb(1．36)＞Zn(0．35)。3 个月份中，Cd的潜在风险指数均最高，其次是Hg，Zn的潜在风险指数均最低。3次调查中沉积物综合生态风险指数的平均值依次为5月＞8月＞11月，潜在生态风险指数呈下降趋势。

图2 沉积物重金属单因子污染指数的平均值Fig.2 Means for single factor pollution indices of heavy metals in sediments

2013年5月、8月、11月各站位不同月份潜在生态综合风险指数变化趋势如图3所示。从图3可见:5月份，DCS01站位潜在生态综合风险指数最大，DCS04站位潜在生态综合风险指数最小;8月份，DCS04站位潜在生态综合风险指数最大，DCS05站位潜在生态综合风险指数最小;11月份，DCS06站位潜在生态综合风险指数最大，DCS04站位潜在生态综合风险指数最小。就5月、8月、11月3次调查各站位潜在风险指数的平均值看 (表13)，DCS01站位潜在生态风险指数最大，DCS04站位潜在生态风险指数最小。沉积物质量基准是指底栖生物免受特定化学物质危害的保护性临界水平，是化学物质和底栖生物之间剂量—效应关系的反映。参考洪松［27］确定的沉积物质量基准中的多种重金属潜在生态危害综合指数的基准为180，因此，当RI小于180时，直接受沉积物重金属影响的底栖生物不会受到危害，同时，间接受沉积物重金属影响的其他水生生物也不会受到危害，从而保障了食用水产品的人类的安全。比较可知，本研究中调查海域RI最高为38．74，远小于180。可见，大长山海洋牧场拟建海域沉积物中重金属的低潜在生态风险对水生生物和人类不会产生危害。

表10 5月份大长山海洋牧场拟建海域沉积物重金属潜在生态风险指数Tab.10 Potential ecological risk indices of heavy metals in sediments in the expected Dachangshan ranching area in May

表11 8月份大长山海洋牧场拟建海域沉积物重金属潜在生态风险指数Tab.11 Potential ecological risk indices of heavy metals in sediments in the expected Dachangshan ranching area in August

表12 11月份大长山海洋牧场拟建海域沉积物重金属潜在生态风险指数Tab.12 Potential ecological risk indices of sediments in the expected Dachangshan ranching area in November

图3 各站位不同月份潜在生态综合风险指数Fig.3 Potential integrated ecological risk indices ateach station in different months

3次调查各站位沉积物重金属含量均处于低潜在生态风险水平 (单因子潜在生态风险指数Eir＜40);整个调查海域处于低潜在生态风险水平 (综合潜在生态风险指数RI＜95)。与其他海域相比(表14)，大长山拟建海洋牧场海域沉积物重金属综合潜在生态风险指数低于大亚湾、珠江口、湛江港湾和海州湾。

表13 各站位沉积物重金属潜在生态综合风险指数3次调查的平均值Tab.13 Average integrated ecological risk indices of heavy metals in sediments at each station for 3 survey

表14 大长山海洋牧场拟建海域重金属潜生态风险指数与其他海域的比较Tab.14 Comparison of potential ecological risk indices of heavy metals in the expected Dachangshan ranching area with that in the other marine areas

3 结论

(1)沉积物重金属含量的高低直接关系到海域生物生长和水产品质量安全。大长山海洋牧场拟建海域7个调查站位中，DCS01站位的Cd、Pb含量最高，DCS03站位的Hg、As含量最高，DCS06站位的Cu、Zn含量最高。但是，最高含量均低于第Ⅰ类海水沉积物质量标准，符合海洋渔业和海水养殖对海域使用要求。

(2)大长山海洋牧场拟建海域沉积物综合污染指数均小于5，沉积物重金属处于低污染水平。

(3)大长山海洋牧场拟建海域沉积物潜在生态风险评级为低潜在生态风险。3次调查沉积物综合指标生态风险指数平均值依次为5月＞8月＞11月，潜在风险指数呈下降趋势。

(4)大长山海洋牧场拟建海域表层沉积物重金属含量低，污染水平低，潜在生态风险小，对未来海洋牧场中的水生生物产生毒害作用的可能性很小。根据《海洋沉积物质量标准》 (GB18688—2002)中按照海域的不同使用功能和环境保护目标对沉积物质量的分类，沉积物质量为第Ⅰ类的海域适用于海洋渔业水域、海洋自然保护区、珍稀与濒危生物自然保护区、海水养殖区、海水浴场、人体直接接触沉积物的海上运动或娱乐区，以及与人类食用直接有关的工业用水区。海洋牧场水域属于海洋渔业水域，因而就所调查海域沉积物中重金属指标来看，拟建海域适宜海洋牧场建设。

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