渤海湾表层沉积物重金属含量及潜在生态风险评价

周笑白，梅鹏蔚*，彭露露，韩龙，张震

1. 天津市环境监测中心，天津 300191；2. 江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036

渤海湾表层沉积物重金属含量及潜在生态风险评价

周笑白1，梅鹏蔚1*，彭露露2，韩龙1，张震1

1. 天津市环境监测中心，天津 300191；2. 江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036

海洋沉积物中重金属元素的释放可能影响海水质量及海洋生态健康。于2013年8月采集了渤海湾24个点位的表层沉积物，检测了汞、砷、铜、锌、铅、镉、铬7种重金属的含量，并用Hankanson法分析其潜在生态风险。结果表明，渤海湾沉积物中重金属含量均值可达到国家一类海洋沉积物标准（GB 18668-2002），其中汞、砷、铜、锌、铅、镉、铬的浓度分别达到0.03、16.15、23.15、89.45、38.84、0.24和60.60 mg·kg-1。渤海湾不同点位中，表层沉积物重金属含量符合海洋沉积物质量一类标准的占83.3%，其余点位可满足二类标准，超一类标准的点位的主要超标因子是砷和铅。渤海湾重金属的综合生态风险指数达到95.01，属于轻微生态风险等级。不同重金属所产生的生态风险排序为镉>汞>砷>铅>铜>铬>锌，除镉外均属于轻微生态风险等级。镉的潜在生态风险值为47.00，达到了中等生态风险等级，其风险占所有重金属总风险的49.5%。镉的潜在生态风险高与镉的生物毒性较高及其近年来在渤海沉积物中积累速度较快有关。重金属潜在生态风险在河口地区和天津港工业区附近呈现高值，而南部渔业区和远离海岸的中心区的生态风险相对较低，说明近海工业活动和陆源污染排放渤海湾沉积物中的重金属生态风险的主要来源。因而，调整近海的产业结构，严格控制入海河流和近海经济活动的重金属特别是镉的污染排放，对保障渤海沉积物的生态安全至关重要。

重金属；生态风险评估；沉积物

渤海为人类提供了宝贵的鱼类、石油、航运等资源，还通过自净作用消纳了大量的陆源污染物，对区域社会经济的发展和生态环境的保障提供了重要的支撑（张雷等，2011）。随着环渤海地区经济的迅速发展，渤海湾港口建设、石化企业、金属冶炼企业、海水养殖行业等行业日益活跃，由此带来的陆源污染排放问题也越来越严重（彭士涛等，2009）。重金属污染物具有来源广、残毒时间长、不易被生物分解、可以在底泥和海水中交换等特点，对海洋生物和人类健康造成了潜在的威胁。

海洋沉积物中主要的重金属（类金属）污染物包括汞、镉、铬、铅、铜、锌和砷。吸附于沉积物中的重金属不仅能危及底栖生物的健康，还可以通过解吸作用进入海水，危及其他海洋生物，并最终通过食物链间接地威胁当地居民的健康（许思思等，2010）。本文拟研究渤海湾沉积物中重金属含量及其在空间的分布，分析重金属污染物在不同区域的污染程度，并探讨主要的污染物及其来源，以期为海洋重金属污染物的污染防控提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 采样方法

2013年8月，利用走航的方式在渤海湾采集沉积物，利用抓斗式采泥器采集表层沉积物样品。本次调查公布设24个样点，调查点位如图1所示，每个站位至少采集3个平行样。表层沉积物样品的贮存按照GB/T12763.3-2007《海洋监测规范》第3部分中重金属的相关规定执行。

沉积物样品自然风干后去除杂物，充分混匀后研磨后过100目尼龙筛。取0.2 g干样，采用国标（GB17378.5-2007）方法测定沉积物中的重金属含量。HCl-HNO3水浴消解后采用AFS-8800型冷原子吸收仪测定Hg含量，用AFS-8300型冷原子吸收仪测定As含量。利用原子吸收法测定铜、锌、铅、镉、铬。测量相对偏差为0.2%～3.8%。

图1 渤海湾沉积物采样点位分布图(n=24)Fig. 1 Sampling sites of the sediments in Bohai Bay(n=24)

1.2 单因子污染指数法

根据国家海洋沉积物质量标准（GB18668-2002），利用单因子污染指数法评价不同点位的重金属污染物超标情况。具体公式为：

其中，PIi是采样点的重金属i的污染指数；ci是该样点重金属i的实测含量；Si是重金属i的评价标准含量。

1.3 沉积物潜在风险评价方法

沉积物的潜在生物毒性采用瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态危害指数法进行评价（齐凤霞等，2004）。该方法通过分析沉积物中不同重金属污染物的释放能力和生物毒性强度，将沉积物中污染物的含量折算为生物毒性风险。对于多种重金属共存情况，采取加和的方式衡量重金属的生物毒性。具体计算方法如下：

其中，Eri为重金属i潜在生态风险指数；Tri为重金属i的毒性系数（见表1）（吴景阳等，1985；秦延文等，2007）； Ssi为重金属i实测含量； Cni为重金属i的评价参考值，本研究中选用渤海湾工业化前背景值为参考值（见表 1）；RI为沉淀物中重金属污染物的综合潜在生态风险指数。Hakanson潜在生态风险指数法对污染程度的划分如表2所示。

表1 沉积物中重金属的参考值和毒性系数Table 1 Background reference values and toxicity coefficients of heavy metals in the sediments

表2 Hakanson潜在生态风险指数法对污染程度的划分Table 2 Hakanson potential ecological risk and index for pollution level classification

1.4 数据处理方法

本研究采用SPSS17软件，分析不同重金属污染物之间的相关关系，利用插值的方法分析重金属在研究区域内的分布规律。

2 结果与讨论

2.1 渤海湾沉积物中重金属的含量分析

本研究中所调查的7种重金属的平均含量均低于国家一类沉积物质量标准限值（GB18668-2002），含量由高至低为：锌>铬>铅>铜>砷>镉>汞（如表3）。所有样点中达到一类沉积物标准的点位占83.3%，可满足海水养殖、海水浴场、环境保护区等多种用水需求；16.7%的点位达到二类沉积物标准，超一类指标因子分别为砷（S4、S5）和铅（S8和S23）。沉积物中重金属的平均值与我国其他海域的污染程度相近，略低于珠江口、新加坡和埃及，远低于意大利海域的重金属污染程度。Pinedo等人研究发现沉积物中重金属的积累量与经济活动频繁程度有关，因此我国海洋沉积物中的重金属低于上述发达国家周边海域可能与我国近岸海域经济开发时间较短有关（PINEDO等，2014）。渤海表层沉积物砷、铜、锌、铬的含量相对于背景值没有明显的变化。铅和镉的含量有所升高，含量达到了背景值的1.5倍，但未超过国家一类沉积物标准值。汞含量低于秦延文 2003年测定的渤海湾沉积物中的汞含量，这可能与近年来汞的污染排放受到严格的限制有关秦（延文等，2007）。研究显示，2003年包括蓟运河、大沽排污河、海河、青静黄排污河在内的多条入海河流和直排海污染源中汞含量超标（刘成等，2003），而2013年天津市6条入海河流全部达到标准（天津市环境监测中心，2013）。

表3 海洋沉积物中的重金属含量Table 3 Heavy metals content in the marine sediments mg·kg-1

相关性分析表明金属镉与锌具有较好的相关性（P=0.809，r=0.000），镉和铬之间也呈现弱的相关性（P=0.407，r=0.048），类金属砷和汞具有较好的相关性（P=0.620，r=0.001）。沉积金属和类金属之间的相关性在其它研究中也有论述，这可能说明这些重金属和类金属有一定的同源性（张雷等，2011）。

2.2 渤海湾沉积物中重金属的生态风险分析

渤海湾沉积物中重金属的生态风险总体上处于轻微生态风险等级。7种重金属的生态风险顺序为镉>汞>砷>铅>铜>铬>锌。所有重金属中镉的生态风险最高，平均生态风险已经达到了中等生态风险的强度，所有点位中达到中等生态风险以上风险程度的点位占84.6%；镉在重金属生态风险中的贡献率也最高，占所有重金属的49.5%。镉生态风险较高与镉的生物毒性较高和近年来累积速度较快有关。值得注意的是，我国其他海域镉的风险值也较高。表4中所列举的中国近海港湾中，除胶州湾外，镉的生态风险都是所有重金属中最高的。特别是重工业较为发达的锦州湾，镉的生态风险值达到了1658.34，属于极强生态风险。这说明近年来镉在我国近岸海域积累现象十分严重。镉具有较强的生物毒性和生物积累性，其含量迅速增加对海洋动植物生长和人类健康都存在严重威胁，因此需要加强近岸海域沉积物中镉含量的监测，预防其可能引发的生态危机（许思思等，2010；KHOSRAVI等，2005；AKSU等，2011）。

表4 海洋沉积物中重金属的潜在生态风险Table 4 Potential ecological risk of heavy metals in the marine sediments

图2 渤海湾表层沉积物重金属生态风险分布图(n=24)Fig. 2 Distribution of the potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of Bohai Bay(n=24)

渤海湾沉积物生态风险做空间插值图（图 2）显示，渤海湾的生态风险较高的地区主要是西部沿海区，其中风险最高的地区位于天津港（S4和S5点位）附近，而渤海湾生态风险较低的点位主要位于渤海湾南部的河北省唐山市和远离海岸带的地区。天津港附近海域紧邻天津市重要的滨海工业区，工业区内有码头和大量工业园、污水处理厂，人类经济活动频繁。同时该海域还是永定新河、大沽排污河和海河的入海口，年均入海水量达十万立方米，水中重金属在河口地区沉积也是某些重金属含量在沉积物中升高的原因所在（闫凤冬，2012）。相比之下，远离海岸的人类活动较少地区，南部地区主要发展养殖业和海洋渔业，无污染排放口，水质状况相对较好。生态风险从河口和工业区向外递减的趋势以及不同近岸海区生态风险状况的差别说明渤海的主要重金属生态风险来源于近海经济活动和内陆河流，而近海区经济活动所产生的沉积物生态风险也有明显的差别。这也是距重工业发展区域较近的锦州湾区域沉积物中重金属生态风险较高的原因所在。因而，调整近海的产业发展模式，严格控制入海河流和工业排海口的污染排放，对降低重金属所带来的生态风险至关重要。

3 结论

（1）渤海湾表层沉积物重金属含量符合海洋沉积物质量一类标准达到83.3%，满足二类标准的达到16.7%，主要的超一类标准因子是砷和铅。

（2）渤海湾沉积物中重金属生态风险状况为轻微生态风险状态，其中镉的生态风险较高，在总重金属风险中贡献率达49.5%，达到了中等生态风险等级。

（3）渤海湾西部河口地区和天津港工业区生态风险较高，南部和远离海岸区的生态风险较低，近海经济活动和陆源污染排放对渤海湾的重金属污染状态和潜在生态风险影响较大。

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Contents and Potential Ecological Risk Assessment of Selected Heavy Metals in the Surface Sediments of Bohai Bay

ZHOU Xiaobai1, MEI Pengyu1*, PENG Lulu2, HAN Long1, ZHANG Zhen1
1. Tianjin environmental monitoring center, Tianjin 300191, China; 2. Jiangsu environmental monitoring center, Nanjing 210036, China

The release of the heavy metals from the sediments might significantly contribute to the water environment and ecological health of the sea. Contents of selected heavy metals (Hg, As, Cu, Zn, Pb, Cd, Cr) in the surface sediments from 24 sites in the Bohai Bay were measured in August of 2013, and their potential ecological risk were evaluated through Hankanson method. Results showed that the average content of the heavy metals in the sediment of Bohai Bay reached the first standard request of the national marine sedimentary evaluation criterion (GB-18668-2002), with the average values of Hg, As, Cu, Zn, Pb, Cd, Cr of 0.03, 16.15, 23.15, 89.45, 38.84, 0.24 and 60.60 mg·kg-1respectively. A percentage of 83.3% of the sampling sites meet the first standard request of the national marine sedimentary evaluation criterion, and the rest of the sites were qualified for the second standard. According to the result, the main heavy metals exceeded the first standard of the criterion were As and Pb. Further ecological risk assessment result showed that the average ecological risk index value in different sites was 95.01, which represented a low ecological risk. The potential ecological risk caused by heavy metals decreased following the sequence of Cd, Hg, As, Pb, Cu, Cr and Zn, and all the metals except Cd caused a low ecological risk. The potential ecological risk index caused by Cr reached 47.00, representing a moderate ecological risk, which contributed around 49.5% of the total potential ecological risk. The high ecological risk of the Cd could be explained by high respond to its high biotoxicity and rapid accumulation in the sediment. Higher potential risk of heavy metals were detected in the sediments near estuary and Tianjin port industrial region, while lower ecological risk of heavy metals was detected in the southern fishing region and the center of the Bohai Bay, which indicated that the potential risk of heavy metals was probably caused by industrial activity and land source pollution in Bohai Bay. Therefore, it is of great importance to adjust the industrial pattern in the offshore and control the discharge of the heavy metal (especially Cd) through river inflow and economic activity to protect the ecological security of the sediments in Bohai Bay.

heavy metal; ecological risk assessment; sediment

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.012

X55

A

1674-5906（2015）03-0452-05

周笑白，梅鹏蔚，彭露露，韩龙，张震. 渤海湾表层沉积物重金属含量及潜在生态风险评价[J]. 生态环境学报, 2015, 24(3): 452-456.

ZHOU Xiaobai, MEI Pengyu, PENG Lulu, HAN Long, ZHANG Zhen. Contents and Potential Ecological Risk Assessment of Selected Heavy Metals in the Surface Sediments of Bohai Bay [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 452-456.

国家环境保护公益性行业科研专项项目（201309008）

周笑白（1982年生），女，博士，主要从事近岸海域生态环境研究。E-mail: dianadeweyzp@163.com *通讯作者：梅鹏蔚，高级工程师。E-mail: meipengyu@163.com

2014-12-02