环渤海湿地沉积物重金属污染监测与风险评价

赵肖依，魏海峰,2*，黄 欣，赵雨朦，霍玉洁，夏 宁，何 洁，张明亮,2

(1. 大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；2. 辽宁省近岸海洋环境科学与技术重点实验室，辽宁 大连 116023)

湿地是生态环境的重要组成部分，但近年来湿地污染日益严重，其中重金属已成为湿地环境中最重要的污染物之一。重金属会在生态系统中积累，在某些情况下可以转化为毒性更大的金属有机化合物，从而使河口地区的湿地生态系统和生态环境受到直接或潜在的危害[1]。

湿地中重金属来源于人类工业污染和生活污染[2]，在海洋食物链中的传递、富集对浅海湿地生态系统乃至人类健康构成严重威胁[3]。研究表明重金属在潮滩沉积物的垂直分布中很常见[4-7]。渤海湾南部从高潮滩到低潮滩，重金属含量呈下降趋势[8]。黄河三角洲表层沉积物中重金属含量高于黄河河口及其附近海域，但低于其他河口沉积物[9]。辽东半岛东南沿海湿地沉积物中4种重金属元素含量的平均值分别为28.9、79.7、35.6和12.6 mg/kg[10]，湿地表层沉积物中各元素平均含量均在80%以上，低于环境背景值，环境影响微小[11]。在鄱阳湖南矶山湿地，Cu和Zn两种重金属含量的基本特征是表层>中层>底层[12]。海南岛八门湾红树林湿地沉积物中Cu、Zn、Pb和Cd的平均含量分别为10.55、49.51、12.63和0.63 mg/kg，与背景值含量基本相同[13]。上述结果表明了重金属在湿地河口沉积物的普遍性。

Cu、Zn、Pb和Cd是渤海湿地主要的重金属影响元素。本研究选取环渤海河口附近区域采样，对环渤海进行重金属的分布调查和分析评价，有利于全面了解环渤海的重金属分布及污染情况，可为环渤海滨海湿地的科学开发和保护提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集及方法

2017年8月在环渤海重点地区采集沿岸和红海滩多处不同位置沉积物，共13个站位，如表1和表2。用洛阳铲采集沉积物样品，取其中未受搅动的部分，采样厚度约2 cm，样品采集后置于聚乙烯自封袋中，于-20 ℃冰箱中冷冻保存。依据《海洋监测规范》(GB 17378.5—1998)检测方法，将沉积物风干、研磨，经过200目筛分过筛，消解后用原子吸收分光光度法测Cu、Zn、Pb、Cd 4种重金属含量，每个站位点样品测定3次。

表1 环渤海沉积物采样站位

表2 盘锦双台河口红海滩沉积物采样站位

1.2 沉积物环境质量标准和评价方法

目前，湿地重金属污染的评价方法较多，常用的方法主要有地积累指数法、潜在生态危害指数法、污染负荷指数法、沉积物集系数法等。本文参考何东明等[14]的评价方法，使用地积累指数法和潜在生态风险指数法评价沉积物重金属含量。

1.2.1 沉积物质量标准

根据《海洋沉积物质量标准》(GB18668—2002)分析，可执行二级标准。如表3。

表3 海洋沉积物质量标准(mg/kg)

1.2.2 地积累指数法

地累积指数法计算公式为：

Igeo=log2[Ci/(K*Bi)]Igeo=log2[Ci/(K*Bi)]

式中：Igeo表示地积累指数，Ci为计算得出的沉积物中重金属污染物i的浓度，mg/kg；K为可能会引起背景值的变动而取的系数，一般取1.5；Bi为渤海海域沉积物重金属背景值，分别为Cu=21.7 mg/kg，Zn=65.15 mg/kg，Pb=13.96 mg/kg，Cd=0.088 mg/kg[15]；

地积累指数Igeo与沉积物污染程度对应关系见表4。

表4 地积累指数与沉积物污染程度分级

1.2.3 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法的计算公式为：

潜在生态风险指数与沉积物污染级别的关系如表5所示。

表5 潜在生态风险指数与沉积物污染程度分级

1.3 数据处理

各站位重金属含量均用平均值±标准差表示，采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析，采用Duncan法进行组间多重比较，显著性水平设为0.05。

2 结果与讨论

2.1 沉积物重金属的含量

各站位的不同重金属含量见表6和表7。不同站位之间各重金属含量部分存在显著差异。其中Zn含量稍高，最高为94.48 mg/kg；Cu、Pb和Cd含量普遍偏小，Cd的含量最低为0.08 mg/kg，有5个站位并未检测出Cd的含量。

表6 环渤海各站位重金属含量(mg/kg)

从重金属离子含量来看，研究区域Zn的含量最高，Cd的含量最低，从高到低的排序为：Zn>Pb>Cu>Cd。东营机场站位Cu含量为5.41 mg/kg，在环渤海相对较高，唐山曹妃甸生态城站位Cu含量为0.08 mg/kg，含量最低，其余站位Cu离子含量均在0.48～5.81 mg/kg之间，说明环渤海沿岸Cu2+含量从西到东逐渐升高。从Zn角度来看，廊桥爱梦站位Zn的含量为94.48 mg/kg，含量最高，唐山曹妃甸生态城站位Zn含量为16.29 mg/kg，其余Zn含量在29～76 mg/kg之间。整个环渤海Pb含量比较稳定，最大值和最小值之间差别不大。整个环渤海Cd2+含量较低，东部含量整体较高于西部，但差异不明显。从4种重金属元素综合来看，环渤海东部地区红海滩附近的重金属含量较高，西部地区重金属含量稍低。如表7、8所示，从重金属总含量来看，廊桥爱梦站位重金属含量最高为108.49 mg/kg，唐山曹妃甸生态城站位重金属含量最低为24.78 mg/kg。与林曼曼[17]等人关于环渤海的调查研究结果相近。

表7 盘锦双台河口红海滩各站位重金属含量(mg/kg)

表8 沉积物重金属元素含量(mg/kg)

2.2 地积累污染指数评价结果

利用公式(1)，计算得到各个采样点重金属离子地积累指数，结果如表9所示。从单项平均地积累指数来看，Cu、Zn和Pb的地积累污染指数均小于0，污染级别均为0级，属于无污染程度，4个站位的Cd的地积累指数在0～1之间，污染级别为1级，属于轻微污染。该研究地区Cu的地积累污染指数在-9.95～-3.45的之间，Zn的地积累指数在-4.20～-1.67的范围之间，Pb的地积累指数在-5.82～-5.40的范围之间，Cd的地积累指数在-1.62～0.76的范围之间。其污染程度由强到弱依次为：Cd>Zn>Cu>Pb。

表9 沉积物地积累污染指数评价结果(mg/kg)

2.3 潜在生态风险指数评价结果

表10列出了研究区4种重金属元素潜在生态风险指数的计算和统计，根据平均潜在生态风险指数分级(表5)分析，4种重金属离子的单项潜在生态风险指数的平均值Cu、Zn、Pb和Cd，E<40为低度污染，但4个站位的Cd的潜在生态风险指数E在40～80之间，为中级污染，其他站位为无污染。4种重金属元素的综合潜在生态风险指数的平均值(RI<150)为低度污染，4种重金属离子污染程度由强到弱依次为：Cd>Cu>Zn>Pb。

表10 4种重金属潜在生态风险指数评价结果

3 讨 论

西部重金属含量低于的东部的含量的结果表明，渤海周围沉积物重金属含量空间分布特征明显，Pb、Cu和Zn的含量均明显低于背景值，Cd的含量高于背景值，但与相关研究[18～21]测定含量差别不大。不同地区的经济发展上的差异和工业产业类型和模式的不同使重金属在后期空间上的积累有所不同[22]，从区域自然环境特征来看，经由河流汇入大海期间在沿岸湿地积累，从而使环渤海沿岸沉积物重金属含量在空间上存在分布差异。重金属存在于土壤颗粒中，以可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态及残渣态形态存在，重金属对土壤的影响根本上是影响酶的活性，铜可以影响土壤中脉酶活性，锌影响过氧化氢酶活性[23]。此外，人类活动的影响是沉积物重金属含量的主要原因。例如辽宁自建国以来一直是我国重要的重工业和钢铁基地，其沉积物重金属污染的主要原因是重工业的影响[24]。

与GB18668-2002中的二级标准相比，本研究调查的环渤海地区4种重金属元素含量有所下降。降水冲刷河口沿岸的沉积物，使其中的重金属元素随泥沙流入大海，沉积物中的重金属含量整体有所降低。

本研究主要采用查阅文献和采集到有限的沉积物样本测定重金属数据的方式进行，通过分析得到环渤海沿岸底质沉积物重金属的空间分布。本实验在盘锦红海滩站位比较多而集中，而在渤海西部地区的样本点数据较少。这在某种程度上对结果造成一定的影响，如葫芦岛地区，样本点稀少，使其沉积物重金属含量整体偏低。在查阅的诸多文献中，研究区多为沉积物受重金属污染明显的地区[25]，所以在本研究中与之对比的结果不可避免地偏低。

两种评价方法的结果不同，地积累指数法结果为无污染，潜在生态风险指数法结果为低污染，探究两种评价结果不同的原因，是由于两种评价方法的评价角度不同[26]，可能与沉积物形态、重金属富集形式等因素有关。比较两种评价方法的4种重金属污染情况由强到弱的排列顺序，Zn和Cu的顺序不同，另两种顺序不变，分析原因是后者的计算过程加入了生物毒性的部分。

经地积累指数法和潜在生态风险指数法的评价，均说明在某几个站位存在Cd污染，沉积物含有大量Cd的原因可能是来自于铅锌矿、电镀等工厂，Cd可以随着工业废气排出，并在周围自然沉降，最终富集在沉积物中，也可能是Cd随废水等流入或渗入地下水引起的[27]。

4 结 论

在渤海沿岸底质采集13个沉积物样品进行测试，测试结果表明：所有站位4种重金属元素含量的平均值均未超过标准。地累积指数法对平均值的评价结果是无污染，利用潜在生态危害指数法评价平均值为低污染程度。环渤海东部地区红海滩附近的重金属含量较高，西部地区重金属含量稍低。4个站位Cd的地积累指数评价为轻微污染，其他站位为无污染。4个站位Cd的潜在生态风险评价指数的评价为中度污染，其他站位无污染。