青岛潮间带表层沉积物重金属污染现状及潜在生态风险评价

刘 阳 赵晋娥 张凡顺

(中国海洋大学海洋生命学院，山东 青岛 266000)

潮间带处于海洋与陆地的交界地带，受海洋环境及陆地输入的共同影响。潮间带是海洋生物产卵、索饵、孵化和栖息的重要场所，在海洋生态系统中具有重要地位[1]。潮间带又是人类的重要活动场所，往往汇集大量生活垃圾、工业废弃物等污染物，导致潮间带表层沉积物中的重金属大量累积，对潮间带的生态环境造成危害[2]。因此，对潮间带表层沉积物中的重金属进行及时监测在海洋生态环境保护中具有重要作用。

青岛是我国著名的海滨旅游城市，每年大量游客进入沿海一线。据统计，2018年青岛接待游客超过1亿人次，同比增长13%，旅游消费总额突破1 900亿元，同比增长在15%以上。青岛又是我国的重要港口城市，青岛港主要从事集装箱、原油、铁矿石、煤炭、粮食等各类进出口货物的装卸、储存、中转、分拨等物流服务和国际客运服务[3]，繁忙的货轮航道、大量生活垃圾、货运船舶废弃物给潮间带环境造成巨大压力。目前，有关青岛近海海域沉积物重金属的研究大多集中在胶州湾海域，对其他近海海域的研究相对较少，尚无研究对热点海域的沉积物重金属污染情况进行系统评价。

为此，本研究选择团岛湾、青岛湾、汇泉湾、太平角、浮山湾、雕塑园及石老人等旅游热点区域为研究对象，分析其表层沉积物中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg、As的含量，并采用多种评价方法对重金属污染情况进行评价，以揭示人为活动对滨海区域的环境压力，为旅游热点海域旅游管理及重金属污染综合防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

于2019年4—5月在青岛团岛湾、青岛湾、汇泉湾、太平角、浮山湾、雕塑园及石老人等海滨潮间带设置采样点采集表层沉积物样品，采样点分布见图1。将采集的沉积物样品装于聚乙烯袋中，带回实验室，-20 ℃冰箱保存。

图1 青岛潮间带采样点分布Fig.1 Distribution of sampling stations in Qingdao intertidal zone

1.2 样品处理与重金属测定

样品处理：沉积物样品自然风干后用玛瑙研钵研磨过160目筛，将研磨后的样品充分混匀放入干燥器，室温下保存。

重金属测定：参考文献[4]，称量0.100 g沉积物样品于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸(优级纯)、5 mL氢氟酸(优级纯)和2 mL高氯酸(优级纯)，将消解罐放入MDS-6型微波消解仪2.0 MPa下持续消解10 min，消解液转入聚四氟乙烯坩埚，电热板上蒸至近干，三蒸水定容至10 mL，待测。采用石墨炉原子吸收法测定消解液中Cu、Pb、Cd及Cr含量，火焰原子吸收法测定消解液中的Zn含量，分析仪器为TAS-990型原子吸收分光光度计；采用氢化物发生原子荧光光谱法测定消解液中As、Hg含量，分析仪器为PF6-3型原子荧光分光光度计。测试过程中使用近海海洋沉积物成分分析标准物质(GBW07314)进行质量监控。

1.3 评价方法

目前对沉积物中重金属的污染评价方法有很多，为全面评价调查区域的重金属污染情况，本研究分别采用单因子污染指数法、尼梅罗综合污染指数法、潜在生态危害法、地累积指数法对沉积物的污染现状及生态风险进行评价。

单因子污染指数法反映了单个重金属元素的污染程度，能判断出环境中的主要污染因子，体现区域重金属污染特征，单因子污染指数计算见式(1)。

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi为第i种重金属的单因子污染指数；Ci为沉积物中第i种重金属的测定值，mg/kg；Si为第i种重金属的评价标准值，mg/kg。本研究中，Si选择刘义峰等[5]使用的胶州湾沉积物重金属元素背景值，Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg、As背景值依次为31.10、9.83、0.10、44.93、65.30、0.041、6.79 mg/kg。当Pi<1时，重金属i处于低污染水平；当1≤Pi<3时，重金属i处于中等污染水平；当3≤Pi<6时，重金属i处于较高污染水平；当Pi≥6时，重金属i处于高污染水平。

尼梅罗综合污染指数法是多因子综合评价方法[6]，根据调查区域的尼梅罗综合污染指数，对照相应的分级标准即可评价该区域的环境状况。尼梅罗综合污染指数计算方法见式(2)。

(2)

式中：P为尼梅罗综合污染指数；Pmax为单因子污染染指数的最大值；Pave为单因子污染指数的平均值。

尼梅罗综合污染指数评价标准见表1。

表1 尼梅罗综合污染指数等级划分标准

潜在生态危害法综合考虑了重金属毒性、迁移转化规律、评价区域对重金属污染的敏感性及区域背景值的差异等，消除了区域差异及异源污染的影响，既能反映单个重金属元素潜在生态风险，又能反映多种重金属污染的潜在生态风险[7]。计算公式如下：

Eri=Tri×Ci

(3)

RI=∑Eri

(4)

式中：Eri为第i种重金属的潜在生态危害指数；Tri为第i种重金属的毒性系数，Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg及As的毒性系数分别为5、5、30、1、2、40、10[8]；RI为多种重金属的潜在生态危害综合指数。潜在生态危害指数的评价标准见表2。

表2 重金属潜在生态危害指数与评价标准

地累积指数法是由德国学者MÜLLER[9]于1969年提出的用于定量研究沉积物中重金属污染程度的一种方法，该方法利用了沉积物中一种重金属的总含量与其地球化学背景值的关系。计算方法见式(5)：

(5)

式中：Igeo为沉积物中重金属i的地累积指数。

地累积指数对污染程度的分级标准见表3。

表3 地累积指数污染程度分级

2 结果与讨论

2.1 重金属质量浓度统计

青岛潮间带表层沉积物重金属质量浓度统计见表4。由表4可知，7个采样点表层沉积物中Cu介于3.18～14.96 mg/kg，平均值为10.69 mg/kg，变异系数为37%；Pb介于11.94～24.15 mg/kg，平均值为16.90 mg/kg，变异系数为22%；Cd介于0.04～0.22 mg/kg，平均值为0.12 mg/kg，变异系数为59%；Cr介于32.14～59.30 mg/kg，平均值为46.76 mg/kg，变异系数为20%；As介于5.86～36.88 mg/kg，平均值是24.01 mg/kg，变异系数为46%；Hg介于0.022～0.105 mg/kg，平均值为0.073 mg/kg，变异系数为49%；Zn介于38.77～46.59 mg/kg，平均值为43.45 mg/kg，变异系数为6%。除As外其他元素均达到《海洋沉积物质量》(GB 18668—2002)中的一类沉积物标准[10]，雕塑园及石老人采样点中的As符合一类沉积物质量标准(≤20 mg/kg)，其他采样点As符合二类沉积物质量标准(≤65 mg/kg)。各重金属质量浓度平均值排序为Cr>Zn>As>Pb>Cu>Cd>Hg。

表4 青岛潮间带表层沉积物重金属质量浓度

7种重金属中除Cd的变异系数大于50%外，其他均低于50%，说明各采样点间重金属的空间分布比较均匀，差异不大。与其他区域比较(见表5)，青岛潮间带表层沉积物中的Cu含量与黄河三角洲、洋山港及北部湾较为接近，低于舟山潮间带、胶州湾及泉州湾；Pb含量与洋山港较为接近，低于其他区域；Cd含量与舟山潮间带、黄河三角洲及北部湾较为接近，低于其他区域；Cr含量与舟山潮间带及黄河三角洲较为接近，高于北部湾，低于胶州湾及泉州湾；As含量与泉州湾较接近，高于其他区域；Hg含量与舟山潮间带、洋山港、北部湾较为接近，低于泉州湾；Zn含量与黄河三角洲及洋山港较接近，低于其他区域。总体而言，青岛潮间带表层沉积物中除As含量偏高外，其他重金属含量总体处于较低水平。

表5 青岛潮间带表层沉积物重金属与其他区域比较

2.2 重金属污染评价

青岛潮间带表层沉积物重金属的单因子污染指数及尼梅罗综合污染指数评价结果见表6。7种重金属的单因子污染指数显示，各个采样点Cu及Cr均处于低污染水平；Pb处于中等污染水平；Cd在青岛湾、汇泉湾及石老人为中等污染水平，其他采样点均为低污染水平；Hg在团岛湾及青岛湾为低污染水平，其他采样点均为中等污染水平；Zn在太平角及浮山湾为中等污染水平，其他均为低污染水平；As在雕塑园为低污染水平，在石老人为中等污染水平，在其他采样点均为较高污染水平。

尼梅罗综合污染指数排序为太平角>青岛湾>团岛湾>浮山湾>汇泉湾>石老人>雕塑园。调查地区污染等级主要为Ⅱ、Ⅲ级，其中汇泉湾、雕塑园、石老人为Ⅱ级，污染程度为轻度污染，团岛湾、青岛湾、太平角、浮山湾污染等级为Ⅲ级，污染程度为中度污染。其中汇泉湾的尼梅罗综合污染指数为2.49，接近中度污染的临界值，需要持续关注。

表6 青岛潮间带表层沉积物重金属的单因子污染指数及尼梅罗综合污染指数

在调查中，研究者还采集了调查区域的生物体样品，结果显示青岛潮间带生物体中As污染较为严重，30个生物个体中8个未受到污染，18个处于轻度污染水平，1个处于中度污染水平，3个处于重度污染水平，与表层沉积物的调查结果一致，表明As已在生物体中明显富集。As是危害最严重的环境污染物之一，被列为人类致癌物质之一[16]，青岛潮间带区域的As污染需要引起足够重视。

2.3 重金属潜在生态危害评价

青岛潮间带表层沉积物重金属的潜在生态危害指数评价结果显示(见表7)，Cu、Pb、Cr及Zn的潜在生态危害指数均小于40，具有低度潜在生态危害；青岛湾及石老人表层沉积物中的Cd具有中度潜在生态危害，在其他采样地点均为低度潜在生态危害；团岛湾、青岛湾、太平角的表层沉积物中As具有中度潜在生态危害，在其他采样点均为低度潜在生态危害，Hg在太平角、浮山湾、雕塑园及石老人具有较重潜在生态危害，在汇泉湾具有中度潜在生态危害，在其他采样点具有低度潜在生态危害。不同采样点潜在生态危害综合指数排序为石老人>太平角>浮山湾>青岛湾>雕塑园>汇泉湾>团岛湾，青岛潮间带沉积物重金属的潜在生态危害处于低度或中度水平，具有从低度向中度发展的趋势，其中As、Hg及Cd所占权重较大，需要引起关注。

表7 青岛潮间带表层沉积物重金属潜在生态危害评价结果

2.4 地累积指数评价

表8为青岛潮间带表层沉积物重金属地累积指数评价结果。可以看出，各采样点Cu、Cr、Zn均无污染；Cd仅在青岛湾和石老人处于轻度污染，其他采样点均无污染；除个别采样点外，青岛潮间带Pb、Hg总体处于轻度污染；As在石老人处于轻度污染，在团岛湾、青岛湾、汇泉湾、太平角和浮山湾均处于偏中度污染。7种重金属中，Pb、As、Hg的Igeo平均值超过0，分别为0.168、1.034、0.025，需要引起关注。

表8 青岛潮间带表层沉积物重金属地累积指数

3 结 语

(1) 青岛潮间带表层沉积物重金属含量平均值排序为Cr>Zn>As>Pb>Cu>Cd>Hg，As满足GB 18668—2002二类沉积物标准，其他重金属满足一类沉积物标准；各采样点间重金属分布比较均匀，差异不大；除As的含量偏高外，青岛潮间带表层沉积物重金属含量与其他区域相比处于较低水平。

(2) 7种重金属的单因子污染指数表明，各个采样点Cu、Cr在均处于低污染水平；Pb处于中等污染水平；Cd、Hg、Zn处于低污染或中等污染水平；部分采样点As处于较高污染水平。各采样点尼梅罗综合污染指数排序为太平角>青岛湾>团岛湾>浮山湾>汇泉湾>石老人>雕塑园，其中汇泉湾、雕塑园、石老人为轻度污染，团岛湾、青岛湾、太平角、浮山湾为中度污染。

(3) 潜在生态危害综合指数排序为石老人>太平角>浮山湾>青岛湾>雕塑园>汇泉湾>团岛湾，As、Hg及Cd的权重较大，需要引起关注；青岛潮间带表层沉积物潜在生态危害处于低度或中度水平，且具有从低度向中度发展的趋势。

(4) 地累积指数表明As、Pb、Hg在各区域污染较其他重金属严重，地累积指数平均值超过0，需要重点注意。

(5) 多种评价方法均表明青岛旅游热点海域重金属存在一定程度的污染，其中As的污染需要重视。7个采样点中，太平角及青岛湾人口更加密集，有栈桥、八大关、海军博物馆等热门景点，环境压力更大，因此在旅游管理中需要格外控制人为活动对环境的影响。