永兴岛海域表层海水及沉积物重金属环境质量评估

贺仕昌，陈巧弟，陈三江，柏程华

(1.国家海洋局三沙海洋环境监测中心站，海南 海口 570311；2.国家海洋局汕尾海洋环境监测中心站，广东 汕尾 516600)

永兴岛作为南海西沙群岛中部的一个珊瑚岛,毗邻西沙七连屿，是三沙市行政中心，具有丰富的珊瑚礁资源及渔业资源。近年来由于填海造陆及人类活动的影响，永兴岛珊瑚礁覆盖率呈现下降趋势[1]。相关研究表明，海水重金属污染可能成为珊瑚礁退化的一个重要因素[2-3],并对全球生态系统造成严重威胁[4]。海洋中除天然重金属外，人类活动所带来的外源排放污染是主要来源之一，虽海洋具有一定的自净能力，但是随着工农业、船舶运输及生活废水等长期大量排放，不可避免地给海洋生态系统带来严重的污染压力。

张勇等[5]研究表明我国21.07%的近岸海域沉积物重金属存在污染，其中7.27%为重污染海域。对于南海海域，海水及沉积物中重金属的研究主要集中在近岸，目前对永兴岛珊瑚礁区海水重金属的污染状况研究甚少。西沙群岛海域重金属背景值较低，重金属潜在生态风险对重金属的含量变化较为敏感，因此研究永兴岛海域海水重金属质量现状及沉积物生态风险等级可为评估及保护南海岛礁海洋环境提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文数据来源于2020年5月在南海永兴岛附近海域的18个站位表层海水样品及4个站位表层沉积物样品的重金属监测数据。样品的采集及检测按照《海洋监测规范》（GB17378.3—2007）[6]相关要求，检测Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As的海水样品通过0.45 μm醋酸纤维膜过滤后，加优级纯硝酸酸化至pH＜2.0；检测Hg的海水样品不过滤直接加入优级纯硝酸酸化至pH＜2.0；检测Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As的沉积物样品经80°C烘干，并用玛瑙研磨机磨碎后过160目尼龙筛；检测Hg的沉积物样品经55°C烘干，并用玛瑙研磨机磨碎后过160目尼龙筛。

海水及沉积物中重金属含量的测定方法依据《海洋监测规范》（GB17378.3—2007），使用 797VA computrace伏安极谱仪对海水中重金属（Cu、Pb、Zn、Cd）含量进行测定，使用ZEEnit 700p原子吸收分光光度计对表层沉积物中重金属（Cu、Pb、Zn、Cr、Cd）及海水Cr含量进行测定，用AFS-8330原子荧光光度计对水质重金属（As、Hg）含量及沉积物中重金属（As、Hg）含量进行测定。测试过程中采用加标测试、标准物质测试及平行样测试进行质量控制，保证测试数据质量可靠。

1.2 评价方法

1.2.1 水质评价

海水水质通过综合污染指数（WQI）进行评价，其中以《海水水质标准》（GB3097—1997）[7]中第一类标准限值作为评价标准，参照沈春燕等[8]评价标准，当WQI≤1时，水质为清洁；当1＜WQI≤2，水质为轻微污染；当2＜WQI≤3，水质为中度污染；当WQI＞3，水质为严重污染。

综合污染指数按式（1）进行计算。

式中，Ci为重金属i的实测值；Si为重金属i的第一类水质标准值；Pi为重金属i单项污染指数；WQI为重金属的综合污染指数。

1.2.2 沉积物评价

（1）单因子指数法

利用单因子指数法评价沉积物中重金属状况，评价标准依据《海洋沉积物质量》（GB18668—2002）[9]中一类沉积物质量标准值，单因子污染指数计算公式如下。

式中，PIi为各采样站点重金属i的污染指数；Ci为该站点重金属i的实测含量；Si为重金属i的评价标准值。

（2）Hankanson潜在生风险指数法

对于多种重金属共存情况，采用潜在生态风险指数法[10]将不同重金属的含量折算成生物毒性风险，以区分生态风险等级，其潜在生态风险等级划分如表1所示。对沉积物Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As和Hg进行单项重金属潜在风险（生态风险参数irE）及综合风险（潜在生态风险指数RI）评估，计算公式如下。

表1 重金属潜在生态风险等级划分 [11]

表2 重金属的背景参考值及毒性系数

2 结果与讨论

2.1 海水中重金属分析

2.1.1 海水中重金属含量特征

2020年5月的调查结果如表3所示，2020年西沙永兴岛海域表层海水中重金属含量从高到低顺序依次为CZn＞CAs＞CCu＞CPb＞CCd＞CCr＞CHg，其中Zn含量为3.1 μg·L-1，Hg含量为0.014 μg·L-1。与表3中相关研究对比可知，永兴岛海域表层海水中Cu、Pb、Zn及Hg含量均低于海南近岸海域相应重金属含量，但Cu、Pb、Zn及Cd含量较南海南部表层海水重金属环境背景值高约一个数量级，Cu、Pb、Zn、Cd及Hg含量也均高于太平洋表层海水中重金属含量，主要原因应为人类活动的影响所致。王璐等[16]研究表明以永兴岛为核心的宣德群岛重金属含量受到岛礁开发等带来的人为影响，除此之外孙立广等[21]研究表明东南亚及东亚地区的环境污染也将影响西沙的水环境及生态安全。

表3 海水重金属含量

相比于2004年西沙海域表层海水重金属含量，2020年西沙永兴岛表层海水中Cu、Pb和Cr含量较低，而Hg含量稍高，Hg含量增加可能是由于人类在西沙群岛的活动，以及东南亚或东亚地区的污染物排放等导致[21]。相比于2015年永兴岛海域海水重金属含量, Cu、Pb、Zn、Cr及Cd含量有所下降，可能因岛礁建设活动减弱减少了Cu、Pb、Zn、Cr及Cd输入；As含量有所上升且高于2017年七连屿表层海水As含量，可能与永兴岛农药及含砷较高化肥的使用有关，也可能因全球变暖将促进鸟粪土的淋失增加西沙群岛水中As的含量水平[21]。

2.1.2 海水中重金属质量状况

以《海水水质标准》（GB3097—1997）的第一类标准限值对海水水质进行评估，结果如表4和表5所示。2020年5月永兴岛海域表层海水Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg单项污染指数均小于1.0，未出现超一类海水水质标准现象，平均指数为Cr＜Cd＜As=Cu＜Zn＜Hg＜Pb，Pb的平均污染指数最高，为0.36；各站综合污染指数相差不大，均远远小于1.0，海水处于清洁状态。其中12号站位重金属综合污染指数最大，为0.23，2号站位重金属综合污染指数最小，为0.07；Pb对综合污染指数贡献最大，Hg次之，Cr对综合污染指数贡献最小。

表4 永兴岛表层海水重金属单因子评价结果（Pi）

表5 永兴岛表层海水重金属综合污染评价结果（WQI）

2.1.3 海水中重金属相关性

海水中重金属含量与pH、Sal等相关[22]，本文选取常用水质指标pH、Sal及SST，通过SPSS相关性分析探讨pH、Sal、SST及各重金属元素之间的相关关系（表6），其中Cr仅有一个检出样不参与相关性统计。结果显示，Cu与Sal呈现显著性正相关、Hg与Sal呈现极显著性正相关，Sal为控制Cu及Hg吸附作用的显著因子；Cu、Pb、Zn、Cd、As和Hg与SST、pH之间显著性不明显，Cu、Pb、Zn、Cd及Hg之间呈现正相关，As与Zn、Cd、Cu、Hg呈现负相关，但是相关性均不显著。西沙海域生态环境受潮汐、鸟粪土的淋失、花岗岩风化土壤的淋滤、局部地区污染及岛礁居民生活等多种因素影响[21]，永兴岛海域海水中重金属含量特征需进一步综合分析。

表6 重金属元素与pH、SST及Sal的相关系数

2.2 沉积物中重金属

2.2.1 沉积物中重金属含量现状

对永兴岛海域4个沉积物站位表层沉积物样品中重金属含量进行分析（表7），2020年西沙永兴岛海域表层沉积物中As含量最高，为3.1 μg/g，Cu、Zn含量均低于方法检出限。永兴岛表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd及Hg含量低于1991年西沙群岛沉积物重金属含量；Cu、Pb、Zn、Cr、As及Hg含量低于南海近海沉积物及中国浅海沉积物背景值，其中Cu、Pb、Zn、Cr及Hg至少低1个数量级，Cd稍高于中国浅海背景值。相比于海南东部陆架及海南近岸海域表层沉积物中重金属含量，永兴岛表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cr、As及Hg较低，而Cd含量略高于海南近岸表层沉积物含量。究其原因可能为此次采集的样品以珊瑚沙为主，含有大量的生物碎屑，其Cu、Pb、Zn、Cr及As含量较其他沉积物类型低；Cd含量略高可能因Cd2+在同等配位条件下的离子半径与Ca2+非常接近可以通过类质同相代替的方式进入方解石晶格[28]，除此之外Ca2+作为生物必需的宏量元素及海水中主要阳离子之一，海水中所有的Cd2+都有机会替代Ca2+方式进人生物体外壳之中[29]。

表7 海洋沉积物重金属含量

对永兴岛海域沉积物中重金属进行单因子评价，永兴岛表层沉积物平均污染程度为As＞Cd=Pb＞Cr＞Cu＞Zn＞Hg，As污染指数最高，对应PIi分别为0.156、0.025、0.025、0.019、0.014、0.010、0.004。永兴岛表层沉积物各重金属含量均较低，各重金属元素未出现超标情况，均符合一类沉积物质量标准，沉积物质量优良。

2.2.2 潜在生态风险评估

对永兴岛海域表层沉积物中重金属进行生态风险评估（表8）。Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As和Hg单项生态风险参数均小于40，属于低潜在生态风险，其中Cd生态风险参数最高，Zn生态风险参数最低。四个站位表层沉积物潜在生态风险指数均小于130，其中S4站位潜在生态风险指数最高，S3站位潜在生态风险指数最低，综合风险等级均为低潜在生态风险，风险等级与贺仕昌等[17]2017年在距永兴岛仅几海里的七连屿海域表层沉积物重金属调查中的生态风险等级相同，因此，目前永兴岛海域表层沉积物重金属未对海洋生态系统造成风险压力。

表8 永兴岛海域表层沉积物潜在生态风险

3 结 论

永兴岛海域海水重金属含量较低，水质属于清洁级；受人类活动影响，Cu、Pb、Zn及Hg含量较海南近岸低而高于太平洋海水中重金属含量；可能因人类活动及气候变化的影响，永兴岛表层海水As含量呈现上升趋势。Cu与Sal呈现显著性正相关，Hg与Sal呈现极显著性正相关，Sal作为控制Cu及Hg吸附作用的显著因子，Cu、Pb、Zn、Cd、As和Hg与SST、pH之间显著性不明显，需进一步综合分析。永兴岛沉积物重金属含量较低，重金属单项风险及综合风险等级均为低潜在生态风险，未对海洋生态系统造成风险压力。