福建东山湾八尺门海域水体及沉积物中的重金属污染评价

蔡真珍，郑盛华，杨妙峰，陈财珍，姜双城，席英玉，罗冬莲

(1.厦门海洋职业技术学院，福建 厦门361102；2.福建省水产研究所，福建省海洋生物增养殖与高值化利用重点实验室，福建 厦门361013；3.福建省海洋生物资源开发利用协同创新中心，福建 厦门361102)

东山湾是福建著名的港湾之一，位于台湾海峡南口的西岸。该湾三面山丘环抱，呈不规则的梨形伸入陆地，是闽南地区最大的海湾，也是福建省重要的渔业生产基地之一。湾口朝南，口门狭窄，其间还有多个大小岛屿作为屏障，属半封闭型海湾。其极佳的地理位置和独特的地形地貌，为渔业生产和捕捞提供了有利的条件[1]。八尺门位于东山岛北端，原为一个古老的渡口，是东山岛通往大陆的咽喉。福建省政府为解决民众进出东山岛的交通，于1961年建成八尺门海堤，八尺门区域的网箱养殖区曾是我国最大的网箱养殖基地。由于长期过度养殖和水交换条件的限制，该区域的环境状况值得关注。

重金属污染一直以来受到人们的广泛关注。由于重金属在环境中不可降解，容易在动物和植物体中富集，并通过食物链传递进入人体，从而危害人体健康[2-3]。本研究通过调查和评价东山湾八尺门海域水体及沉积物中的重金属污染水平，以期为东山湾乃至福建近海海域的生态环境保护及可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验方法

2013年10月在东山湾八尺门海域采集了表层水体和沉积物样品，具体站位见图1。用有机玻璃采水器采集水样后经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后加入硝酸固定；用抓斗采泥器采集表层沉积物并以聚乙烯样品袋封装。样品的运输和保存严格按照《海洋监测规范》[4]和《海洋调查规范》[5]的规定执行，带回实验室后备用。

图1 八尺门海域调查站位图Fig.1 Sampling stations in Bachimen sea area

水样：在pH为5.0～6.0的条件下经螯合和萃取分离富集后，分别于324.7、283.3、228.8 nm波长下用石墨炉原子吸收光谱法测定Cu、Pb、Cd的含量；在pH为3.5～4.0的条件下经螯合和萃取分离富集后在213.8 nm波长下用火焰原子吸收分光光度法测定Zn的含量。

沉积物：烘干研磨，160目过筛并缩分。分别采用重量法、重铬酸钾氧化还原滴定法、亚甲基蓝分光光度法测定含水率、TOC及硫化物含量；样品采用硝酸-高氯酸微波消解后，在各自的特征波长下以石墨炉原子吸收分光光度法测定Cu、Pb、Cd的含量，以火焰原子吸收分光光度法测定Zn的含量。

在水样及沉积物的重金属含量分析过程中通过平行样及标样进行质量控制，质量控制结果符合《海洋监测规范》要求。Cu、Pb、Cd、Zn 4种元素的海水水样检出限分别为0.2、0.3、0.02、2.0 μg/L，沉积物检出限分别为2.0、0.1、0.01、2.0 mg/kg。

1.2 实验仪器

原子吸收分光光度计(iCE3500，美国Thermo公司)，电子分析天平(AB204-E，美国梅特勒-托利多公司)，多参数分析仪(Multi 3430，德国WTW公司)，微波消解仪(MARS6，美国CEM公司)等。

2 结果与分析

2.1 东山湾八尺门海域水体的重金属评价

2.1.1 基于水质质量标准的重金属评价 根据实验测定数据，东山湾八尺门海域水体的4种重金属含量值见表1。Cu、Pb、Cd、Zn的含量范围分别为1.03～1.12、0.15～0.18、0.043～0.045、2.84～4.59 μg/L。对照《海水水质标准》[6]，一类海水水质标准为ρCu≤0.005 mg/L，ρPb≤0.001 mg/L，ρCd≤0.001 mg/L，ρZn≤0.020 mg/L，可见东山湾八尺门海域水体中重金属含量符合一类海水水质标准。

表1 八尺门海域水体重金属含量及其指标值Tab.1 Heavy metal concentrations and water quality indexes in Bachimen sea area

从计算结果(表1)看，东山湾八尺门海域水体中的Pi均小于1，说明水体中的Cu、Pb、Cd、Zn等的含量较低，不存在重金属超标的情况；重金属元素的综合污染指数WQI为0.141～0.159，均小于1，可见东山湾八尺门海域水体中重金属污染的风险较低。

2.2 东山湾八尺门海域沉积物中的重金属评价

2.2.1 基于沉积物质量标准的重金属评价 根据实验测得的东山湾八尺门海域沉积物中的重金属含量、TOC、硫化物含量、含水率等指标见表2。Cu的含量在20.5～41.1 mg/kg之间，Pb的含量在35.5～42.2 mg/kg之间，Cd的含量在0.028～0.110 mg/kg之间，Zn的含量在104～133 mg/kg之间，对照标准《海洋沉积物质量》，东山湾八尺门海域沉积物中的Cu含量除站位5符合第二类沉积物标准外，其他站位都符合第一类标准；所有站位的Pb、Cd、Zn含量均符合第一类沉积物标准，说明东山湾八尺门海域沉积物重金属污染较轻，沉积物的质量较好。

表2 八尺门海域沉积物的理化性质参数和重金属污染指数Tab.2 Physicochemical parameters and heavy metal pollution indexes of sediments in Bachimen sea area

2.2.2 重金属污染指数评价法 根据单因子污染指数评价法和综合污染指数评价法，可得东山湾八尺门沉积物中各站位重金属的单因子污染指数及综合污染指数(表2)。从表2可知，东山湾八尺门海域的沉积物中各金属元素的单因子污染指数均较小，整体重金属污染较轻。但个别站位也存在指数较高的现象，如站位4的Cu和Zn元素的单因子污染指数分别为0.949和0.887，接近1，可见水体虽未受污染，但需引起关注；而站位5的Cu的单因子污染指数值为1.174，超过1，说明在该站位存在Cu的轻度污染。综合污染指数WQI在0.482～0.690之间，均未超过1，说明该海域沉积物中的重金属整体污染水平较低。

2.2.3 潜在生态风险指数评价 潜在生态风险指数法在1980年由Hakanson提出[11]，常用于评价土壤或沉积物中重金属污染的潜在生态风险指数，可反映某个生态环境下某种重金属的污染风险，并能综合反映多种重金属污染物的污染风险，且对潜在生态危害进行定量划分。其计算公式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

表3 潜在生态风险评价法中各指标与污染程度关系Tab.3 Relationship between assessment indexes of potential ecological risk and pollution degrees

表4 八尺门海域沉积物重金属的污染系数、综合污染程度、潜在生态风险指数及综合潜在生态风险指数Tab.4 Pollution coefficient,comprehensive pollution degree,potential ecological risk index and comprehensive potential ecological risk index of heavy metals in the sediments in Bachimen sea area

计算结果可见，东山湾八尺门海域4种元素对应的综合污染程度值在0.88～1.50之间，均小于5，说明总体污染程度轻；所有站位Zn的污染系数均超过1，部分站位Cu和Cd的污染系数也大于1，说明该海域Zn、Cu、Cd的污染情况值得进一步关注；潜在生态风险指数大小顺序为Cd>Cu>Pb>Zn，各站位的综合潜在生态风险指数均未超过150；除站位4的Cd含量外，其他站位各元素的潜在生态风险指数均未超过40，说明东山湾八尺门海域重金属污染整体情况良好，但应注意控制Cd的输入，防止污染加剧。

2.2.4 地累积指数评价 地累积指数法于1979年由德国科学家Muller[13]提出，是评价沉积物中重金属污染程度的常用指标，计算公式为：Igeo=log2(C/kB)。式中C为重金属的质量浓度(mg/kg)；k为考虑造岩运动引起的背景值变动所取的常数，通常取1.5；B为重金属的背景质量浓度(mg/kg)，本研究根据刘用清的研究结果[12]，以福建省海岸带土壤的背景值为背景质量浓度。

对各站位沉积物中的各金属元素进行地累积指数分析，从结果(表5)可知，Pb和Cd元素的所有站位地累积指数值均小于0，表现为清洁；Cu元素在站位5的地累积指数值为0.29，为轻度污染，其他站位为清洁；Zn元素在站位4的地累积指数值为0.08，为轻度污染，其他站位为清洁。该海域总体重金属污染情况轻。各重金属元素按地累积指数平均值大小依次为Zn>Cu>Pb>Cd。

表5 八尺门海域重金属的地累积指数值Tab.5 Geo-accumulation indexes of heavy metals in Bachimen sea area

2.2.5 沉积物理化指标的相关性 海洋环境中重金属易与有机质(有机碳)和硫化物通过表面吸附、阳离子交换反应和螯合反应，形成金属有机络合物和金属硫化物沉淀而从水体中迁移出。对沉积物重金属与有机碳、硫化物含量相关性分析，可了解细颗粒沉积物控制重金属的内在因子[14-16]。采用SPSS软件分析东山湾八尺门海域沉积物中各项理化指标的相关性，得到结果如表6。

表6 八尺门海域沉积物理化性质相关性Tab.6 Correlation of physical and chemical properties of sediments in Bachimen sea area

由表6可见，沉积物有机碳与Cd、硫化物与Cd之间呈极显著正相关(p<0.01)，有机碳与Pb、硫化物与Pb和Zn呈显著正相关(p<0.05)，表明有机质和硫化物是影响该海域重金属含量分布的内在控制因素，其物质来源相似，主要来自于陆源径流、网箱养殖鱼类的残饵、排泄物和水生生物的尸骸等。Pb与Zn之间呈极显著正相关(p<0.01)，表明Pb与Zn元素在这一区域有类似的地球化学行为(或污染具有同源性)。网箱高密度养殖引起了底质中有机污染物增加，进而导致了底质物耗氧量增加，而在缺氧情况下，有机污染物易在硫酸盐还原菌的作用下行进厌氧分解，产生硫化氢，使沉积物硫化物含量水平增加[17]，硫化物和有机碳之间呈极显著正相关(p<0.01)也证明了这一观点。

2.3 与已有研究结果的对比

2.3.1 与东山湾海域不同年份的对比 为进一步研究东山湾海域重金属情况，将本研究与东山湾不同年份的数据进行对比，表7为不同年份东山湾海域水体及沉积物中的重金属含量(2013年后的研究报道较少)。

表7 历年来东山湾海域水体和沉积物中的重金属含量Tab.7 Historical data of heavy metal contents in water and sediments in Dongshan Bay

对比文献数据，可见东山湾海域水体中的重金属含量从1990年到2013年总体呈现先升高后降低的趋势。随着养殖业及地区经济的发展，水体中的重金属含量有所升高，水域水质变差，从1990年到1992年，水体中的Cu、Pb、Cd、Zn含量都有较明显的升高。进入20世纪后，由于国家、地方等各个层面对海洋环境的重视，东山湾海域水体中的重金属含量呈现下降的趋势。

对比东山湾海域沉积物中的重金属与其他年份的含量，东山湾海域沉积物中的重金属20多年来维持在较稳定的水平，没有明显的污染严重情况。沉积物中的重金属含量在90年代后呈现上升态势，在进入20世纪后有所下降，说明东山湾海域环境趋好。本研究Pb、Cd、Zn的含量居于中间水平，而Cu的含量较高，这可能与八尺门海域的养殖环境特点有关。

2.3.2 与同期福建其他海域的对比 为进一步研究东山湾海域重金属状况，将本研究与同期福建其他海域的重金属状况进行对比(表8)，可见，东山湾八尺门海域水体中重金属的含量与其他海域相差不大，处于中等水平，其中，Cd含量低于其他海域，Cu、Pb、Zn的含量居中。但不同海域沉积物中的重金属含量呈较大差异，Cu、Pb、Cd、Zn的含量范围分别为13.8～27.7、20.8～49.9、0.046～0.136、93～117 mg/kg。相较而言，东山湾八尺门海域的Cd含量较高，Pb含量处于中等水平，Cu和Zn含量比福建其他海域高。东山湾沉积物中重金属含量比福建其他海域稍高。

表8 东山湾与福建其他海域水体和沉积物中重金属含量的对比Tab.8 Heavy metal contents in sea water and sediments in Dongshan Bay and other areas of Fujian Province

续表

3 结论

(1)对照《海水水质标准》，东山湾八尺门海域水体中的重金属含量符合一类海水标准；根据重金属含量污染指数评价法，东山湾八尺门海域水体中重金属污染的风险较低。

(2)对照《沉积物质量标准》，东山湾八尺门海域各站位的Pb、Cd、Zn含量均符合第一类沉积物标准，沉积物的质量较好，重金属污染较轻。根据重金属污染评价法，该海域沉积物中的重金属整体污染水平较低。潜在生态风险指数大小顺序为Cd>Cu>Pb>Zn，综合潜在生态风险指数属轻微生态风险；除个别站位的Cd含量外，其他站位各元素的潜在生态风险指数均为轻微生态风险，沉积物重金属污染整体情况良好，但应注意控制Cd的输入，防止污染加剧。根据地累积指数评价法，该海域总体重金属污染情况轻，地累积指数平均值大小依次为：Zn>Cu>Pb>Cd。

(3)对比东山湾海域其他年份的重金属研究结果，从1990年到2013年，东山湾海域水体中的重金属含量总体呈现先升高后降低的趋势。沉积物中Pb、Cd、Zn的含量较为稳定，Cu的含量较其他年份高。与同时期相比，东山湾八尺门海域水体中的Cd含量低于福建其他海域，Cu、Pb、Zn的含量居中。东山湾沉积物中重金属含量比福建其他海域稍高。