广西北部湾近岸养殖区表层沉积物和养殖生物体重金属污染状况及生态风险评价*
2022-12-07郭钊，李萍，徐浩
郭 钊，李 萍，徐 浩
(国家海洋局北海海洋环境监测中心站，广西北海 536000)
重金属是具有潜在危害的重要污染物，主要来源于自然和人为排污[1,2]。水环境中的重金属绝大部分经过物理化学作用后富集在沉积物表层，因此沉积物是重金属污染物的载体和“蓄积库”。重金属污染具有来源广、残毒时间长、易蓄积、污染后不易被发现且难以恢复等特征，而且蓄积在沉积物中的重金属有二次污染的可能，一旦参与食物链循环最终将在生物体内积累，从而破坏生物体的正常生理代谢活动[2]，对水生生物和人体健康有较大的负面影响。广西北部湾拥有大陆海岸线1 595 km[3]，自然环境优良，水产资源丰富，生态类型多样，有着良好的海水养殖条件，养殖区是广西重要的海洋功能区之一。随着海水养殖面积的扩大，不合理的养殖方式和养殖过程所产生的大量污染，使得海洋环境受到不同程度的污染。由于其特殊的栖息环境和生活特性，再加上对海洋环境中的重金属、生物毒素具有较强的耐受力和富集能力，海洋养殖生物体内的重金属含量容易超标，人类食用重金属超标的鱼贝类等会造成不同程度的中毒现象[4-6]。
目前，关于海洋环境和生物体内重金属污染状况已经有较多的相关报道[1,2,6-8]，但同时针对养殖区沉积物和生物体内重金属污染的研究仍比较少。广西北部湾近岸海域入海河流较多[9]，再加上陆源污染物输入的增加，导致该海湾养殖区面临较严重的环境问题[1,8-10]。因此，开展该海湾养殖生物体和表层沉积物重金属的污染状况及其潜在生态危害程度分析非常有必要，这也是养殖区海域环境质量状况评价的重要内容[11,12]。
本研究根据2013-2016年广西4个主要海水养殖区海洋环境监测调查的资料，对北海廉州湾海水增养殖区、钦州茅尾海大蚝养殖区、防城港红沙大蚝养殖区和防城港珍珠湾珍珠养殖区的表层沉积物及其代表性养殖生物体体内的重金属(Hg、As、Pb、Cu、Cd)污染状况及潜在生态风险进行评价，拟为科学评估广西北部湾养殖区重金属污染状况提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 采样站位
数据来源于2013-2016年广西4个主要海水养殖区的海洋环境监测调查结果。4个养殖区均设7个监测站位，表层沉积物选取其中3个站位监测，养殖生物体监测选取其中1个站位(图1)。其中，防城港红沙大蚝养殖区(以下简称红沙养殖区)2013年的表层沉积物监测站位为D3N049、D3N050、D3N054，2014-2016年为D3N049、D3N051、D3N053和D3N055，2013-2014年生物体监测站位为D3N052；防城港珍珠湾珍珠养殖区(以下简称珍珠湾养殖区)2013年无表层沉积物重金属监测数据，不做评价，2014年的表层沉积物监测站位为D3N056、D3N058、D3N059，2015-2016年为D3N057、D3N060、D3N062，生物体监测站位为D3N061；钦州茅尾海大蚝养殖区(以下简称茅尾海养殖区)2013-2014年的表层沉积物监测站位为D3N063、D3N065、D3N067，2015-2016年为D3N064、D3N068、D3N069，生物体监测站位为D3N066；北海廉州湾海水增养殖区(以下简称廉州湾养殖区)2013-2016年的表层沉积物监测站位为D3N070、D3N072、D3N073、D3N074、D3N075、D3N076，生物体站位为D3N071。
1.2 方法
1.2.1 样品的采集与分析
于每年8月进行采样监测，表层沉积物和生物样品的采集、固定、贮存、运输、保存以及样品中5种重金属(Cu、Pb、As、Cd和Hg)的处理、分析检测均按《海洋监测规范》(GB 17378-2007)规定的方法操作。其中，Cd、Cu和Pb采用原子吸收光谱法测定，As和Hg采用原子荧光光谱法测定。Cu、Pb、Cd、Hg和As的检出限分别为2.0 μg/g、1.0 μg/g、0.04 μg/g、0.002 μg/g和0.06 μg/g。
1.2.2 重金属污染评价
(1)单因子污染指数法。
表层沉积物和生物体质量的评价均采用单因子指数评价法评定，公式如下：
生物体质量的评价标准依据《海洋生物质量》(GB 18421-2001)。生物质量一类标准值中Hg≤0.05 μg/g、As≤1.0 μg/g、Cu≤10 μg/g、Pb≤0.1 μg/g、Cd≤0.2 μg/g。根据《海洋生物质量监测技术规程》(HY/T 078-2005)中规定，以单因子污染指数1.0作为该因子是否对生物产生污染的基本分界线：<1.0为生物未受该因子污染，≥1.0表明生物已受到该因子污染。
图1 调查站位分布图Fig.1 Distribution of sampling stations
(2)综合污染指数法。
表层沉积物5种重金属污染物的综合效应通过综合污染指数Cd来表示：
其中，Cd<5，为低污染；5≤Cd<10，为中污染；10≤Cd<20，为较高污染；Cd≥20,为高污染[1,13]。
(3)潜在生态风险指数法。
潜在生态风险指数法是Hakanson[13]根据重金属的性质及环境行为特点，从沉积学角度提出来的、对表层沉积物或土壤中重金属污染进行评价的方法。为定量表达水域中单个污染物的潜在生态风险，定义潜在风险参数为
其中,当RI<150时，表明海域具有低潜在生态风险；当150≤RI<300时，表明海域具有中潜在生态风险；当300≤RI<600，表明海域具有较高生态风险；当RI≥600，表明海域具有很高潜在生态风险。
(4)地积累指数法。
为验证沉积物重金属污染评价的可靠性，进一步对研究区域表层沉积物重金属进行地积累指数评价。地积累指数法是德国Müller[15]提出，其公式为
式中：BEn指重金属地球化学背景值，其中Hg为0.029 mg/kg、Cu为15.80 mg/kg、Pb为28.90 mg/kg、Cd为0.09 mg/kg、As为7.80 mg/kg；1.5是常数，是为避免成岩作用可能会引起的背景值变动而增加的常规参数[1]；Cn是指重金属元素在表层沉积物中的含量，mg/kg。地积累指数法共分为7级(0-6级)，表示污染程度由无至极强。如表1所示：Igeo≤0，污染程度为无；0
表1 地积累指数与污染级别
2 结果与分析
2.1 表层沉积物中重金属的含量
由表2可知，重金属Hg含量均低于国家海洋沉积物质量一类标准。重金属Cd含量超沉积物质量一类标准的是2014年茅尾海养殖区D3N067号站。重金属Pb含量超沉积物质量一类标准的有2013年廉州湾养殖区D3N070、D3N072、D3N074号站，2014年红沙养殖区D3N053号站。重金属Cu含量超沉积物质量一类标准是2013年廉州湾养殖区D3N070、D3N072、D3N074号站，2013年和2016年红沙养殖区D3N054号站。重金属As含量超沉积物质量一类标准的有红沙养殖区2013年D3N049、D3N054号站和2016年D3N049、D3N053号站，珍珠湾养殖区2016年D3N060号站。
2.2 单因子和综合污染指数评价结果
单因子污染指数和综合污染指数计算结果列于表3。从综合污染指数来看，2013年表层沉积物重金属污染程度依次为廉州湾养殖区>红沙养殖区>茅尾海养殖区，2014年为茅尾海养殖区>红沙养殖区>廉州湾养殖区>珍珠湾养殖区，2015年为廉州湾养殖区>红沙养殖区>茅尾海养殖区>珍珠湾养殖区，2016年为红沙养殖区>廉州湾养殖区>茅尾海养殖区>珍珠湾养殖区(表3)。从上述结果可以看出，2013年和2015年广西北部湾养殖区表层沉积物重金属污染程度均以廉州湾养殖区最高， 2014年则表现为茅尾海养殖区和红沙养殖区明显高于其他两个区域，2016年为红沙养殖区明显高于其他区域。广西北部湾近岸海域有众多河流直接输入，再加上北部湾的亚热带气候条件影响，每年局部降水量差异较大，导致不同河流的径流量差异特别大，因此每年输入的陆源污染物也存在较大差异[9]。另外，不同养殖区养殖活动强度的不同，也会导致重金属污染程度存在较大差异[8]。所以，前述重金属分布状况可能与人类活动[1,8]，以及陆源径流输入的变化有关[9]。
表2 表层沉积物中重金属的含量(μg/g)Table 2 Contents of heavy metals in surface sediments (μg/g)
表3 表层沉积物重金属单因子污染指数及综合污染指数Table 3 Single factor and intergraded pollution index of heavy metals in surface sediments
续表Continued table
2.3 潜在生态风险评价结果
由表4可知，广西北部湾4个养殖区中Pb、Cu、As 3项重金属元素潜在生态风险指数均小于40，为低潜在生态风险。Hg的潜在风险程度较高：2013年、2015年廉州湾养殖区，以及2016年红沙养殖区的Hg为高潜在生态风险；除2015年红沙养殖区，2015年、2016年茅尾海养殖区的Hg为中潜在生态风险,以及2014年、2015年珍珠湾的Hg为低潜在生态风险外，其他年份养殖区的Hg为较高潜在生态风险。上述结果说明，Hg是广西北部湾养殖区重要的潜在风险因子，这与前人研究北部湾近岸海域重金属污染潜在生态风险因子的结果一致[1,8]。尽管在过去40年，由于Hg的生产和使用已经大量减少，其在北部湾近海水体和表层沉积物中的含量也呈现降低趋势，但北部湾Hg污染相对于其他近岸海域仍处于较高水平，因此Hg是北部湾近岸海域重金属污染的重要因子[16]。Cd潜在生态风险较高的是2014年茅尾海养殖区，2013-2016年珍珠湾养殖区和2015年茅尾海养殖区为低潜在生态风险，其他均为中潜在生态风险。从潜在生态风险指数来看，属于低潜在生态风险的海域有2014年、2015年和2016年珍珠湾养殖区，2015年红沙养殖区，以及2015年、2016年茅尾海养殖区；属于较高潜在生态风险的海域是2015年廉州湾养殖区；其他均为中潜在生态风险。因此，广西北部湾养殖区重金属污染状况仍不可忽视，未来仍需警惕，尤其是Hg污染。
2.4 表层沉积物重金属的地积累指数和级别
由表5可知，2013-2016年4个养殖区Cu的地积累指数最高，均大于5，Igeo级别均为6级，处于极强污染程度。污染程度为较强的是2015年廉州湾养殖区的Hg。污染程度为中的有2013年、2016年红沙养殖区的As，2014年和2016年红沙养殖区，2013年茅尾海养殖区和2013年廉州湾养殖区的Hg。污染程度为轻微的有红沙养殖区2013年的Hg、Pb和2014年的Pb、As以及2015年的Hg和As；珍珠湾养殖区2016年的As和Hg；茅尾海养殖区2014年、2015年的Hg，2014年、2016年的As；廉州湾养殖区2013年的Pb，2013年、2015年和2016年的As以及2014年、2016年的Hg；其他均为无污染。总体来看，广西主要海水养殖区表层沉积物中Cu的地积累指数最高，表明受人类活动影响最大。该研究结果也与北部湾表层沉积物中Cu的高地积累指数一致[1]。尽管Cu的潜在生态风险比Hg低，但受人类活动影响，Cu的持续排放对区域环境的潜在危害仍不可忽视。在过去20年，北部湾近岸海域水体和表层沉积物中Cu的含量持续升高，这主要受渔船以及养殖活动的影响[16]。因此，除Hg外，广西北部湾养殖区Cu污染也不可忽视，未来仍需警惕。
表4 潜在生态风险评价结果Table 4 Assessment results of potential ecological risk
表5 表层沉积物重金属的地积累指数和污染级别Table 5 Index of geo-accumulation and pollution level of heavy metals in surface sediments
2.5 养殖生物体中重金属的含量及分析
表6为养殖生物体中重金属含量。根据养殖生物体重金属污染指数分析结果显示，广西4个主要的海水养殖区养殖生物体中已受Hg污染的有2013年廉州湾养殖区、2014年茅尾海养殖区、2016年珍珠湾养殖区；已受Cd污染的有2014年和2015年红沙养殖区，2013年、2014年、2015年和2016年茅尾海养殖区，2016年廉州湾养殖区；已受Pb污染的有2015年红沙养殖区，2013年、2014年、2015年和2016年茅尾海养殖区，2015年和2016年廉州湾养殖区；已受Cu污染的有2014年和2015年红沙养殖区，2013年、2014年、2015年和2016年茅尾海养殖区，2016年廉州湾养殖区；已受As污染的有2014年红沙养殖区，2013年廉州湾养殖区(表7)。广西4个主要的海水养殖区养殖生物体中重金属污染程度最严重的是茅尾海养殖区，除As外，养殖生物体均已受到其他几项重金属的污染，要加强监控。其他3个养殖区的养殖生物也不同程度地受到不同重金属的污染，需警惕防控。
表6 养殖生物体中重金属的含量Table 6 Contents of heavy metals in aquaculture organisms
表7 养殖生物体重金属的污染指数Table 7 Pollution indexes of heavy metals in aquaculture organisms
续表
Continued table
3 结论
对2013年至2016年广西4个主要海水养殖区的海洋环境监测调查数据进行分析，结果发现：(1)表层沉积物重金属Hg含量均低于国家海洋沉积物质量一类标准，重金属Cd、Pb、Cu、As含量存在超国家海洋沉积物质量一类标准的现象；(2)广西北部湾4个养殖区中重金属Hg的潜在风险程度最高；但受人类活动影响，Cu的地积累指数明显高于其他重金属，该重金属污染不可忽视；(3)广西4个主要的海水养殖区养殖生物体中重金属污染程度最严重的是钦州茅尾海大蚝养殖区，除As外，养殖生物体都已受到重金属Hg、Cd、Pb、Cu的污染；其他3个养殖区的养殖生物也不同程度地受到不同重金属的污染。综上所述，广西4个主要的海水养殖区重金属元素的危害不容忽视，尤其是Hg和Cu污染，需及时采取措施降低重金属对生态和人类健康可能带来的危害，加强监控力度。
