煙臺開發區近海表層沉積物重金屬的分布特征與風險評價

寧璇璇，夏炳訓，姜軍成，紀殿勝，楊魯寧

（國家海洋局煙臺海洋環境監測中心站，山東 煙臺 264006）

近岸海域是海洋與陸地生態系統的交匯地帶，具有海陸過渡區特有的脆弱性與敏感性（范學忠等，2010），不僅記錄了大量海陸相互作用的信息，也集中反映了人類活動對該區域的影響程度。隨著沿海城市發展進程的加快，近岸海域環境污染日益嚴重，其中重金屬污染尤為突出。由于重金屬污染物具有毒性強、不易分解等特點，且可沿食物鏈傳遞和富集，對海洋生態系統及人體健康（如20世紀50年代日本的“水俁病”、“骨痛病”）具有較大危害（王文雄等，2004；王曉蓉，2001）。重金屬進入受納水體后，絕大部分經吸附沉淀迅速轉移至沉積物中，使沉積物成為主要存儲庫（Sin et al，2001）；而吸附在沉積物中的重金屬又通過不斷的解析過程，長期向水體釋放并引發二次污染（Valdes et al，2005）。可見，具有源與匯雙重作用的沉積物在重金屬污染評價中至關重要（Chapman et al，1999）。全球首屆沉積物質量評價會議就強調了沉積物風險性評價的重要性，并把重金屬列為主要評價因子之一（Chapman，1995）。

煙臺市經濟技術開發區是國務院首批設立的國家級開發區，先后有多項重大項目落戶發展。沿海重大項目的建設投產一方面促進了當地經濟發展，但也對近岸海域的生態環境造成了不小沖擊。為研究該區域的重金屬污染狀況，本文在分析表層沉積物重金屬含量及分布特征的基礎上，對污染程度及潛在生態風險進行了評價，以期為該海域的生態環境保護提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與分析

根據2006-2010年煙臺海洋環境監測中心站對開發區用海項目海域環境的監測資料，選取監測站位共40個，如圖1所示。沉積物樣品經曙光采泥器（張口面積0.05 m2）采集，取其中央未受干擾的表層0-2 cm泥樣于聚乙烯袋中，按照《海洋監測規范》（國家質量技術監督局，2007）進行貯存、預處理及分析。樣品經自然風干，去除雜物充分混合，研磨后過160目篩供分析使用。稱取0.200 0 g烘干樣品，經HNO3-HClO4消解后，采用原子吸收分光光度計火焰法測定Zn含量、石墨爐法測定Cu、Pb、Cd含量；經HNO3-HCl體系消解后，采用原子熒光光度計測定Hg、As含量；TOC采用重鉻酸鉀氧化還原容量法測定；分析過程使用近海海洋沉積物標準物質GBW07314進行質量控制。

圖1 監測站位

1.2 評價與計算方法

地累積指數法（Müller，1969）公式為：

式中：Cn為重金屬n的實測值；是考慮到造巖運動可能引起背景值波動而設定的常數，通常取1.5；Bn指在沉積母質中元素n的地球化學背景值。依據Igeo將污染程度分為7個等級（Müller，1969），見表1。

表1 Igeo與污染分級

潛在生態風險指數法（Hakanson，1980）975公式為：

式中：Ci為元素i的實測值；為i的背景濃度；為單因子污染指數；Cd為總體污染程度；為污染物i的毒性響應系數；為i的潛在生態風險系數；ERI為多種污染物的綜合風險指數。各評價指標的污染程度分級（Hakanson，1980）993見表2。

表 2 ERI 與污染程度的關系

表 2 ERI 與污染程度的關系

綜合潛在生態風險程度＜1 低 ＜8 低 ＜40 低 ＜150 低1～3 中等 8～16 中等 40～80 中等 150～300 中等3～6 重 16～32 重 80～160 較重 300～600 較重≥6 嚴重 ≥32 嚴重 160～320 重 ≥600 嚴重≥320 嚴重Cfi單因子污染程度Cd綜合污染程度Eri單因子潛在生態風險程度ERI

1.3 參數確定

1.3.1 背景值確定

為避免采用大尺度平均值產生的偏差，本文選取北黃海沉積物中重金屬背景值（李淑媛等，1994）作參比來評價重金屬的污染情況，見表3。

表3 重金屬的背景濃度值及毒性響應系數

2 結果與討論

2.1 煙臺近海表層沉積物重金屬含量及分布特征

表4為調查區域表層沉積物重金屬含量的統計結果。可以看出，研究區域表層沉積物重金屬含量均值低于國家沉積物Ⅰ類質量標準上限值，Cu、Hg最高值也未超出Ⅱ類標準限值（國家質量技術監督局，2002）。其中，Hg的變異系數較大，Pb、Cu次之，Cd、Zn、As變異系數較小。與國內其它海域的調查數據（表4）比較發現（李玉，2005；彭士濤等，2009；張淑娜等，2008；王秋蓮等，2010；劉芳文等，2002；王蓓，2008；張玉鳳等，2008），調查區域的Cu、Pb、Zn含量較低，而Cd含量高于天津及長江口近海海域的調查結果；Hg略高于天津近海海域，遠低于膠州灣和珠江口；As含量高于珠江口表層沉積物含量。

根據各站位測定結果繪制重金屬含量平面分布圖，如圖2所示。Cu、Zn、As含量呈現由西至東降低、套子灣內由北向南增大的變化趨勢。Cu最高值出現在31號站位，最低值為18號站位；Zn最高值為38號站位，最低值為20號站位；As最高值為34號站位，最低值為14號站位。Pb在山后附近海域及調查區域西側均存在高值區，高值中心點位于24和35號站位，濃度分別為25.01和22.5 mg/kg；Cd分布趨勢與Pb類似，高值中心點位于35和22站位，濃度分別為0.47和0.35 mg/kg。Hg高值集中在調查區域西側的30、34、35等站位，其它站位含量較低。

表4 調查區域和其它海域表層沉積物重金屬元素含量（平均值）（單位：mg·kg-1）

2.2 有機碳含量與重金屬分布特征的相關性分析

圖2 重金屬的空間分布圖

圖3 有機碳（%）的含量分布

作為良好的重金屬結合底物，有機質含量是影響表層沉積物重金屬分布的主要因子之一（Soares et al，1999；Borg et al，1996）。根據表層沉積物有機碳含量繪制平面分布圖，如圖3所示。采用SPSS 15.0軟件對重金屬分布特征及TOC含量進行Pearson相關分析，發現Cu、Hg、Zn、As之間存在顯著正相關關系；Pb與Cu、Zn正相關，但與其它重金屬不存在相關性；Cd在0.05水平上與Hg相關。Cu、Hg、Zn、As與TOC含量在0.01水平呈顯著正相關，而Pb、Cd與TOC含量之間無明顯相關關系（表5）。Katz等（1981）提出水體中受污染的顆粒物富集載重大量的有機物，它們是重金屬良好的吸附劑，能夠攜帶重金屬進行共沉積。根據上述分析推測，調查區域表層沉積物重金屬Cu、Hg、Zn、As可能具有相似的污染來源，而Pb、Cd的分布特征和相關性分析結果表明，其主要污染來源與其它幾種重金屬不同。

表5 重金屬及與有機碳含量的相關性分析

2.3 地累積指數評價

各金屬元素Igeo計算結果如表6所示。結果表明，調查區域Cd以輕度污染為主，在17、22和35號站位出現偏中度污染；其它金屬Igeo均值都<0，但個別站位的Cu、Pb和Hg含量超過背景值，如Cu在31和35號站位出現輕度污染，24號站位出現Pb輕度污染，Hg在13、34、35、38與39號站位出現輕度污染；Zn、As在所有站位均保持清潔狀態。各金屬元素污染程度依次為：Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Hg＞As。

2.4 污染指數分析

調查區域各重金屬的單因子污染系數Cfi和綜合污染指數Cd如表7所示。從Cfi來看，Cd屬于中等污染；其余重金屬Cfi均值小于1，屬于低污染水平，但Cu、Pb、Hg在部分站位達到中等污染水平。各元素的平均污染程度排序為：Cd＞Cu＞Hg＞Pb＞Zn＞As。可以看出，雖然 Cfi與 Igeo的計算方法都是基于重金屬實測值與區域背景值的比較得出，然而由于分級標準不同可導致污染等級的劃分出現一定的差異。兩種方法的分析結果均表明，Cd是調查區域的主要污染因子，這可能與煙臺開發區內電子信息、機械、汽車行業密集分布有關。從綜合污染指數來看，調查區域Cd均值<8，總體屬于低污染水平，而位于調查區域西側的34、35和38號站位Cd值大于8，達到中等污染程度。

2.5 潛在生態風險評價

表8為潛在生態風險系數Eri和污染物綜合風險指數ERI的計算結果。從Eri結果來看，Cd在絕大多數站位的潛在生態風險處于中等水平，7個站位Eri值>80，達到較重風險，其余少數站位屬于低風險狀態；雖然Hg的Eri均值<40，但在13、30、34、35站位已處于較重風險，在38和39站位屬于中等風險；Cu、Pb、Zn、As在各站位均屬于低風險。風險系數排序為：Cd＞Hg＞Cu＞As＞Pb＞Zn，其中Cd是調查海域最主要的風險因子，Hg也存在一定風險。這與Cfi計算結果的排列順序有所差別，原因是風險評價考慮了重金屬的生物毒性效應因素，相關結果更能反映重金屬元素的潛在生態危害。從ERI看，13、30、34、35、38和39號站位的值介于150～300，綜合風險等級處于中等，生態風險性最高的站位為35號站，其ERI值為267.33，是由于Cd和Hg的風險較大所致。其余站位的值ERI＜150，處于低風險水平。

表6 調查區域表層沉積物重金屬的地累積指數

表7 重金屬污染單因子評價結果

表8 重金屬潛在生態風險系數及風險指數

3 結論

（1）煙臺開發區近海表層沉積物6種重金屬含量均值低于國家沉積物Ⅰ類質量標準限值。Cu、Hg、Zn、As之間及與有機碳含量間存在顯著正相關性，表明這4種金屬具有相似來源。

（2）風險評價表明，Cd是調查區域的主要風險因子，該區域總體處于低風險水平。

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