渤海傾倒區(qū)沉積物重金屬富集特征及其潛在生態(tài)風險評價

鄭琳 ，劉艷 ，袁媛 ，周春瑩 ，曲亮

（1.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266033；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東 青島 266033；3.國家海洋局煙臺海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 煙臺 264006）

渤海是我國唯一半封閉型內(nèi)海，海域面積約7.7萬km2。近年來環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)是我國經(jīng)濟發(fā)展的重點，隨著渤海沿岸區(qū)域經(jīng)濟開發(fā)的不斷加大，海洋傾倒量逐年增長。據(jù)統(tǒng)計，渤海近5年間共接收傾倒物1.15×108m3，年均傾倒量達2.3×107m3（圖1）。目前渤海的傾倒物主要是建港疏浚物和港池、航道維護性疏浚物。陳江麟等（2004）、李任偉等（2008）、劉明等（2012）研究指出遼東灣、海河口及天津沿岸、秦皇島近岸海域、渤海灣中部海域表層沉積物中受到Hg、Cd、Zn、As的污染，近岸沉積物在疏浚及傾倒過程中會形成二次污染，重金屬是傾倒物中最普遍的環(huán)境污染物質(zhì)。近年來，學(xué)者對傾倒區(qū)重金屬污染評價進行了研究（張麗旭 等，2005；劉孟蘭 等，2007；張亮 等，2011；鄭琳等，2008），但是對渤海傾倒區(qū)沉積物中重金屬污染確鮮有報道。2012年，渤海在用傾倒區(qū)為6個，傾倒區(qū)沉積物中重金屬污染狀況及其生態(tài)風險是海洋管理部門和公眾關(guān)注的熱點問題。為此，本文以2012年渤海6個在用傾倒區(qū)沉積物監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，采用沉積物重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)法，對渤海傾倒區(qū)沉積物環(huán)境中重金屬污染特征以及可能存在的生態(tài)危害效應(yīng)進行分析，從而為海洋傾倒區(qū)的科學(xué)使用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

圖1 2008-2012年渤海傾倒量變化（萬m3）

1 資料與方法

1.1 資料

圖2 渤海海洋傾倒區(qū)分布圖

渤海6個在用傾倒區(qū)為：葫蘆島港臨時海洋傾倒區(qū)、錦州港航道工程疏浚物臨時海洋傾倒區(qū)、天津港疏浚物海洋傾倒區(qū)（C區(qū)）、黃驊港臨時海洋傾倒區(qū)（C1區(qū)）、黃驊港綜合港區(qū)航道工程疏浚物臨時海洋傾倒區(qū)、萊州港5萬噸級航道工程臨時海洋傾倒區(qū)，分布位置見圖2。監(jiān)測時間為2012年6、8月與9月，每個傾倒區(qū)分別布設(shè)5個沉積物站，采集表層沉積物樣品。重金屬主要監(jiān)測項目為：Hg、Cu、Pb、Cd、Zn和As。樣品采集和分析均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》 （GB 17378.5-2007）和《海洋傾倒區(qū)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》 （國家海洋局，2002）要求進行。重金屬Cu、Pb、Cd分析方法為原子吸收法，Hg、As分析方法為原子熒光光度法。監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 渤海傾倒區(qū)表層沉積物監(jiān)測結(jié)果

1.2 評價方法

目前對海洋傾倒區(qū)沉積物重金屬環(huán)境評價多采用單因子指數(shù)法或綜合指數(shù)法進行多因子評價，這些方法比較簡單，但是卻僅僅考慮了沉積物中重金屬的污染現(xiàn)狀，均沒有考慮海洋生物對重金屬污染的響應(yīng)特征，更不能說明沉積物中重金屬可能存在的生態(tài)危害效應(yīng)（陳靜生等，1989）。瑞典學(xué)者Hakanson提出的潛在生態(tài)風險指數(shù)法正是從沉積物中重金屬可能存在的生態(tài)危害效應(yīng)這個角度出發(fā)，利用重金屬總量化學(xué)指標分析數(shù)據(jù)，結(jié)合各重金屬污染物生物毒性大小的不同，多種重金屬污染物的綜合作用和沉積特征、區(qū)域敏感性等角度綜合評價沉積物中重金屬污染物的潛在生態(tài)危害效應(yīng)，并定量給出了生態(tài)危害程度的劃分標準，它將污染物與生物毒性、生態(tài)危害有機地結(jié)合，兼有現(xiàn)時與潛在風險評價的研究層次（劉成等，2002；馬德毅等，2003）。

本文根據(jù)所監(jiān)測的項目及研究的實際情況，選取Hg、Cd、Cu、Pb、Zn、As共6種重金屬為評價因子，利用富集系數(shù)法和Hakanson提出的潛在生態(tài)風險指數(shù)法，對渤海傾倒區(qū)海域重金屬污染狀況及其對海洋生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)風險進行分析和評價。

1.2.1 富集系數(shù)法

為了定量反映渤海傾倒區(qū)表層沉積物中各種重金屬的污染狀況及其在沉積物環(huán)境中的富集程度，本文選用富集系數(shù)來表示，計算公式如下：

表2 重金屬的背景參照值和毒性響應(yīng)參數(shù)

沉積物中多種重金屬的綜合污染效應(yīng)，通過綜合指數(shù)Cd來表征，計算公式為：

式中：Cd是綜合污染指數(shù)，是沉積物多種重金屬污染指數(shù)之和，以前述所選擇的6種重金屬來評價沉積物中重金屬的綜合污染情況。

1.2.2 重金屬潛在生態(tài)風險評價

采用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法進行評價，計算公式如下（Hakanson etal，1980）：

表3 ，Cd，，ERI與污染程度的關(guān)系

表3 ，Cd，，ERI與污染程度的關(guān)系

風險程度分級 ERI 風險程度分級Ci Ci f 污染程度分級 Cd 污染程度分級 Eirf＜1 低污染 Cd＜6 低污染 Eir＜25 輕微 ERI＜110 低1≤Cif＜3 中污染 6≤Cd＜12 中污染 25≤Eir＜50 中等 110≤ERI＜220 中3≤Cif＜6 較高污染 12≤Cd＜24 較高污染 50≤Eir＜100 強 220≤ERI＜440 較高Ci f≥6 很高污染 Cd≥24 很高污染 100≤Eir＜200 很強 ERI≥440 很高Ei r≥200 極強

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬污染現(xiàn)狀分析

把渤海6個傾倒區(qū)的監(jiān)測結(jié)果代入式（1）和（2），計算各傾倒區(qū)重金屬污染現(xiàn)狀，結(jié)果見表4。可以看出，渤海海洋傾倒區(qū)分布區(qū)域不同，表層沉積物中重金屬富集程度不同：

（1）葫蘆島港傾倒區(qū)Hg、Zn富集程度相對最大，富集系數(shù)為1.66和1.08，為中污染程度；Pb、Cd、As、Cu 4個評價因子為低污染，富集系數(shù)在0.59～0.80之間。各種重金屬平均富集程度由大到小排序為：Hg＞Zn＞Cd＞Pb＞Cu＞As。

（2）錦州港傾倒區(qū)Zn富集程度最大，富集系數(shù)為1.21，為中污染程度，其余5個評價因子為低污染，除Hg、Pb富集系數(shù)略高為0.82和0.52，其余因子富集程度相對較低，富集系數(shù)均小于0.5。各種重金屬平均富集程度由大到小依次為：Zn＞Hg＞Pb＞Cd＞As＞Cu。

（3）天津傾倒區(qū)（C區(qū)）As富集程度最大，富集系數(shù)為1.44，為中污染，其余評價因子均為低污染，其中Cu、Pb、Zn富集系數(shù)分別為0.87、0.86和0.78。各種重金屬平均富集程度由大到小依次為：As＞Cu＞Pb＞Zn＞Cd＞Hg。

（4）黃驊港傾倒區(qū)（C1區(qū)）As富集顯著，富集系數(shù)已達4.08，達到較高污染；其余評價因子均為低污染，僅Pb、Cu富集系數(shù)相對較高為0.83、0.72。各種重金屬平均富集程度由大到小依次為：As＞Pb＞Cu＞Cd＞Zn＞Hg。

表4 渤海傾倒區(qū)重金屬污染程度及分布狀況

（5）黃驊港綜合港傾倒區(qū)各評價因子均富集較低，為低污染，除Pb、Zn富集系數(shù)相對較高為0.84、0.80外，其余均低于0.5。各種重金屬平均富集程度由大到小依次為：Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cd＞Hg。

（6）萊州港傾倒區(qū)各評價因子均富集較低，為低污染，除Pb、As富集系數(shù)相對較高為0.83、0.69外，其余均低于0.5。各種重金屬平均富集程度由大到小依次為：Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cd＞Hg。

沉積物中重金屬Cu、Zn、Pb、Cr的來源主要以自然來源為主，同時受到人類活動的影響。Hg、Cd、As主要來源為人類活動。重金屬富集與沉積物粒度有密切的關(guān)系，主要富集在粉砂和粘土粒級沉積物中。傾倒區(qū)接收的都是建港疏浚物和港池、航道維護性疏浚物，港池和航道是人類活動影響較為顯著的區(qū)域，因此，傾倒區(qū)沉積物重金屬含量受到人類活動影響顯著。從前述分析可以看出，渤海傾倒區(qū)沉積物中重金屬富集相對程度最高的為As，Zn、Hg、Pb次之，富集程度較低的重金屬為Cu和Cd。除Pb、Cu在整個渤海傾倒區(qū)富集程度相當外，其余呈現(xiàn)區(qū)域性富集特征：As富集區(qū)域集中在天津和黃驊區(qū)域，Zn、Hg、Cd富集區(qū)域集中在遼東灣內(nèi)。

從傾倒區(qū)分布可以看出，葫蘆島港和錦州港傾倒區(qū)位于遼東灣北部，沉積物類型為粘土質(zhì)粉砂和砂質(zhì)粉砂，重金屬較易富集，該海域長期受到沿海冶煉廠等工業(yè)污水排放的影響，重金屬Zn、Hg、Cd含量一直較高（陳江麟等，2004；胡寧靜等，2010）。同時葫蘆島與錦州港以煤炭、礦石、石油化工裝卸運輸為主，人為活動對沉積物重金屬含量影響顯著，因此該區(qū)域沉積物中Zn、Hg、Cd富集明顯。天津和黃驊傾倒區(qū)位于渤海灣中部，沉積物組成以粉砂和粘土質(zhì)粉砂為主。李任偉等（2008）、郁濱赫等（2013）等研究顯示傾倒區(qū)所在海域沉積物中重金屬Cu、Pb、Cr含量較高。天津和黃驊2個傾倒區(qū)監(jiān)測顯示僅As富集顯著，其余重金屬富集不明顯。原因可能是傾倒區(qū)離近岸河口及排污區(qū)域較遠，重金屬來源較少，富集不明顯；As富集可能是港口以煤炭、礦石運輸為主，受到人為活動影響。萊州港傾倒區(qū)位于萊州灣灣口，水體交換能力較好，沉積物類型為粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂，與渤海其他海灣沉積物中重金屬含量相比，該海域重金屬含量總體較低（羅先香等，2010；陳江麟等，2004）。監(jiān)測顯示傾倒區(qū)內(nèi)重金屬富集系數(shù)均小于1，富集不明顯。

2.2 重金屬的潛在生態(tài)風險評價

渤海傾倒區(qū)表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風險評價結(jié)果見表5，同時，用某一重金屬值除以ERI值計算出不同重金屬對ERI的總體貢獻，見表6。可以看出，渤海傾倒區(qū)多種重金屬潛在生態(tài)風險水平為：除葫蘆島港傾倒區(qū)有1個站位生態(tài)風險指數(shù)為114.55，為中等風險外，渤海傾倒區(qū)沉積物重金屬生態(tài)風險指數(shù)ERI均小于110，生態(tài)風險等級為低風險，重金屬對海洋生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害低。

渤海傾倒區(qū)沉積物重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)均數(shù)由大到小依次為：As、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn，其中As、Cd、Hg對潛在生態(tài)風險指數(shù)ERI的貢獻率達到81.8%，是需要重點關(guān)注的風險因子。渤海傾倒區(qū)沉積物重金屬潛在生態(tài)風險呈現(xiàn)顯著的空間差異性：

（1）葫蘆島港和錦州港傾倒區(qū)具有較高潛在生態(tài)風險的重金屬為Hg和Cd。其中，葫蘆港傾倒區(qū)Hg的潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值達到66.45，為強風險等級；有2個站位Cd的潛在生態(tài)風險等級為中等風險。錦州港傾倒區(qū)有1個站位Hg的達到51，為強風險等級。Hg和Cd兩個因子對ERI的貢獻率達87%和84%。

（2）黃驊港傾倒區(qū)（C1區(qū)）具有較高潛在生態(tài)風險的重金屬為As，平均值為40.77，達到中等風險等級，As因子對ERI的貢獻率達64.3%。

（3）天津港傾倒區(qū)（C區(qū)）、黃驊綜合港區(qū)和萊州港傾倒區(qū)所監(jiān)測的6個重金屬因子對海洋生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)危害非常輕微，潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值變化為 0.76～14.4。

綜合上述兩種評價結(jié)果，可以看出，從污染程度角度渤海傾倒區(qū)海域重金屬的排列順序與從生態(tài)危害的角度各金屬的潛在生態(tài)風險性排列順序并不一致，這可能是由于有些重金屬具有親顆粒性，容易被懸浮物吸附遷移進入沉積物中礦化埋藏，使它們對生物的毒性降低，同時，各種重金屬對海洋生物的毒性不同，污染程度較高的不一定對生態(tài)系統(tǒng)的危害就高（賈振邦等，1997），因此，只有把兩種方法相結(jié)合，才能更全面的反映渤海傾倒區(qū)海域重金屬的污染特征和對海洋生態(tài)系統(tǒng)的危害性。

表5 渤海傾倒區(qū)重金屬的潛在生態(tài)風險因子和風險指數(shù)

表6 渤海傾倒區(qū)沉積物中不同金屬對ERI的貢獻率

3 結(jié)論

利用富集系數(shù)法和Hakanson提出的生態(tài)風險指數(shù)法，對渤海6個在用傾倒區(qū)沉積物表層重金屬Hg、Cd、Cu、Pb、Zn和As的污染特征和潛在生態(tài)風險性進行了分析和評價，結(jié)論如下：

（1）渤海傾倒區(qū)沉積物重金屬富集程度相對最高的為As，Zn、Hg、Pb次之，富集程度較低的重金屬為Cu和Cd。除Pb、Cu在整個渤海傾倒區(qū)富集程度相當外，其余重金屬富集呈現(xiàn)區(qū)域性特征：黃驊港傾倒區(qū)（C1區(qū)）As富集顯著，污染程度較高；葫蘆島港傾倒區(qū)Hg、Zn、錦州港傾倒區(qū)Zn、天津傾倒區(qū)（C區(qū)）As均富集達到中等污染程度；黃驊港綜合港傾倒區(qū)和萊州港傾倒區(qū)重金屬富集程度較低。

（2）渤海傾倒區(qū)海域沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風險處于較低水平，風險程度依次為：As＞Cd＞Hg＞Pb＞Cu＞Zn，且呈現(xiàn)顯著的生態(tài)風險空間差異性：①葫蘆島港和錦州港傾倒區(qū)沉積物中具有較高潛在生態(tài)風險的重金屬為Hg和Cd；其中，葫蘆港傾倒區(qū)Hg的潛在生態(tài)風險為強風險等級、局部區(qū)域Cd的潛在生態(tài)風險等級為中等風險；錦州港傾倒區(qū)局部區(qū)域Hg的潛在生態(tài)風險為強風險等級。②黃驊港傾倒區(qū)（C1區(qū)）具有較高潛在生態(tài)風險重金屬為As，且達到中等風險等級。③天津港傾倒區(qū)（C區(qū)）、黃驊綜合港區(qū)和萊州港傾倒區(qū)重金屬潛在生態(tài)風險非常輕微。

（3）傾倒區(qū)使用管理及環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)不僅關(guān)注富集程度較高的重金屬因子，同時應(yīng)加強對具有較高潛在生態(tài)風險重金屬因子的監(jiān)測。

Hakanson L,1980.An ecological risk index for quality pollution control：A sedimentological吧approach.Water Research,14(8)：975-1001.

陳江麟,劉文新,劉書臻,等,2004.渤海表層沉積物重金屬污染評價.環(huán)境科學(xué),28(12):16-21.

陳靜生,陶澍,鄧寶山,等,1987.水環(huán)境化學(xué).重慶：高等教育出版社,176-191.

陳靜生,王忠,劉玉機,1989.水體金屬污染潛在危害應(yīng)用沉積學(xué)方法評價.環(huán)境科學(xué),9(1):16-25.

胡寧靜,石學(xué)法,黃明,等,2010.渤海遼東灣表層沉積物中重金屬分布特征.中國環(huán)境科學(xué),30(3):380-388.

賈振邦,梁濤,1997.香港河流重金屬污染及其潛在生態(tài)危害研究.北京大學(xué)學(xué)報,33(4):185-192.

李任偉,李原,2008.渤海沿岸沉積環(huán)境調(diào)查：As、重金屬、氮和磷污染.沉積學(xué)報,26(1):128-138.

劉成,王兆印,何耘,等,2002.環(huán)渤海灣諸河口潛在生態(tài)風險評價.環(huán)境科學(xué)研究,15(5):33-37.

劉孟蘭,鄭西來,林端,等,2007.南海重點海洋傾倒區(qū)表層沉積物富集特征及其潛在生態(tài)風險評價.海洋環(huán)境科學(xué),26(2):158-160.

劉明,張愛濱,范德江,等,2012.渤海中部底質(zhì)沉積物重金屬環(huán)境質(zhì)量.中國環(huán)境科學(xué),32(2):279-290.

羅先香,張蕊,楊建強,等,2010.萊州灣表層沉積物重金屬分布特征及污染評價.生態(tài)環(huán)境學(xué)報,19(2):262-269.

馬德毅,王菊英,2003.中國主要河口沉積物污染及潛在生態(tài)風險評價.中國環(huán)境科學(xué),23(5):521-525.

郁濱赫,劉紅磊,盧學(xué)強,等,2013.天津近岸表層沉積物重金屬和放射性核素分布特征.中國環(huán)境科學(xué),33(6):1053-1059.

張麗旭,任松,蔡健,2005.東海三個傾倒區(qū)表層沉積物重金屬富積特征及其潛在生態(tài)風險評價.海洋通報,24(2):92-96.

張亮,曹叢華,任榮珠,等,2011.嵐山港海洋臨時傾倒區(qū)表層沉積物重金屬污染、潛在生態(tài)風險評價及變化趨勢分析.海洋通報,30(2):234-239.

鄭琳,崔文林,賈永剛,2008.青島海洋傾倒區(qū)沉積物重金屬污染及其生態(tài)風險評價.海洋環(huán)境科學(xué),27(Z2):45-48.