樂(lè)清灣表層沉積物重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)＊

馬志凱，張樹剛，王玲，陳峰

（國(guó)家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 溫州 325000）

1 引言

樂(lè)清灣位于浙江省南部沿海（27°27′55″N—28°24′16″N，120°57′55″E—121°17′09″E），隸屬于溫州市和臺(tái)州市，海灣三面環(huán)陸，屬半封閉性海灣，沿岸有甌江、清江、白溪、靈溪等30余條大小河流注入灣內(nèi)［1］。近年來(lái)，隨著沿岸工業(yè)的發(fā)展，大量工業(yè)廢水和生活污水排入灣內(nèi)，致使灣內(nèi)海洋環(huán)境受到很大的影響。

沉積物是海洋污染物的歸宿，沉積環(huán)境作為海洋環(huán)境的重要組成部分越來(lái)越引起人們的重視。海洋污染物通過(guò)沉降以及沉積物吸附等方式可以使上層水體污染程度降低，但如果沉積環(huán)境發(fā)生變化，沉積物中的污染物又可能重新釋放，對(duì)上層水體夠成二次污染。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海洋重金屬污染逐漸引起人們的重視，而海洋沉積物中重金屬是具有潛在風(fēng)險(xiǎn)的重要污染物，故本研究通過(guò)擬采用德國(guó)學(xué)者M(jìn)üller提出的地積累指數(shù)法和瑞典學(xué)者Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，依據(jù)對(duì)2012年8月采集樂(lè)清灣表層沉積物重金屬元素的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)樂(lè)清灣海域表層沉積物中汞、砷、鉛、鎘、銅、鉻和鋅7種重金屬元素進(jìn)行污染現(xiàn)狀及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的分析和評(píng)價(jià)，以期為該海域海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2．1 樣品采集

2012年8月筆者在樂(lè)清灣海域采用抓斗式采泥器采集沉積物樣品20個(gè)，采樣站位見(jiàn)圖1。樣品的采集、運(yùn)輸和貯存均按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB17378．3－2007）中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行［2］。

圖1 樂(lè)清灣采樣站位

2．2 樣品預(yù)處理與分析

沉積物樣品風(fēng)干后去除雜物及石塊，經(jīng)瑪瑙研缽研磨后，過(guò)80目尼龍篩，貯存于塑料密封袋中待用。樣品經(jīng)微波儀消解后測(cè)定，微波消解方法按《海洋沉積物與海洋生物體中重金屬分樣前處理》（HY／T 132－2010）中相關(guān)方法對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理［3］。預(yù)處理后的樣品經(jīng)趕酸后上機(jī)測(cè)定，其中鉛、鎘、銅、鉻和鋅重金屬元素用原子吸收分光光度法測(cè)定，元素汞、砷用原子熒光光度法測(cè)定。

2．3 質(zhì)量控制

所測(cè)樣品在預(yù)處理和分析過(guò)程中加入質(zhì)控樣《近海海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)》（GBW07314）進(jìn)行全程質(zhì)控，測(cè)定分析結(jié)果均小于質(zhì)控樣品允許的測(cè)定偏差。

2．4 評(píng)價(jià)方法

2．4．1 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法是德國(guó)學(xué)者M(jìn)üller于1969年提出的一種關(guān)于沉積物重金屬污染程度的評(píng)價(jià)方法［4］。其基本原理為通過(guò)比較測(cè)評(píng)海域沉積物重金屬含量與其地球化學(xué)背景值的關(guān)系，從而反映外源重金屬在沉積物中的富集程度。地積累指數(shù)法計(jì)算公式如下：

式中：Ci為測(cè)評(píng)海域沉積物樣品中重金屬含量；Bi為該重金屬的地球化學(xué)背景值；1．5為由于各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)系數(shù)。由式（1）可知，Bi的選擇對(duì)地積累指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大，由于考慮到本研究區(qū)域?yàn)楹Ｑ蟪练e物，本研究以中國(guó)大陸沉積物背景值作為參比值［5］。Igeo值與重金屬污染水平的關(guān)系如表1所示。

表1 地累積指數(shù)與污染程度分級(jí)

2．4．2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是瑞典學(xué)者Hakanson于1980年提出的一種表征沉積污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境潛在危害的評(píng)價(jià)方法。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法基于元素豐度和釋放能力的原則，假設(shè)了以下幾個(gè)前提條件：①潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與沉積物重金屬污染程度正相關(guān)；②多種污染物的生態(tài)危害具有加和性；③各重金屬元素的毒性響應(yīng)具有差異性［6］。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法具體計(jì)算方法如下。

式中：Cif為單一污染物污染指數(shù)；Ci為樣品實(shí)測(cè)值；Cin為沉積物背景值；Cd為多種污染物綜合污染指數(shù)；Tir為不同污染物生物毒性響應(yīng)因子；Eir為不同污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子；RI為多種污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

由式（2）至式（5）可知，沉積物背景值（Cin）的選擇對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果至關(guān)重要，不同背景值的選擇可能會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成很大的差異。通過(guò)表2中幾種背景值的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，除汞的含量相差比較大外，其他元素的中國(guó)大陸沉積物背景值與中國(guó)土壤背景值相近；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)基本上所有元素的中國(guó)大陸沉積物背景值與工業(yè)化前地球化學(xué)最高背景值相差比較大［7］，考慮到本研究樣品為海洋沉積物，本研究以中國(guó)大陸沉積物背景值作為參比值［8］。

表2 各重金屬元素有關(guān)背景值的相關(guān)數(shù)據(jù)

由于筆者所研究的污染要素（汞、鎘、砷、鉛、銅、鉻和鋅）為7項(xiàng)，少于Hakanson提出生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法時(shí)的8項(xiàng)，故本研究對(duì)以Cd表征的綜合污染程度進(jìn)行了調(diào)整［11］，調(diào)整結(jié)果具體見(jiàn)表3。本研究中汞、鎘、砷、砷、銅、鉻和鋅的毒性響應(yīng)因子（Tir）分別為40、30、10、5．0、5．0、2．0、1．0［6，12］。

同理本研究對(duì)以RI值對(duì)應(yīng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度也做出了相應(yīng)的調(diào)整［13－14］，RI的范圍調(diào)整結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 Cif，Cd，Eir 和RI 值相對(duì)應(yīng)的污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度

3 結(jié)果與討論

3．1 樂(lè)清灣表層沉積物重金屬的含量

樂(lè)清灣海域表層沉積物中重金屬含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4，各站位表層沉積物中銅、鉛、鋅、鎘、鉻、汞和砷的含量范圍分別為16．5～44．0 mg／kg、17．1～29．3mg／kg、73．1～152．2 mg／kg、0．085～0．158 mg／kg、25．4 ～81．4 mg／kg、0．038 ～0．051mg／kg、9．2～11．0 mg／kg。銅、鉛、鋅、鎘、鉻、汞 和 砷 的 平 均 含 量 分 別 為37．3mg／kg、27．0mg／kg、127．2 mg／kg、0．130 mg／kg、64．4mg／kg、0．040mg／kg和9．9mg／kg。整體上樂(lè)清灣表層沉積物中汞、砷、鉛、鎘等元素含量分布比較均勻；其中元素銅、鋅、鉻表現(xiàn)為近岸略高，離岸較低，灣頂略高，灣口略低的分布規(guī)律。基本上各重金屬元素的最低值均出現(xiàn)在Y15站。這是因?yàn)閅15位于甌江口附近，此站位沉積物類型為沙質(zhì)沉積物，而沙質(zhì)沉積物不易對(duì)重金屬產(chǎn)生吸附。各元素含量的最高值幾乎都出現(xiàn)在Y6站，這可能是由于Y6站距岸較近，且靠近岸邊一座煤運(yùn)輸碼頭，受此影響Y6站的重金屬含量較其他站偏高。

表4 樂(lè)清灣表層沉積物重金屬含量 mg／kg

3．2 樂(lè)清灣表層沉積物重金屬的地累積污染指數(shù)評(píng)價(jià)

應(yīng)用地累積污染指數(shù)法對(duì)樂(lè)清灣表層沉積物7 種重金屬元素污染程度評(píng)價(jià)結(jié)果如下（表5）：7種重金屬元素的污染程度由大到小依次排列為：銅、鋅、汞、鎘、砷、鉛、鉻。除Y15站處于無(wú)污染狀態(tài)外，樂(lè)清灣幾乎所有站位均處于“無(wú)－中”的污染水平。其中所有站位砷、鉛和鉻污染級(jí)別為0級(jí)，處于無(wú)污染狀態(tài)；個(gè)別站位的汞、鎘污染級(jí)別為1 級(jí)；處于“無(wú)－中”的污染水平；基本上所有站位的銅和鋅污染級(jí)別為1 級(jí)，處于“無(wú)－中”的污染水平。由此可見(jiàn)，樂(lè)清灣海域表層沉積物整體處于清潔狀態(tài)，外源輸入的重金屬污染對(duì)環(huán)境的影響較小。元素銅和鋅比其他元素所受外源輸入的影響較明顯，高值多出現(xiàn)在樂(lè)清灣沿岸海域，這說(shuō)明樂(lè)清灣外源輸入的重金屬元素主要為銅和鋅。從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，總體上樂(lè)清灣沉積物重金屬污染情況現(xiàn)狀良好。

表5 樂(lè)清灣海域沉積物中重金屬元素地累積指數(shù)分級(jí)

3．3 樂(lè)清灣表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3．3．1 單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

樂(lè)清灣表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表6。由沉積物單因子污染指數(shù)計(jì)算可知，各金屬元素的污染程度由大到小排序依次排列為：鋅、銅、鎘、砷、鉛、鉻、汞。其中各站位汞的Cif值均小于1，屬于低度污染；其他各元素的Cif值為0～3之間，屬于中度污染。由表6可知，鋅和銅元素的Cif平均值分別為1．93 和1．86，明顯高于其他5種重金屬元素，說(shuō)明這兩種元素是研究區(qū)的主要污染因子；這與地累積污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果相一致。

Cd為各站位多種重金屬元素的綜合污染指數(shù)，由表6 可知，Cd最低值為5．10，出現(xiàn)在Y15站，為污染程度為低級(jí)；最高值為9．47，出現(xiàn)在Y6站，污染程度為中級(jí)。這是因?yàn)閅15站位于甌江口附近海域，由于該海域沉積物以沙質(zhì)為主，且粒度較大，從而對(duì)重金屬的吸附能力下降。而Y6站位于樂(lè)清灣灣中煤碼頭附近，受陸源影響該站位重金屬含量較高。由綜合污染指數(shù)可以看出，樂(lè)清灣各站位綜合污染水平為低級(jí)到中級(jí)污染，其中僅Y15站為低級(jí)污染；樂(lè)清灣中部近岸海域污染程度相對(duì)偏高，整個(gè)海域綜合污染指數(shù)平均為8．42，屬中級(jí)污染水平。樂(lè)清灣沿岸人口密集，灣內(nèi)海水養(yǎng)殖業(yè)、工業(yè)、港口運(yùn)輸業(yè)比較發(fā)達(dá)，河流入海口眾多，這可能是導(dǎo)致樂(lè)清灣海域沉積物重金屬含量相對(duì)較高的主要原因。

表6 樂(lè)清灣各站位沉積物單因子污染參數(shù)

續(xù)表

3．3．2 樂(lè)清灣表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

樂(lè)清灣表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知，樂(lè)清灣所有單個(gè)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值均小于40，為低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。但應(yīng)注意到，鎘的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為39．62，與指標(biāo)上限非常接近；且個(gè)別站位鎘的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于40，屬中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。各重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度由高到低 依 次 排 列 為：鎘（39．62）、砷（11．60）、銅（9．32）、汞（5．90）、鉛（5．41）、鋅（1．93）、鉻（1．84），其中鎘的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)明顯高于其他元素，其對(duì)RI的貢獻(xiàn)率為52%（圖2），這表明鎘為主要潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。同時(shí)，元素砷和銅對(duì)RI的貢獻(xiàn)率分別為15%和12%，這表明樂(lè)清灣表層沉積物中潛在重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子為鎘、砷和銅。對(duì)通過(guò)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算得到的各重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度與通過(guò)單因子污染指數(shù)法計(jì)算得到的污染程度高低排序并不盡一致，這可能是由于某些重金屬元素具有親顆粒性，雖然其污染程度較高，但卻容易被懸浮物遷移進(jìn)入沉積物中礦化埋藏，從而降低了對(duì)生物的毒性；同時(shí)，各重金屬元素本身對(duì)生物的毒性本不相同，單因子污染指數(shù)高的不一定對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害就高，這也是造成兩種評(píng)價(jià)結(jié)果不一致的原因［14］。

由7種重金屬元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，樂(lè)清灣海域表層沉積物中重金屬元素的RI值為51．4～83．1，平均值為71．62，整個(gè)樂(lè)清灣海域綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為低級(jí)。其中Y15站RI值為51．4，遠(yuǎn)小于平均值，這與Y15站特殊的地理位置有關(guān)；其他站位RI值相差不大，均與平均值相近。

表7 樂(lè)清灣各站位沉積物潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

續(xù)表

圖2 不同重金屬元素對(duì)RI 的貢獻(xiàn)率

4 結(jié)論

（1）樂(lè)清灣表層沉積物中重金屬元素銅、鉛、鋅、鎘、鉻、汞和砷的平均含量分別為37．3 mg／kg、27．0mg／kg、127．2mg／kg、0．130mg／kg、64．4mg／kg、0．040mg／kg、9．9mg／kg。總體上樂(lè)清灣表層沉積物中各重金屬元素含量分布比較均勻，其中銅、鋅、鉻表現(xiàn)為近岸較高，離岸偏低的分布規(guī)律。

（2）樂(lè)清灣表層沉積物重金屬地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：7種重金屬元素的污染程度由大到小依次排列為：銅、鋅、汞、鎘、砷、鉛、鉻。除Y15站為無(wú)污染狀態(tài)外，其余所有站位均處于“無(wú)－中”的污染水平；樂(lè)清灣外源輸入的重金屬元素主要為銅和鋅。

（3）樂(lè)清灣表層沉積物重金屬單因子和綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：樂(lè)清灣沉積物各重金屬元素污染程度由大到小依次排列為：鋅、銅、鎘、砷、鉛、鉻、汞。由綜合污染指數(shù)可知，樂(lè)清灣海域沉積物中重金屬綜合污染指數(shù)平均為8．42，屬中污染水平。

（4）樂(lè)清灣表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：各重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度由高到低依次排列為：鎘、砷、銅、汞、鉛、鋅、鉻；其中鎘為主要潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。樂(lè)清灣海域沉積物中7種重金屬元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均為71．62，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為低級(jí)。

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