萊州灣東部海域表層沉積物重金屬潛在生態風險評價＊

徐艷東，魏 瀟，夏 斌，付 翔，岳英潔，吳興偉

（1.山東省海洋資源與環境研究院 山東省海洋生態修復重點實驗室，山東 煙臺264006；2.中國海洋大學 環境科學與工程學院，山東 青島266100；3.山東省水產設計院，山東 濟南250013）

沉積物是海洋環境中重金屬元素的源和匯，并作為環境演變的信息載體，記錄著海洋生態系統生物、物理和化學作用的過程［1－2］，具有比水介質更穩定、更概括地反映區域環境質量和趨勢的指示作用［3］。重金屬作為典型的累積性污染物，具有顯著的生物毒性和持久性，對生態系統構成潛在威脅；重金屬污染物不同于可生物降解的有機污染物，存在潛在的生物累積和生物放大效應，對人類健康和生態系統產生潛在的長期影響［4］。因此，研究沉積物污染狀況，不僅要分析沉積物中重金屬含量的分布特征，還要探討重金屬污染物的潛在生態風險程度［5］和污染物來源。

萊州灣是渤海的三大海灣之一，也是我國典型的半封閉性陸架海灣，其東部海域有萊州灣東北部產卵場，是我國北方最早開展淺海海水養殖的海域之一，還分布有龍口港、萊州港以及《山東半島藍色經濟區發展規劃》中九個集中集約用海區之一的龍口灣海洋裝備制造業集聚區。隨著周邊地區經濟的快速發展和人類海洋活動的不斷增加，該海域生態環境壓力突出。目前，對萊州灣整個區域沉積物中重金屬的含量分布和生態風險評價研究已有較多工作［1，6－10］，但這些研究的調查站位主要集中在萊州灣的西部和中部，東部的調查站位數量較少，并且針對萊州灣東部海域沉積物重金屬的系統調查和生態風險評價研究尚未見諸文獻報道。本文通過對2015年萊州灣東部海域表層沉積物中重金屬的調查，研究和分析了該海域表層沉積物重金屬的空間分布特征和潛在生態風險，并探討了重金屬污染物的來源，以期為海洋重金屬污染防控、海水養殖區選劃及海洋生態環境修復提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和分析方法

2015－02，山東省海洋資源與環境研究院在萊州灣東部海域布設了15個沉積物采樣站位（圖1），主要調查Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg和As七種重金屬的質量分數。沉積物樣品的采集、貯存和運輸按照《海洋監測規范》樣品采集、貯存和運輸的方法［11］進行，樣品的制備、消化按照《海洋監測規范》沉積物分析的方法［12］進行。樣品中的Cu，Pb，Zn，Cr和Cd質量分數用原子吸收分光光度法測定，Hg和As質量分數用原子熒光法測定。

圖1 2015年萊州灣東部海域表層沉積物采樣站位Fig.1 Sampling stations in surface sediments in the eastern Laizhou Bay in 2015

1.2 數據處理

采用EXCEL 2010和SPSS 20.0軟件處理數據。采用SPSS軟件對研究區域的重金屬元素的質量分數進行相關性和主成分分析。采用Surfer 8.0軟件繪制平面分布圖。

1.3 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法由H?kanson［13］提出，且在沉積物質量評價中應用最為廣泛的方法之一［14］，其計算公式為

式中，RI為沉積物綜合潛在生態風險指數，Eri為單個污染物i的潛在生態風險參數，Tri為污染物i的生物毒性響應參數為污染物i的污染指數，Ci為污染物i含量的實測值為污染物i的背景含量。

H?kanson給出了不同的Eri值范圍相對應的單污染物潛在生態風險和不同RI值范圍相對應的綜合潛在生態風險。該方法原包括Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg，As和PCB共8種污染物，因本文調查數據未包含PCB，故依據馬德毅和王菊英［14］、劉文新等［15］、劉志杰等［16］對RI標準值的調整方法和各污染因子所占權重值，對標準值進行了調整，調整后的標準值和所對應的等級見表1。單污染物潛在風險參數和生物毒性響應參數仍采用H?kanson給出的Eri值（表1）和Tri值（表2）。由于區域背景值具有差異性，Cin的選定也無統一標準，而且采用不同的背景值對計算潛在生態風險指數影響較大［17］，為避免采用大尺度平均值產生的差異性，由于研究區域沉積物中重金屬含量背景值未有相關文獻報道，因此本文選取研究區域所在的渤海的沉積物中重金屬背景含量值［18］作為背景值（表2）。

表1 潛在生態風險分級標準Table 1 Different classification schemes of potential ecological risk

表2 重金屬的背景值［18］及毒性響應系數［13］Table 2 Background reference level［18］and toxic－response factor for the studied elements［13］

2 結果與討論

2.1 重金屬的分布特征

萊州灣東部海域15個站位的表層沉積物重金屬質量分數統計結果見表3。與《海洋沉積物質量》標準［19］對比可知，7種重金屬的質量分數均符合第一類沉積物質量標準，表明該區域沉積物質量狀況良好。該海域重金屬平均質量分數與渤海其他海域［8，20－22］的對比結果（表4）表明，Cu，Pb，Zn，Cr和 Hg這5種重金屬質量分數均值都低于萊州灣、渤海灣、遼東灣、渤海中部的質量分數均值和渤海沉積物背景值；Cd質量分數均值略高于萊州灣均值和渤海沉積物背景值，但低于渤海灣和遼東灣的均值；As質量分數均值略高于遼東灣均值和渤海沉積物背景值，但低于萊州灣和渤海灣的均值。與國內受人類活動影響較大的典型海灣［23－24］相比（表4），Cu，Pb，Zn和Cd這4種重金屬質量分數均值都低于膠州灣，Cr質量分數均值略高于膠州灣；除Cr未有對比數據外，其他6種重金屬質量分數均值都低于杭州灣。與西班牙、意大利和韓國有些文獻報道的海洋沉積物重金屬含量［25－27］相比（表4），研究海域大部分的重金屬含量均值都遠低于這些國家。Pinedo等研究發現沉積物中重金屬的積累量與經濟活動頻繁程度有關［20，28］，李延峰等通過人類活動對海洋生態系統空間量化評價發現，萊州灣西南部區域受人類活動影響最為強烈，呈現為由西南向北部逐漸減少的趨勢［29］。因此，研究海域大部分重金屬的平均含量均低于受人類活動影響較大的渤海的3個海灣、膠州灣及杭州灣，并且我國海洋沉積物中的重金屬平均含量也低于上述其他國家的周邊海域，這可能與國內近岸海域開發時間較短有關。

重金屬的含量分布和離散程度反映了自然和人為因素影響的差異［30］。空間分布上，Cu，Zn與Cr的質量分數分布類似，高值區主要位于采樣區域的中北部和東南部；Pb與Cd的質量分數分布類似，高值區主要位于采樣區域的中南部和中北部；Hg質量分數的高值區主要位于采樣區域的東側中部，而As的高值區主要位于采樣區域的中南部。重金屬Cd和As的質量分數分布狀況如圖2所示。離散程度采用變異系數來度量，Cu和Cd的變異系數較大（分別為21%和23%），表明二者質量分數在整個研究區域的分布差異較大，受人為擾動或外來因素影響更顯著［30］；Pb，Zn，Cr，Hg和As的變異系數較小（介于9%～17%），說明它們的空間分布較為均勻。

圖2 萊州灣東部海域表層沉積物Cd和As質量分數的平面分布Fig.2 Horizontal distribution of Cd and As in surface sediments in the eastern Laizhou Bay

表3 萊州灣東部海域表層沉積物的重金屬質量分數統計Table 3 Statistics of studied element contents in surface sediments in the eastern Laizhou Bay

表4 萊州灣東部海域與國內外其他海域表層沉積物的重金屬平均質量分數對比（×10－6）Table 4 Averaged contents of studied elements in surface sediments of the eastern Laizhou Bay and reported values of other sea areas at home and abroad for comparison（×10－6）

2.2 重金屬污染物來源分析

近年來，主成分分析（PCA）方法已廣泛應用于海洋沉積物的來源分析［1，3，25－27，31－34］。以重金屬 Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg和As的質量分數為變量的相關性分析結果表明，各重金屬污染物之間具有較強的相關性，且Bartlett球形檢驗概率P＜0.05，數據適合作主成分分析。先對原始數據矩陣歸一化處理，以特征值≥1的標準提取出3個主成分，分別為PC1，PC2和PC3。3個主成分的解釋方差比例依次降低，累計綜合了原數據矩陣77.9%的信息，可反映出沉積物重金屬數據的大部分信息，各主成分矩陣、特征值和方差貢獻率見表5。根據主成分載荷矩陣和初始特征值，計算獲得15個采樣站位的3個主成分得分，并依據各主成分的方差貢獻率計算得出各站位的總得分，各采樣站位3個主成分得分和總得分散點分布見圖3。

PC1的方差貢獻率為39.4%，Cu，Zn，Cr，Pb和Cd占的載荷較高，其中Cu主要來源于工業污染物，Zn主要來源于礦石開采和大氣沉降等，Cr主要為礦山開采和工業污染物等隨河流輸入海洋，Pb主要來自陸源污染、海上交通排污及大氣沉降等，Cd則主要來自隨河流輸入海洋的工業污染物和港口疏浚物［1，31－34］。研究海域的主要入海河流為王河和界河，東側和南側分別有龍口港和萊州港，因此PC1主要反映陸源污染和海上交通排污等狀況。A15站位的PC1得分最高，該站位位于采樣區域的北部，海域開闊，根據渤海環流特征和渤海懸浮物主要運移路徑［3，35－36］，黃河大量的入海泥沙（年入海通量約3億t［36］）攜帶重金屬在萊州灣環流的作用下輸送到該區域；A4和A7站位的得分次之，結合研究區域Cu，Zn，Cr，Pb和Cd質量分數高值區的分布特征及整個萊州灣區域重金屬質量分數北部海域大于南部、高值區位于萊州灣西北緣黃河口附近的特點［1］，可知該成分主要受萊州灣環流的影響，其次受王河和界河陸源入海及萊州港貨物運輸等影響。PC2的方差貢獻率為22.9%，As占的載荷較高，其在自然環境中存在極少，是化肥和農藥的重要成分以及煤渣入海后的主要污染物［1，32］，因此PC2主要反映陸地的農藥使用和化肥殘留及港區的煤渣入海等信息。A5站位的PC2得分最高，A10和A12站位的得分次之，說明該成分主要受王河陸源入海和萊州港貨物運輸等影響，其次受萊州灣環流的影響。PC3的方差貢獻率為15.6%，Hg占的載荷較高，Hg主要源于陸源河流輸入和大氣沉降等［21，31，33］。A11站位的PC3得分最高，可能與周邊煤礦和金礦等礦產資源開發產生的重金屬隨界河徑流入海及龍口港煤炭、礦石運輸過程中煤渣和礦石渣入海有關［7］，說明該成分主要受界河和龍口港等影響。A5和A15站位的總得分高，表明研究海域主要受到萊州灣環流、王河陸源入海和萊州港海上運輸等的共同影響。

表5 主成分分析主要計算結果Table 5 Main calculation results of principal component analysis（PCA）

圖3 各采樣站位3個主成分得分和總得分散點圖Fig.3 Scatter diagram of three principal component scores and their total score of 15sampling stations

因此，萊州灣東部海域沉積物中重金屬的主要來源有：1）黃河大量的入海泥沙攜帶懸浮物中的重金屬在萊州灣環流的作用下輸入；2）周邊區域的工業廢水和生活污水、化肥和農藥等農業面源污染、煤礦和金礦等礦產資源開發等帶來的重金屬污染物，經由王河和界河等主要入海河流輸入；3）龍口港和萊州港的煤炭和鐵礦石等貨物運輸產生的煤渣和礦石渣入海；4）大氣沉降。

2.3 潛在生態風險評價

表層沉積物的重金屬潛在生態風險評價結果見表6，Cd潛在生態風險參數ErCd和研究區域的綜合潛在生態風險指數（RI）的平面分布見圖4。Cu，Pb，Zn，Cr，Hg和As這6種重金屬的Eri最大值為18.00，遠低于標準值40，為低潛在生態風險；13.3%的站位（A5和A12站位）Cd的Eri值為40.00～43.09，為中潛在生態風險。可見，ErCd值偏高，源于部分站位Cd的質量分數高于背景值，Cd是該海域沉積物中重金屬的主要潛在生態風險因子，需要密切關注。按照Eri平均值排序，各重金屬潛在生態風險由高到低依次為Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn。RI的平均值為62.16，最大值為75.72，均遠低于本文調整后RI的標準值105，因此綜合評價結果為低生態風險；RI最大值出現在A5站位，此處位于刁龍嘴東北側海域，結合重金屬質量分數分布特征分析，主要是由Cd的潛在風險較高引起的。Cd在7種重金屬生態風險中的貢獻率最高（介于36.1%～57.5%），說明它的生態風險最高，這主要與Cd的生物毒性較高和采樣區域Cd質量分數較高有關。從表4可以看出，研究區域Cd平均質量分數除略高于萊州灣整個區域的平均質量分數外，均低于國內的其他海灣并遠低于國外發達國家部分海域，值得注意的是，雖然采用的背景值可能不同，但我國的渤海灣、錦州灣、萊州灣、榮成灣和杭州灣等多個海灣及遼河口等部分河口均存在類似Cd高風險的狀況［2，7，14，20，24，31］，羅先香等［7］也研究發現 Cd是整個萊州灣最主要的環境污染因子。Cd具有較強的生物毒性和生物累積性，對海洋生物生長和人類健康都存在嚴重威脅，因此應加強該海域沉積物中Cd質量分數的監測和預警，必要時采取控制措施，以避免對人體健康和海洋生態系統造成更大危害。

表6 萊州灣東部海域表層沉積物重金屬潛在生態風險評價結果Table 6 Assessment values of potential ecological risk of seven studied elements in surface sediments in the eastern Laizhou Bay

圖4 萊州灣東部海域表層沉積物中重金屬Cd的Er值和RI值的平面分布Fig.4 Horizontal distribution of the potential ecological risk parameter（Cd）and its integrated potential ecological risk index in the eastern Laizhou Bay

3 結論

1）萊州灣東部海域表層沉積物中7種重金屬的質量分數均符合第一類沉積物質量標準，該區域沉積物質量狀況良好。研究區域大部分重金屬元素平均質量分數低于受人類活動影響較大的渤海的3個海灣和膠州灣及杭州灣，同時也低于部分發達國家周邊海域。

2）利用主成分分析，對沉積物重金屬的可能來源進行了探討，其來源主要有萊州灣環流輸送、陸源排污、海上交通污染和大氣沉降等，但不同重金屬元素進入海洋環境的途徑有所不同。

3）潛在生態風險評價結果表明，研究區域沉積物重金屬綜合潛在生態風險程度低，各重金屬潛在生態風險由高到低依次為Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn，Cd的生態風險貢獻率最高，潛在生態風險最大，13.3%的站位Cd為中潛在生態風險，為主要潛在生態風險因子，因此應加強該海域沉積物中Cd質量分數的監測，關注其高值區的潛在生態風險。

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