七連嶼海域表層海水及沉積物重金屬環(huán)境質(zhì)量評估

賀仕昌，蔚廣鑫，王德鴻，陳海南，陳巧弟

(1.國家海洋局三沙海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，海南 ?？?570311； 2.福建海洋研究所，福建 廈門361013； 3.國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心站，海南 海口 570311)

七連嶼位于西沙宣德群島東北部，由西沙洲、趙述島、北島、中島、南島、北沙洲、中沙洲、南沙洲等相連而成，具有豐富的珊瑚礁及漁業(yè)資源，是南海海龜主要產(chǎn)地之一，在國家戰(zhàn)略上有較高的地位。隨著工業(yè)的發(fā)展、三沙島礁建設(shè)及來往船只的不斷增加，七連嶼海洋生態(tài)環(huán)境所承受的壓力進(jìn)一步增加。相關(guān)研究表明海水污染已成為珊瑚礁退化的一個重要原因[1]，重金屬含量超標(biāo)對水生生物有極大影響，且通過食物鏈的放大作用對人類健康產(chǎn)生危害[2]，海洋中重金屬污染已成為當(dāng)前所面臨的主要環(huán)境問題之一。然而對于海水及沉積物中重金屬的研究主要集中在近岸海域，在西沙七連嶼附近海域調(diào)查研究較少，故研究南海島礁水質(zhì)及沉積物重金屬具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及前處理

2017年8月于七連嶼海域布設(shè)20個采樣站位，共采集到22個表層海水樣品及6個表層沉積物樣品(圖1)，表層海水采集、貯存及運輸按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[3]相關(guān)要求進(jìn)行，表層沉積物樣品經(jīng)采泥器采集后裝入聚乙烯袋帶回。沉積物中Cu、Pb、Zn、Cr、Cd及As樣品經(jīng)80 ℃烘干后，用瑪瑙研磨機(jī)磨碎后過160目尼龍篩充分混勻后用四分法縮分分取所需檢測樣品。沉積物中Hg樣品經(jīng)自然風(fēng)干后研磨通過160目尼龍篩，充分混勻后通過四分法取樣備測。

1.2 分析方法

依據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》用Varian AA240Duo原子吸收分光光度計對表層海水中重金屬(Cu、Pb、Cr、Cd)及表層沉積物中重金屬(Cu、Pb、Cr、Cd)含量進(jìn)行測定；用Varian AA240 FS火焰原子吸收分光光度計對沉積物中Zn及海水中Zn進(jìn)行測定；水質(zhì)及沉積物中As及Hg含量通過AFS-933原子熒光光度計進(jìn)行測定。其中在此次海水及沉積物中重金屬含量分析過程中通過平行樣及標(biāo)樣進(jìn)行質(zhì)量控制，質(zhì)控結(jié)果符合《海洋監(jiān)測規(guī)范》要求[3]。

1.3 評價方法

1.3.1 水質(zhì)評價 以《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值作為參考值，通過單項污染指數(shù)(Pi)及綜合污染指數(shù)(WQI)評價海水質(zhì)量。

圖1 七連嶼海域表層海水及沉積物站位示意圖Fig.1 Stations for surface seawater and sediment sampling around Qilianyu Island

單項污染指數(shù)Pi及綜合污染指數(shù)WQI計算公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式(1～2)中：Pi為單項污染指數(shù)；Ci為重金屬i的實測含量(μg/dm3)；Si為重金屬i的含量參考值(μg/dm3)；WQI為重金屬i的綜合污染指數(shù)；綜合污染指數(shù)與污染程度關(guān)系如表1所示。

表1 綜合污染指數(shù)與污染程度的關(guān)系[5] Tab.1 Comprehensive pollution indexes and status of heavy metal pollution

1.3.2 沉積物超標(biāo)情況評價 依據(jù)《海洋沉積物質(zhì)量》[6]對沉積物進(jìn)行單因子污染指數(shù)分析，了解各站位重金屬超標(biāo)情況。單因子污染指數(shù)計算公式如下：

PIi=Ci/Si

(3)

式(3)中：PIi為重金屬i的單因子污染指數(shù)；Ci為重金屬i的實測含量(μg/g)；Si為重金屬i的評價參考值(μg/g)，本研究采用海洋沉積物質(zhì)量第一類標(biāo)準(zhǔn)值作為參考值。

表2 Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對污染程度的劃分[8] Tab.2 Hakanson potential ecological risk indexes for pollution level classification

表3 沉積物重金屬的毒性系數(shù)及環(huán)境背景值Tab.3 Toxicity coefficients and background values of heavy metals in sediments

2 結(jié)果與討論

2.1 海水中重金屬分析

2.1.1 海水中重金屬含量 通過對七連嶼海域20個站位表層海水樣品進(jìn)行分析，其重金屬含量變化范圍及平均值如表4所示，表層海水重金屬平均含量CZn>CPb>CAs>CCr>CCu>CCd>CHg。與相關(guān)研究對比，本研究海水中Cu含量低于2004年西沙海域海水中Cu含量，而Pb、Zn、Cr、Cd及Hg含量較高；相比于2006年海南近岸，重金屬Pb含量較高，重金屬Cu、Zn及 Hg含量較低；相比于2015年七連嶼海域海水中重金屬含量，Pb、Zn、Cr 及As含量較高，而Cu及Cd含量較2015年低；相對于太平洋海水中重金屬含量，七連嶼表層海水中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr及Hg含量高1～2個數(shù)量級；七連嶼表層海水中Cu、Zn、Cd及Pb含量均明顯高于南海南部表層海水重金屬環(huán)境背景值。西沙群島作為離三亞及越南較近的熱帶漁場，且隨著三沙島礁的不斷建設(shè)，不可避免受到陸源重金屬排放影響，相關(guān)研究認(rèn)為西沙海域因受到了三廢排放、海洋運輸 、漁業(yè)捕撈、海上作業(yè)等因素的影響導(dǎo)致海水中Pb含量較高[12]，人類在西沙群島的活動導(dǎo)致地下水中Cu、Hg及Pb含量增加[16]，故海水中重金屬含量的變化主要為人類活動所致。

表4 七連嶼海域表層海水重金屬含量及相關(guān)研究成果Tab.4 Heavy metal contents in surface water around Qilianyu Island and the data from literatures

注：“—”表示未進(jìn)行調(diào)查或調(diào)查結(jié)果未公布，“ND”表示未檢出，當(dāng)檢出率占樣品頻數(shù)的1/2以上(包括1/2)或不足1/2時，未檢出部分分別取檢出限的1/2和1/4參與統(tǒng)計運算。

2.1.2 海水中重金屬綜合污染指數(shù)評價 本研究以一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為參考值評估重金屬單項污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)，結(jié)果如表5、6所示。Pb單項污染指數(shù)范圍為0.22～3.82，平均值大于1，部分站位海水中Pb含量超過一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；除Pb外其他重金屬元素單項污染指數(shù)均小于1，其含量均符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；各站位表層海水重金屬綜合污染指數(shù)均小于1，2號站位重金屬綜合污染指數(shù)最大，為0.71，8號站位重金屬綜合污染指數(shù)最小，為0.15，按照重金屬綜合污染指數(shù)與污染程度之間的關(guān)系可知，各站位海水重金屬綜合污染程度屬于清潔狀態(tài)。

表5 七連嶼海域表層海水中重金屬單項污染指數(shù)Tab.5 Single pollution index of heavy metals in surface seawater around Qilianyu Island

表6 七連嶼海域表層海水重金屬綜合污染指數(shù)Tab.6 Comprehensive pollution index of heavy metals in surface seawater around Qilianyu Island

2.1.3 海水中重金屬含量相關(guān)性分析 通過IBM SPSS Statistics 22軟件對海水重金屬相關(guān)性進(jìn)行分析。結(jié)果如表7所示，Cu、 Pb及 Zn 3種重金屬元素間相互呈現(xiàn)明顯正相關(guān)；Cd 與Cu 呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，與Zn呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；Cr與Cu及Zn基本不相關(guān)，與Pb呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，與Cd呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)；As與Pb、Cd及Cr基本不相關(guān)，與Cu及Zn呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)；Hg與Cu、 Pb及Cr基本不相關(guān)，與Cd及As呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，與Zn呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)。其中Zn與As及Cr與Cd之間負(fù)相關(guān)性極為顯著，表現(xiàn)出明顯的異源特征。

表7 重金屬元素相關(guān)系數(shù)Tab.7 Correlation coefficients among heavy metals

注：表中“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.2 表層沉積物重金屬含量及其環(huán)境質(zhì)量評價

2.2.1 表層沉積物重金屬含量 通過對七連嶼海域6個表層沉積物樣品中重金屬含量進(jìn)行分析，由表8可知，各站位表層沉積物中重金屬含量變化不大，沉積物中Zn含量最高，而Hg含量最低，分別為7.3 μg/g及0.013 μg/g。相比于西沙1991年沉積物中重金屬含量，此次研究沉積物中Cu、Pb、Zn及Cd含量均較低，而Hg含量相近[17]；與南海沉積物中的重金屬含量相比，七連嶼海域沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As及Hg含量較低[19]；與中國淺海沉積物中重金屬背景值相比，七連嶼海域沉積物中重金屬含量均較低且Cu、Pb、Zn及Cr含量較淺海沉積物低至少1個數(shù)量級[20]；相比于三亞東部近岸海域表層沉積物中重金屬含量，Cd含量相近，而Cu、Pb、Zn、Cr、As及Hg含量較三亞低[18]；究其原因可能為本研究所采集的樣品大多為珊瑚碎屑，其Cu、Pb、Zn、Cd、Cr及As含量均低于其他底質(zhì)重金屬含量。

表8 七連嶼海域和其他海域表層沉積物中重金屬含量Tab.8 Contents of heavy metals in surface sediments around Qilianyu Island and from other sea areas

注：“—”表示未進(jìn)行調(diào)查或調(diào)查結(jié)果未公布，“ND”表示未檢出。

2.2.2 重金屬含量超標(biāo)情況 對七連嶼所采集6個沉積物樣品進(jìn)行單因子污染指數(shù)分析(表9)。結(jié)果顯示，沉積物中重金屬元素As的單因子污染指數(shù)最高，Cu最低。各重金屬元素單因子污染指數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，符合《海洋沉積物質(zhì)量》[6]的第一類標(biāo)準(zhǔn)，由此可知，此次調(diào)查區(qū)域海洋沉積物含量水平較低，沉積物質(zhì)量良好。

表9 七連嶼海域表層沉積物中重金屬的單因子污染指數(shù)Tab.9 Single factor pollution index of heavy metals in surface sediments around Qilianyu Island

2.2.3 潛在風(fēng)險評價 以南海陸架區(qū)沉積物背景值作為參考標(biāo)準(zhǔn)對七連嶼5個沉積物站位采集的樣品重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險參數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分析(表10)。結(jié)果顯示，各站位中各重金屬生態(tài)風(fēng)險參數(shù)均小于40，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于135，故各重金屬元素及各站位重金屬綜合風(fēng)險等級均為輕微生態(tài)風(fēng)險。其中各站位中重金屬Hg生態(tài)風(fēng)險參數(shù)最高，10號站位中重金屬Cr生態(tài)風(fēng)險參數(shù)最低，其余站位中重金屬Zn生態(tài)風(fēng)險參數(shù)最低；在各站位中，10號站位沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最高，7號站位最低，各站位整體差別不大，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)中重金屬Hg和Cd貢獻(xiàn)比例較大，Zn和Cr貢獻(xiàn)比例較小。

表10 七連嶼海域表層沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險參數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)及生態(tài)風(fēng)險等級Tab.10 Hakanson potential ecological risk coefficient and index of heavy metals in surface sediments around Qilianyu Island

3 結(jié)論

(1)七連嶼表層海水重金屬含量CZn>CPb>CAs>CCr>CCu>CCd>CHg，其中海水中Pb、Zn、Cr、Cd及Hg含量較2004年西沙海水中重金屬含量高，海水中Cu、Zn及 Hg含量較2006年海南近岸海水重金屬含量低，海水中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr及Hg含量比太平洋海水中重金屬含量高1～2個數(shù)量級，且海水中Cu、Zn、Cd及Pb含量明顯高于南海表層海水重金屬環(huán)境背景值，究其原因主要為人類活動所致。

(2)七連嶼表層海水重金屬Zn與As、Cr與Cd之間均存在顯著負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)出明顯的異源特征。

(3)七連嶼海域重金屬綜合污染指數(shù)均小于1，屬于清潔級，除部分站位Pb超一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)符合二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余各站位各重金屬含量均符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)七連嶼沉積物重金屬含量較低，均符合第一類海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，七連嶼沉積物質(zhì)量良好；各站位各重金屬生態(tài)風(fēng)險參數(shù)均小于40，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于135，各重金屬元素及各站位重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險等級均為輕微生態(tài)風(fēng)險。