溫州蒼南海域表層沉積物重金屬污染特征及生態風險

徐菲菲，胡紅美，郭遠明，李鐵軍，徐開達，劉 琴，尤炬炬

(1.浙江伊渼源檢測科技有限公司，浙江舟山 316021；2.浙江海洋大學海洋與漁業研究所，浙江省海洋水產研究所，浙江省海洋漁業資源可持續利用技術研究重點實驗室，浙江舟山 316021)

隨著人口的快速增長和經濟的發展，海洋環境問題也日益突出[1]。海洋生態系統的沉積物通常被認為是重金屬的主要匯點，當環境條件發生變化時，這些沉積物也可能成為各種水生生物體內重金屬的潛在來源，再通過食物鏈傳播，最終對人類健康和安全構成威脅[2-5]。研究表明，重金屬具有一定毒性、不可生物降解性和持久性[6-7]。因此，迫切需要調查沉積物中重金屬污染現狀，并評估其生態風險、潛在來源和命運[8]。

蒼南縣位于浙江省最南端，瀕臨東海，海岸線長230 km。內海及領海面積3 783 km2，沿海灘涂面積97.24 km2，漁業資源較為豐富[9]。近年來，蒼南縣涉海工程日益趨多以及絕大多數水產養殖尾水直排入海，造成近海海洋環境壓力較大，但目前涉及蒼南海域沉積物中重金屬賦存特征和生態風險評估數據缺乏，且現有重金屬污染生態風險評估多采用單因子指數法，不能反映多種重金屬的綜合效應。因此，本文對溫州蒼南海域表層沉積物中7 種重金屬進行了檢測，采用單因子指數法、綜合污染指數法和Hakanson 潛在生態風險指數法探討了表層沉積物中不同重金屬污染特征[10]，并對其潛在生態風險進行了評價，旨在為溫州蒼南海域生態環境保護及污染修復提供基礎數據及科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣與分析

依據重點代表、近密遠疏站位布設原則，2018 年4 月(春季)、9 月(秋季)在溫州蒼南海域設置了10 個代表性采樣點(圖1)，通過使用Van Veen grab 采泥器采集0～5 cm 表層沉積物樣品。監測指標包括銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、鉻(Cr)和總有機碳(TOC)。樣品的采集、保存和檢測主要按照《海洋調查規范》(GB 12763-2007)、《海洋監測規范》(GB 17378-2007)中相關要求執行[11-12]。As 和Hg 采用原子熒光光譜法(AFS)測定，Cu、Zn、Pb、Cd 和Cr 采用電感等離子質譜法(ICP-MS)測定[13]，TOC 采用氧化還原容量法測定。在檢測過程中均進行質控樣和20%平行樣分析，相對誤差＜15%，數據質量可靠。

圖1 采樣站位分布圖Fig.1 Distribution of sampling station

1.2 評價方法

(1) 單因子指數法 該方法對每個重金屬進行單獨評價，計算公式為：

式中，Pi為重金屬i 的標準指數，Ci為重金屬i 的實測濃度，Si為重金屬i 的評價標準值。根據《浙江省海洋功能區劃(2011-2020 年)》，蒼南海域海洋功能區有漁農業區、工業與城鎮用海區、港口航運區、保留區等，本研究執行《海洋沉積物質量》(GB 18668-2002)中的第一類標準[14]，當Pi≤1 時，表示符合海洋功能要求，反之，表示超標。

(2) 綜合污染指數法 該方法建立在單因子指數法基礎上，反映每個站位多種重金屬對表層沉積物的綜合作用結果，計算公式為：

式中，PI 為重金屬綜合污染指數，n 為評價重金屬種類數。當PI＜0.3 時，質量等級為清潔；0.3≤PI＜0.7，為尚清潔；0.7≤PI＜1，為允許；1≤PI＜2，為輕污染；2≤PI＜3，為污染；3≤PI＜5，為重污染；5≤PI，為惡性污染。

(3) 潛在生態風險指數法 該方法1980 年由瑞典學者H?KANSON 提出，用于毒理學評價沉積物重金屬的綜合污染狀況和環境影響[15-16]。

式中，Cfi為重金屬i 的污染指數，Csi為全球工業化前沉積物中重金屬i 含量[17]，其中Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr 含量分別為10.52、66.1、20.27、0.053、16.6、0.092、67.4 mg·kg-1。

Eri為重金屬i 的潛在生態風險指數，Tri為重金屬i 毒性響應因子。其中Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr 的毒性響應參數分別為5、1、5、30、10、40、2[10]。

RI 為潛在生態風險指數。各指數潛在生態風險評價標準見表1。

表1 潛在生態風險評價標準Tab.1 Potential ecological risk assessment criteria

2 結果與討論

2.1 重金屬的含量和污染特征

2018 年春、秋季蒼南海域表層沉積物質量無顯著性差異，春季Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg 和Cr 平均含量分別為23、73、31、0.069、10、0.013、54 mg·kg-1，秋季分別為28、79、38、0.078、9.4、0.024、58 mg·kg-1(圖2)，參照全國海岸帶重金屬的背景值[18]，除Pb 外，其他重金屬平均含量均低于背景值，Pb 平均含量(春季31 mg·kg-1，秋季38 mg·kg-1)高于背景值(25 mg·kg-1)，春季最大值位于3 號站位(45 mg·kg-1)，秋季位于3 號站位(46 mg·kg-1)，均靠近岸邊，春、秋站位超標率均為90%。此外，Cu、Zn、Cr、As 也有部分站位也略高于背景值，春季站位超標率分別為10%、50%、40%、20%，秋季分別為70%、40%、50%、20%。與全國海岸帶重金屬背景值相比，蒼南海域重金屬已受到一定污染，主要污染因子為Pb、Cu、Zn、Cr。

圖2 蒼南海域春季(A)、秋季(B)表層沉積物中重金屬含量Fig.2 Contents of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.2 重金屬單因子污染指數

根據公式(1)，春、秋季所有調查站位Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr 的單因子污染指數均≤1(圖3)，各重金屬含量均符合《海洋沉積物質量》(GB 18668-2002)中的第一類標準。春季7 種重金屬平均污染指數大小排序為Cr(0.67)＞Cu(0.65)＞Pb(0.51)＞As(0.50)＞Zn(0.49)＞Cd(0.14)＞Hg(0.07)，秋季為Cu(0.80)＞Cr(0.72)＞Pb(0.63)＞Zn(0.53)＞As(0.47)＞Cd(0.16)＞Hg(0.12)。

圖3 蒼南海域春季(A)、秋季(B)表層沉積物中重金屬標準指數Fig.3 Standard index of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.3 重金屬綜合污染指數

根據公式(2)，春、秋季各調查站位綜合污染指數范圍分別為0.30～0.52(平均0.43)和0.35～0.55(平均0.49)，0.3≤PI＜0.7，說明蒼南海域沉積物質量均處于尚清潔狀態。

2.4 重金屬潛在生態風險指數

基于全球工業化前沉積物中重金屬含量為背景值，根據公式(3)、(4)、(5)計算重金屬潛在生態風險指數(如表2)。結果表明，除Cd 春季少數站位略高(40.19～49.81)，秋季大部分站位略高(40.75～56.04)外，春、秋季其他重金屬單項污染物生態風險指數均小于40，且春季Cd 平均生態風險指數小于40，但秋季略大于40，單項重金屬潛在生態風險等級(Eri)除秋季Cd 為“中”，其他均為“低”，春季7 種重金屬潛在生態風險指數大小順序為Cd＞Cu＞Pb＞As＞Hg＞Cr＞Zn，秋季為Cd＞Cu＞Hg＞Pb＞As＞Cr＞Zn。總體而言，春、秋季重金屬潛在生態風險RI 均小于150，因此該海域重金屬潛在生態風險等級為“低”。

表2 蒼南海域表層沉積物潛在生態風險指數Tab.2 Potential ecological risk index of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.5 重金屬富集程度分析

富集因子是評價人類活動對表層沉積物重金屬富集程度和污染狀況的重要指標[19]。沉積物中重金屬除了自然來源，還受人類活動影響。為揭示人類活動對蒼南海域環境質量影響程度，基于全球工業化前沉積物中重金屬含量為背景值，根據公式(3)計算各金屬的富集系數(圖4)，結果表明。春、秋季除Cr、Hg、As外，其他重金屬平均富集系數均大于1，其中Pb 所有監測站位富集系數均大于1，春、秋季各金屬富集程度大小順序均為Cu＞Pb＞Cd＞Zn＞Cr＞As＞Hg。

圖4 蒼南海域春季(A)、秋季(B)表層沉積物重金屬富集系數Fig.4 Enrichment factor of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.6 重金屬與TOC 相關性分析

通過重金屬之間的相關性分析可確定沉積物中重金屬的同源性。TOC 成分和含量的變化是影響表層沉積物中重金屬分布的重要因素之一[20]。對2018 年春、秋季采集的10 個表層沉積物樣品中的7 種重金屬含量和TOC 含量進行Pearson 相關性分析(表3)。結果表明，春季Cu 和Zn、Cu 和Cr、Zn 和Cr 之間存在極顯著相關性，秋季Cu 和Pb、Cu 和Zn、Cu 和Cr、Pb 和Zn、Pb 和Cd、Pb 和Cr、Zn 和Cr 之間存在顯著或極顯著相關性、說明它們之間具有一定的同源性。此外，春季蒼南海域TOC 與Cd 具有顯著正相關性，這可能通過海水中重金屬與TOC 進行表面吸附沉積進入底質環境[21]。

表3 蒼南海域表層沉積物中重金屬含量和TOC 含量的相關性分析Tab.3 Correlation coefficient among of heavy metals and TOC in surface sediments in Cangnan sea area

3 小結

(1) 蒼南海域表層沉積物中春季Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg 和Cr 含量范圍分別為8.6～32、39～93、22～45、0.052～0.088、8.1～13、0.01～0.02、31～70 mg·kg-1，秋季分別為9.5～35、66～91、24～46、0.046～0.099、6.7～12、0.013～0.042、41～72 mg·kg-1，所有調查站位重金屬含量均符合《海洋沉積物質量》一類標準；與全國海岸帶重金屬的背景值相比，重金屬已受到一定污染，主要污染因子為Pb、Cu、Zn、Cr。

(2) 綜合污染指數分析表明蒼南海域沉積物質量均處于尚清潔狀態；生態風險評估表明，總體上，蒼南海域生態風險較低，春季7 種重金屬潛在生態風險指數大小順序為Cd＞Cu＞Pb＞As＞Hg＞Cr＞Zn，秋季為Cd＞Cu＞Hg＞Pb＞As＞Cr＞Zn；結合重金屬富集程度分析，除Cr、Hg、As 外，其他重金屬平均富集系數均大于1，春、秋季各金屬富集程度大小順序均為Cu＞Pb＞Cd＞Zn＞Cr＞As＞Hg；重金屬和TOC 相關性分析表明，該海域表層沉積物中TOC 僅與Cd 含量具有一定的正相關性。