青島潮間帶表層沉積物重金屬污染現狀及潛在生態風險評價

劉 陽 趙晉娥 張凡順

(中國海洋大學海洋生命學院，山東 青島 266000)

潮間帶處于海洋與陸地的交界地帶，受海洋環境及陸地輸入的共同影響。潮間帶是海洋生物產卵、索餌、孵化和棲息的重要場所，在海洋生態系統中具有重要地位[1]。潮間帶又是人類的重要活動場所，往往匯集大量生活垃圾、工業廢棄物等污染物，導致潮間帶表層沉積物中的重金屬大量累積，對潮間帶的生態環境造成危害[2]。因此，對潮間帶表層沉積物中的重金屬進行及時監測在海洋生態環境保護中具有重要作用。

青島是我國著名的海濱旅游城市，每年大量游客進入沿海一線。據統計，2018年青島接待游客超過1億人次，同比增長13%，旅游消費總額突破1 900億元，同比增長在15%以上。青島又是我國的重要港口城市，青島港主要從事集裝箱、原油、鐵礦石、煤炭、糧食等各類進出口貨物的裝卸、儲存、中轉、分撥等物流服務和國際客運服務[3]，繁忙的貨輪航道、大量生活垃圾、貨運船舶廢棄物給潮間帶環境造成巨大壓力。目前，有關青島近海海域沉積物重金屬的研究大多集中在膠州灣海域，對其他近海海域的研究相對較少，尚無研究對熱點海域的沉積物重金屬污染情況進行系統評價。

為此，本研究選擇團島灣、青島灣、匯泉灣、太平角、浮山灣、雕塑園及石老人等旅游熱點區域為研究對象，分析其表層沉積物中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg、As的含量，并采用多種評價方法對重金屬污染情況進行評價，以揭示人為活動對濱海區域的環境壓力，為旅游熱點海域旅游管理及重金屬污染綜合防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2019年4—5月在青島團島灣、青島灣、匯泉灣、太平角、浮山灣、雕塑園及石老人等海濱潮間帶設置采樣點采集表層沉積物樣品，采樣點分布見圖1。將采集的沉積物樣品裝于聚乙烯袋中，帶回實驗室，-20 ℃冰箱保存。

圖1 青島潮間帶采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling stations in Qingdao intertidal zone

1.2 樣品處理與重金屬測定

樣品處理：沉積物樣品自然風干后用瑪瑙研缽研磨過160目篩，將研磨后的樣品充分混勻放入干燥器，室溫下保存。

重金屬測定：參考文獻[4]，稱量0.100 g沉積物樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸(優級純)、5 mL氫氟酸(優級純)和2 mL高氯酸(優級純)，將消解罐放入MDS-6型微波消解儀2.0 MPa下持續消解10 min，消解液轉入聚四氟乙烯坩堝，電熱板上蒸至近干，三蒸水定容至10 mL，待測。采用石墨爐原子吸收法測定消解液中Cu、Pb、Cd及Cr含量，火焰原子吸收法測定消解液中的Zn含量，分析儀器為TAS-990型原子吸收分光光度計；采用氫化物發生原子熒光光譜法測定消解液中As、Hg含量，分析儀器為PF6-3型原子熒光分光光度計。測試過程中使用近海海洋沉積物成分分析標準物質(GBW07314)進行質量監控。

1.3 評價方法

目前對沉積物中重金屬的污染評價方法有很多，為全面評價調查區域的重金屬污染情況，本研究分別采用單因子污染指數法、尼梅羅綜合污染指數法、潛在生態危害法、地累積指數法對沉積物的污染現狀及生態風險進行評價。

單因子污染指數法反映了單個重金屬元素的污染程度，能判斷出環境中的主要污染因子，體現區域重金屬污染特征，單因子污染指數計算見式(1)。

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為第i種重金屬的單因子污染指數；Ci為沉積物中第i種重金屬的測定值，mg/kg；Si為第i種重金屬的評價標準值，mg/kg。本研究中，Si選擇劉義峰等[5]使用的膠州灣沉積物重金屬元素背景值，Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg、As背景值依次為31.10、9.83、0.10、44.93、65.30、0.041、6.79 mg/kg。當Pi<1時，重金屬i處于低污染水平；當1≤Pi<3時，重金屬i處于中等污染水平；當3≤Pi<6時，重金屬i處于較高污染水平；當Pi≥6時，重金屬i處于高污染水平。

尼梅羅綜合污染指數法是多因子綜合評價方法[6]，根據調查區域的尼梅羅綜合污染指數，對照相應的分級標準即可評價該區域的環境狀況。尼梅羅綜合污染指數計算方法見式(2)。

(2)

式中：P為尼梅羅綜合污染指數；Pmax為單因子污染染指數的最大值；Pave為單因子污染指數的平均值。

尼梅羅綜合污染指數評價標準見表1。

表1 尼梅羅綜合污染指數等級劃分標準

潛在生態危害法綜合考慮了重金屬毒性、遷移轉化規律、評價區域對重金屬污染的敏感性及區域背景值的差異等，消除了區域差異及異源污染的影響，既能反映單個重金屬元素潛在生態風險，又能反映多種重金屬污染的潛在生態風險[7]。計算公式如下：

Eri=Tri×Ci

(3)

RI=∑Eri

(4)

式中：Eri為第i種重金屬的潛在生態危害指數；Tri為第i種重金屬的毒性系數，Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg及As的毒性系數分別為5、5、30、1、2、40、10[8]；RI為多種重金屬的潛在生態危害綜合指數。潛在生態危害指數的評價標準見表2。

表2 重金屬潛在生態危害指數與評價標準

地累積指數法是由德國學者MüLLER[9]于1969年提出的用于定量研究沉積物中重金屬污染程度的一種方法，該方法利用了沉積物中一種重金屬的總含量與其地球化學背景值的關系。計算方法見式(5)：

(5)

式中：Igeo為沉積物中重金屬i的地累積指數。

地累積指數對污染程度的分級標準見表3。

表3 地累積指數污染程度分級

2 結果與討論

2.1 重金屬質量濃度統計

青島潮間帶表層沉積物重金屬質量濃度統計見表4。由表4可知，7個采樣點表層沉積物中Cu介于3.18～14.96 mg/kg，平均值為10.69 mg/kg，變異系數為37%；Pb介于11.94～24.15 mg/kg，平均值為16.90 mg/kg，變異系數為22%；Cd介于0.04～0.22 mg/kg，平均值為0.12 mg/kg，變異系數為59%；Cr介于32.14～59.30 mg/kg，平均值為46.76 mg/kg，變異系數為20%；As介于5.86～36.88 mg/kg，平均值是24.01 mg/kg，變異系數為46%；Hg介于0.022～0.105 mg/kg，平均值為0.073 mg/kg，變異系數為49%；Zn介于38.77～46.59 mg/kg，平均值為43.45 mg/kg，變異系數為6%。除As外其他元素均達到《海洋沉積物質量》(GB 18668—2002)中的一類沉積物標準[10]，雕塑園及石老人采樣點中的As符合一類沉積物質量標準(≤20 mg/kg)，其他采樣點As符合二類沉積物質量標準(≤65 mg/kg)。各重金屬質量濃度平均值排序為Cr>Zn>As>Pb>Cu>Cd>Hg。

表4 青島潮間帶表層沉積物重金屬質量濃度

7種重金屬中除Cd的變異系數大于50%外，其他均低于50%，說明各采樣點間重金屬的空間分布比較均勻，差異不大。與其他區域比較(見表5)，青島潮間帶表層沉積物中的Cu含量與黃河三角洲、洋山港及北部灣較為接近，低于舟山潮間帶、膠州灣及泉州灣；Pb含量與洋山港較為接近，低于其他區域；Cd含量與舟山潮間帶、黃河三角洲及北部灣較為接近，低于其他區域；Cr含量與舟山潮間帶及黃河三角洲較為接近，高于北部灣，低于膠州灣及泉州灣；As含量與泉州灣較接近，高于其他區域；Hg含量與舟山潮間帶、洋山港、北部灣較為接近，低于泉州灣；Zn含量與黃河三角洲及洋山港較接近，低于其他區域。總體而言，青島潮間帶表層沉積物中除As含量偏高外，其他重金屬含量總體處于較低水平。

表5 青島潮間帶表層沉積物重金屬與其他區域比較

2.2 重金屬污染評價

青島潮間帶表層沉積物重金屬的單因子污染指數及尼梅羅綜合污染指數評價結果見表6。7種重金屬的單因子污染指數顯示，各個采樣點Cu及Cr均處于低污染水平；Pb處于中等污染水平；Cd在青島灣、匯泉灣及石老人為中等污染水平，其他采樣點均為低污染水平；Hg在團島灣及青島灣為低污染水平，其他采樣點均為中等污染水平；Zn在太平角及浮山灣為中等污染水平，其他均為低污染水平；As在雕塑園為低污染水平，在石老人為中等污染水平，在其他采樣點均為較高污染水平。

尼梅羅綜合污染指數排序為太平角>青島灣>團島灣>浮山灣>匯泉灣>石老人>雕塑園。調查地區污染等級主要為Ⅱ、Ⅲ級，其中匯泉灣、雕塑園、石老人為Ⅱ級，污染程度為輕度污染，團島灣、青島灣、太平角、浮山灣污染等級為Ⅲ級，污染程度為中度污染。其中匯泉灣的尼梅羅綜合污染指數為2.49，接近中度污染的臨界值，需要持續關注。

表6 青島潮間帶表層沉積物重金屬的單因子污染指數及尼梅羅綜合污染指數

在調查中，研究者還采集了調查區域的生物體樣品，結果顯示青島潮間帶生物體中As污染較為嚴重，30個生物個體中8個未受到污染，18個處于輕度污染水平，1個處于中度污染水平，3個處于重度污染水平，與表層沉積物的調查結果一致，表明As已在生物體中明顯富集。As是危害最嚴重的環境污染物之一，被列為人類致癌物質之一[16]，青島潮間帶區域的As污染需要引起足夠重視。

2.3 重金屬潛在生態危害評價

青島潮間帶表層沉積物重金屬的潛在生態危害指數評價結果顯示(見表7)，Cu、Pb、Cr及Zn的潛在生態危害指數均小于40，具有低度潛在生態危害；青島灣及石老人表層沉積物中的Cd具有中度潛在生態危害，在其他采樣地點均為低度潛在生態危害；團島灣、青島灣、太平角的表層沉積物中As具有中度潛在生態危害，在其他采樣點均為低度潛在生態危害，Hg在太平角、浮山灣、雕塑園及石老人具有較重潛在生態危害，在匯泉灣具有中度潛在生態危害，在其他采樣點具有低度潛在生態危害。不同采樣點潛在生態危害綜合指數排序為石老人>太平角>浮山灣>青島灣>雕塑園>匯泉灣>團島灣，青島潮間帶沉積物重金屬的潛在生態危害處于低度或中度水平，具有從低度向中度發展的趨勢，其中As、Hg及Cd所占權重較大，需要引起關注。

表7 青島潮間帶表層沉積物重金屬潛在生態危害評價結果

2.4 地累積指數評價

表8為青島潮間帶表層沉積物重金屬地累積指數評價結果。可以看出，各采樣點Cu、Cr、Zn均無污染；Cd僅在青島灣和石老人處于輕度污染，其他采樣點均無污染；除個別采樣點外，青島潮間帶Pb、Hg總體處于輕度污染；As在石老人處于輕度污染，在團島灣、青島灣、匯泉灣、太平角和浮山灣均處于偏中度污染。7種重金屬中，Pb、As、Hg的Igeo平均值超過0，分別為0.168、1.034、0.025，需要引起關注。

表8 青島潮間帶表層沉積物重金屬地累積指數

3 結 語

(1) 青島潮間帶表層沉積物重金屬含量平均值排序為Cr>Zn>As>Pb>Cu>Cd>Hg，As滿足GB 18668—2002二類沉積物標準，其他重金屬滿足一類沉積物標準；各采樣點間重金屬分布比較均勻，差異不大；除As的含量偏高外，青島潮間帶表層沉積物重金屬含量與其他區域相比處于較低水平。

(2) 7種重金屬的單因子污染指數表明，各個采樣點Cu、Cr在均處于低污染水平；Pb處于中等污染水平；Cd、Hg、Zn處于低污染或中等污染水平；部分采樣點As處于較高污染水平。各采樣點尼梅羅綜合污染指數排序為太平角>青島灣>團島灣>浮山灣>匯泉灣>石老人>雕塑園，其中匯泉灣、雕塑園、石老人為輕度污染，團島灣、青島灣、太平角、浮山灣為中度污染。

(3) 潛在生態危害綜合指數排序為石老人>太平角>浮山灣>青島灣>雕塑園>匯泉灣>團島灣，As、Hg及Cd的權重較大，需要引起關注；青島潮間帶表層沉積物潛在生態危害處于低度或中度水平，且具有從低度向中度發展的趨勢。

(4) 地累積指數表明As、Pb、Hg在各區域污染較其他重金屬嚴重，地累積指數平均值超過0，需要重點注意。

(5) 多種評價方法均表明青島旅游熱點海域重金屬存在一定程度的污染，其中As的污染需要重視。7個采樣點中，太平角及青島灣人口更加密集，有棧橋、八大關、海軍博物館等熱門景點，環境壓力更大，因此在旅游管理中需要格外控制人為活動對環境的影響。