永興島海域表層海水及沉積物重金屬環境質量評估

賀仕昌，陳巧弟，陳三江，柏程華

(1.國家海洋局三沙海洋環境監測中心站，海南 ?？?570311；2.國家海洋局汕尾海洋環境監測中心站，廣東 汕尾 516600)

永興島作為南海西沙群島中部的一個珊瑚島,毗鄰西沙七連嶼，是三沙市行政中心，具有豐富的珊瑚礁資源及漁業資源。近年來由于填海造陸及人類活動的影響，永興島珊瑚礁覆蓋率呈現下降趨勢[1]。相關研究表明，海水重金屬污染可能成為珊瑚礁退化的一個重要因素[2-3],并對全球生態系統造成嚴重威脅[4]。海洋中除天然重金屬外，人類活動所帶來的外源排放污染是主要來源之一，雖海洋具有一定的自凈能力，但是隨著工農業、船舶運輸及生活廢水等長期大量排放，不可避免地給海洋生態系統帶來嚴重的污染壓力。

張勇等[5]研究表明我國21.07%的近岸海域沉積物重金屬存在污染，其中7.27%為重污染海域。對于南海海域，海水及沉積物中重金屬的研究主要集中在近岸，目前對永興島珊瑚礁區海水重金屬的污染狀況研究甚少。西沙群島海域重金屬背景值較低，重金屬潛在生態風險對重金屬的含量變化較為敏感，因此研究永興島海域海水重金屬質量現狀及沉積物生態風險等級可為評估及保護南海島礁海洋環境提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文數據來源于2020年5月在南海永興島附近海域的18個站位表層海水樣品及4個站位表層沉積物樣品的重金屬監測數據。樣品的采集及檢測按照《海洋監測規范》（GB17378.3—2007）[6]相關要求，檢測Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As的海水樣品通過0.45 μm醋酸纖維膜過濾后，加優級純硝酸酸化至pH＜2.0；檢測Hg的海水樣品不過濾直接加入優級純硝酸酸化至pH＜2.0；檢測Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As的沉積物樣品經80°C烘干，并用瑪瑙研磨機磨碎后過160目尼龍篩；檢測Hg的沉積物樣品經55°C烘干，并用瑪瑙研磨機磨碎后過160目尼龍篩。

海水及沉積物中重金屬含量的測定方法依據《海洋監測規范》（GB17378.3—2007），使用 797VA computrace伏安極譜儀對海水中重金屬（Cu、Pb、Zn、Cd）含量進行測定，使用ZEEnit 700p原子吸收分光光度計對表層沉積物中重金屬（Cu、Pb、Zn、Cr、Cd）及海水Cr含量進行測定，用AFS-8330原子熒光光度計對水質重金屬（As、Hg）含量及沉積物中重金屬（As、Hg）含量進行測定。測試過程中采用加標測試、標準物質測試及平行樣測試進行質量控制，保證測試數據質量可靠。

1.2 評價方法

1.2.1 水質評價

海水水質通過綜合污染指數（WQI）進行評價，其中以《海水水質標準》（GB3097—1997）[7]中第一類標準限值作為評價標準，參照沈春燕等[8]評價標準，當WQI≤1時，水質為清潔；當1＜WQI≤2，水質為輕微污染；當2＜WQI≤3，水質為中度污染；當WQI＞3，水質為嚴重污染。

綜合污染指數按式（1）進行計算。

式中，Ci為重金屬i的實測值；Si為重金屬i的第一類水質標準值；Pi為重金屬i單項污染指數；WQI為重金屬的綜合污染指數。

1.2.2 沉積物評價

（1）單因子指數法

利用單因子指數法評價沉積物中重金屬狀況，評價標準依據《海洋沉積物質量》（GB18668—2002）[9]中一類沉積物質量標準值，單因子污染指數計算公式如下。

式中，PIi為各采樣站點重金屬i的污染指數；Ci為該站點重金屬i的實測含量；Si為重金屬i的評價標準值。

（2）Hankanson潛在生風險指數法

對于多種重金屬共存情況，采用潛在生態風險指數法[10]將不同重金屬的含量折算成生物毒性風險，以區分生態風險等級，其潛在生態風險等級劃分如表1所示。對沉積物Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As和Hg進行單項重金屬潛在風險（生態風險參數irE）及綜合風險（潛在生態風險指數RI）評估，計算公式如下。

表1 重金屬潛在生態風險等級劃分 [11]

表2 重金屬的背景參考值及毒性系數

2 結果與討論

2.1 海水中重金屬分析

2.1.1 海水中重金屬含量特征

2020年5月的調查結果如表3所示，2020年西沙永興島海域表層海水中重金屬含量從高到低順序依次為CZn＞CAs＞CCu＞CPb＞CCd＞CCr＞CHg，其中Zn含量為3.1 μg·L-1，Hg含量為0.014 μg·L-1。與表3中相關研究對比可知，永興島海域表層海水中Cu、Pb、Zn及Hg含量均低于海南近岸海域相應重金屬含量，但Cu、Pb、Zn及Cd含量較南海南部表層海水重金屬環境背景值高約一個數量級，Cu、Pb、Zn、Cd及Hg含量也均高于太平洋表層海水中重金屬含量，主要原因應為人類活動的影響所致。王璐等[16]研究表明以永興島為核心的宣德群島重金屬含量受到島礁開發等帶來的人為影響，除此之外孫立廣等[21]研究表明東南亞及東亞地區的環境污染也將影響西沙的水環境及生態安全。

表3 海水重金屬含量

相比于2004年西沙海域表層海水重金屬含量，2020年西沙永興島表層海水中Cu、Pb和Cr含量較低，而Hg含量稍高，Hg含量增加可能是由于人類在西沙群島的活動，以及東南亞或東亞地區的污染物排放等導致[21]。相比于2015年永興島海域海水重金屬含量, Cu、Pb、Zn、Cr及Cd含量有所下降，可能因島礁建設活動減弱減少了Cu、Pb、Zn、Cr及Cd輸入；As含量有所上升且高于2017年七連嶼表層海水As含量，可能與永興島農藥及含砷較高化肥的使用有關，也可能因全球變暖將促進鳥糞土的淋失增加西沙群島水中As的含量水平[21]。

2.1.2 海水中重金屬質量狀況

以《海水水質標準》（GB3097—1997）的第一類標準限值對海水水質進行評估，結果如表4和表5所示。2020年5月永興島海域表層海水Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg單項污染指數均小于1.0，未出現超一類海水水質標準現象，平均指數為Cr＜Cd＜As=Cu＜Zn＜Hg＜Pb，Pb的平均污染指數最高，為0.36；各站綜合污染指數相差不大，均遠遠小于1.0，海水處于清潔狀態。其中12號站位重金屬綜合污染指數最大，為0.23，2號站位重金屬綜合污染指數最小，為0.07；Pb對綜合污染指數貢獻最大，Hg次之，Cr對綜合污染指數貢獻最小。

表4 永興島表層海水重金屬單因子評價結果（Pi）

表5 永興島表層海水重金屬綜合污染評價結果（WQI）

2.1.3 海水中重金屬相關性

海水中重金屬含量與pH、Sal等相關[22]，本文選取常用水質指標pH、Sal及SST，通過SPSS相關性分析探討pH、Sal、SST及各重金屬元素之間的相關關系（表6），其中Cr僅有一個檢出樣不參與相關性統計。結果顯示，Cu與Sal呈現顯著性正相關、Hg與Sal呈現極顯著性正相關，Sal為控制Cu及Hg吸附作用的顯著因子；Cu、Pb、Zn、Cd、As和Hg與SST、pH之間顯著性不明顯，Cu、Pb、Zn、Cd及Hg之間呈現正相關，As與Zn、Cd、Cu、Hg呈現負相關，但是相關性均不顯著。西沙海域生態環境受潮汐、鳥糞土的淋失、花崗巖風化土壤的淋濾、局部地區污染及島礁居民生活等多種因素影響[21]，永興島海域海水中重金屬含量特征需進一步綜合分析。

表6 重金屬元素與pH、SST及Sal的相關系數

2.2 沉積物中重金屬

2.2.1 沉積物中重金屬含量現狀

對永興島海域4個沉積物站位表層沉積物樣品中重金屬含量進行分析（表7），2020年西沙永興島海域表層沉積物中As含量最高，為3.1 μg/g，Cu、Zn含量均低于方法檢出限。永興島表層沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd及Hg含量低于1991年西沙群島沉積物重金屬含量；Cu、Pb、Zn、Cr、As及Hg含量低于南海近海沉積物及中國淺海沉積物背景值，其中Cu、Pb、Zn、Cr及Hg至少低1個數量級，Cd稍高于中國淺海背景值。相比于海南東部陸架及海南近岸海域表層沉積物中重金屬含量，永興島表層沉積物中Cu、Pb、Zn、Cr、As及Hg較低，而Cd含量略高于海南近岸表層沉積物含量。究其原因可能為此次采集的樣品以珊瑚沙為主，含有大量的生物碎屑，其Cu、Pb、Zn、Cr及As含量較其他沉積物類型低；Cd含量略高可能因Cd2+在同等配位條件下的離子半徑與Ca2+非常接近可以通過類質同相代替的方式進入方解石晶格[28]，除此之外Ca2+作為生物必需的宏量元素及海水中主要陽離子之一，海水中所有的Cd2+都有機會替代Ca2+方式進人生物體外殼之中[29]。

表7 海洋沉積物重金屬含量

對永興島海域沉積物中重金屬進行單因子評價，永興島表層沉積物平均污染程度為As＞Cd=Pb＞Cr＞Cu＞Zn＞Hg，As污染指數最高，對應PIi分別為0.156、0.025、0.025、0.019、0.014、0.010、0.004。永興島表層沉積物各重金屬含量均較低，各重金屬元素未出現超標情況，均符合一類沉積物質量標準，沉積物質量優良。

2.2.2 潛在生態風險評估

對永興島海域表層沉積物中重金屬進行生態風險評估（表8）。Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As和Hg單項生態風險參數均小于40，屬于低潛在生態風險，其中Cd生態風險參數最高，Zn生態風險參數最低。四個站位表層沉積物潛在生態風險指數均小于130，其中S4站位潛在生態風險指數最高，S3站位潛在生態風險指數最低，綜合風險等級均為低潛在生態風險，風險等級與賀仕昌等[17]2017年在距永興島僅幾海里的七連嶼海域表層沉積物重金屬調查中的生態風險等級相同，因此，目前永興島海域表層沉積物重金屬未對海洋生態系統造成風險壓力。

表8 永興島海域表層沉積物潛在生態風險

3 結 論

永興島海域海水重金屬含量較低，水質屬于清潔級；受人類活動影響，Cu、Pb、Zn及Hg含量較海南近岸低而高于太平洋海水中重金屬含量；可能因人類活動及氣候變化的影響，永興島表層海水As含量呈現上升趨勢。Cu與Sal呈現顯著性正相關，Hg與Sal呈現極顯著性正相關，Sal作為控制Cu及Hg吸附作用的顯著因子，Cu、Pb、Zn、Cd、As和Hg與SST、pH之間顯著性不明顯，需進一步綜合分析。永興島沉積物重金屬含量較低，重金屬單項風險及綜合風險等級均為低潛在生態風險，未對海洋生態系統造成風險壓力。