煙臺開發(fā)區(qū)近海表層沉積物重金屬的分布特征與風險評價

寧璇璇，夏炳訓(xùn)，姜軍成，紀殿勝，楊魯寧

（國家海洋局煙臺海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 煙臺 264006）

近岸海域是海洋與陸地生態(tài)系統(tǒng)的交匯地帶，具有海陸過渡區(qū)特有的脆弱性與敏感性（范學(xué)忠等，2010），不僅記錄了大量海陸相互作用的信息，也集中反映了人類活動對該區(qū)域的影響程度。隨著沿海城市發(fā)展進程的加快，近岸海域環(huán)境污染日益嚴重，其中重金屬污染尤為突出。由于重金屬污染物具有毒性強、不易分解等特點，且可沿食物鏈傳遞和富集，對海洋生態(tài)系統(tǒng)及人體健康（如20世紀50年代日本的“水俁病”、“骨痛病”）具有較大危害（王文雄等，2004；王曉蓉，2001）。重金屬進入受納水體后，絕大部分經(jīng)吸附沉淀迅速轉(zhuǎn)移至沉積物中，使沉積物成為主要存儲庫（Sin et al，2001）；而吸附在沉積物中的重金屬又通過不斷的解析過程，長期向水體釋放并引發(fā)二次污染（Valdes et al，2005）。可見，具有源與匯雙重作用的沉積物在重金屬污染評價中至關(guān)重要（Chapman et al，1999）。全球首屆沉積物質(zhì)量評價會議就強調(diào)了沉積物風險性評價的重要性，并把重金屬列為主要評價因子之一（Chapman，1995）。

煙臺市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)是國務(wù)院首批設(shè)立的國家級開發(fā)區(qū)，先后有多項重大項目落戶發(fā)展。沿海重大項目的建設(shè)投產(chǎn)一方面促進了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，但也對近岸海域的生態(tài)環(huán)境造成了不小沖擊。為研究該區(qū)域的重金屬污染狀況，本文在分析表層沉積物重金屬含量及分布特征的基礎(chǔ)上，對污染程度及潛在生態(tài)風險進行了評價，以期為該海域的生態(tài)環(huán)境保護提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與分析

根據(jù)2006-2010年煙臺海洋環(huán)境監(jiān)測中心站對開發(fā)區(qū)用海項目海域環(huán)境的監(jiān)測資料，選取監(jiān)測站位共40個，如圖1所示。沉積物樣品經(jīng)曙光采泥器（張口面積0.05 m2）采集，取其中央未受干擾的表層0-2 cm泥樣于聚乙烯袋中，按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2007）進行貯存、預(yù)處理及分析。樣品經(jīng)自然風干，去除雜物充分混合，研磨后過160目篩供分析使用。稱取0.200 0 g烘干樣品，經(jīng)HNO3-HClO4消解后，采用原子吸收分光光度計火焰法測定Zn含量、石墨爐法測定Cu、Pb、Cd含量；經(jīng)HNO3-HCl體系消解后，采用原子熒光光度計測定Hg、As含量；TOC采用重鉻酸鉀氧化還原容量法測定；分析過程使用近海海洋沉積物標準物質(zhì)GBW07314進行質(zhì)量控制。

圖1 監(jiān)測站位

1.2 評價與計算方法

地累積指數(shù)法（Müller，1969）公式為：

式中：Cn為重金屬n的實測值；是考慮到造巖運動可能引起背景值波動而設(shè)定的常數(shù)，通常取1.5；Bn指在沉積母質(zhì)中元素n的地球化學(xué)背景值。依據(jù)Igeo將污染程度分為7個等級（Müller，1969），見表1。

表1 Igeo與污染分級

潛在生態(tài)風險指數(shù)法（Hakanson，1980）975公式為：

式中：Ci為元素i的實測值；為i的背景濃度；為單因子污染指數(shù)；Cd為總體污染程度；為污染物i的毒性響應(yīng)系數(shù)；為i的潛在生態(tài)風險系數(shù)；ERI為多種污染物的綜合風險指數(shù)。各評價指標的污染程度分級（Hakanson，1980）993見表2。

表 2 ERI 與污染程度的關(guān)系

表 2 ERI 與污染程度的關(guān)系

綜合潛在生態(tài)風險程度＜1 低 ＜8 低 ＜40 低 ＜150 低1～3 中等 8～16 中等 40～80 中等 150～300 中等3～6 重 16～32 重 80～160 較重 300～600 較重≥6 嚴重 ≥32 嚴重 160～320 重 ≥600 嚴重≥320 嚴重Cfi單因子污染程度Cd綜合污染程度Eri單因子潛在生態(tài)風險程度ERI

1.3 參數(shù)確定

1.3.1 背景值確定

為避免采用大尺度平均值產(chǎn)生的偏差，本文選取北黃海沉積物中重金屬背景值（李淑媛等，1994）作參比來評價重金屬的污染情況，見表3。

表3 重金屬的背景濃度值及毒性響應(yīng)系數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 煙臺近海表層沉積物重金屬含量及分布特征

表4為調(diào)查區(qū)域表層沉積物重金屬含量的統(tǒng)計結(jié)果?？梢钥闯?，研究區(qū)域表層沉積物重金屬含量均值低于國家沉積物Ⅰ類質(zhì)量標準上限值，Cu、Hg最高值也未超出Ⅱ類標準限值（國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2002）。其中，Hg的變異系數(shù)較大，Pb、Cu次之，Cd、Zn、As變異系數(shù)較小。與國內(nèi)其它海域的調(diào)查數(shù)據(jù)（表4）比較發(fā)現(xiàn)（李玉，2005；彭士濤等，2009；張淑娜等，2008；王秋蓮等，2010；劉芳文等，2002；王蓓，2008；張玉鳳等，2008），調(diào)查區(qū)域的Cu、Pb、Zn含量較低，而Cd含量高于天津及長江口近海海域的調(diào)查結(jié)果；Hg略高于天津近海海域，遠低于膠州灣和珠江口；As含量高于珠江口表層沉積物含量。

根據(jù)各站位測定結(jié)果繪制重金屬含量平面分布圖，如圖2所示。Cu、Zn、As含量呈現(xiàn)由西至東降低、套子灣內(nèi)由北向南增大的變化趨勢。Cu最高值出現(xiàn)在31號站位，最低值為18號站位；Zn最高值為38號站位，最低值為20號站位；As最高值為34號站位，最低值為14號站位。Pb在山后附近海域及調(diào)查區(qū)域西側(cè)均存在高值區(qū)，高值中心點位于24和35號站位，濃度分別為25.01和22.5 mg/kg；Cd分布趨勢與Pb類似，高值中心點位于35和22站位，濃度分別為0.47和0.35 mg/kg。Hg高值集中在調(diào)查區(qū)域西側(cè)的30、34、35等站位，其它站位含量較低。

表4 調(diào)查區(qū)域和其它海域表層沉積物重金屬元素含量（平均值）（單位：mg·kg-1）

2.2 有機碳含量與重金屬分布特征的相關(guān)性分析

圖2 重金屬的空間分布圖

圖3 有機碳（%）的含量分布

作為良好的重金屬結(jié)合底物，有機質(zhì)含量是影響表層沉積物重金屬分布的主要因子之一（Soares et al，1999；Borg et al，1996）。根據(jù)表層沉積物有機碳含量繪制平面分布圖，如圖3所示。采用SPSS 15.0軟件對重金屬分布特征及TOC含量進行Pearson相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)Cu、Hg、Zn、As之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系；Pb與Cu、Zn正相關(guān)，但與其它重金屬不存在相關(guān)性；Cd在0.05水平上與Hg相關(guān)。Cu、Hg、Zn、As與TOC含量在0.01水平呈顯著正相關(guān)，而Pb、Cd與TOC含量之間無明顯相關(guān)關(guān)系（表5）。Katz等（1981）提出水體中受污染的顆粒物富集載重大量的有機物，它們是重金屬良好的吸附劑，能夠攜帶重金屬進行共沉積。根據(jù)上述分析推測，調(diào)查區(qū)域表層沉積物重金屬Cu、Hg、Zn、As可能具有相似的污染來源，而Pb、Cd的分布特征和相關(guān)性分析結(jié)果表明，其主要污染來源與其它幾種重金屬不同。

表5 重金屬及與有機碳含量的相關(guān)性分析

2.3 地累積指數(shù)評價

各金屬元素Igeo計算結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)域Cd以輕度污染為主，在17、22和35號站位出現(xiàn)偏中度污染；其它金屬Igeo均值都<0，但個別站位的Cu、Pb和Hg含量超過背景值，如Cu在31和35號站位出現(xiàn)輕度污染，24號站位出現(xiàn)Pb輕度污染，Hg在13、34、35、38與39號站位出現(xiàn)輕度污染；Zn、As在所有站位均保持清潔狀態(tài)。各金屬元素污染程度依次為：Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Hg＞As。

2.4 污染指數(shù)分析

調(diào)查區(qū)域各重金屬的單因子污染系數(shù)Cfi和綜合污染指數(shù)Cd如表7所示。從Cfi來看，Cd屬于中等污染；其余重金屬Cfi均值小于1，屬于低污染水平，但Cu、Pb、Hg在部分站位達到中等污染水平。各元素的平均污染程度排序為：Cd＞Cu＞Hg＞Pb＞Zn＞As?？梢钥闯觯m然 Cfi與 Igeo的計算方法都是基于重金屬實測值與區(qū)域背景值的比較得出，然而由于分級標準不同可導(dǎo)致污染等級的劃分出現(xiàn)一定的差異。兩種方法的分析結(jié)果均表明，Cd是調(diào)查區(qū)域的主要污染因子，這可能與煙臺開發(fā)區(qū)內(nèi)電子信息、機械、汽車行業(yè)密集分布有關(guān)。從綜合污染指數(shù)來看，調(diào)查區(qū)域Cd均值<8，總體屬于低污染水平，而位于調(diào)查區(qū)域西側(cè)的34、35和38號站位Cd值大于8，達到中等污染程度。

2.5 潛在生態(tài)風險評價

表8為潛在生態(tài)風險系數(shù)Eri和污染物綜合風險指數(shù)ERI的計算結(jié)果。從Eri結(jié)果來看，Cd在絕大多數(shù)站位的潛在生態(tài)風險處于中等水平，7個站位Eri值>80，達到較重風險，其余少數(shù)站位屬于低風險狀態(tài)；雖然Hg的Eri均值<40，但在13、30、34、35站位已處于較重風險，在38和39站位屬于中等風險；Cu、Pb、Zn、As在各站位均屬于低風險。風險系數(shù)排序為：Cd＞Hg＞Cu＞As＞Pb＞Zn，其中Cd是調(diào)查海域最主要的風險因子，Hg也存在一定風險。這與Cfi計算結(jié)果的排列順序有所差別，原因是風險評價考慮了重金屬的生物毒性效應(yīng)因素，相關(guān)結(jié)果更能反映重金屬元素的潛在生態(tài)危害。從ERI看，13、30、34、35、38和39號站位的值介于150～300，綜合風險等級處于中等，生態(tài)風險性最高的站位為35號站，其ERI值為267.33，是由于Cd和Hg的風險較大所致。其余站位的值ERI＜150，處于低風險水平。

表6 調(diào)查區(qū)域表層沉積物重金屬的地累積指數(shù)

表7 重金屬污染單因子評價結(jié)果

表8 重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)及風險指數(shù)

3 結(jié)論

（1）煙臺開發(fā)區(qū)近海表層沉積物6種重金屬含量均值低于國家沉積物Ⅰ類質(zhì)量標準限值。Cu、Hg、Zn、As之間及與有機碳含量間存在顯著正相關(guān)性，表明這4種金屬具有相似來源。

（2）風險評價表明，Cd是調(diào)查區(qū)域的主要風險因子，該區(qū)域總體處于低風險水平。

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