遼寧大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)

陳勇，溫澤民，尹增強(qiáng)，劉永虎，田濤

(大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場(chǎng)工程技術(shù)研究中心，遼寧大連116023)

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是生態(tài)系統(tǒng)及其組分所承受的風(fēng)險(xiǎn)，指一個(gè)種群、生態(tài)系統(tǒng)或整個(gè)景觀的正常功能受外界脅迫后，在目前和將來(lái)該系統(tǒng)內(nèi)部某些要素或其本身的健康、生產(chǎn)力、遺傳結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和美學(xué)價(jià)值減少的可能性［1］。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)負(fù)生態(tài)效應(yīng)可能發(fā)生或正在發(fā)生的可能性，這種可能性是歸結(jié)于受體暴露在單個(gè)或多個(gè)脅迫因子下的結(jié)果。對(duì)漁業(yè)海域的表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)海洋牧場(chǎng)的建設(shè)選址具有重要意義。重金屬對(duì)水生生物，包括水生動(dòng)物、植物和微生物都有一定的毒害作用［2-12］。重金屬一旦進(jìn)入生物體，會(huì)與蛋白和酶等大分子結(jié)合并使之變性，或引起遺傳物質(zhì)變異，導(dǎo)致個(gè)體的生理和代謝障礙，通過(guò)食物鏈 (網(wǎng))的累積放大作用進(jìn)而影響到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能［13］。水—沉積物界面是環(huán)境中水相和沉積物相之間的轉(zhuǎn)換區(qū)，是底棲生物的棲息地帶，是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分［14］。沉積物中的重金屬元素在一定條件下可重新釋放進(jìn)入上覆水，對(duì)海洋環(huán)境造成二次污染。沉積物也是水生生物尤其是底棲動(dòng)物重金屬攝入的重要來(lái)源［15-17］。

沉積物中重金屬含量的水平可以反映海域重金屬的污染情況［18］，且采用分析沉積物中重金屬含量的方法以評(píng)估重金屬對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的危害，更具可靠性［19］。底播增殖和人工魚(yú)礁投放是海洋牧場(chǎng)建設(shè)中的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。其中，底播增殖的對(duì)象(海參、鮑魚(yú)、扇貝類(lèi)等底棲生物)棲息地為沉積物表面，而人工魚(yú)礁投放后產(chǎn)生的上升流效應(yīng)［20］也會(huì)將部分沉積物質(zhì)再次帶入上覆水。因此，沉積物質(zhì)量在一定程度上影響著海洋牧場(chǎng)的生物品質(zhì)。

本研究中，通過(guò)2013年對(duì)大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域的3次調(diào)查結(jié)果，對(duì)調(diào)查海域沉積物重金屬含量進(jìn)行分析，并對(duì)該海域沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為大長(zhǎng)山海域進(jìn)行海洋牧場(chǎng)建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

2013年5月、8月和11月分別對(duì)大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建區(qū)7個(gè)調(diào)查站位 (圖1)采集表層沉積物樣品，樣品重金屬含量由國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心分析，分析項(xiàng)目包括 Pb、Cd、Cu、Zn、As和 Hg，分析方法見(jiàn)表1。樣品的采集、保存和分析過(guò)程中的質(zhì)量控制步驟均參照海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 (GB17378—2007)［21］。

表1 沉積物重金屬分析方法Tab.1 Analysis methods of heavy metals in the sediments

圖1 調(diào)查站位Fig.1 Survey stations

1.2 方法

1．2．1 單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià) 采用單因子污染指數(shù)(實(shí)測(cè)污染物濃度與背景值的比值)和綜合污染指數(shù)Cd(各單因子污染指數(shù)之和)反映沉積物重金屬的污染程度［22］。單因子污染指數(shù)計(jì)算公式為

綜合污染指數(shù)Cd反映多種重金屬污染綜合效應(yīng)，其計(jì)算公式為

其中:Cd為綜合污染指數(shù);為評(píng)價(jià)因子i的污染指數(shù)。單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

1．2．2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 采用瑞典學(xué)者Hakanson［24］于 1980年提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法(Potential ecological risk index)對(duì)沉積物重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為

表2 污染因子參考值和重金屬毒性系數(shù)Tab.2 Baseline values of pollution factors and toxicity coefficients of heavy metals

表3 沉積物單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Evaluation criteria of single factor pollution indices and integrated pollution indices of sediments

表層沉積物中重金屬濃度越大，重金屬污染物的種類(lèi)數(shù)越多，重金屬的毒性水平和水生生物對(duì)重金屬污染的敏感性就越高，潛在生態(tài)危害指數(shù)值也越大，表明對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的潛在危害也越大［19］，對(duì)海洋牧場(chǎng)這一以實(shí)現(xiàn)生態(tài)健康、環(huán)境友好、資源豐富、產(chǎn)品安全為目標(biāo)的現(xiàn)代漁業(yè)生產(chǎn)模式產(chǎn)生的負(fù)面影響也越大。

表4 潛在生態(tài)危害指數(shù)與沉積物重金屬污染程度的關(guān)系［19，24］Tab.4 Relationships between the potential ecological risk indices and the degree of pollutionof heavy metals in sediments

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物重金屬含量的分析

根據(jù)2013年5月、8月、11月3次對(duì)沉積物的調(diào)查結(jié)果 (表5)以及海洋沉積物Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)可知，5月、8月和11月Cu、Cd、Pb、As、Zn、Hg的含量均低于海洋沉積物第Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。其中Cu、Cd、Pb的含量有下降的趨勢(shì)，As的含量有上升趨勢(shì)，Zn的含量從5月的平均值54．8 mg/kg驟升到8 月的 100．0 mg/kg，之后又回落到 52．2 mg/kg，Hg在0．019 ～0．023 mg/kg之間變動(dòng)。

根據(jù)各調(diào)查站位沉積物重金屬3次調(diào)查的平均值 (表6)可知，Cd和Pb的最高平均值出現(xiàn)在DCS01站位，分別為 0．25、23．76 mg/kg;As和Hg最高平均值出現(xiàn)在DCS03站位，分別為4．70、0．027 mg/kg;Cu和Zn最高平均值出現(xiàn)在DCS06站位，分別為 20．06、77．36 mg/kg。

表5 5月、8月和11月調(diào)查海域沉積物重金屬的含量Tab.5 Contents of heavy metals in sediments of ranching area in May，August and November mg/kg

表6 各站位沉積物重金屬含量3次調(diào)查的平均值Tab.6 Average contents of heavy metals in sediments at each stations for 3 survey mg/kg

海洋中重金屬來(lái)源可劃分為天然來(lái)源與人為來(lái)源。天然來(lái)源如海底火山噴發(fā)將地殼深處的重金屬帶到海底，通過(guò)海流作用把重金屬及其化合物注入海洋;地殼巖石風(fēng)化后通過(guò)大氣沉降與陸地徑流等方式也將重金屬注入海洋，構(gòu)成了海洋重金屬的環(huán)境本底值。人為來(lái)源如礦山與海洋油井的開(kāi)采、工農(nóng)業(yè)污水與廢水的排放 (如冶金、電鍍、蓄電池、顏料、制革、涂料及化工廠的排水、重金屬農(nóng)藥廠廢水的排放和重金屬農(nóng)藥的流失等)［25-26］。

調(diào)查海域沉積物重金屬含量3次調(diào)查的平均值變化不大，且均在第Ⅰ類(lèi)沉積物范圍內(nèi)變化。說(shuō)明調(diào)查海域沉積物質(zhì)量良好，受人為因素影響很小，其變化可能主要來(lái)自自然因素影響。這與大長(zhǎng)山島內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要以漁業(yè)和旅游業(yè)等低污染行業(yè)為主、重視環(huán)境保護(hù)、調(diào)查海域離河流入?？谙鄬?duì)較遠(yuǎn)、無(wú)陸地徑流直接流入等因素有關(guān)。

2.2 單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)用單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法對(duì)3次調(diào)查沉積物重金屬的評(píng)價(jià)結(jié)果 (表7～表9)可知，2013年5月、8月、11月大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域沉積物 Pb、Cd、Cu、Zn、As、Hg單因子污染指數(shù)均小于1，為低污染，而綜合污染指數(shù)均小于5，表明大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域沉積物重金屬處于低污染水平。由2013年5月、8月、11月沉積物重金屬單因子污染指數(shù)平均值變化趨勢(shì)(圖2)可知，各站位Cu、Cd單因子污染指數(shù)平均值從5月到11月呈先減小后增大趨勢(shì);Pb單因子污染指數(shù)呈逐漸減小趨勢(shì);As、Zn單因子污染指數(shù)呈先增大后減小趨勢(shì);Hg單因子污染指數(shù)變化趨勢(shì)不明顯。各站位綜合污染指數(shù)平均值依次為8月＞5月＞11月。

表7 5月份沉積物單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)Tab.7 Single factor pollution indices and comprehensive pollution indices of sediments in May

表8 8月份沉積物單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)Tab.8 Single factor pollution indices and comprehensive pollution indices of sediments in August

表9 11月份沉積物單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)Tab.9 Single factor pollution indices and comprehensive pollution indices of sediments in November

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域沉積物重金屬的評(píng)價(jià)結(jié)果 (表10～表12)可知，3次調(diào)查中沉積物單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù):5 月，Cd(12．9)＞Hg(4．0)＞Cu(2．44)＞Pb(2．10)＞As(1．87)＞Zn(0．36);8 月，Cd(8．91)＞Hg(4．46)＞As(2．54)＞ Cu(1．89)＞Pb(1．68)＞Zn(0．67);11 月，Cd(7．89)＞Hg(4．29)＞As(2．11)＞Cu(2．01)＞Pb(1．36)＞Zn(0．35)。3 個(gè)月份中，Cd的潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均最高，其次是Hg，Zn的潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均最低。3次調(diào)查中沉積物綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值依次為5月＞8月＞11月，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈下降趨勢(shì)。

圖2 沉積物重金屬單因子污染指數(shù)的平均值Fig.2 Means for single factor pollution indices of heavy metals in sediments

2013年5月、8月、11月各站位不同月份潛在生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化趨勢(shì)如圖3所示。從圖3可見(jiàn):5月份，DCS01站位潛在生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大，DCS04站位潛在生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小;8月份，DCS04站位潛在生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大，DCS05站位潛在生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小;11月份，DCS06站位潛在生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大，DCS04站位潛在生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小。就5月、8月、11月3次調(diào)查各站位潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值看 (表13)，DCS01站位潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大，DCS04站位潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小。沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)是指底棲生物免受特定化學(xué)物質(zhì)危害的保護(hù)性臨界水平，是化學(xué)物質(zhì)和底棲生物之間劑量—效應(yīng)關(guān)系的反映。參考洪松［27］確定的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)中的多種重金屬潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)的基準(zhǔn)為180，因此，當(dāng)RI小于180時(shí)，直接受沉積物重金屬影響的底棲生物不會(huì)受到危害，同時(shí)，間接受沉積物重金屬影響的其他水生生物也不會(huì)受到危害，從而保障了食用水產(chǎn)品的人類(lèi)的安全。比較可知，本研究中調(diào)查海域RI最高為38．74，遠(yuǎn)小于180?？梢?jiàn)，大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域沉積物中重金屬的低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)水生生物和人類(lèi)不會(huì)產(chǎn)生危害。

表10 5月份大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.10 Potential ecological risk indices of heavy metals in sediments in the expected Dachangshan ranching area in May

表11 8月份大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.11 Potential ecological risk indices of heavy metals in sediments in the expected Dachangshan ranching area in August

表12 11月份大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.12 Potential ecological risk indices of sediments in the expected Dachangshan ranching area in November

圖3 各站位不同月份潛在生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Fig.3 Potential integrated ecological risk indices ateach station in different months

3次調(diào)查各站位沉積物重金屬含量均處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平 (單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Eir＜40);整個(gè)調(diào)查海域處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平 (綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI＜95)。與其他海域相比(表14)，大長(zhǎng)山擬建海洋牧場(chǎng)海域沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)低于大亞灣、珠江口、湛江港灣和海州灣。

表13 各站位沉積物重金屬潛在生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)3次調(diào)查的平均值Tab.13 Average integrated ecological risk indices of heavy metals in sediments at each station for 3 survey

表14 大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域重金屬潛生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與其他海域的比較Tab.14 Comparison of potential ecological risk indices of heavy metals in the expected Dachangshan ranching area with that in the other marine areas

3 結(jié)論

(1)沉積物重金屬含量的高低直接關(guān)系到海域生物生長(zhǎng)和水產(chǎn)品質(zhì)量安全。大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域7個(gè)調(diào)查站位中，DCS01站位的Cd、Pb含量最高，DCS03站位的Hg、As含量最高，DCS06站位的Cu、Zn含量最高。但是，最高含量均低于第Ⅰ類(lèi)海水沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，符合海洋漁業(yè)和海水養(yǎng)殖對(duì)海域使用要求。

(2)大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域沉積物綜合污染指數(shù)均小于5，沉積物重金屬處于低污染水平。

(3)大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)為低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。3次調(diào)查沉積物綜合指標(biāo)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值依次為5月＞8月＞11月，潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈下降趨勢(shì)。

(4)大長(zhǎng)山海洋牧場(chǎng)擬建海域表層沉積物重金屬含量低，污染水平低，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小，對(duì)未來(lái)海洋牧場(chǎng)中的水生生物產(chǎn)生毒害作用的可能性很小。根據(jù)《海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 (GB18688—2002)中按照海域的不同使用功能和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)對(duì)沉積物質(zhì)量的分類(lèi)，沉積物質(zhì)量為第Ⅰ類(lèi)的海域適用于海洋漁業(yè)水域、海洋自然保護(hù)區(qū)、珍稀與瀕危生物自然保護(hù)區(qū)、海水養(yǎng)殖區(qū)、海水浴場(chǎng)、人體直接接觸沉積物的海上運(yùn)動(dòng)或娛樂(lè)區(qū)，以及與人類(lèi)食用直接有關(guān)的工業(yè)用水區(qū)。海洋牧場(chǎng)水域?qū)儆诤Ｑ鬂O業(yè)水域，因而就所調(diào)查海域沉積物中重金屬指標(biāo)來(lái)看，擬建海域適宜海洋牧場(chǎng)建設(shè)。

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