樂清灣表層沉積物重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)＊

馬志凱，張樹剛，王玲，陳峰

（國家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 溫州 325000）

1 引言

樂清灣位于浙江省南部沿海（27°27′55″N—28°24′16″N，120°57′55″E—121°17′09″E），隸屬于溫州市和臺州市，海灣三面環(huán)陸，屬半封閉性海灣，沿岸有甌江、清江、白溪、靈溪等30余條大小河流注入灣內(nèi)［1］。近年來，隨著沿岸工業(yè)的發(fā)展，大量工業(yè)廢水和生活污水排入灣內(nèi)，致使灣內(nèi)海洋環(huán)境受到很大的影響。

沉積物是海洋污染物的歸宿，沉積環(huán)境作為海洋環(huán)境的重要組成部分越來越引起人們的重視。海洋污染物通過沉降以及沉積物吸附等方式可以使上層水體污染程度降低，但如果沉積環(huán)境發(fā)生變化，沉積物中的污染物又可能重新釋放，對上層水體夠成二次污染。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海洋重金屬污染逐漸引起人們的重視，而海洋沉積物中重金屬是具有潛在風(fēng)險(xiǎn)的重要污染物，故本研究通過擬采用德國學(xué)者M(jìn)üller提出的地積累指數(shù)法和瑞典學(xué)者Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，依據(jù)對2012年8月采集樂清灣表層沉積物重金屬元素的監(jiān)測結(jié)果，對樂清灣海域表層沉積物中汞、砷、鉛、鎘、銅、鉻和鋅7種重金屬元素進(jìn)行污染現(xiàn)狀及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的分析和評價(jià)，以期為該海域海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2．1 樣品采集

2012年8月筆者在樂清灣海域采用抓斗式采泥器采集沉積物樣品20個(gè)，采樣站位見圖1。樣品的采集、運(yùn)輸和貯存均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378．3－2007）中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行［2］。

圖1 樂清灣采樣站位

2．2 樣品預(yù)處理與分析

沉積物樣品風(fēng)干后去除雜物及石塊，經(jīng)瑪瑙研缽研磨后，過80目尼龍篩，貯存于塑料密封袋中待用。樣品經(jīng)微波儀消解后測定，微波消解方法按《海洋沉積物與海洋生物體中重金屬分樣前處理》（HY／T 132－2010）中相關(guān)方法對樣品進(jìn)行預(yù)處理［3］。預(yù)處理后的樣品經(jīng)趕酸后上機(jī)測定，其中鉛、鎘、銅、鉻和鋅重金屬元素用原子吸收分光光度法測定，元素汞、砷用原子熒光光度法測定。

2．3 質(zhì)量控制

所測樣品在預(yù)處理和分析過程中加入質(zhì)控樣《近海海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)》（GBW07314）進(jìn)行全程質(zhì)控，測定分析結(jié)果均小于質(zhì)控樣品允許的測定偏差。

2．4 評價(jià)方法

2．4．1 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法是德國學(xué)者M(jìn)üller于1969年提出的一種關(guān)于沉積物重金屬污染程度的評價(jià)方法［4］。其基本原理為通過比較測評海域沉積物重金屬含量與其地球化學(xué)背景值的關(guān)系，從而反映外源重金屬在沉積物中的富集程度。地積累指數(shù)法計(jì)算公式如下：

式中：Ci為測評海域沉積物樣品中重金屬含量；Bi為該重金屬的地球化學(xué)背景值；1．5為由于各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)系數(shù)。由式（1）可知，Bi的選擇對地積累指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果影響較大，由于考慮到本研究區(qū)域?yàn)楹Ｑ蟪练e物，本研究以中國大陸沉積物背景值作為參比值［5］。Igeo值與重金屬污染水平的關(guān)系如表1所示。

表1 地累積指數(shù)與污染程度分級

2．4．2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是瑞典學(xué)者Hakanson于1980年提出的一種表征沉積污染物對生態(tài)環(huán)境潛在危害的評價(jià)方法。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法基于元素豐度和釋放能力的原則，假設(shè)了以下幾個(gè)前提條件：①潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與沉積物重金屬污染程度正相關(guān)；②多種污染物的生態(tài)危害具有加和性；③各重金屬元素的毒性響應(yīng)具有差異性［6］。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法具體計(jì)算方法如下。

式中：Cif為單一污染物污染指數(shù)；Ci為樣品實(shí)測值；Cin為沉積物背景值；Cd為多種污染物綜合污染指數(shù)；Tir為不同污染物生物毒性響應(yīng)因子；Eir為不同污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子；RI為多種污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

由式（2）至式（5）可知，沉積物背景值（Cin）的選擇對評價(jià)結(jié)果至關(guān)重要，不同背景值的選擇可能會(huì)對評價(jià)結(jié)果造成很大的差異。通過表2中幾種背景值的對比可以發(fā)現(xiàn)，除汞的含量相差比較大外，其他元素的中國大陸沉積物背景值與中國土壤背景值相近；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)基本上所有元素的中國大陸沉積物背景值與工業(yè)化前地球化學(xué)最高背景值相差比較大［7］，考慮到本研究樣品為海洋沉積物，本研究以中國大陸沉積物背景值作為參比值［8］。

表2 各重金屬元素有關(guān)背景值的相關(guān)數(shù)據(jù)

由于筆者所研究的污染要素（汞、鎘、砷、鉛、銅、鉻和鋅）為7項(xiàng)，少于Hakanson提出生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法時(shí)的8項(xiàng)，故本研究對以Cd表征的綜合污染程度進(jìn)行了調(diào)整［11］，調(diào)整結(jié)果具體見表3。本研究中汞、鎘、砷、砷、銅、鉻和鋅的毒性響應(yīng)因子（Tir）分別為40、30、10、5．0、5．0、2．0、1．0［6，12］。

同理本研究對以RI值對應(yīng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度也做出了相應(yīng)的調(diào)整［13－14］，RI的范圍調(diào)整結(jié)果見表3。

表3 Cif，Cd，Eir 和RI 值相對應(yīng)的污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度

3 結(jié)果與討論

3．1 樂清灣表層沉積物重金屬的含量

樂清灣海域表層沉積物中重金屬含量測定結(jié)果見表4，各站位表層沉積物中銅、鉛、鋅、鎘、鉻、汞和砷的含量范圍分別為16．5～44．0 mg／kg、17．1～29．3mg／kg、73．1～152．2 mg／kg、0．085～0．158 mg／kg、25．4 ～81．4 mg／kg、0．038 ～0．051mg／kg、9．2～11．0 mg／kg。銅、鉛、鋅、鎘、鉻、汞 和 砷 的 平 均 含 量 分 別 為37．3mg／kg、27．0mg／kg、127．2 mg／kg、0．130 mg／kg、64．4mg／kg、0．040mg／kg和9．9mg／kg。整體上樂清灣表層沉積物中汞、砷、鉛、鎘等元素含量分布比較均勻；其中元素銅、鋅、鉻表現(xiàn)為近岸略高，離岸較低，灣頂略高，灣口略低的分布規(guī)律?；旧细髦亟饘僭氐淖畹椭稻霈F(xiàn)在Y15站。這是因?yàn)閅15位于甌江口附近，此站位沉積物類型為沙質(zhì)沉積物，而沙質(zhì)沉積物不易對重金屬產(chǎn)生吸附。各元素含量的最高值幾乎都出現(xiàn)在Y6站，這可能是由于Y6站距岸較近，且靠近岸邊一座煤運(yùn)輸碼頭，受此影響Y6站的重金屬含量較其他站偏高。

表4 樂清灣表層沉積物重金屬含量 mg／kg

3．2 樂清灣表層沉積物重金屬的地累積污染指數(shù)評價(jià)

應(yīng)用地累積污染指數(shù)法對樂清灣表層沉積物7 種重金屬元素污染程度評價(jià)結(jié)果如下（表5）：7種重金屬元素的污染程度由大到小依次排列為：銅、鋅、汞、鎘、砷、鉛、鉻。除Y15站處于無污染狀態(tài)外，樂清灣幾乎所有站位均處于“無－中”的污染水平。其中所有站位砷、鉛和鉻污染級別為0級，處于無污染狀態(tài)；個(gè)別站位的汞、鎘污染級別為1 級；處于“無－中”的污染水平；基本上所有站位的銅和鋅污染級別為1 級，處于“無－中”的污染水平。由此可見，樂清灣海域表層沉積物整體處于清潔狀態(tài)，外源輸入的重金屬污染對環(huán)境的影響較小。元素銅和鋅比其他元素所受外源輸入的影響較明顯，高值多出現(xiàn)在樂清灣沿岸海域，這說明樂清灣外源輸入的重金屬元素主要為銅和鋅。從評價(jià)結(jié)果來看，總體上樂清灣沉積物重金屬污染情況現(xiàn)狀良好。

表5 樂清灣海域沉積物中重金屬元素地累積指數(shù)分級

3．3 樂清灣表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

3．3．1 單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)評價(jià)

樂清灣表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表6。由沉積物單因子污染指數(shù)計(jì)算可知，各金屬元素的污染程度由大到小排序依次排列為：鋅、銅、鎘、砷、鉛、鉻、汞。其中各站位汞的Cif值均小于1，屬于低度污染；其他各元素的Cif值為0～3之間，屬于中度污染。由表6可知，鋅和銅元素的Cif平均值分別為1．93 和1．86，明顯高于其他5種重金屬元素，說明這兩種元素是研究區(qū)的主要污染因子；這與地累積污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果相一致。

Cd為各站位多種重金屬元素的綜合污染指數(shù)，由表6 可知，Cd最低值為5．10，出現(xiàn)在Y15站，為污染程度為低級；最高值為9．47，出現(xiàn)在Y6站，污染程度為中級。這是因?yàn)閅15站位于甌江口附近海域，由于該海域沉積物以沙質(zhì)為主，且粒度較大，從而對重金屬的吸附能力下降。而Y6站位于樂清灣灣中煤碼頭附近，受陸源影響該站位重金屬含量較高。由綜合污染指數(shù)可以看出，樂清灣各站位綜合污染水平為低級到中級污染，其中僅Y15站為低級污染；樂清灣中部近岸海域污染程度相對偏高，整個(gè)海域綜合污染指數(shù)平均為8．42，屬中級污染水平。樂清灣沿岸人口密集，灣內(nèi)海水養(yǎng)殖業(yè)、工業(yè)、港口運(yùn)輸業(yè)比較發(fā)達(dá)，河流入海口眾多，這可能是導(dǎo)致樂清灣海域沉積物重金屬含量相對較高的主要原因。

表6 樂清灣各站位沉積物單因子污染參數(shù)

續(xù)表

3．3．2 樂清灣表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

樂清灣表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表7。

由表7可知，樂清灣所有單個(gè)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值均小于40，為低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。但應(yīng)注意到，鎘的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為39．62，與指標(biāo)上限非常接近；且個(gè)別站位鎘的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于40，屬中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。各重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度由高到低 依 次 排 列 為：鎘（39．62）、砷（11．60）、銅（9．32）、汞（5．90）、鉛（5．41）、鋅（1．93）、鉻（1．84），其中鎘的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)明顯高于其他元素，其對RI的貢獻(xiàn)率為52%（圖2），這表明鎘為主要潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。同時(shí)，元素砷和銅對RI的貢獻(xiàn)率分別為15%和12%，這表明樂清灣表層沉積物中潛在重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子為鎘、砷和銅。對通過潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算得到的各重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度與通過單因子污染指數(shù)法計(jì)算得到的污染程度高低排序并不盡一致，這可能是由于某些重金屬元素具有親顆粒性，雖然其污染程度較高，但卻容易被懸浮物遷移進(jìn)入沉積物中礦化埋藏，從而降低了對生物的毒性；同時(shí)，各重金屬元素本身對生物的毒性本不相同，單因子污染指數(shù)高的不一定對生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害就高，這也是造成兩種評價(jià)結(jié)果不一致的原因［14］。

由7種重金屬元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）評價(jià)結(jié)果來看，樂清灣海域表層沉積物中重金屬元素的RI值為51．4～83．1，平均值為71．62，整個(gè)樂清灣海域綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為低級。其中Y15站RI值為51．4，遠(yuǎn)小于平均值，這與Y15站特殊的地理位置有關(guān)；其他站位RI值相差不大，均與平均值相近。

表7 樂清灣各站位沉積物潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

續(xù)表

圖2 不同重金屬元素對RI 的貢獻(xiàn)率

4 結(jié)論

（1）樂清灣表層沉積物中重金屬元素銅、鉛、鋅、鎘、鉻、汞和砷的平均含量分別為37．3 mg／kg、27．0mg／kg、127．2mg／kg、0．130mg／kg、64．4mg／kg、0．040mg／kg、9．9mg／kg。總體上樂清灣表層沉積物中各重金屬元素含量分布比較均勻，其中銅、鋅、鉻表現(xiàn)為近岸較高，離岸偏低的分布規(guī)律。

（2）樂清灣表層沉積物重金屬地累積指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明：7種重金屬元素的污染程度由大到小依次排列為：銅、鋅、汞、鎘、砷、鉛、鉻。除Y15站為無污染狀態(tài)外，其余所有站位均處于“無－中”的污染水平；樂清灣外源輸入的重金屬元素主要為銅和鋅。

（3）樂清灣表層沉積物重金屬單因子和綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明：樂清灣沉積物各重金屬元素污染程度由大到小依次排列為：鋅、銅、鎘、砷、鉛、鉻、汞。由綜合污染指數(shù)可知，樂清灣海域沉積物中重金屬綜合污染指數(shù)平均為8．42，屬中污染水平。

（4）樂清灣表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明：各重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度由高到低依次排列為：鎘、砷、銅、汞、鉛、鋅、鉻；其中鎘為主要潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。樂清灣海域沉積物中7種重金屬元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均為71．62，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為低級。

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