濱州淺海沉積物中重金屬的分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王志忠 ，劉元進(jìn) ，張金路 ，孫同秋 ，敬中華 ，王玉清 ，張凱

（1.山東省淡水漁業(yè)研究院，山東省淡水水產(chǎn)遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；2.山東省海洋資源與環(huán)境研究院，山東 煙臺(tái) 264006；3.濱州市海洋與漁業(yè)研究所，山東 濱州 256616）

濱州淺海沉積物中重金屬的分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王志忠1，劉元進(jìn)2，張金路1，孫同秋3，敬中華3，王玉清3，張凱3

（1.山東省淡水漁業(yè)研究院，山東省淡水水產(chǎn)遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；2.山東省海洋資源與環(huán)境研究院，山東 煙臺(tái) 264006；3.濱州市海洋與漁業(yè)研究所，山東 濱州 256616）

2012年夏季（8月）利用QNC6-1型挖泥斗采樣，監(jiān)測(cè)山東濱州淺海11個(gè)站位表層沉積物中Zn、Cr、Cd、Cu、Pb、Hg和As 7種重金屬的含量，應(yīng)用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)沉積物中重金屬的污染現(xiàn)狀和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：調(diào)查區(qū)域沉積物中 Zn、Cr、Cd、Cu、Pb、Hg 和 As的含量范圍分別為 19.80～63.70mg/kg、27.90～38.70mg/kg、0.138～0.192mg/kg、23.10～29.50mg/kg、8.75～17.20mg/kg、0.0221～0.0384mg/kg，和 8.29～10.70mg/kg，平均含量分別為（52.15±12.03）mg/kg、（32.83±3.14）mg/kg、（0.16±0.02）mg/kg、（26.50±2.11）mg/kg、（13.94±2.87）mg/kg、（0.03±0.01）mg/kg和（8.90±0.66）mg/kg；沉積物中主要潛在重金屬污染因子是 Cd 和 Cu，重金屬影響因子的順序由強(qiáng)至弱依次為：Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞As＞Cr＞Hg；重金屬綜合污染指數(shù)表明，該海域環(huán)境質(zhì)量總體以低污染為主；各種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)由大至小依次為：Cd＞As＞Cu＞Hg＞Pb＞Cr＞Zn，Cd為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為（57.36±4.14），屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，表明目前濱州淺海沉積物中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平較低。

濱州淺海；表層沉積物；重金屬；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

近年來(lái)，隨著環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，排入渤海海域的重金屬污染物量不斷增加，渤海環(huán)境質(zhì)量急劇惡化[1]。水體中的重金屬通過(guò)物理化學(xué)作用大部分富集到表層沉積物中，而沉積物中的重金屬又通過(guò)食物鏈或釋放遷移進(jìn)入到水體、懸浮顆粒及生物體中，直接或間接威脅生態(tài)系統(tǒng)安全[2,3]。海洋沉積物中的重金屬含量能間接反映該區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀[4]。目前對(duì)渤海、黃海等海區(qū)沉積物中重金屬污染狀況及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究較多[4-18]，但對(duì)濱州淺海海域尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，2012年8月（夏季）調(diào)查濱州淺海海域沉積物中重金屬的含量及分布，采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法分析重金屬污染現(xiàn)狀，評(píng)價(jià)其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為該海域生態(tài)環(huán)境和生物資源保護(hù)、管理及可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查站位與樣品采集

2012年8月，利用QNC6-1型挖泥斗在濱州淺海區(qū)域11個(gè)站位（圖1）采集表層沉積物樣品。每個(gè)站位采集表層底泥深度約為0～5cm，將采集的2個(gè)平行樣品分別裝入聚乙烯袋中，密封后于0～4℃下保存。

圖1 濱州淺海區(qū)域采樣站位布設(shè)圖Fig.1 The ecological survey stations in shallow waters in Binzhou，Shandong province

1.2 分析項(xiàng)目與測(cè)定方法

按《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第5部分：沉積物分析》（GB 17378.5-2007） 的方法測(cè)定重金屬含量；Pb、Cd、Cu和Cr含量采用無(wú)火焰原子吸收分光光度法測(cè)定；Zn含量采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定；Hg、As含量采用原子熒光法測(cè)定。

1.3 評(píng)價(jià)方法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法由瑞典學(xué)者Hakanson[19]于1980年提出，是劃分沉積物污染程度及其水域潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一種相對(duì)快速、簡(jiǎn)便和標(biāo)準(zhǔn)的方法。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值可反映表層沉積物中金屬的含量、金屬污染物的種類(lèi)數(shù)、金屬的毒性水平及水體對(duì)金屬污染的敏感性。

1.3.1 單個(gè)重金屬污染系數(shù)

1.3.2 重金屬污染綜合指數(shù)

式中，以Cd表征的綜合污染程度為：Cd＜5時(shí)為低污染，5≤Cd＜10 時(shí)為中污染，10≤Cd＜20 時(shí)為較高污染，Cd≥20時(shí)為很高污染[6]。

1.3.3 單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)

1.3.4 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

RI＜150，海域具有低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；150≤RI＜300，具有中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；300≤RI＜600，具有較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；RI≥600，具有很高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)整理、核對(duì)后錄入Excel進(jìn)行計(jì)算和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物中重金屬含量

由表1可知，濱州淺海海域沉積物中重金屬鋅（Zn）的含量最高，為19.80～63.70mg/kg，均值為（52.15±12.03）mg/kg；其次為鉻（Cr）、銅（Cu）和鉛（Pb），范圍分別為 27.90～38.70mg/kg、23.10～29.50 mg/kg和 8.75～17.20mg/kg，均值分別為（32.83±3.14）mg/kg、（26.50±2.11）mg/kg 和 （13.60±2.87）mg/kg；砷（As）、鎘（Cd）和汞（Hg）的含量較低，范圍分別為 8.29～10.70mg/kg、0.138～0.192mg/kg和 0.0221～0.0384mg/kg， 均 值 分 別 為 （8.90±0.66）mg/kg、（0.16±0.02）mg/kg和（0.03±0.01）mg/kg。

表1 沉積物中重金屬含量平均值（mg/kg）及其變異系數(shù)Tab.1 Average contents of heavy metals（mg/kg）and their variation coefficients in sediments

各種重金屬含量的空間變異系數(shù)波動(dòng)在0.07～0.23之間，表明濱州淺海沉積物中不同重金屬的變異系數(shù)存在一定差異。其中Zn、Pb和Hg的空間變異系數(shù)較大，均大于0.20，表明Zn、Pb和Hg含量的空間分布不均勻，離散性較大；而Cd、Cr、Cu和As的空間變異系數(shù)較小，依次為0.11、0.10、0.08和0.07，表明該海域沉積物中Cd、Cr、Cu和As含量的空間分布比較均勻，波動(dòng)程度不大。

與其他海區(qū)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)（表2），濱州淺海沉積物中重金屬Cu的平均含量高于萊州灣[10]、渤海灣[11]、遼東灣[12]和南黃海[16]，而低于錦州灣[13]、膠州灣[14]和長(zhǎng)江口及鄰近海域[15]；Pb、Zn的平均含量除高于萊州灣[10]外，均低于其他海區(qū)；Cd的平均含量除高于萊州灣[10]和南黃海[16]外，均低于其他海區(qū)；Hg的平均含量高于南黃海[16]，低于萊州灣[10]、渤海灣[11]、膠州灣[14]和長(zhǎng)江口及鄰近海域[15]；As 的平均含量高于南黃海[16]，低于萊州灣[10]、錦州灣[13]、膠州灣[14]和長(zhǎng)江口及鄰近海域[15]；Cr的平均含量較低，低于膠州灣[14]和長(zhǎng)江口及鄰近海域[15]?？梢?jiàn)，濱州淺海海域沉積物中的重金屬含量在我國(guó)沿海典型海灣和河口中處于中等水平。

2.2 重金屬污染評(píng)價(jià)

各站位 Zn、Pb、Hg、Cr、Cu、Cd 和 As 的含量均符合國(guó)家海洋沉積物Ⅰ類(lèi)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB18668-2002）。

由表3可知，單因子平均污染系數(shù)以Cd和Cu較高，分別為1.21和1.01，均為中污染；其他因子相對(duì)較低，均小于 1，依次為 Pb＞Zn＞As＞Cr＞Hg，均為低污染。各站位中Cd的平均污染系數(shù)值均大于1，Cu在 BZ2、BZ3、BZ6、BZ8、BZ9、BZ10 和 BZ11 站位的均值大于或等于1，其他站位中各重金屬的值均小于1，表明Cd在沉積物中的富集程度最大，其次是Cu，因此Cd和Cu是沉積物中主要的潛在重金屬污染因子。這可能與沿岸的化工、造紙等工業(yè)及生活污水的排放有關(guān)[11]。

表2 濱州淺海沉積物中重金屬的質(zhì)量含量（mg/kg）與其他海區(qū)的比較Tab.2 Comparison of quality contents of heavy metals （mg/kg）in the sediments in Binzhou,Shandong province,shallow waters with those in other sea areas

表3 濱州淺海沉積物中重金屬污染單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)（Cd）Tab.3 Single factor pollution evaluation and integrated pollution index on heavy metal pollution in sediments in Binzhou shallow waters of Shandong province

由綜合污染指數(shù)（Cd）可知，僅有BZ2和BZ4站位大于5，為中污染，其他站位均小于5，為低污染。各站位綜合污染指數(shù)平均值為4.79，小于5，表明該海域總體為低污染，即目前濱州淺海沉積物中重金屬污染以低污染為主，向海水中釋放的強(qiáng)度相對(duì)較弱，可以維持可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境。

萊州灣重金屬單因子污染程度總體較輕，屬于低污染水平，污染程度依次為 Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Hg，約30%的站位重金屬綜合污染指數(shù)大于5，達(dá)到中等污染水平[10]。長(zhǎng)江口及鄰近海域重金屬污染指數(shù)依次為：Cu＞Cr＞Zn＞Pb＞As＞Cd＞Hg，其中 Cu 和 Cr元素是主要的污染因子[15]，表明不同海域的主要污染因子和重金屬污染程度的排序均不盡相同。

2.3 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

渤海灣淺層沉積物中重金屬的生態(tài)危害程度較小，屬于輕微生態(tài)危害；Cd的污染程度最大，Zn最?。? 種重金屬危害系數(shù)順序?yàn)椋篊d＞Hg＞Pb＞Cu＞Zn[11]。長(zhǎng)江口及鄰近海域重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)由大到小依次為：Cd＞Hg＞Cu＞As＞Pb＞Cr＞Zn，Cd、Hg和Cu元素是主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子[14]，表明在濱州淺海、渤海灣和長(zhǎng)江口及鄰近海域，重金屬Cd均為主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。而萊州灣表層沉積物中重金屬對(duì)該區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)程度依次為 Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn，其中Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大[10]?？梢?jiàn)不同海域的主要潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子和重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)排序不盡相同，主要原因可能是各海域的地理位置、底質(zhì)環(huán)境、采樣時(shí)間、研究方法以及納入水體中重金屬元素化學(xué)的組成、數(shù)量、比例等因素的差異所致。

各站位重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）在50.19～63.06 之間，平均值為（57.36±4.14）；RI及平均值均遠(yuǎn)小于150，屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，表明目前濱州淺海海域沉積物中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平較低。

3 討論

本研究表明，濱州淺海海域沉積物中重金屬的平均含量由高到低依次為：鋅（Zn）（52.15±12.03）mg/kg、鉻（Cr）（32.83±3.14）mg/kg、銅（Cu）（26.50±2.11）mg/kg、鉛 （Pb）（13.60±2.87）mg/kg、砷（As）（8.90±0.66）mg/kg、鎘（Cd）（0.16±0.02）mg/kg 和汞（Hg）（0.03±0.01）mg/kg。重金屬 Zn、Pb 和 Hg含量的變異系數(shù)較大，離散性較大，空間分布不均勻；Cd、Cr、Cu和As的空間變異系數(shù)相對(duì)較小，空間離散性較小，空間分布比較均勻，波動(dòng)程度不大。

表4 濱州淺海沉積物中各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）Tab.4 Potential ecological risk coefficients（）and risk indices（RI）of heavy metals in sediments in Binzhou shallow waters of Shandong province

表4 濱州淺海沉積物中各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）Tab.4 Potential ecological risk coefficients（）and risk indices（RI）of heavy metals in sediments in Binzhou shallow waters of Shandong province

單個(gè)重金屬污染系數(shù)采樣站位Ei r RI BZ1 BZ2 BZ3 BZ4 BZ5 BZ6 BZ7 BZ8 BZ9 BZ10 BZ11均值Zn 0.72 0.75 0.81 0.74 0.77 0.85 0.76 0.75 0.58 0.26 0.66 0.70±0.16 Cr 0.66 0.79 0.75 0.62 0.7 0.75 0.86 0.75 0.68 0.67 0.78 0.73±0.07 Cd 33.75 42.35 30.44 38.60 37.28 41.47 33.09 30.66 36.62 36.84 37.94 36.28±3.95 Cu 4.40 5.62 5.46 4.80 4.97 5.20 4.44 4.99 5.52 5.06 5.05 5.05±0.40 Pb 4.88 3.99 2.81 4.97 3.76 2.53 4.85 3.55 4.36 4.68 3.93 4.03±0.83 Hg 3.95 3.54 5.46 4.27 6.14 3.74 4.58 3.95 4.86 4.27 6.35 4.65±0.96 As 5.86 6.03 6.09 7.13 5.7 5.58 5.69 5.53 5.78 6.03 5.86 5.93±0.44 54.22 63.06 51.82 61.14 59.31 60.12 54.26 50.19 58.41 57.82 60.56 57.36±4.14生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)

濱州淺海海域沉積物中重金屬污染指數(shù)由大到小依次為：Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞As＞Cr＞Hg，Cd 和 Cu 是主要的潛在污染因子。重金屬綜合污染指數(shù)表明，濱州淺海海域環(huán)境質(zhì)量總體以低污染為主，重金屬向海水中釋放的強(qiáng)度較弱，可以維持可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境。

目前濱州淺海沉積物中的重金屬污染總體處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。沉積物中各種重金屬的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均小于40，由大到小依次為：Cd＞As＞Cu＞Hg＞Pb＞Cr＞Zn，Cd 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高，有部分站位超過(guò)40，Cd是潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子；各站位沉積物中重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）平均值遠(yuǎn)小于150，屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，表明目前該海域沉積物中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平較低。

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Distribution of Heavy Metals and Evaluation of Potential Ecological Risk in Sediments at Neritic Waters in Coastal Binzhou,Shandong Province

WANG Zhi-zhong1,LIU Yuan-jin2,ZHANG Jin-lu1,SUN Tong-qiu3,JING Zhong-hua3,WANG Yu-qing3,ZHANG Kai3
（1.Shandong Provincial Key Lab for Genetics&Breeding in Freshwater Fisheries,Freshwater Fisheries Research Institute of Shandong Province,Jinan 250013,China;2.Shandong Marine Resource and Environment Research Institute,Yantai 265500,China;3.Marine and Fisheries Research Institute of Binzhou City,Binzhou,256616,China）

The contents of Zn,Cr,Cd,Cu,Pb,Hg,and As were monitored in surface sediments in 11 stations in Binzhou shallow waters,Shandong province，and the pollution status and potential ecological risk of heavy metals in sediments were evaluated by Hakanson potential ecological harm index.Results showed that the content of the heavy metals in the area was ranged from 19.80 mg/kg to 63.70 mg/kg with average level of（52.15±12.03）mg/kg in Zn,from 27.90 mg/k to 38.70 mg/kg with average level of（32.83±3.14）mg/kg in Cr,from 0.138 mg/kg to 0.192 mg/kg with average level of（0.16± 0.02）mg/kg in Cd,from 23.10 mg/kg to 29.50 mg/kg with average level of（26.50±2.11）mg/kg in Cu,from 8.75 mg/kg to 17.20 mg/kg with average level of（13.94±2.87）in Pb,from 0.0221 mg/kg to 0.0384 mg/kg（0.03 ± 0.01）mg/kg in Hg,and from 8.29 mg/kg to 10.70 mg/kg with average level of（8.90± 0.66）mg/kg in As.The heavy metals Cd and Cu were found to be the main potential heavy metal contamination factors,with the order of Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞As＞Cr＞Hg.Heavy metal integrated pollution index revealed that the environment quality in Binzhou shallow waters was low pollution,and that the order of all kinds of heavy metal potential ecological harm coefficient was expressed as Cd＞As＞Cu＞Hg＞Pb＞Cr＞Zn.Cd was the potential ecological risk factor,with the average potential ecological risk index of（57.36± 4.14）,low potential ecological risks,indicating that the level of potential ecological risk of heavy metals was low in sediments of Binzhou shallow waters.

Binzhou shallow sea waters;surface sediment;heavy metal;potential ecological risk assessment

X820.4

A

1005-3832（2017）06-0041-06

2017-06-01

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201205023）.

王志忠（1968-），男，高級(jí)工程師，本科，從事漁業(yè)生態(tài)學(xué)研究.E-mail:zhizhongwang@163.com