環(huán)渤海濕地沉積物重金屬污染監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

趙肖依，魏海峰,2*，黃 欣，趙雨朦，霍玉潔，夏 寧，何 潔，張明亮,2

(1. 大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；2. 遼寧省近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

濕地是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，但近年來濕地污染日益嚴(yán)重，其中重金屬已成為濕地環(huán)境中最重要的污染物之一。重金屬會(huì)在生態(tài)系統(tǒng)中積累，在某些情況下可以轉(zhuǎn)化為毒性更大的金屬有機(jī)化合物，從而使河口地區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境受到直接或潛在的危害[1]。

濕地中重金屬來源于人類工業(yè)污染和生活污染[2]，在海洋食物鏈中的傳遞、富集對淺海濕地生態(tài)系統(tǒng)乃至人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3]。研究表明重金屬在潮灘沉積物的垂直分布中很常見[4-7]。渤海灣南部從高潮灘到低潮灘，重金屬含量呈下降趨勢[8]。黃河三角洲表層沉積物中重金屬含量高于黃河河口及其附近海域，但低于其他河口沉積物[9]。遼東半島東南沿海濕地沉積物中4種重金屬元素含量的平均值分別為28.9、79.7、35.6和12.6 mg/kg[10]，濕地表層沉積物中各元素平均含量均在80%以上，低于環(huán)境背景值，環(huán)境影響微小[11]。在鄱陽湖南磯山濕地，Cu和Zn兩種重金屬含量的基本特征是表層>中層>底層[12]。海南島八門灣紅樹林濕地沉積物中Cu、Zn、Pb和Cd的平均含量分別為10.55、49.51、12.63和0.63 mg/kg，與背景值含量基本相同[13]。上述結(jié)果表明了重金屬在濕地河口沉積物的普遍性。

Cu、Zn、Pb和Cd是渤海濕地主要的重金屬影響元素。本研究選取環(huán)渤海河口附近區(qū)域采樣，對環(huán)渤海進(jìn)行重金屬的分布調(diào)查和分析評價(jià)，有利于全面了解環(huán)渤海的重金屬分布及污染情況，可為環(huán)渤海濱海濕地的科學(xué)開發(fā)和保護(hù)提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及方法

2017年8月在環(huán)渤海重點(diǎn)地區(qū)采集沿岸和紅海灘多處不同位置沉積物，共13個(gè)站位，如表1和表2。用洛陽鏟采集沉積物樣品，取其中未受攪動(dòng)的部分，采樣厚度約2 cm，樣品采集后置于聚乙烯自封袋中，于-20 ℃冰箱中冷凍保存。依據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.5—1998)檢測方法，將沉積物風(fēng)干、研磨，經(jīng)過200目篩分過篩，消解后用原子吸收分光光度法測Cu、Zn、Pb、Cd 4種重金屬含量，每個(gè)站位點(diǎn)樣品測定3次。

表1 環(huán)渤海沉積物采樣站位

表2 盤錦雙臺(tái)河口紅海灘沉積物采樣站位

1.2 沉積物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)方法

目前，濕地重金屬污染的評價(jià)方法較多，常用的方法主要有地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法、沉積物集系數(shù)法等。本文參考何東明等[14]的評價(jià)方法，使用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評價(jià)沉積物重金屬含量。

1.2.1 沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB18668—2002)分析，可執(zhí)行二級標(biāo)準(zhǔn)。如表3。

表3 海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)

1.2.2 地積累指數(shù)法

地累積指數(shù)法計(jì)算公式為：

Igeo=log2[Ci/(K*Bi)]Igeo=log2[Ci/(K*Bi)]

式中：Igeo表示地積累指數(shù)，Ci為計(jì)算得出的沉積物中重金屬污染物i的濃度，mg/kg；K為可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)，一般取1.5；Bi為渤海海域沉積物重金屬背景值，分別為Cu=21.7 mg/kg，Zn=65.15 mg/kg，Pb=13.96 mg/kg，Cd=0.088 mg/kg[15]；

地積累指數(shù)Igeo與沉積物污染程度對應(yīng)關(guān)系見表4。

表4 地積累指數(shù)與沉積物污染程度分級

1.2.3 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)法的計(jì)算公式為：

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與沉積物污染級別的關(guān)系如表5所示。

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與沉積物污染程度分級

1.3 數(shù)據(jù)處理

各站位重金屬含量均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan法進(jìn)行組間多重比較，顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物重金屬的含量

各站位的不同重金屬含量見表6和表7。不同站位之間各重金屬含量部分存在顯著差異。其中Zn含量稍高，最高為94.48 mg/kg；Cu、Pb和Cd含量普遍偏小，Cd的含量最低為0.08 mg/kg，有5個(gè)站位并未檢測出Cd的含量。

表6 環(huán)渤海各站位重金屬含量(mg/kg)

從重金屬離子含量來看，研究區(qū)域Zn的含量最高，Cd的含量最低，從高到低的排序?yàn)椋篫n>Pb>Cu>Cd。東營機(jī)場站位Cu含量為5.41 mg/kg，在環(huán)渤海相對較高，唐山曹妃甸生態(tài)城站位Cu含量為0.08 mg/kg，含量最低，其余站位Cu離子含量均在0.48～5.81 mg/kg之間，說明環(huán)渤海沿岸Cu2+含量從西到東逐漸升高。從Zn角度來看，廊橋愛夢站位Zn的含量為94.48 mg/kg，含量最高，唐山曹妃甸生態(tài)城站位Zn含量為16.29 mg/kg，其余Zn含量在29～76 mg/kg之間。整個(gè)環(huán)渤海Pb含量比較穩(wěn)定，最大值和最小值之間差別不大。整個(gè)環(huán)渤海Cd2+含量較低，東部含量整體較高于西部，但差異不明顯。從4種重金屬元素綜合來看，環(huán)渤海東部地區(qū)紅海灘附近的重金屬含量較高，西部地區(qū)重金屬含量稍低。如表7、8所示，從重金屬總含量來看，廊橋愛夢站位重金屬含量最高為108.49 mg/kg，唐山曹妃甸生態(tài)城站位重金屬含量最低為24.78 mg/kg。與林曼曼[17]等人關(guān)于環(huán)渤海的調(diào)查研究結(jié)果相近。

表7 盤錦雙臺(tái)河口紅海灘各站位重金屬含量(mg/kg)

表8 沉積物重金屬元素含量(mg/kg)

2.2 地積累污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果

利用公式(1)，計(jì)算得到各個(gè)采樣點(diǎn)重金屬離子地積累指數(shù)，結(jié)果如表9所示。從單項(xiàng)平均地積累指數(shù)來看，Cu、Zn和Pb的地積累污染指數(shù)均小于0，污染級別均為0級，屬于無污染程度，4個(gè)站位的Cd的地積累指數(shù)在0～1之間，污染級別為1級，屬于輕微污染。該研究地區(qū)Cu的地積累污染指數(shù)在-9.95～-3.45的之間，Zn的地積累指數(shù)在-4.20～-1.67的范圍之間，Pb的地積累指數(shù)在-5.82～-5.40的范圍之間，Cd的地積累指數(shù)在-1.62～0.76的范圍之間。其污染程度由強(qiáng)到弱依次為：Cd>Zn>Cu>Pb。

表9 沉積物地積累污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果(mg/kg)

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)結(jié)果

表10列出了研究區(qū)4種重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，根據(jù)平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(表5)分析，4種重金屬離子的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值Cu、Zn、Pb和Cd，E<40為低度污染，但4個(gè)站位的Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)E在40～80之間，為中級污染，其他站位為無污染。4種重金屬元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值(RI<150)為低度污染，4種重金屬離子污染程度由強(qiáng)到弱依次為：Cd>Cu>Zn>Pb。

表10 4種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)結(jié)果

3 討 論

西部重金屬含量低于的東部的含量的結(jié)果表明，渤海周圍沉積物重金屬含量空間分布特征明顯，Pb、Cu和Zn的含量均明顯低于背景值，Cd的含量高于背景值，但與相關(guān)研究[18～21]測定含量差別不大。不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展上的差異和工業(yè)產(chǎn)業(yè)類型和模式的不同使重金屬在后期空間上的積累有所不同[22]，從區(qū)域自然環(huán)境特征來看，經(jīng)由河流匯入大海期間在沿岸濕地積累，從而使環(huán)渤海沿岸沉積物重金屬含量在空間上存在分布差異。重金屬存在于土壤顆粒中，以可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)形態(tài)存在，重金屬對土壤的影響根本上是影響酶的活性，銅可以影響土壤中脈酶活性，鋅影響過氧化氫酶活性[23]。此外，人類活動(dòng)的影響是沉積物重金屬含量的主要原因。例如遼寧自建國以來一直是我國重要的重工業(yè)和鋼鐵基地，其沉積物重金屬污染的主要原因是重工業(yè)的影響[24]。

與GB18668-2002中的二級標(biāo)準(zhǔn)相比，本研究調(diào)查的環(huán)渤海地區(qū)4種重金屬元素含量有所下降。降水沖刷河口沿岸的沉積物，使其中的重金屬元素隨泥沙流入大海，沉積物中的重金屬含量整體有所降低。

本研究主要采用查閱文獻(xiàn)和采集到有限的沉積物樣本測定重金屬數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行，通過分析得到環(huán)渤海沿岸底質(zhì)沉積物重金屬的空間分布。本實(shí)驗(yàn)在盤錦紅海灘站位比較多而集中，而在渤海西部地區(qū)的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)較少。這在某種程度上對結(jié)果造成一定的影響，如葫蘆島地區(qū)，樣本點(diǎn)稀少，使其沉積物重金屬含量整體偏低。在查閱的諸多文獻(xiàn)中，研究區(qū)多為沉積物受重金屬污染明顯的地區(qū)[25]，所以在本研究中與之對比的結(jié)果不可避免地偏低。

兩種評價(jià)方法的結(jié)果不同，地積累指數(shù)法結(jié)果為無污染，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法結(jié)果為低污染，探究兩種評價(jià)結(jié)果不同的原因，是由于兩種評價(jià)方法的評價(jià)角度不同[26]，可能與沉積物形態(tài)、重金屬富集形式等因素有關(guān)。比較兩種評價(jià)方法的4種重金屬污染情況由強(qiáng)到弱的排列順序，Zn和Cu的順序不同，另兩種順序不變，分析原因是后者的計(jì)算過程加入了生物毒性的部分。

經(jīng)地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評價(jià)，均說明在某幾個(gè)站位存在Cd污染，沉積物含有大量Cd的原因可能是來自于鉛鋅礦、電鍍等工廠，Cd可以隨著工業(yè)廢氣排出，并在周圍自然沉降，最終富集在沉積物中，也可能是Cd隨廢水等流入或滲入地下水引起的[27]。

4 結(jié) 論

在渤海沿岸底質(zhì)采集13個(gè)沉積物樣品進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明：所有站位4種重金屬元素含量的平均值均未超過標(biāo)準(zhǔn)。地累積指數(shù)法對平均值的評價(jià)結(jié)果是無污染，利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價(jià)平均值為低污染程度。環(huán)渤海東部地區(qū)紅海灘附近的重金屬含量較高，西部地區(qū)重金屬含量稍低。4個(gè)站位Cd的地積累指數(shù)評價(jià)為輕微污染，其他站位為無污染。4個(gè)站位Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)的評價(jià)為中度污染，其他站位無污染。