渤海灣潮間帶表層沉積物重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

劉 超，李 超，孟 莎，劉淑君，周 斌

(國(guó)家海洋局 北海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266061)

潮間帶是高低潮之間的地帶，是連接陸地和海洋的狹長(zhǎng)地帶[1]，有著豐富的生物資源。潮間帶環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)受陸地、海洋及人類(lèi)活動(dòng)的影響，是典型的生態(tài)敏感區(qū)，也是重金屬的主要富集區(qū)之一[2]。沿岸排放的重金屬污染物由入海河流攜帶進(jìn)入水體后，經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)過(guò)程在潮間帶沉降富集，影響了潮間帶環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)。潮間帶富集的重金屬極易二次釋放到環(huán)境中，給人類(lèi)生活質(zhì)量和身體健康造成威脅[3-7]。

渤海灣是渤海三大海灣之一，三面環(huán)陸，是京津地區(qū)的海上門(mén)戶。關(guān)于渤海灣污染，主要集中在渤海河口區(qū)以及渤海灣水體，沉積物以及生物體重金屬[8-10]。而對(duì)于渤海灣潮間帶沉積物重金屬的研究較少，秦延文等[11]分析了渤海灣秦皇島段沉積物重金屬柱狀樣的污染特征，周秀艷等[12]分析了渤海灣天津段潮間帶表層沉積物的污染狀況。本文分析了渤海灣潮間帶表層沉積物重金屬含量，并分析了渤海灣潮間帶表層沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，旨在為渤海灣環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

在渤海灣潮間帶設(shè)置了11個(gè)調(diào)查站位(圖1)，2016年5月在每個(gè)站位的高潮位、低潮位及高低潮之間分別取表層沉積物樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。因條件限制，未取得站位1的高潮位數(shù)據(jù)。

圖1 調(diào)查站位Fig.1 Surveying stations

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

將沉積物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，將其置于坩堝中，然后放入恒溫干燥箱烘干，研磨后過(guò)160目尼龍篩。稱(chēng)取0.1 g沉積物樣品于50 m L聚四氟乙烯消解管中，用少許水潤(rùn)濕樣品，采用ST60全自動(dòng)消解儀消解樣品，逐漸升溫至180 ℃，冷卻10 min，依次加入2 m L硝酸，2 m L氫氟酸以及2 m L 高氯酸，繼續(xù)加熱至消解完全，期間補(bǔ)加1 m L硝酸和氫氟酸。待消解完全后，加水定容至標(biāo)線、混勻、澄清，取上清液采用PAA900T原子吸收光譜儀測(cè)定重金屬含量。

1.2 評(píng)價(jià)方法

采用潛在生態(tài)危害指數(shù)(Potential Ecological Risk Index，RI)法對(duì)渤海灣潮間帶表層沉積物進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法由瑞典科學(xué)家Hakanson于1980年提出[13]，充分考慮了生物毒性、生態(tài)危害的影響，以重金屬含量、數(shù)量、毒性及評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘俚拿舾行运膫€(gè)基本條件為原則。公式如下:

式中:C if、E ir分別是第i種重金屬的污染系數(shù)和潛在生態(tài)危害系數(shù);C iD為重金屬i質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)測(cè)值;C iR為重金屬i質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高背景值，采用渤海沉積物重金屬的背景值;T ir為毒性系數(shù)，用于反映重金屬的毒性水平和生物對(duì)重金屬的敏感程度(表1)[2];Cd為重金屬總體污染程度指數(shù)。潛在生態(tài)污染指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2[15]。

表1 重金屬毒性系數(shù)以及背景值Table 1 Toxicity coefficients of heavy metals and their background values

表2 潛在生態(tài)污染指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of the potential ecological pollution index method

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分布特征

根據(jù)海洋沉積物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[15]，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr五種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表3)均低于國(guó)家一類(lèi)沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值:①Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為14.60μg·g-1，出現(xiàn)在站位9低潮位時(shí)刻，最小值為4.12μg·g-1，出現(xiàn)在站位2低潮位時(shí)刻，平均值為8.18μg·g-1;②Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為28.03μg·g-1，出現(xiàn)在站位11低潮位時(shí)刻，最小值為9.04μg·g-1，出現(xiàn)在站位9高潮位時(shí)刻，平均值為15.9μg·g-1;③Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為89.25μg·g-1，出現(xiàn)在站位7高潮位時(shí)刻，最小值為16.6μg·g-1，出現(xiàn)在站位7中潮位時(shí)刻，平均值為60.87μg·g-1;④Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為0.36μg·g-1，出現(xiàn)在站位5低潮位時(shí)刻，最小值為0.08μg·g-1，出現(xiàn)在站位3高潮位時(shí)刻，平均值為0.17μg·g-1;⑤Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為53.16μg·g-1，出現(xiàn)在站位11中潮位時(shí)刻，最小值為32.20μg·g-1，出現(xiàn)在站位3高潮位時(shí)刻，平均值為40.27μg·g-1。按質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值由高到低依次為Zn、Cr、Pb、Cu和Cd。

表3 渤海灣潮間帶表層重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(μg·g-1)Table 3 Contents of heavy metals in the surface sediments in the intertidal zone of the Bohai Bay(μg·g-1)

將本研究區(qū)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與國(guó)內(nèi)典型海灣相比較(表4)可知:Cu處于相對(duì)較低的水平;Pb與北海潮間帶含量相當(dāng)，低于其他海灣;Zn與膠州灣、北海潮間帶相近，明顯低于其他海灣;Cd高于膠州灣，低于長(zhǎng)江口濱岸潮灘與珠江口，與北海、杭州灣相近;Cr與杭州灣相近，明顯低于其他海灣。

表4 典型河口海灣重金屬元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(μg·g-1)Table 4 The average content of heavy metal elements in the sediments in typical bays and estuaries(μg·g-1)

與2008年環(huán)渤海典型海域潮間帶重金屬含量[16](表5)進(jìn)行對(duì)比，重金屬含量變化不大，本次調(diào)查中Zn、Cu比2008年含量略低，Pb、Cd和Cr含量基本一致。

表5 2008年渤海灣典型海域潮間帶重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(μg·g-1)Table 5 The contents of heavy metals in the typical intertidal zones around the Bohai Sea in 2008(μg·g-1)

續(xù)表

圖2為高中低潮位表層沉積物重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd和Cr)含量的分布圖，從圖中可以看出，高中低潮位表層重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd和Cr)沿站位分布基本相近，其中Cu、Pb、Cd和Cr的分布相近，Zn變化較大，站位4～站位11 Zn和Cd含量增加明顯。

圖2 表層沉積物重金屬分布Fig.2 Distributions of heavy metals in the surface sediments

2.2 表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

將渤海灣潮間帶沉積物重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd和Cr)數(shù)據(jù)應(yīng)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，所得評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 渤海灣潮間帶表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Table 6 Potential ecological risk indexes of heavy metals in the surface sediments in the intertidal zone of the Bohai Bay

由表6可知，Pb、Cr、Cu和Zn屬于低污染程度，Cd屬于中等污染程度，總體污染的污染指數(shù)小于8，屬于低污染程度。從5種重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)來(lái)看，5種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)由高至低為Cd、Pb、Cr、Cu和Zn，其中Pb、Cr、Cu、Zn的單個(gè)元素的危害系數(shù)都低于40，屬于低微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);Cd有8個(gè)站位的值介于40～80，屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其余站位屬于低微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。從重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)來(lái)看，所有站位RI值都小于135，屬于低微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。綜上所述，無(wú)論是單個(gè)元素還是總體的污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)都處于中等污染以下，說(shuō)明調(diào)查區(qū)域沉積物重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)良好。

3 結(jié) 論

通過(guò)分析渤海灣潮間帶表層沉積物樣品，討論了其重金屬含量及分布特征，采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)研究區(qū)5種重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)。得出結(jié)論如下:

1)渤海灣潮間帶表層沉積物5種重金屬Cu、Pb、Zn、Cr和Cd均未超出海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

2)渤海灣潮間帶表層沉積物中五項(xiàng)重金屬中Cu、Pb、Cd、Cr沿站位的分布特征基本相似，高值出現(xiàn)在站位4和站位11;Zn沿站位的分布特征與其他4種元素不同，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化大，存在明顯的高值和低值，區(qū)域差別大。

3)從單個(gè)元素污染系數(shù)來(lái)看，Pb、Cr、Cu、Zn屬于低污染程度，Cd屬于中等污染程度，總體污染污染指數(shù)小于8，屬于低污染程度。5種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)順序由高至低為Cd、Pb、Cr、Cu和Zn，5種元素中Pb、Cr、Cu、Zn的單個(gè)元素的危害系數(shù)屬于低微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，Cd屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

因此，調(diào)整近海產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制入海河流和近海經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重金屬特別是鎘的污染排放，對(duì)保障渤海灣生態(tài)安全至關(guān)重要。