長江口及鄰近海域沉積物重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險評價

孫 毅，母清林，佘運勇，王 劍，王艷華

（浙江省舟山海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，浙江舟山 316000）

河口是流域物質(zhì)入海的必經(jīng)之地，是陸海相互作用的通道，也是受人類活動影響最為強烈的地區(qū)[1]。人類活動產(chǎn)生的大量重金屬污染物質(zhì)進入河口三角洲和鄰近海域，這些重金屬在河口區(qū)經(jīng)歷了吸附作用、絮凝作用等復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物過程，使得大部分重金屬污染物轉(zhuǎn)移到顆粒態(tài)中并隨之沉積于河口三角洲和鄰近海域，而海水中有害重金屬元素的濃度大大降低。沉積物既是污染物的載體，又是潛在的污染源。進入到沉積物中的重金屬分布具有時空上的有序性和相對穩(wěn)定性，并具有很強的富集性。這些都對底棲生物產(chǎn)生很強的毒副作用，并通過食物鏈影響人類的健康[2]。

長江口是我國最典型的河口，長江三角洲經(jīng)濟圈是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一。據(jù)國家海洋局發(fā)布的2003-2006年全國海洋環(huán)境質(zhì)量公報顯示，不包括入海排污口排放的重金屬污染物，每年由長江攜帶入海的重金屬就高達（2～3）萬t[3-5]。主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是一種掌握主要矛盾的統(tǒng)計分析方法，能夠簡化數(shù)據(jù)來反映原來多變量的大部分信息[6]。而Hakanson生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[7]綜合考慮了重金屬的毒性、重金屬在沉積物中普遍的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?，以及重金屬區(qū)域背景值的差異，消除了區(qū)域差異和異源污染的影響，可以綜合反映沉積物中重金屬對生態(tài)環(huán)境的影響潛力，許多學(xué)者和專家利用該方法對不同地區(qū)的沉積物重金屬污染進行了評價[8-11]。

本研究分析了長江口及其鄰近海域表層沉積物重金屬的分布特征，研究了重金屬元素間的相關(guān)關(guān)系，通過主成分分析對沉積物中重金屬的來源進行了考察，并運用Hakanson指數(shù)法對重金屬污染生態(tài)風(fēng)險進行了評價，對于該海域的海洋環(huán)境保護，海洋資源的可持續(xù)利用具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及樣品采集

于2009年4月對長江口及其鄰近海域進行了調(diào)查，共設(shè)22個站位，站位圖如圖1所示。采用抓斗式采樣器采集表層沉積物樣品，采樣后樣品放入聚乙烯塑料袋中密封，-20℃冰凍保存。

1.2 樣品處理與分析

樣品經(jīng)冷凍干燥儀冷凍干燥后，并經(jīng)球磨儀粉碎后待測。樣品的Pb、Cd、Cr采用石墨爐原子吸收分光光度法；Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法；As、Hg采用氫化物—原子熒光光度法；有關(guān)操作參見《海洋監(jiān)測規(guī)范》[12]。采用GBW07314標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)全程質(zhì)控。

2 結(jié)果與討論

2.1 長江口及其鄰近海域沉積物重金屬分布特征

重金屬元素 Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As的空間分布如圖2所示。

Cu：平均含量為27.88mg/kg，在杭州灣外9號站位達到最大為50.2 mg/kg，最小值位于長江口外3號站位為7.6 mg/kg。調(diào)查區(qū)域北部含量較低，杭州灣北部與長江口南入?？跒楦咧祬^(qū)。

Pb：平均含量為22.98 mg/kg，在杭州灣外9號站位達到最大為31.8 mg/kg，最小值位于舟山市岱山島北部19號站位為14.1mg/kg?？臻g分布類似于Cu的分布，調(diào)查區(qū)域南、北兩端含量較低，杭州灣北部與長江口南入?？跒楦咧祬^(qū)。

圖1 采樣站位圖Fig.1 Location of sampling sites

Zn：平均含量為 95.88 mg/kg，在杭州灣外7號站位達到最大為124mg/kg，最小值位于長江口外3號站位為53.1 mg/kg?？臻g分布為調(diào)查區(qū)域北部含量較低，杭州灣北部與長江口南入?？跒楦咧祬^(qū)。

Cd：平均含量為 0.178 mg/kg，在杭州灣外9號站位達到最大為0.356 mg/kg，最小值位于岱山島東部海域22號站位為0.093 mg/kg?？臻g分布為杭州灣內(nèi)和長江口最高，并向東和東南部遞減。

Cr：平均含量為 41.01 mg/kg，在調(diào)查區(qū)域東南角20號站位達到最大為64.8 mg/kg，最小值位于杭州灣內(nèi)12號站位為22 mg/kg?？臻g分布為調(diào)查區(qū)域北部和杭州灣內(nèi)含量較低，調(diào)查海域東南部較高。

Hg：平均含量為 0.031 mg/kg，在杭州灣內(nèi)18號站位達到最大為0.054 mg/kg，最小值位于岱山島北部19站位為0.017 mg/kg?？臻g分布為杭州灣內(nèi)和長江口最高，并向東遞減。

As：平均含量為 11.40 mg/kg，在杭州灣外9號站位達到最大為15.6 mg/kg，最小值位于岱山島北部19號站位為14.1 mg/kg。空間分布類似于Cu的分布，調(diào)查區(qū)域南、北兩端含量較低，杭州灣北部與長江口南入?？跒楦咧祬^(qū)。

調(diào)查海域沉積物中重金屬含量分布總體呈現(xiàn)為杭州灣北部和長江口南出口處含量較高，在杭州灣外9號站位普遍較高。從空間分布來看，沉積物中重金屬主要受到長江流域的影響，在長江口南支和杭州灣北部沿岸呈現(xiàn)高值區(qū)。

2.2 相關(guān)性分析

采用數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS16.0作了重金屬間的Pearson（皮爾遜）相關(guān)性分析。結(jié)果表明：各重金屬元素之間，Cu與 Pb、Zn、Cd、As，Pb與 Zn、Cd、As，Zn 與 Cd、As，Cr與 As有明顯的正相關(guān)關(guān)系。

圖2 重金屬含量分布Fig.2 Distribution patterns of heavy metals in surface sediments

表1 重金屬元素間相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analyses among heavy metals

2.3 主成分分析及主要污染物識別

運用數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS16.0對沉積物中各種污染物進行因子分析，通過主成分分析計算，沉積物中7種污染物的全部信息可由3個主成分反映92.048%，即對前3個主成分進行分析已經(jīng)能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息。其主成分分析計算結(jié)果見表2。

由表2可知，第一主成分表現(xiàn)為因子變量在Cu、Zn、Pb、As、Cd的濃度上有較高的正載荷。同空間分布的特征相似，這幾種元素主要來自長江徑流的影響，為陸源輸入。第二主成分在Cr的濃度上有較高的負(fù)載荷，空間分布也表明在調(diào)查海域的東部偏高，反映了沉積物中Cr受長江等陸源輸入的影響較小。第三主成分在Hg的濃度上有較高的正載荷。沉積物中Hg的含量很低，在杭州灣內(nèi)和長江口部分站位稍微高于其它海區(qū)，表明了陸源輸入對沉積物中Hg有一定的影響。

表2 本研究中主成分分析主要計算結(jié)果Tab.2 The main calculated results of principal component analysis（PCA）in present study

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

2.4.1 Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法

Hakanson從重金屬的生物毒性角度建議對Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As 7種元素進行評價，以使區(qū)域質(zhì)量評價更具有代表性和可比性。本文也選擇了這7種元素進行評價。

根據(jù)潛在生態(tài)危害系數(shù)法，某區(qū)域沉積物中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eir和沉積物中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI可分別表示為：

對于沉積物重金屬的評價，人們借助于確定區(qū)域地球化學(xué)自然背景值的方法來區(qū)分沉積物中化學(xué)物質(zhì)的自然源量值及人為活動的增量水平[2]。本文采用文獻[13]沉積物中重金屬的參照值和毒性系數(shù)見表3。

表3 重金屬的背景參照值和毒性系數(shù)[13]Tab.3 Reference values and toxicity coefficient of heavy metals

2.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果

監(jiān)測數(shù)據(jù)的Eir、RI統(tǒng)計分析結(jié)果見表4，所有監(jiān)測站點表層沉積物重金屬潛在生態(tài)綜合風(fēng)險危害指數(shù)RI值遠(yuǎn)低于150，說明長江口及鄰近海域表層沉積物中重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險整體表現(xiàn)為輕微，即沉積物中重金屬的生態(tài)危害效應(yīng)較小。但在不同的海域，潛在生態(tài)風(fēng)險危害指數(shù)具有差異性。在長江口南匯及杭州灣北部的7號、9號、11號站位總的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險危害指數(shù)最高，分別為50.9、55.6、48.8；在調(diào)查海域的東北角的2號、10號以及岱山島北部的19號站位最低，分別為23.3、23.2、23.0。說明了長江徑流的輸入對近岸沉積物中重金屬的含量有一定影響。沉積物中單個重金屬潛在風(fēng)險危害系數(shù)均低于40，說明單因子污染物生態(tài)危害程度輕微。7種重金屬元素對長江口及鄰近海域潛在生態(tài)綜合危害的大小貢獻順序為：Cd>As>Hg>Cu=Pb>Cr>Zn。Cd的值對RI值的權(quán)重貢獻最大，即Cd表現(xiàn)為首要的潛在生態(tài)風(fēng)險因子。

表4 沉積物中重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)（）和危害指數(shù)（RI）Tab.4Potential ecological risk coefficients（）and risk indices（RI）of heavy metals in sediments

表4 沉積物中重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)（）和危害指數(shù)（RI）Tab.4Potential ecological risk coefficients（）and risk indices（RI）of heavy metals in sediments

站位Eir RI Cu Pb Zn Cd Cr Hg As 1234567891 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22平均值4.2 1.7 1.3 1.9 6.3 6.0 6.9 4.2 8.4 1.8 6.0 4.3 5.8 4.7 5.3 5.3 4.5 5.5 3.2 6.5 4.5 4.2 4.6 5.3 3.7 3.5 3.7 5.8 5.7 6.0 3.7 6.4 3.7 6.0 4.3 5.5 4.5 5.0 4.8 4.3 4.1 2.8 4.5 3.6 4.3 4.6 1.2 0.8 0.7 0.9 1.4 1.3 1.6 1.0 1.5 0.9 1.5 1.2 1.3 1.1 1.4 1.3 1.1 1.4 1.0 1.4 1.2 1.2 1.2 12.9 7.3 6.8 11.7 15.8 9.8 20.3 8.3 21.4 6.4 16.1 12.1 13.1 9.6 9.7 10.4 9.0 8.9 5.9 7.4 6.2 5.6 10.7 1.2 1.1 0.8 0.7 1.2 2.1 1.8 1.7 1.2 0.9 1.0 0.7 0.8 1.8 1.8 1.7 1.4 1.7 1.4 2.2 1.6 1.5 1.4 6.4 4.2 6.8 9.8 3.6 8.0 6.2 4.0 6.4 5.8 9.8 6.0 10.0 4.4 5.2 4.6 4.0 10.8 3.4 4.4 4.8 8.0 6.2 8.4 4.4 5.6 5.7 8.5 9.6 8.3 9.5 10.4 3.9 8.4 6.0 8.3 7.1 8.7 8.1 8.3 7.4 5.3 10.0 6.9 8.5 7.6 39.5 23.3 25.4 34.4 42.6 42.6 50.9 32.3 55.6 23.2 48.8 34.7 44.7 33.2 37.0 36.3 32.5 39.7 23.0 36.4 28.7 33.3 36.3

3 結(jié)論

長江口及其鄰近海域表層沉積物中重金屬空間分布總體表現(xiàn)為在杭州灣北部及長江口南匯交界處較高，在調(diào)查海域的東北部及南部較低。表明沉積物中重金屬受到長江徑流的影響，其高含量主要為陸源輸入。

各重金屬元素之間，Cu 與 Pb、Zn、Cd、As，Pb 與 Zn、Cd、As，Zn 與 Cd、As，Cr與 As有明顯的正相關(guān)關(guān)系。

通過主成分分析，第一主成分表現(xiàn)為因子變量在Cu、Zn、Pb、As、Cd的濃度上有較高的正載荷。第二主成分在Cr的濃度上有較高的負(fù)載荷。第三主成分在Hg的濃度上有較高的正載荷。其分析結(jié)果也與空間分布特征相符，第一主成分及第三主成分的Cu、Zn、Pb、As、Cd、Hg 6種元素主要受到來自陸源輸入的影響，而第二主成分的Cr在調(diào)查海域的東部更高，受到近岸人類活動的影響較小。

潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果顯示，長江口及其鄰近海域表層沉積物中重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險整體表現(xiàn)為輕微。7種重金屬元素對長江口及鄰近海域潛在生態(tài)綜合危害的大小貢獻順序為：Cd>As>Hg>Cu=Pb>Cr>Zn。Cd的Eir值對RI值的權(quán)重貢獻最大，即Cd表現(xiàn)為首要的潛在生態(tài)風(fēng)險因子。

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