溫州蒼南海域表層沉積物重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

徐菲菲，胡紅美，郭遠(yuǎn)明，李鐵軍，徐開達(dá)，劉 琴，尤炬炬

(1.浙江伊渼源檢測(cè)科技有限公司，浙江舟山 316021；2.浙江海洋大學(xué)海洋與漁業(yè)研究所，浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316021)

隨著人口的快速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海洋環(huán)境問題也日益突出[1]。海洋生態(tài)系統(tǒng)的沉積物通常被認(rèn)為是重金屬的主要匯點(diǎn)，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，這些沉積物也可能成為各種水生生物體內(nèi)重金屬的潛在來源，再通過食物鏈傳播，最終對(duì)人類健康和安全構(gòu)成威脅[2-5]。研究表明，重金屬具有一定毒性、不可生物降解性和持久性[6-7]。因此，迫切需要調(diào)查沉積物中重金屬污染現(xiàn)狀，并評(píng)估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、潛在來源和命運(yùn)[8]。

蒼南縣位于浙江省最南端，瀕臨東海，海岸線長(zhǎng)230 km。內(nèi)海及領(lǐng)海面積3 783 km2，沿海灘涂面積97.24 km2，漁業(yè)資源較為豐富[9]。近年來，蒼南縣涉海工程日益趨多以及絕大多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水直排入海，造成近海海洋環(huán)境壓力較大，但目前涉及蒼南海域沉積物中重金屬賦存特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)缺乏，且現(xiàn)有重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估多采用單因子指數(shù)法，不能反映多種重金屬的綜合效應(yīng)。因此，本文對(duì)溫州蒼南海域表層沉積物中7 種重金屬進(jìn)行了檢測(cè)，采用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法探討了表層沉積物中不同重金屬污染特征[10]，并對(duì)其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，旨在為溫州蒼南海域生態(tài)環(huán)境保護(hù)及污染修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣與分析

依據(jù)重點(diǎn)代表、近密遠(yuǎn)疏站位布設(shè)原則，2018 年4 月(春季)、9 月(秋季)在溫州蒼南海域設(shè)置了10 個(gè)代表性采樣點(diǎn)(圖1)，通過使用Van Veen grab 采泥器采集0～5 cm 表層沉積物樣品。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、鉻(Cr)和總有機(jī)碳(TOC)。樣品的采集、保存和檢測(cè)主要按照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB 12763-2007)、《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378-2007)中相關(guān)要求執(zhí)行[11-12]。As 和Hg 采用原子熒光光譜法(AFS)測(cè)定，Cu、Zn、Pb、Cd 和Cr 采用電感等離子質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定[13]，TOC 采用氧化還原容量法測(cè)定。在檢測(cè)過程中均進(jìn)行質(zhì)控樣和20%平行樣分析，相對(duì)誤差＜15%，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

圖1 采樣站位分布圖Fig.1 Distribution of sampling station

1.2 評(píng)價(jià)方法

(1) 單因子指數(shù)法 該方法對(duì)每個(gè)重金屬進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

式中，Pi為重金屬i 的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，Ci為重金屬i 的實(shí)測(cè)濃度，Si為重金屬i 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)《浙江省海洋功能區(qū)劃(2011-2020 年)》，蒼南海域海洋功能區(qū)有漁農(nóng)業(yè)區(qū)、工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū)、港口航運(yùn)區(qū)、保留區(qū)等，本研究執(zhí)行《海洋沉積物質(zhì)量》(GB 18668-2002)中的第一類標(biāo)準(zhǔn)[14]，當(dāng)Pi≤1 時(shí)，表示符合海洋功能要求，反之，表示超標(biāo)。

(2) 綜合污染指數(shù)法 該方法建立在單因子指數(shù)法基礎(chǔ)上，反映每個(gè)站位多種重金屬對(duì)表層沉積物的綜合作用結(jié)果，計(jì)算公式為：

式中，PI 為重金屬綜合污染指數(shù)，n 為評(píng)價(jià)重金屬種類數(shù)。當(dāng)PI＜0.3 時(shí)，質(zhì)量等級(jí)為清潔；0.3≤PI＜0.7，為尚清潔；0.7≤PI＜1，為允許；1≤PI＜2，為輕污染；2≤PI＜3，為污染；3≤PI＜5，為重污染；5≤PI，為惡性污染。

(3) 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 該方法1980 年由瑞典學(xué)者H?KANSON 提出，用于毒理學(xué)評(píng)價(jià)沉積物重金屬的綜合污染狀況和環(huán)境影響[15-16]。

式中，Cfi為重金屬i 的污染指數(shù)，Csi為全球工業(yè)化前沉積物中重金屬i 含量[17]，其中Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr 含量分別為10.52、66.1、20.27、0.053、16.6、0.092、67.4 mg·kg-1。

Eri為重金屬i 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Tri為重金屬i 毒性響應(yīng)因子。其中Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr 的毒性響應(yīng)參數(shù)分別為5、1、5、30、10、40、2[10]。

RI 為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。各指數(shù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Potential ecological risk assessment criteria

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬的含量和污染特征

2018 年春、秋季蒼南海域表層沉積物質(zhì)量無顯著性差異，春季Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg 和Cr 平均含量分別為23、73、31、0.069、10、0.013、54 mg·kg-1，秋季分別為28、79、38、0.078、9.4、0.024、58 mg·kg-1(圖2)，參照全國海岸帶重金屬的背景值[18]，除Pb 外，其他重金屬平均含量均低于背景值，Pb 平均含量(春季31 mg·kg-1，秋季38 mg·kg-1)高于背景值(25 mg·kg-1)，春季最大值位于3 號(hào)站位(45 mg·kg-1)，秋季位于3 號(hào)站位(46 mg·kg-1)，均靠近岸邊，春、秋站位超標(biāo)率均為90%。此外，Cu、Zn、Cr、As 也有部分站位也略高于背景值，春季站位超標(biāo)率分別為10%、50%、40%、20%，秋季分別為70%、40%、50%、20%。與全國海岸帶重金屬背景值相比，蒼南海域重金屬已受到一定污染，主要污染因子為Pb、Cu、Zn、Cr。

圖2 蒼南海域春季(A)、秋季(B)表層沉積物中重金屬含量Fig.2 Contents of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.2 重金屬單因子污染指數(shù)

根據(jù)公式(1)，春、秋季所有調(diào)查站位Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr 的單因子污染指數(shù)均≤1(圖3)，各重金屬含量均符合《海洋沉積物質(zhì)量》(GB 18668-2002)中的第一類標(biāo)準(zhǔn)。春季7 種重金屬平均污染指數(shù)大小排序?yàn)镃r(0.67)＞Cu(0.65)＞Pb(0.51)＞As(0.50)＞Zn(0.49)＞Cd(0.14)＞Hg(0.07)，秋季為Cu(0.80)＞Cr(0.72)＞Pb(0.63)＞Zn(0.53)＞As(0.47)＞Cd(0.16)＞Hg(0.12)。

圖3 蒼南海域春季(A)、秋季(B)表層沉積物中重金屬標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)Fig.3 Standard index of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.3 重金屬綜合污染指數(shù)

根據(jù)公式(2)，春、秋季各調(diào)查站位綜合污染指數(shù)范圍分別為0.30～0.52(平均0.43)和0.35～0.55(平均0.49)，0.3≤PI＜0.7，說明蒼南海域沉積物質(zhì)量均處于尚清潔狀態(tài)。

2.4 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

基于全球工業(yè)化前沉積物中重金屬含量為背景值，根據(jù)公式(3)、(4)、(5)計(jì)算重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(如表2)。結(jié)果表明，除Cd 春季少數(shù)站位略高(40.19～49.81)，秋季大部分站位略高(40.75～56.04)外，春、秋季其他重金屬單項(xiàng)污染物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于40，且春季Cd 平均生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于40，但秋季略大于40，單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(Eri)除秋季Cd 為“中”，其他均為“低”，春季7 種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小順序?yàn)镃d＞Cu＞Pb＞As＞Hg＞Cr＞Zn，秋季為Cd＞Cu＞Hg＞Pb＞As＞Cr＞Zn?？傮w而言，春、秋季重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)RI 均小于150，因此該海域重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“低”。

表2 蒼南海域表層沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.2 Potential ecological risk index of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.5 重金屬富集程度分析

富集因子是評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)表層沉積物重金屬富集程度和污染狀況的重要指標(biāo)[19]。沉積物中重金屬除了自然來源，還受人類活動(dòng)影響。為揭示人類活動(dòng)對(duì)蒼南海域環(huán)境質(zhì)量影響程度，基于全球工業(yè)化前沉積物中重金屬含量為背景值，根據(jù)公式(3)計(jì)算各金屬的富集系數(shù)(圖4)，結(jié)果表明。春、秋季除Cr、Hg、As外，其他重金屬平均富集系數(shù)均大于1，其中Pb 所有監(jiān)測(cè)站位富集系數(shù)均大于1，春、秋季各金屬富集程度大小順序均為Cu＞Pb＞Cd＞Zn＞Cr＞As＞Hg。

圖4 蒼南海域春季(A)、秋季(B)表層沉積物重金屬富集系數(shù)Fig.4 Enrichment factor of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.6 重金屬與TOC 相關(guān)性分析

通過重金屬之間的相關(guān)性分析可確定沉積物中重金屬的同源性。TOC 成分和含量的變化是影響表層沉積物中重金屬分布的重要因素之一[20]。對(duì)2018 年春、秋季采集的10 個(gè)表層沉積物樣品中的7 種重金屬含量和TOC 含量進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析(表3)。結(jié)果表明，春季Cu 和Zn、Cu 和Cr、Zn 和Cr 之間存在極顯著相關(guān)性，秋季Cu 和Pb、Cu 和Zn、Cu 和Cr、Pb 和Zn、Pb 和Cd、Pb 和Cr、Zn 和Cr 之間存在顯著或極顯著相關(guān)性、說明它們之間具有一定的同源性。此外，春季蒼南海域TOC 與Cd 具有顯著正相關(guān)性，這可能通過海水中重金屬與TOC 進(jìn)行表面吸附沉積進(jìn)入底質(zhì)環(huán)境[21]。

表3 蒼南海域表層沉積物中重金屬含量和TOC 含量的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation coefficient among of heavy metals and TOC in surface sediments in Cangnan sea area

3 小結(jié)

(1) 蒼南海域表層沉積物中春季Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg 和Cr 含量范圍分別為8.6～32、39～93、22～45、0.052～0.088、8.1～13、0.01～0.02、31～70 mg·kg-1，秋季分別為9.5～35、66～91、24～46、0.046～0.099、6.7～12、0.013～0.042、41～72 mg·kg-1，所有調(diào)查站位重金屬含量均符合《海洋沉積物質(zhì)量》一類標(biāo)準(zhǔn)；與全國海岸帶重金屬的背景值相比，重金屬已受到一定污染，主要污染因子為Pb、Cu、Zn、Cr。

(2) 綜合污染指數(shù)分析表明蒼南海域沉積物質(zhì)量均處于尚清潔狀態(tài)；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表明，總體上，蒼南海域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，春季7 種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小順序?yàn)镃d＞Cu＞Pb＞As＞Hg＞Cr＞Zn，秋季為Cd＞Cu＞Hg＞Pb＞As＞Cr＞Zn；結(jié)合重金屬富集程度分析，除Cr、Hg、As 外，其他重金屬平均富集系數(shù)均大于1，春、秋季各金屬富集程度大小順序均為Cu＞Pb＞Cd＞Zn＞Cr＞As＞Hg；重金屬和TOC 相關(guān)性分析表明，該海域表層沉積物中TOC 僅與Cd 含量具有一定的正相關(guān)性。