遼東灣西北部海域沉積物重金屬含量分析及污染評價

段一明 張戈 于大濤

摘要：為了解遼東灣西北部海域沉積物重金屬的分布特征及污染程度，文章基于2017年3月遼東灣西北部12個采樣站位表層沉積物7種重金屬含量（Hg、Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、As）的測定，對遼東灣西北部海洋沉積物中的重金屬進行了研究。SPSS用于沉積物中重金屬含量統(tǒng)計分析并通過地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)的方法評估重金屬污染和生態(tài)危害的程度。結(jié)果顯示：（1）遼東灣西北部沉積物重金屬含量平均值只有Cd符合海洋沉積物一類標準，變異程度由高到低依次為Hg、Cd、As、Zn、Pb、Cu，汞和鎘受人為來源控制最高;（2）地累積指數(shù)法評價結(jié)果表明重金屬元素污染程度由大到小依次為Hg、Cd、Zn、As、Cu、Pb;（3）潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價結(jié)果表明，單因子潛在生態(tài)風險系數(shù)由高到低依次為Hg、Cd、As、Cu、Pb、Zn、Cr，Hg具有很強的生態(tài)風險，綜合生態(tài)風險指數(shù)在233.77 ～4 785.15，平均1 224.12，處于很強的生態(tài)風險水平。文章揭示了遼東灣西北部海域沉積物重金屬的分布特征，為該海域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：遼東灣;沉積物;重金屬;污染評價;生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：P76 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2020）01-0039-07

Abstract：In order to understand the distribution characteristics and pollution degree of heavy metals in sediments，heavy metals in marine sediments in the northwest Liaodong bay were studied based on the determination of 7 heavy metals（Hg，Cu，Pb，Cd，Zn，Cr，As）in surface sediments at 12 sampling stations in the northwest of Liaodong bay in March 2017.SPSS was used for the statistical analysis of heavy metal content in sediments and to evaluate the degree of heavy metal pollution and ecological harm through the method of ground accumulation index and potential ecological risk index.The results showed that ：（1）only Cd in the average heavy metal content of sediments in the northwest of Liaodong bay met the standard of marine sediments，and the variation degree from high to low was Hg，Cd，As，Zn，Pb，Cu，the mercury and cadmium were the most controlled by human sources.（2）the evaluation results of the cumulative index method showed that the pollution degree of heavy metal elements from high to low was Hg，Cd，Zn，As，Cu，Pb.（3）the evaluation results of potential ecological risk index method，which showed that the potential ecological risk coefficient of single factor from high to low was Hg，Cd，As，Cu，Pb，Zn，Cr.Hg has strong ecological risk，and the comprehensive ecological risk index was between 233.77 and 4785.15，with an average of 1224.12，which was at a strong ecological risk level.The paper revealed the distribution characteristics of heavy metals in sediments in the northwest of Liaodong bay，which provided a basis for the ecological environment construction in this area.

Key words：Liaodong bay，Sediments，Heavy metals，Pollution evaluation，Ecological environment

0 引言

密度大于4.5 g/cm3的金屬被稱為重金屬，包括Pb、Cr、Hg等化學元素[1]。1950年，日本發(fā)現(xiàn)了由Hg、Cd引起的水俁病、痛痛病等環(huán)境災(zāi)害，從而開始了對重金屬的研究[2]。持久性、蓄積性、生物毒性是重金屬的三大特點[3-5]。另外，重金屬之所以被認為是沿岸地區(qū)重要的污染物之一就是因為其特點是來源廣泛、不易降解、殘留時間長，更具危害的是它極其容易在食物鏈中積累和富集[6-7]。易蓄積的特點使得重金屬被海洋生物吸收進入食物鏈后沿著食物鏈富集，變?yōu)楦哂卸拘缘慕饘儆袡C化合物[8]，并最終進入人體后影響人類的健康[9-10]?；诖?，對海洋沉積物的研究具有很重要的現(xiàn)實意義。重金屬進入海洋的方式多種多樣，主要有大氣沉降，沿岸地區(qū)排污以及地表河流等，并通過吸附、絮凝、沉降等物理化學作用以顆粒形態(tài)轉(zhuǎn)移到沉積物，使沉積物成為重金屬主要的存儲庫[11-14]。海洋水體在不斷變化，使海洋沉積物在不斷地進行著復雜的物理、化學和生物過程，造成沉積物中的重金屬重新進入海水中，對海洋水環(huán)境再次造成了污染[15-16]。本研究主要運用地累積指數(shù)法[17-18]和潛在生態(tài)風險評價法[18-20]對遼東灣西北部海洋沉積物重金屬污染進行評價研究。

遼東灣作為渤海海域三大海灣之一，它是我國重要的漁業(yè)基地，也是東北唯一的沿海經(jīng)濟區(qū)。遼東灣西北部是我國東北地區(qū)工業(yè)的主要聚集地，經(jīng)濟的發(fā)展和源源不斷的陸源污染物注入，對海洋生態(tài)環(huán)境造成了巨大的危害。近年來，由于沿海城市的快速發(fā)展，使得渤海海域的污染越來越嚴重。并且由于遼東灣有多條河流的注入以及特殊的海洋沉積特征，使得此區(qū)域成為重金屬污染嚴重的區(qū)域。關(guān)于遼東灣重金屬的研究前人已經(jīng)做了大量工作，但多是將遼東灣作為一個整體去研究，對于某一小區(qū)域的研究較少。為積極響應(yīng)《渤海綜合治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》，本研究利用2017年3月在遼東灣西北部海域所測數(shù)據(jù)，研究海洋沉積物重金屬的含量和分布特征并進行污染評價。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2017年3月，將遼東灣西北部的12個站位采集樣品（圖1），放入干凈的塑料袋中，在低溫環(huán)境下密封保存。將采集回來的樣品在45℃烘箱內(nèi)烘干用瑙研體碾細過80目尼龍篩。重金屬測定方法嚴格遵守《海洋監(jiān)測規(guī)范第5部分：沉積物分析》（GB17378.5—2007）中規(guī)定測定。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

采樣站位圖用ArcGIS10.5制作，使用Excel和數(shù)學軟件SPSS22.0分析各個站位的重金屬含量的平均值等參數(shù)，研究其異常特征，在此基礎(chǔ)上分析遼東灣西北部重金屬元素的分布特征。

1.2.2 地累積指數(shù)法

1969年，德國科學家MLLER G[21]提出一種定量指標法——地累積指數(shù)法（Igeo），用于評估重金屬污染程度。計算公式為：

1.2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

1980年，瑞典科學家HKANSON L[25]提出了潛在生態(tài)危害指數(shù)法來評價沉積物中重金屬的危害[26]。并指出重金屬的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)與毒理學有關(guān)，這反映了重金屬的生態(tài)危害[16，27]。計算公式為：

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物重金屬含量統(tǒng)計分析

測定結(jié)果表明（表3），在遼東灣西北部海洋沉積物重金屬研究中只有Cd符合一類沉積物標準，說明遼東灣沉積環(huán)境不容樂觀。并且重金屬元素Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As均超過了中國淺海背景值，分別是中國淺海的4.38倍、1.35倍、4.55倍、6.44倍、0.86倍、23.79倍、4.44倍，說明這幾種元素在沉積物中有一定的富集。

Cu的含量符合二類沉積物標準，從各個站位來看，只有4號站位符合一類沉積物標準，除2號、3號站位為三類沉積物外其余站位均為二類沉積物;Pb屬于一類沉積物，總體狀況較好;Zn屬于二類沉積物，但是1號、2號、3號站位均屬于劣三類;Cd屬于一類沉積物，但從單個站位看，2號、3號站位卻屬于劣三類;Cr為一類沉積物，從單個站位上看只有7號、8號站位屬于二類沉積物，其余均為一類沉積物;沉積物中Hg屬于三類沉積物，除1號、2號、3號站位為劣三類外，其余均符合二類標準;As的含量是（6.84～121）×10-6，平均值為34.16×10-6屬二類沉積物，同樣除1號、2號、3號站位含量較高外，其余站位均符合二類沉積物標準。并且遼東灣西北部沉積物重金屬含量的高值區(qū)出現(xiàn)在葫蘆島附近海域，這與李小月[28]、張現(xiàn)榮等[29]、孫欽幫等[30]、胡寧靜 [31]的研究結(jié)果一致。Hg和Cd超標嚴重，這與林曼曼等[32]、許艷等[33]的研究結(jié)論一致。

重金屬的變異程度反映了其空間分布的差異程度，一般情況下，小于15%的變異系數(shù)稱為小變異，15%～36%之間稱為中等變異，高度變異即大于36%[34-35]。結(jié)果表明，Cr是中度變異，其余6種重金屬元素均為高度變異，說明這6種重金屬元素分布極不均勻，可能受到人為來源的控制。且變異程度由高到低依次為Hg、Cd、Cr、As、Zn、Pb、Cu，說明汞和鎘受人為來源控制最高。

2.2 沉積物重金屬空間分布特征

遼東灣西北部海洋沉積物重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As有相似的空間分布，主要表現(xiàn)為高值區(qū)主要在葫蘆島北港工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū)。并且呈現(xiàn)出由近岸向外海沉積物重金屬的含量表現(xiàn)為逐漸減少的趨勢。另外，Cu在錦州灣與小筆架山附近含量也較高。Pb、Zn、Cd、Hg、As在錦州灣與小筆架山附近的含量較高。Cr的分布特征則與其他幾種重金屬不同，表現(xiàn)為在錦州灣和葫蘆島的含量較低，在小筆架山的附近含量較高。

2.3 遼東灣西北部海域沉積物重金屬污染評價

2.3.1 地累積指數(shù)法

研究區(qū)域地累積指數(shù)法評價結(jié)果見表4。7種海洋沉積物重金屬中除Cr為無污染外，其余6種重金屬均被污染，且污染程度由高到低依次為Hg、Cd、Zn、As、Cu、Pb。Hg污染最嚴重，污染程度從中度到極重度不等。且偏中度污染占到了58%，強污染占17%，嚴重污染占8%，并且極嚴重占到了17%。Cd污染程度為無污染到嚴重，絕大部分為輕度污染，占到了58%，中度、強、嚴重、極嚴重污染均占比8%。Zn也同樣是輕度污染居多，為33%，強度污染占到了17%。As的污染程度為輕度到強污染，從各個站位來看，輕度污染和強度污染均占17%，偏中度和中度污染占比為8%。Cu的污染程度為輕度到中度污染，但是Cu的污染范圍最廣，偏中度污染占到了66%，輕度和中度污染占17%。

2.3.2 潛在生態(tài)風險法評價

潛在生態(tài)風險指數(shù)如表5所示。遼東灣西北部海域沉積物重金屬單因子生態(tài)風險指數(shù)由高到低依次為Hg、Cd、As、Cu、Pb、Zn、Cr。因此，Hg為最大潛在生態(tài)風險因素，Hg污染處于極強生態(tài)風險水平，并且極強生態(tài)風險水平占到了42%，很強占比33%，強生態(tài)風險水平占25%。Cd污染次于Hg污染，屬于很強生態(tài)風險水平，但是很強生態(tài)風險水平的站位只占8%，絕大部分（58%）屬于中等生態(tài)風險水平，極強生態(tài)風險水平占16%，強生態(tài)風險和若生態(tài)風險水平各占8%。As的平均值是44.37，屬中等生態(tài)風險水平，但所有站位中輕微生態(tài)風險水平占多數(shù)，達到了75%，其余的25%屬于強生態(tài)風險水平。Cu、Pb、Zn和Cr的潛在生態(tài)風險系數(shù)為22.92、6.76、4.55、1.72，潛在生態(tài)風險系數(shù)均低于40，所以都屬于輕微生態(tài)風險水平。

重金屬綜合生態(tài)風險指數(shù)在233.77～4 785.15，平均1 224.12，總體處于很強的生態(tài)風險水平。表明遼東灣西北部的海洋沉積物重金屬污染很嚴重。1號、2號和3號站位的Hg和Cd的貢獻較高，RI分別為2 018.77 、4 785.15 、4 465.91，都在600以上，有很強的生態(tài)風險。5號和7號站位Hg貢獻較高，RI值也均在600以上，所以也有很強的生態(tài)風險。8號和10號站位生態(tài)破壞程度較強，其余站位處于中等水平。

藍先洪等[36]在2016年的研究中表明，錦州灣污染水平極高的重金屬為As、Cd、Zn，生態(tài)風險也處于較高水平，符合本研究結(jié)果。這表明，近年來Cd等重金屬在我國沿岸水域有嚴重蓄積。有強大的生物累積性和生物毒性的Cd元素，其快速增長的趨勢對海洋動植物以及人類健康構(gòu)成嚴重危害，因此必須加強對Cd的監(jiān)測，以預防其可能造成的生態(tài)危機[39]。遼東灣西北部生態(tài)風險較高的區(qū)域主要集中于葫蘆附近海域，這與前人的研究結(jié)果一致。自從振興東北以來，葫蘆島就作為重要的工業(yè)區(qū)，工業(yè)企業(yè)尤其是鋅廠排放的含有重金屬的廢水造成葫蘆島重金屬污染嚴重。另外遼東灣西北部海域周邊有眾多河流入海，重金屬在河口區(qū)域沉積也是重金屬沉積的一個原因。除了Cr外，其他重金屬的含量分布特征都有由近岸向外海逐漸減少的趨勢。

遼東灣西北部海域沉積物中重金屬從河口或工業(yè)區(qū)向外的分布趨勢導致了不同海域生態(tài)風險的差異。近岸經(jīng)濟活動區(qū)引起的海洋沉積物生態(tài)風險較高，而遠海的海洋生態(tài)風險較低，這也是錦州灣地區(qū)重金屬生態(tài)風險較高的原因。這也可能是因為研究區(qū)重金屬的生態(tài)風險主要來自近岸和內(nèi)陸河流的經(jīng)濟活動。因此，應(yīng)該調(diào)整近海企業(yè)發(fā)展模式，嚴格控制河口和河流的污染物排放，對于降低重金屬導致的生態(tài)風險至關(guān)重要。

3 結(jié)論

（1）遼東灣西北部近岸海域表層沉積物重金屬總體狀況較差，平均含量達到國家一類海洋沉積物質(zhì)量標準的只有Cd。根據(jù)重金屬的變異系數(shù)可知，除Cr為中度變異外，其余的6種重金屬元素均為高度變異，且變異程度由高到低依次為Hg、Cd、As、Zn、Pb、Cu。這說明這6種重金屬元素的分布極不均勻，離散性很強。

（2）根據(jù)地累積指數(shù)法評價結(jié)果，遼東灣西北部海洋沉積物重金屬污染水平由高到低依次為Hg、Cd、Zn、As、Cu、Pb。其中Hg污染是最嚴重的，污染程度為偏中度到極嚴重。

（3）潛在生態(tài)風險評價結(jié)果表明，重金屬單因子生態(tài)風險指數(shù)由高到低依次為Hg、Cd、As、Cu、Pb、Zn、Cr。因此，Hg和Cd是最具有生態(tài)危險的重金屬元素。重金屬綜合生態(tài)風險指數(shù)在233.77～4 785.15，平均1 224.12，總體處于很強的生態(tài)風險水平，遼東灣西北部的海洋沉積物重金屬污染很嚴重。1號、2號、3號站位的RI是最高的，有很強的生態(tài)風險。

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