珠江口外陸架海域表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風險評價及來源分析

陳 斌，尹曉娜，姜廣甲，盧楚謙，鐘煜宏，肖瑜璋，葉建萍，呂向立*

(1.國家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州 510300； 2.中海油研究總院，北京 100028)

珠江口外陸架海域因其水溫高、水系復雜等特點，漁業(yè)資源物種多樣性極高，重要經(jīng)濟魚類產(chǎn)卵場密集，海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量倍受關(guān)注[1-2]。近年來，受人類活動的影響，珠江口及毗鄰海域生態(tài)環(huán)境污染嚴重[3]。沉積物中的重金屬是生態(tài)風險較大的潛在危害污染物[4]，可通過海水懸浮顆粒物的吸附和沉降作用富集到海洋沉積物中[5]。因此，全面評價珠江口外海表層沉積物中重金屬污染程度及潛在生態(tài)風險，可更好地掌握區(qū)域海洋環(huán)境質(zhì)量。

單因子標準指數(shù)是最常用的評價海洋沉積物重金屬污染程度的方法[6]。地累積指數(shù)(Igeo)則利用沉積物中某一種重金屬元素的總含量與其地球化學背景值的關(guān)系，充分考慮沉積物的粒度、物質(zhì)組成等因素[7-8]，定量評價沉積物中重金屬污染[9-11]。此外，重金屬元素毒性水平不同，海洋生物對不同重金屬的敏感和富集程度也不同[12-13]。為綜合評價重金屬污染水平，H?kanson等(1980)提出了利用潛在生態(tài)風險指數(shù)評價重金屬污染程度，充分考慮了重金屬的毒性水平和海洋生物對該重金屬的敏感程度，全面反映重金屬對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成的風險[14]，是目前常用的海洋表層沉積物質(zhì)量評價方法之一[15-17]。

在海洋沉積物污染因子的來源分析研究方面，主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)受到廣泛應用[18-19]，國內(nèi)外已開展湖泊[20]、河流[21]、海灣[22-24]等重金屬來源分析的相關(guān)研究。該法通過降維的統(tǒng)計模式，將多個重金屬指標重新組合成一組新的綜合指標來進行評價。

本研究以珠江口外大陸架海域為研究區(qū)，利用單因子標準指數(shù)、地累積指數(shù)對表層沉積物中的重金屬水平進行評價；并根據(jù)不同重金屬的特性對沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風險進行評估；通過主成分分析，探討了研究海域表層沉積物重金屬來源，以期為珠江口毗鄰海域生態(tài)環(huán)境保護提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

于2017年11月在珠江口外陸架東部、中部和西部海域分別布設了23、10和19個站位(圖1)，采集表層沉積物樣品。

圖1 珠江口外陸架海域采樣站位分布

表層沉積物樣品的采集、保存和運輸均嚴格按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[25]執(zhí)行。沉積物粒度分析采用激光法[26]，沉積物干樣中Zn、Cu、Pb、Cd、Cr含量分析采用火焰原子吸收分光光度法[25]，Hg和As含量采用原子熒光法[25]進行分析測定。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

利用單因子標準指數(shù)評價方法計算單項污染物的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，采用《海洋沉積物質(zhì)量》[27]中規(guī)定的第一類海洋沉積物質(zhì)量標準對研究海域表層沉積物中的重金屬水平進行評價。

地累積指數(shù)評價計算公式如下：

(1)

潛在生態(tài)風險指數(shù)法計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

表1 表層沉積物重金屬污染評價參數(shù)

表2 表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風險指標分級標準

以表層沉積物中重金屬元素Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Hg和As的含量為變量，在SPSS 19.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件中進行Pearson相關(guān)性分析及主成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒度分析結(jié)果

海洋沉積物的粒度特征與水動力關(guān)系密切，對沉積物的重金屬含量具有一定的影響[29]，粒度分析結(jié)果統(tǒng)計見表3，結(jié)果表明研究海域西部表層沉積物粘土含量相對較高，沉積物粒徑相對較小。

2.2 研究海域表層沉積物中重金屬含量變化特征

圖2給出研究海域表層沉積物中重金屬元素含量的空間分布，研究海域東部、中部和西部沉積物Hg含量均值分別為0.017×10-6(質(zhì)量分數(shù)，下同)、0.020×10-6和0.018×10-6(表3)；沉積物As含量東部和中部差別不大，均值分別為2.83×10-6和2.92×10-6，而西部均值達7.79×10-6；沉積物Cu含量以東部均值最高，其次是西部，中部均值最低；沉積物Pb含量西部均值最高，東部和中部相差不大；沉積物Cr含量均值自東到西依次為25.2×10-6、16.0×10-6、14.8×10-6。整體來說，Hg和Pb空間變化規(guī)律不明顯；Cu、Zn、Cr呈現(xiàn)東部高于西部的分布特征，高值區(qū)大多分布于海域東部；而Cd和As呈現(xiàn)西部高于東部的分布趨勢，高值區(qū)多分布于海域西部。

圖2 表層沉積物中重金屬元素含量空間分布

表3 研究海域表層沉積物粒度及重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果

2.3 表層沉積物重金屬單因子指數(shù)評價結(jié)果

利用單因子指數(shù)評價表層沉積物的環(huán)境質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)7種重金屬元素Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Hg和As的污染物環(huán)境質(zhì)量指數(shù)均小于1，說明研究海域表層沉積物質(zhì)量狀況良好。

2.4 地累積指數(shù)評價結(jié)果

利用地累積指數(shù)評價時，所有站位表層沉積物中Hg、Cu、Pb、Zn、Cr的Igeo值均小于0.00，屬于清潔水平；As的Igeo值范圍介于-2.55～0.52之間，均值為-1.35，W1、W2和W3站位Igeo值介于0.00到1.00之間，屬于輕度污染，均位于研究海域西部，其他站位As的Igeo值均小于0.00，屬于清潔水平；Cd的Igeo值范圍介于-4.23～0.39之間，均值為-1.45，西部海域有9個站位Igeo值介于0.00到1.00之間， 占總站位數(shù)的17.3%，屬于輕度污染，其余站位Cd的Igeo值均小于0.00，屬于清潔水平?？傮w上，研究海域沉積物整體處于清潔狀態(tài)，As和Cd部分站位受到輕度污染，且均位于西部海域。

2.5 潛在生態(tài)風險評價結(jié)果

通過計算表層沉積物中重金屬的污染系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)研究海域東部僅有E23站As污染系數(shù)大于1.00(1.75)，屬于低污染，其余重金屬元素污染系數(shù)均小于1.00；中部海域僅有M6站Pb污染系數(shù)大于1.00(1.09)，屬于低污染，其余各站位沉積物中各重金屬元素污染系數(shù)均小于1.00；西部海域沉積物中重金屬Hg、Cu、Zn、Cr污染系數(shù)均小于1.00，As污染系數(shù)均值為1.18，有14個站位(占西部海域站位總數(shù)的73.7%)大于1.00，最大值為2.16，出現(xiàn)在西部W1站；Pb污染系數(shù)均值為0.69，有3個站位(占西部海域站位總數(shù)的15.8%)大于1.00，最大值為1.18，出現(xiàn)在西部海域W17站；Cd污染系數(shù)平均值為1.38，有16個站位(占西部海域站位總數(shù)的84.2%)大于1.00，最大值為1.96，出現(xiàn)在W9站，均為低污染水平，研究海域西部Cd污染系數(shù)相對較高。

從表4可以看出，研究海域東部和中部表層沉積物中Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn、Cr單項重金屬元素E<40.00，7種重金屬均屬于低潛在生態(tài)風險。研究海域西部表層沉積物Cd元素E均值為41.31，達到中等潛在生態(tài)風險水平，其中有11個站位Cd元素E<40.00，最大值出現(xiàn)在W11站和W18站(均為57.60)，其他6種重金屬(Cu、Pb、Zn、Cr、Hg、As)的E<40.00，屬于低潛在生態(tài)風險。

表4 研究海域表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)(E)和綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)統(tǒng)計結(jié)果

研究海域所有站位的RI值均小于150.00，范圍在18.83～86.96之間，平均值為46.67，均屬低潛在生態(tài)風險范疇，最大值出現(xiàn)在西部的W8站。整體上來說，空間分布(圖3)呈現(xiàn)出研究海域西部RI值整體較東部高的規(guī)律，西部各站位RI均值為70.63，東部各站位RI均值為30.67。

圖3 表層沉積物中重金屬RI值空間分布

2.6 討論

2.6.1 重金屬污染物來源分析 Bartlett球形檢驗觀測值為117.77，相伴概率為0.000，小于顯著性水平0.01，KMO檢驗值為0.640，Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明各重金屬污染物之間并非完全獨立，部分重金屬之間具有較強的相關(guān)性，例如Cr和Cu(r=0.702)、Cr和Zn(r=0.600)、As與Cd(r=0.527)。對研究海域表層沉積物中7種重金屬含量進行主成分分析(圖4、表5)，發(fā)現(xiàn)前3個主成分(PC1、PC2、PC3)累積綜合了原始數(shù)據(jù)矩陣74.263%的信息，可分析表層沉積物中重金屬的可能來源。

圖4 各重金屬元素的三維因子載荷

表5 不同重金屬含量的主成分分析計算結(jié)果

PC1方差貢獻率為41.059%，其特點表現(xiàn)為Cr具有最高正載荷(0.924)，正載荷較高的還有Cu和Zn，各因子間的Pearson相關(guān)性分析顯示，Cr和Cu(r=0.702)、Cr和Zn(r=0.600)、Cu和Zn(r=0.481)元素在0.01水平雙側(cè)顯著相關(guān)，即這些重金屬元素可能具有相同的來源。具體來說，Cr主要來源于采礦活動和工業(yè)污染物，經(jīng)陸源排污隨著河流輸入海洋[30]，Cu和Zn主要來源包括工業(yè)污染、冶金、陸地土壤或巖石風化產(chǎn)物[31]。因此，方差貢獻率最高的PC1可以說明工業(yè)污染物、陸源排污產(chǎn)生的外源污染對沉積物中重金屬來源的貢獻。

PC2方差貢獻率為18.804%，其中Pb正載荷最高。海洋中的鉛主要有火山爆發(fā)、森林火災等自然現(xiàn)象，及人類活動產(chǎn)生的鉛排放后經(jīng)大氣沉降進入水體[32-33]。因本研究圍繞工業(yè)污染嚴重的珠江口外海進行，除此之外海域沉積物Pb含量的高值區(qū)位于珠江口航線以南，該航線海上交通運輸頻繁，來源于海上交通排污的可能性較大。在PC2中處于正載荷的還有As和Cd，相關(guān)性分析顯示Pb與As(r=0.323)、As與Cd(r=0.527)、Pb與Cd(r=0.283)在0.01或0.05水平上雙側(cè)顯著相關(guān)，As在自然環(huán)境中極少存在，受煤渣排污、農(nóng)藥、化肥等影響較大，Cd也是礦物復合肥如磷肥的主要成分，說明PC2除了來源于海上交通運輸，陸源工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染經(jīng)大氣沉降也是研究海域表層沉積物中重金屬的重要來源。

PC3的方差貢獻率為14.400%，其中Hg正載荷最高，Pearson相關(guān)性分析顯示Hg與其他6項重金屬因子無顯著相關(guān)性，說明Hg的主要來源不同于其它重金屬。Hg易與有機質(zhì)發(fā)生絡合反應，生成沉積物中的有機絡合物[34]，鄭江鵬等(2017)發(fā)現(xiàn)Hg與有機質(zhì)TOC在0.01的水平上存在顯著相關(guān)性[35]，李玉等(2006)研究顯示有機質(zhì)降解而伴隨的金屬離子的釋放是海水表層沉積物中重金屬Hg的來源[24]，說明PC3主要表征有機質(zhì)降解的內(nèi)源污染對研究海域表層沉積物的影響。

2.6.2 Cd潛在生態(tài)風險分析 根據(jù)H?kanson(1980)對多個研究海域7種重金屬毒性的綜合評價，重金屬元素毒性大小依次為Hg>Cd>As>Pb=Cu>Cr>Zn[14]，本研究結(jié)果與之基本一致，表現(xiàn)為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn，但本研究中Cd的潛在生態(tài)風險高于Hg。Cd元素的毒性僅次于Hg，是一種生物非必需的毒副作用很強的元素。研究表明，Cd在海洋中極易富集于生物體內(nèi)，進而通過海洋食物鏈進入人體影響人類健康，對海洋生物生長和人類都存在嚴重威脅[36-37]。本研究中Cd的潛在生態(tài)風險大體呈現(xiàn)自東向西遞增的趨勢，研究海域西部Cd的潛在生態(tài)風險系數(shù)均值達到中等潛在生態(tài)風險，此外有研究顯示我國多處海域均存在類似Cd潛在生態(tài)風險偏高的情況[38-39]。因此有必要加強珠江口外海陸架海域尤其是研究海域西部沉積物中Cd的監(jiān)測頻率和預警，以避免對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成更大危害。

3 結(jié)論

通過對珠江口外陸架海域表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風險評價及來源分析研究，獲得如下結(jié)論：

(1)研究海域表層沉積物中7種重金屬含量以單因子指數(shù)評價均符合海洋沉積物質(zhì)量一類標準；采用地累積指數(shù)評價結(jié)果則顯示研究海域西部As和Cd部分站位受到輕微污染；RI分析結(jié)果顯示所有站位均屬低潛在生態(tài)風險，但西部RI值高于東部；研究海域表層沉積物重金屬單因子潛在生態(tài)風險由高到低為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn，西部表層沉積物Cd含量達到中等潛在生態(tài)風險水平，且西部表層沉積物粘土含量相對較高。

(2)表層沉積物重金屬含量受人類生產(chǎn)活動影響較大，Cr、Cu和Zn具有相近來源，主要為工業(yè)污染物、陸源排污產(chǎn)生的外源污染，Pb、As和Cd元素來源相似，來源于海上交通及陸源工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染經(jīng)大氣沉降產(chǎn)生的污染，Hg來源不同于其它重金屬元素，可能源于有機質(zhì)降解產(chǎn)生的內(nèi)源污染，實際來源有待進一步調(diào)查與驗證。