福建東山灣八尺門海域水體及沉積物中的重金屬污染評價

蔡真珍，鄭盛華，楊妙峰，陳財珍，姜雙城，席英玉，羅冬蓮

(1.廈門海洋職業(yè)技術學院，福建 廈門361102；2.福建省水產(chǎn)研究所，福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門361013；3.福建省海洋生物資源開發(fā)利用協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門361102)

東山灣是福建著名的港灣之一，位于臺灣海峽南口的西岸。該灣三面山丘環(huán)抱，呈不規(guī)則的梨形伸入陸地，是閩南地區(qū)最大的海灣，也是福建省重要的漁業(yè)生產(chǎn)基地之一。灣口朝南，口門狹窄，其間還有多個大小島嶼作為屏障，屬半封閉型海灣。其極佳的地理位置和獨特的地形地貌，為漁業(yè)生產(chǎn)和捕撈提供了有利的條件[1]。八尺門位于東山島北端，原為一個古老的渡口，是東山島通往大陸的咽喉。福建省政府為解決民眾進出東山島的交通，于1961年建成八尺門海堤，八尺門區(qū)域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)曾是我國最大的網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地。由于長期過度養(yǎng)殖和水交換條件的限制，該區(qū)域的環(huán)境狀況值得關注。

重金屬污染一直以來受到人們的廣泛關注。由于重金屬在環(huán)境中不可降解，容易在動物和植物體中富集，并通過食物鏈傳遞進入人體，從而危害人體健康[2-3]。本研究通過調查和評價東山灣八尺門海域水體及沉積物中的重金屬污染水平，以期為東山灣乃至福建近海海域的生態(tài)環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗方法

2013年10月在東山灣八尺門海域采集了表層水體和沉積物樣品，具體站位見圖1。用有機玻璃采水器采集水樣后經(jīng)0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾后加入硝酸固定；用抓斗采泥器采集表層沉積物并以聚乙烯樣品袋封裝。樣品的運輸和保存嚴格按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[4]和《海洋調查規(guī)范》[5]的規(guī)定執(zhí)行，帶回實驗室后備用。

圖1 八尺門海域調查站位圖Fig.1 Sampling stations in Bachimen sea area

水樣：在pH為5.0～6.0的條件下經(jīng)螯合和萃取分離富集后，分別于324.7、283.3、228.8 nm波長下用石墨爐原子吸收光譜法測定Cu、Pb、Cd的含量；在pH為3.5～4.0的條件下經(jīng)螯合和萃取分離富集后在213.8 nm波長下用火焰原子吸收分光光度法測定Zn的含量。

沉積物：烘干研磨，160目過篩并縮分。分別采用重量法、重鉻酸鉀氧化還原滴定法、亞甲基藍分光光度法測定含水率、TOC及硫化物含量；樣品采用硝酸-高氯酸微波消解后，在各自的特征波長下以石墨爐原子吸收分光光度法測定Cu、Pb、Cd的含量，以火焰原子吸收分光光度法測定Zn的含量。

在水樣及沉積物的重金屬含量分析過程中通過平行樣及標樣進行質量控制，質量控制結果符合《海洋監(jiān)測規(guī)范》要求。Cu、Pb、Cd、Zn 4種元素的海水水樣檢出限分別為0.2、0.3、0.02、2.0 μg/L，沉積物檢出限分別為2.0、0.1、0.01、2.0 mg/kg。

1.2 實驗儀器

原子吸收分光光度計(iCE3500，美國Thermo公司)，電子分析天平(AB204-E，美國梅特勒-托利多公司)，多參數(shù)分析儀(Multi 3430，德國WTW公司)，微波消解儀(MARS6，美國CEM公司)等。

2 結果與分析

2.1 東山灣八尺門海域水體的重金屬評價

2.1.1 基于水質質量標準的重金屬評價 根據(jù)實驗測定數(shù)據(jù)，東山灣八尺門海域水體的4種重金屬含量值見表1。Cu、Pb、Cd、Zn的含量范圍分別為1.03～1.12、0.15～0.18、0.043～0.045、2.84～4.59 μg/L。對照《海水水質標準》[6]，一類海水水質標準為ρCu≤0.005 mg/L，ρPb≤0.001 mg/L，ρCd≤0.001 mg/L，ρZn≤0.020 mg/L，可見東山灣八尺門海域水體中重金屬含量符合一類海水水質標準。

表1 八尺門海域水體重金屬含量及其指標值Tab.1 Heavy metal concentrations and water quality indexes in Bachimen sea area

從計算結果(表1)看，東山灣八尺門海域水體中的Pi均小于1，說明水體中的Cu、Pb、Cd、Zn等的含量較低，不存在重金屬超標的情況；重金屬元素的綜合污染指數(shù)WQI為0.141～0.159，均小于1，可見東山灣八尺門海域水體中重金屬污染的風險較低。

2.2 東山灣八尺門海域沉積物中的重金屬評價

2.2.1 基于沉積物質量標準的重金屬評價 根據(jù)實驗測得的東山灣八尺門海域沉積物中的重金屬含量、TOC、硫化物含量、含水率等指標見表2。Cu的含量在20.5～41.1 mg/kg之間，Pb的含量在35.5～42.2 mg/kg之間，Cd的含量在0.028～0.110 mg/kg之間，Zn的含量在104～133 mg/kg之間，對照標準《海洋沉積物質量》，東山灣八尺門海域沉積物中的Cu含量除站位5符合第二類沉積物標準外，其他站位都符合第一類標準；所有站位的Pb、Cd、Zn含量均符合第一類沉積物標準，說明東山灣八尺門海域沉積物重金屬污染較輕，沉積物的質量較好。

表2 八尺門海域沉積物的理化性質參數(shù)和重金屬污染指數(shù)Tab.2 Physicochemical parameters and heavy metal pollution indexes of sediments in Bachimen sea area

2.2.2 重金屬污染指數(shù)評價法 根據(jù)單因子污染指數(shù)評價法和綜合污染指數(shù)評價法，可得東山灣八尺門沉積物中各站位重金屬的單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)(表2)。從表2可知，東山灣八尺門海域的沉積物中各金屬元素的單因子污染指數(shù)均較小，整體重金屬污染較輕。但個別站位也存在指數(shù)較高的現(xiàn)象，如站位4的Cu和Zn元素的單因子污染指數(shù)分別為0.949和0.887，接近1，可見水體雖未受污染，但需引起關注；而站位5的Cu的單因子污染指數(shù)值為1.174，超過1，說明在該站位存在Cu的輕度污染。綜合污染指數(shù)WQI在0.482～0.690之間，均未超過1，說明該海域沉積物中的重金屬整體污染水平較低。

2.2.3 潛在生態(tài)風險指數(shù)評價 潛在生態(tài)風險指數(shù)法在1980年由Hakanson提出[11]，常用于評價土壤或沉積物中重金屬污染的潛在生態(tài)風險指數(shù)，可反映某個生態(tài)環(huán)境下某種重金屬的污染風險，并能綜合反映多種重金屬污染物的污染風險，且對潛在生態(tài)危害進行定量劃分。其計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

表3 潛在生態(tài)風險評價法中各指標與污染程度關系Tab.3 Relationship between assessment indexes of potential ecological risk and pollution degrees

表4 八尺門海域沉積物重金屬的污染系數(shù)、綜合污染程度、潛在生態(tài)風險指數(shù)及綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)Tab.4 Pollution coefficient,comprehensive pollution degree,potential ecological risk index and comprehensive potential ecological risk index of heavy metals in the sediments in Bachimen sea area

計算結果可見，東山灣八尺門海域4種元素對應的綜合污染程度值在0.88～1.50之間，均小于5，說明總體污染程度輕；所有站位Zn的污染系數(shù)均超過1，部分站位Cu和Cd的污染系數(shù)也大于1，說明該海域Zn、Cu、Cd的污染情況值得進一步關注；潛在生態(tài)風險指數(shù)大小順序為Cd>Cu>Pb>Zn，各站位的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)均未超過150；除站位4的Cd含量外，其他站位各元素的潛在生態(tài)風險指數(shù)均未超過40，說明東山灣八尺門海域重金屬污染整體情況良好，但應注意控制Cd的輸入，防止污染加劇。

2.2.4 地累積指數(shù)評價 地累積指數(shù)法于1979年由德國科學家Muller[13]提出，是評價沉積物中重金屬污染程度的常用指標，計算公式為：Igeo=log2(C/kB)。式中C為重金屬的質量濃度(mg/kg)；k為考慮造巖運動引起的背景值變動所取的常數(shù)，通常取1.5；B為重金屬的背景質量濃度(mg/kg)，本研究根據(jù)劉用清的研究結果[12]，以福建省海岸帶土壤的背景值為背景質量濃度。

對各站位沉積物中的各金屬元素進行地累積指數(shù)分析，從結果(表5)可知，Pb和Cd元素的所有站位地累積指數(shù)值均小于0，表現(xiàn)為清潔；Cu元素在站位5的地累積指數(shù)值為0.29，為輕度污染，其他站位為清潔；Zn元素在站位4的地累積指數(shù)值為0.08，為輕度污染，其他站位為清潔。該海域總體重金屬污染情況輕。各重金屬元素按地累積指數(shù)平均值大小依次為Zn>Cu>Pb>Cd。

表5 八尺門海域重金屬的地累積指數(shù)值Tab.5 Geo-accumulation indexes of heavy metals in Bachimen sea area

2.2.5 沉積物理化指標的相關性 海洋環(huán)境中重金屬易與有機質(有機碳)和硫化物通過表面吸附、陽離子交換反應和螯合反應，形成金屬有機絡合物和金屬硫化物沉淀而從水體中遷移出。對沉積物重金屬與有機碳、硫化物含量相關性分析，可了解細顆粒沉積物控制重金屬的內(nèi)在因子[14-16]。采用SPSS軟件分析東山灣八尺門海域沉積物中各項理化指標的相關性，得到結果如表6。

表6 八尺門海域沉積物理化性質相關性Tab.6 Correlation of physical and chemical properties of sediments in Bachimen sea area

由表6可見，沉積物有機碳與Cd、硫化物與Cd之間呈極顯著正相關(p<0.01)，有機碳與Pb、硫化物與Pb和Zn呈顯著正相關(p<0.05)，表明有機質和硫化物是影響該海域重金屬含量分布的內(nèi)在控制因素，其物質來源相似，主要來自于陸源徑流、網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚類的殘餌、排泄物和水生生物的尸骸等。Pb與Zn之間呈極顯著正相關(p<0.01)，表明Pb與Zn元素在這一區(qū)域有類似的地球化學行為(或污染具有同源性)。網(wǎng)箱高密度養(yǎng)殖引起了底質中有機污染物增加，進而導致了底質物耗氧量增加，而在缺氧情況下，有機污染物易在硫酸鹽還原菌的作用下行進厭氧分解，產(chǎn)生硫化氫，使沉積物硫化物含量水平增加[17]，硫化物和有機碳之間呈極顯著正相關(p<0.01)也證明了這一觀點。

2.3 與已有研究結果的對比

2.3.1 與東山灣海域不同年份的對比 為進一步研究東山灣海域重金屬情況，將本研究與東山灣不同年份的數(shù)據(jù)進行對比，表7為不同年份東山灣海域水體及沉積物中的重金屬含量(2013年后的研究報道較少)。

表7 歷年來東山灣海域水體和沉積物中的重金屬含量Tab.7 Historical data of heavy metal contents in water and sediments in Dongshan Bay

對比文獻數(shù)據(jù)，可見東山灣海域水體中的重金屬含量從1990年到2013年總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。隨著養(yǎng)殖業(yè)及地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，水體中的重金屬含量有所升高，水域水質變差，從1990年到1992年，水體中的Cu、Pb、Cd、Zn含量都有較明顯的升高。進入20世紀后，由于國家、地方等各個層面對海洋環(huán)境的重視，東山灣海域水體中的重金屬含量呈現(xiàn)下降的趨勢。

對比東山灣海域沉積物中的重金屬與其他年份的含量，東山灣海域沉積物中的重金屬20多年來維持在較穩(wěn)定的水平，沒有明顯的污染嚴重情況。沉積物中的重金屬含量在90年代后呈現(xiàn)上升態(tài)勢，在進入20世紀后有所下降，說明東山灣海域環(huán)境趨好。本研究Pb、Cd、Zn的含量居于中間水平，而Cu的含量較高，這可能與八尺門海域的養(yǎng)殖環(huán)境特點有關。

2.3.2 與同期福建其他海域的對比 為進一步研究東山灣海域重金屬狀況，將本研究與同期福建其他海域的重金屬狀況進行對比(表8)，可見，東山灣八尺門海域水體中重金屬的含量與其他海域相差不大，處于中等水平，其中，Cd含量低于其他海域，Cu、Pb、Zn的含量居中。但不同海域沉積物中的重金屬含量呈較大差異，Cu、Pb、Cd、Zn的含量范圍分別為13.8～27.7、20.8～49.9、0.046～0.136、93～117 mg/kg。相較而言，東山灣八尺門海域的Cd含量較高，Pb含量處于中等水平，Cu和Zn含量比福建其他海域高。東山灣沉積物中重金屬含量比福建其他海域稍高。

表8 東山灣與福建其他海域水體和沉積物中重金屬含量的對比Tab.8 Heavy metal contents in sea water and sediments in Dongshan Bay and other areas of Fujian Province

續(xù)表

3 結論

(1)對照《海水水質標準》，東山灣八尺門海域水體中的重金屬含量符合一類海水標準；根據(jù)重金屬含量污染指數(shù)評價法，東山灣八尺門海域水體中重金屬污染的風險較低。

(2)對照《沉積物質量標準》，東山灣八尺門海域各站位的Pb、Cd、Zn含量均符合第一類沉積物標準，沉積物的質量較好，重金屬污染較輕。根據(jù)重金屬污染評價法，該海域沉積物中的重金屬整體污染水平較低。潛在生態(tài)風險指數(shù)大小順序為Cd>Cu>Pb>Zn，綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)屬輕微生態(tài)風險；除個別站位的Cd含量外，其他站位各元素的潛在生態(tài)風險指數(shù)均為輕微生態(tài)風險，沉積物重金屬污染整體情況良好，但應注意控制Cd的輸入，防止污染加劇。根據(jù)地累積指數(shù)評價法，該海域總體重金屬污染情況輕，地累積指數(shù)平均值大小依次為：Zn>Cu>Pb>Cd。

(3)對比東山灣海域其他年份的重金屬研究結果，從1990年到2013年，東山灣海域水體中的重金屬含量總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。沉積物中Pb、Cd、Zn的含量較為穩(wěn)定，Cu的含量較其他年份高。與同時期相比，東山灣八尺門海域水體中的Cd含量低于福建其他海域，Cu、Pb、Zn的含量居中。東山灣沉積物中重金屬含量比福建其他海域稍高。