徐艷東，魏 瀟，夏 斌，付 翔，岳英潔，吳興偉

（1.山東省海洋資源與環(huán)境研究院 山東省海洋生態(tài)修復重點實驗室，山東 煙臺264006；2.中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島266100；3.山東省水產(chǎn)設(shè)計院，山東 濟南250013）

沉積物是海洋環(huán)境中重金屬元素的源和匯，并作為環(huán)境演變的信息載體，記錄著海洋生態(tài)系統(tǒng)生物、物理和化學作用的過程［1－2］，具有比水介質(zhì)更穩(wěn)定、更概括地反映區(qū)域環(huán)境質(zhì)量和趨勢的指示作用［3］。重金屬作為典型的累積性污染物，具有顯著的生物毒性和持久性，對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在威脅；重金屬污染物不同于可生物降解的有機污染物，存在潛在的生物累積和生物放大效應，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的長期影響［4］。因此，研究沉積物污染狀況，不僅要分析沉積物中重金屬含量的分布特征，還要探討重金屬污染物的潛在生態(tài)風險程度［5］和污染物來源。

萊州灣是渤海的三大海灣之一，也是我國典型的半封閉性陸架海灣，其東部海域有萊州灣東北部產(chǎn)卵場，是我國北方最早開展淺海海水養(yǎng)殖的海域之一，還分布有龍口港、萊州港以及《山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》中九個集中集約用海區(qū)之一的龍口灣海洋裝備制造業(yè)集聚區(qū)。隨著周邊地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類海洋活動的不斷增加，該海域生態(tài)環(huán)境壓力突出。目前，對萊州灣整個區(qū)域沉積物中重金屬的含量分布和生態(tài)風險評價研究已有較多工作［1，6－10］，但這些研究的調(diào)查站位主要集中在萊州灣的西部和中部，東部的調(diào)查站位數(shù)量較少，并且針對萊州灣東部海域沉積物重金屬的系統(tǒng)調(diào)查和生態(tài)風險評價研究尚未見諸文獻報道。本文通過對2015年萊州灣東部海域表層沉積物中重金屬的調(diào)查，研究和分析了該海域表層沉積物重金屬的空間分布特征和潛在生態(tài)風險，并探討了重金屬污染物的來源，以期為海洋重金屬污染防控、海水養(yǎng)殖區(qū)選劃及海洋生態(tài)環(huán)境修復提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和分析方法

2015－02，山東省海洋資源與環(huán)境研究院在萊州灣東部海域布設(shè)了15個沉積物采樣站位（圖1），主要調(diào)查Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg和As七種重金屬的質(zhì)量分數(shù)。沉積物樣品的采集、貯存和運輸按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》樣品采集、貯存和運輸?shù)姆椒ǎ?1］進行，樣品的制備、消化按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》沉積物分析的方法［12］進行。樣品中的Cu，Pb，Zn，Cr和Cd質(zhì)量分數(shù)用原子吸收分光光度法測定，Hg和As質(zhì)量分數(shù)用原子熒光法測定。

圖1 2015年萊州灣東部海域表層沉積物采樣站位Fig.1 Sampling stations in surface sediments in the eastern Laizhou Bay in 2015

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2010和SPSS 20.0軟件處理數(shù)據(jù)。采用SPSS軟件對研究區(qū)域的重金屬元素的質(zhì)量分數(shù)進行相關(guān)性和主成分分析。采用Surfer 8.0軟件繪制平面分布圖。

1.3 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)法由H?kanson［13］提出，且在沉積物質(zhì)量評價中應用最為廣泛的方法之一［14］，其計算公式為

式中，RI為沉積物綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)，Eri為單個污染物i的潛在生態(tài)風險參數(shù)，Tri為污染物i的生物毒性響應參數(shù)為污染物i的污染指數(shù)，Ci為污染物i含量的實測值為污染物i的背景含量。

H?kanson給出了不同的Eri值范圍相對應的單污染物潛在生態(tài)風險和不同RI值范圍相對應的綜合潛在生態(tài)風險。該方法原包括Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg，As和PCB共8種污染物，因本文調(diào)查數(shù)據(jù)未包含PCB，故依據(jù)馬德毅和王菊英［14］、劉文新等［15］、劉志杰等［16］對RI標準值的調(diào)整方法和各污染因子所占權(quán)重值，對標準值進行了調(diào)整，調(diào)整后的標準值和所對應的等級見表1。單污染物潛在風險參數(shù)和生物毒性響應參數(shù)仍采用H?kanson給出的Eri值（表1）和Tri值（表2）。由于區(qū)域背景值具有差異性，Cin的選定也無統(tǒng)一標準，而且采用不同的背景值對計算潛在生態(tài)風險指數(shù)影響較大［17］，為避免采用大尺度平均值產(chǎn)生的差異性，由于研究區(qū)域沉積物中重金屬含量背景值未有相關(guān)文獻報道，因此本文選取研究區(qū)域所在的渤海的沉積物中重金屬背景含量值［18］作為背景值（表2）。

表1 潛在生態(tài)風險分級標準Table 1 Different classification schemes of potential ecological risk

表2 重金屬的背景值［18］及毒性響應系數(shù)［13］Table 2 Background reference level［18］and toxic－response factor for the studied elements［13］

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬的分布特征

萊州灣東部海域15個站位的表層沉積物重金屬質(zhì)量分數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表3。與《海洋沉積物質(zhì)量》標準［19］對比可知，7種重金屬的質(zhì)量分數(shù)均符合第一類沉積物質(zhì)量標準，表明該區(qū)域沉積物質(zhì)量狀況良好。該海域重金屬平均質(zhì)量分數(shù)與渤海其他海域［8，20－22］的對比結(jié)果（表4）表明，Cu，Pb，Zn，Cr和 Hg這5種重金屬質(zhì)量分數(shù)均值都低于萊州灣、渤海灣、遼東灣、渤海中部的質(zhì)量分數(shù)均值和渤海沉積物背景值；Cd質(zhì)量分數(shù)均值略高于萊州灣均值和渤海沉積物背景值，但低于渤海灣和遼東灣的均值；As質(zhì)量分數(shù)均值略高于遼東灣均值和渤海沉積物背景值，但低于萊州灣和渤海灣的均值。與國內(nèi)受人類活動影響較大的典型海灣［23－24］相比（表4），Cu，Pb，Zn和Cd這4種重金屬質(zhì)量分數(shù)均值都低于膠州灣，Cr質(zhì)量分數(shù)均值略高于膠州灣；除Cr未有對比數(shù)據(jù)外，其他6種重金屬質(zhì)量分數(shù)均值都低于杭州灣。與西班牙、意大利和韓國有些文獻報道的海洋沉積物重金屬含量［25－27］相比（表4），研究海域大部分的重金屬含量均值都遠低于這些國家。Pinedo等研究發(fā)現(xiàn)沉積物中重金屬的積累量與經(jīng)濟活動頻繁程度有關(guān)［20，28］，李延峰等通過人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)空間量化評價發(fā)現(xiàn)，萊州灣西南部區(qū)域受人類活動影響最為強烈，呈現(xiàn)為由西南向北部逐漸減少的趨勢［29］。因此，研究海域大部分重金屬的平均含量均低于受人類活動影響較大的渤海的3個海灣、膠州灣及杭州灣，并且我國海洋沉積物中的重金屬平均含量也低于上述其他國家的周邊海域，這可能與國內(nèi)近岸海域開發(fā)時間較短有關(guān)。

重金屬的含量分布和離散程度反映了自然和人為因素影響的差異［30］。空間分布上，Cu，Zn與Cr的質(zhì)量分數(shù)分布類似，高值區(qū)主要位于采樣區(qū)域的中北部和東南部；Pb與Cd的質(zhì)量分數(shù)分布類似，高值區(qū)主要位于采樣區(qū)域的中南部和中北部；Hg質(zhì)量分數(shù)的高值區(qū)主要位于采樣區(qū)域的東側(cè)中部，而As的高值區(qū)主要位于采樣區(qū)域的中南部。重金屬Cd和As的質(zhì)量分數(shù)分布狀況如圖2所示。離散程度采用變異系數(shù)來度量，Cu和Cd的變異系數(shù)較大（分別為21%和23%），表明二者質(zhì)量分數(shù)在整個研究區(qū)域的分布差異較大，受人為擾動或外來因素影響更顯著［30］；Pb，Zn，Cr，Hg和As的變異系數(shù)較小（介于9%～17%），說明它們的空間分布較為均勻。

圖2 萊州灣東部海域表層沉積物Cd和As質(zhì)量分數(shù)的平面分布Fig.2 Horizontal distribution of Cd and As in surface sediments in the eastern Laizhou Bay

表3 萊州灣東部海域表層沉積物的重金屬質(zhì)量分數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of studied element contents in surface sediments in the eastern Laizhou Bay

表4 萊州灣東部海域與國內(nèi)外其他海域表層沉積物的重金屬平均質(zhì)量分數(shù)對比（×10－6）Table 4 Averaged contents of studied elements in surface sediments of the eastern Laizhou Bay and reported values of other sea areas at home and abroad for comparison（×10－6）

2.2 重金屬污染物來源分析

近年來，主成分分析（PCA）方法已廣泛應用于海洋沉積物的來源分析［1，3，25－27，31－34］。以重金屬 Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，Hg和As的質(zhì)量分數(shù)為變量的相關(guān)性分析結(jié)果表明，各重金屬污染物之間具有較強的相關(guān)性，且Bartlett球形檢驗概率P＜0.05，數(shù)據(jù)適合作主成分分析。先對原始數(shù)據(jù)矩陣歸一化處理，以特征值≥1的標準提取出3個主成分，分別為PC1，PC2和PC3。3個主成分的解釋方差比例依次降低，累計綜合了原數(shù)據(jù)矩陣77.9%的信息，可反映出沉積物重金屬數(shù)據(jù)的大部分信息，各主成分矩陣、特征值和方差貢獻率見表5。根據(jù)主成分載荷矩陣和初始特征值，計算獲得15個采樣站位的3個主成分得分，并依據(jù)各主成分的方差貢獻率計算得出各站位的總得分，各采樣站位3個主成分得分和總得分散點分布見圖3。

PC1的方差貢獻率為39.4%，Cu，Zn，Cr，Pb和Cd占的載荷較高，其中Cu主要來源于工業(yè)污染物，Zn主要來源于礦石開采和大氣沉降等，Cr主要為礦山開采和工業(yè)污染物等隨河流輸入海洋，Pb主要來自陸源污染、海上交通排污及大氣沉降等，Cd則主要來自隨河流輸入海洋的工業(yè)污染物和港口疏浚物［1，31－34］。研究海域的主要入海河流為王河和界河，東側(cè)和南側(cè)分別有龍口港和萊州港，因此PC1主要反映陸源污染和海上交通排污等狀況。A15站位的PC1得分最高，該站位位于采樣區(qū)域的北部，海域開闊，根據(jù)渤海環(huán)流特征和渤海懸浮物主要運移路徑［3，35－36］，黃河大量的入海泥沙（年入海通量約3億t［36］）攜帶重金屬在萊州灣環(huán)流的作用下輸送到該區(qū)域；A4和A7站位的得分次之，結(jié)合研究區(qū)域Cu，Zn，Cr，Pb和Cd質(zhì)量分數(shù)高值區(qū)的分布特征及整個萊州灣區(qū)域重金屬質(zhì)量分數(shù)北部海域大于南部、高值區(qū)位于萊州灣西北緣黃河口附近的特點［1］，可知該成分主要受萊州灣環(huán)流的影響，其次受王河和界河陸源入海及萊州港貨物運輸?shù)扔绊?。PC2的方差貢獻率為22.9%，As占的載荷較高，其在自然環(huán)境中存在極少，是化肥和農(nóng)藥的重要成分以及煤渣入海后的主要污染物［1，32］，因此PC2主要反映陸地的農(nóng)藥使用和化肥殘留及港區(qū)的煤渣入海等信息。A5站位的PC2得分最高，A10和A12站位的得分次之，說明該成分主要受王河陸源入海和萊州港貨物運輸?shù)扔绊?，其次受萊州灣環(huán)流的影響。PC3的方差貢獻率為15.6%，Hg占的載荷較高，Hg主要源于陸源河流輸入和大氣沉降等［21，31，33］。A11站位的PC3得分最高，可能與周邊煤礦和金礦等礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生的重金屬隨界河徑流入海及龍口港煤炭、礦石運輸過程中煤渣和礦石渣入海有關(guān)［7］，說明該成分主要受界河和龍口港等影響。A5和A15站位的總得分高，表明研究海域主要受到萊州灣環(huán)流、王河陸源入海和萊州港海上運輸?shù)鹊墓餐绊憽?/p>

表5 主成分分析主要計算結(jié)果Table 5 Main calculation results of principal component analysis（PCA）

圖3 各采樣站位3個主成分得分和總得分散點圖Fig.3 Scatter diagram of three principal component scores and their total score of 15sampling stations

因此，萊州灣東部海域沉積物中重金屬的主要來源有：1）黃河大量的入海泥沙攜帶懸浮物中的重金屬在萊州灣環(huán)流的作用下輸入；2）周邊區(qū)域的工業(yè)廢水和生活污水、化肥和農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)面源污染、煤礦和金礦等礦產(chǎn)資源開發(fā)等帶來的重金屬污染物，經(jīng)由王河和界河等主要入海河流輸入；3）龍口港和萊州港的煤炭和鐵礦石等貨物運輸產(chǎn)生的煤渣和礦石渣入海；4）大氣沉降。

2.3 潛在生態(tài)風險評價

表層沉積物的重金屬潛在生態(tài)風險評價結(jié)果見表6，Cd潛在生態(tài)風險參數(shù)ErCd和研究區(qū)域的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）的平面分布見圖4。Cu，Pb，Zn，Cr，Hg和As這6種重金屬的Eri最大值為18.00，遠低于標準值40，為低潛在生態(tài)風險；13.3%的站位（A5和A12站位）Cd的Eri值為40.00～43.09，為中潛在生態(tài)風險?？梢姡珽rCd值偏高，源于部分站位Cd的質(zhì)量分數(shù)高于背景值，Cd是該海域沉積物中重金屬的主要潛在生態(tài)風險因子，需要密切關(guān)注。按照Eri平均值排序，各重金屬潛在生態(tài)風險由高到低依次為Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn。RI的平均值為62.16，最大值為75.72，均遠低于本文調(diào)整后RI的標準值105，因此綜合評價結(jié)果為低生態(tài)風險；RI最大值出現(xiàn)在A5站位，此處位于刁龍嘴東北側(cè)海域，結(jié)合重金屬質(zhì)量分數(shù)分布特征分析，主要是由Cd的潛在風險較高引起的。Cd在7種重金屬生態(tài)風險中的貢獻率最高（介于36.1%～57.5%），說明它的生態(tài)風險最高，這主要與Cd的生物毒性較高和采樣區(qū)域Cd質(zhì)量分數(shù)較高有關(guān)。從表4可以看出，研究區(qū)域Cd平均質(zhì)量分數(shù)除略高于萊州灣整個區(qū)域的平均質(zhì)量分數(shù)外，均低于國內(nèi)的其他海灣并遠低于國外發(fā)達國家部分海域，值得注意的是，雖然采用的背景值可能不同，但我國的渤海灣、錦州灣、萊州灣、榮成灣和杭州灣等多個海灣及遼河口等部分河口均存在類似Cd高風險的狀況［2，7，14，20，24，31］，羅先香等［7］也研究發(fā)現(xiàn) Cd是整個萊州灣最主要的環(huán)境污染因子。Cd具有較強的生物毒性和生物累積性，對海洋生物生長和人類健康都存在嚴重威脅，因此應加強該海域沉積物中Cd質(zhì)量分數(shù)的監(jiān)測和預警，必要時采取控制措施，以避免對人體健康和海洋生態(tài)系統(tǒng)造成更大危害。

表6 萊州灣東部海域表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風險評價結(jié)果Table 6 Assessment values of potential ecological risk of seven studied elements in surface sediments in the eastern Laizhou Bay

圖4 萊州灣東部海域表層沉積物中重金屬Cd的Er值和RI值的平面分布Fig.4 Horizontal distribution of the potential ecological risk parameter（Cd）and its integrated potential ecological risk index in the eastern Laizhou Bay

3 結(jié)論

1）萊州灣東部海域表層沉積物中7種重金屬的質(zhì)量分數(shù)均符合第一類沉積物質(zhì)量標準，該區(qū)域沉積物質(zhì)量狀況良好。研究區(qū)域大部分重金屬元素平均質(zhì)量分數(shù)低于受人類活動影響較大的渤海的3個海灣和膠州灣及杭州灣，同時也低于部分發(fā)達國家周邊海域。

2）利用主成分分析，對沉積物重金屬的可能來源進行了探討，其來源主要有萊州灣環(huán)流輸送、陸源排污、海上交通污染和大氣沉降等，但不同重金屬元素進入海洋環(huán)境的途徑有所不同。

3）潛在生態(tài)風險評價結(jié)果表明，研究區(qū)域沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風險程度低，各重金屬潛在生態(tài)風險由高到低依次為Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn，Cd的生態(tài)風險貢獻率最高，潛在生態(tài)風險最大，13.3%的站位Cd為中潛在生態(tài)風險，為主要潛在生態(tài)風險因子，因此應加強該海域沉積物中Cd質(zhì)量分數(shù)的監(jiān)測，關(guān)注其高值區(qū)的潛在生態(tài)風險。

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