豐衛(wèi)華, 陳立紅, 宋偉華, 曹　靜, 鄭芳琴， 朱根海

(1.國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室， 浙江 杭州 310012； 2.國家海洋局第二海洋研究所， 浙江 杭州 310012)

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象山港及其鄰近海域表層沉積物中重金屬的水平分布特征及其污染評價*

豐衛(wèi)華1,2, 陳立紅1,2, 宋偉華1,2, 曹靜1,2, 鄭芳琴1,2， 朱根海2

(1.國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室， 浙江 杭州 310012； 2.國家海洋局第二海洋研究所， 浙江 杭州 310012)

摘要：根據(jù)2013年象山港及其鄰近海域的環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，分析了表層沉積物中重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的水平分布特征。結(jié)果表明，Cu、Pb、Zn、Hg水平分布特征相似，高值區(qū)出現(xiàn)在B區(qū)(黃墩港)、E區(qū)(西滬港)和G區(qū)(港口)，A區(qū)(鐵港)為低值區(qū)，與海區(qū)底質(zhì)類型相關(guān)；而Cd的分布特征與Cu相反；As表現(xiàn)為港內(nèi)低、港中和港口高的分布特點。采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對研究海域表層沉積物中6種重金屬污染水平進行了評價，發(fā)現(xiàn)Cd的潛在生態(tài)風險危害程度較大，大部分區(qū)域已達到較嚴重的危害程度,是研究海域的主要環(huán)境風險因子之一。

關(guān)鍵詞：象山港； 重金屬； 表層沉積物； 水平分布； 污染評價

引用格式：豐衛(wèi)華, 陳立紅, 宋偉華，等. 象山港及其鄰近海域表層沉積物中重金屬的水平分布特征及其污染評價[J]. 中國海洋大學(自然科學版)， 2016, 46(4)： 71-78.

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象山港流域是東海沿岸一個狹長型半封閉式的深水港灣，由象山港峽灣、牛鼻山水道和佛渡水道三大部分組成，生態(tài)類型多樣，水產(chǎn)資源豐富，是浙江省重要的海水增養(yǎng)殖基地[1]。近年來由于沿岸城鎮(zhèn)化建設(shè)、船舶業(yè)、化工業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，將大量生活、工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)污染物通過廢水排放、廢氣沉降、固廢淋濾等各種途徑排入象山港海域，給象山港及其鄰近海域海洋環(huán)境和海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來重大影響[2-3]。

近海沉積物是污染物的主要匯集場所[4]。沉積物中重金屬在環(huán)境中具有持久性、累積性、不可逆性等特點，是環(huán)境監(jiān)測的重要指標[5-6]。重金屬在沉積物中累積、釋放，不僅影響著水體水質(zhì)的變化，而且對水體中的海洋生物以及大量底棲生物產(chǎn)生毒害作用，并通過食物鏈在生物體內(nèi)富集逐級放大等作用影響到人類[7]。因此，了解海域沉積物中重金屬的含量、時空變化、來源、污染評價具有重要的現(xiàn)實意義，是海洋污染防治和環(huán)境保護的重要環(huán)節(jié)，同時也能為合理開發(fā)利用海洋資源提供科學指導。

沉積物中重金屬評價的主要方法有單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法[8]、潛在生態(tài)危害指數(shù)法[4](The Potential Ecological Risk Index Method)、地積累積指數(shù)法(Geo-accumulation Index)[9]、污染負荷指數(shù)法(The Pollution Load Index)[10]、回歸過量分析法(Regression Excessive Analysis)[11]、底棲生物評價法以及數(shù)據(jù)計算法等[12]。目前國內(nèi)海洋環(huán)境質(zhì)量評價主要采用單因子指數(shù)法，此方法較簡單，但不能充分真實反映海域沉積物環(huán)境質(zhì)量狀況。而潛在生態(tài)危害指數(shù)法既可以較客觀反映重金屬的污染和富集程度，又可以較好地反映重金屬對環(huán)境生物的毒性危害[13]。

本文根據(jù)2013年象山港及其鄰近海域表層沉積物環(huán)境調(diào)查監(jiān)測結(jié)果，分析該海域表層沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的水平分布特征，探討該海域表層沉積物中重金屬的可能來源，并對其進行潛在生態(tài)風險評價，為科學統(tǒng)籌海域使用與環(huán)境保護的關(guān)系提供一定的基礎(chǔ)資料。

1材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

由于象山港是一狹長型復雜海灣，沿港各個行政區(qū)塊在資源開發(fā)與環(huán)境整治方面缺乏統(tǒng)籌發(fā)展觀，在利用及向該海域排放污染物亦存在明顯的行政區(qū)劃特征，因此，為了更好調(diào)查和評價該海域環(huán)境特征，從行政區(qū)域和海域自然屬性角度，將調(diào)查區(qū)域分成9個區(qū)域[1, 14](見圖1)并在這9個區(qū)域共設(shè)置了31個調(diào)查站位，于2013年12月進行了海樣沉積物環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查(見圖2)。沉積物樣品的采集、貯存及前處理均按《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378-2007)[15]執(zhí)行，S01、S11、S21、S31站位采集平行樣。表層沉積物用抓斗式底泥采樣器采集，用塑料勺從采泥器耳蓋取0～2cm表層的泥樣于聚乙烯袋中，放入冰箱保存。

圖1　研究海域的區(qū)塊劃分圖

1.2 儀器與方法

Milli-Q超純水裝置(杭州永潔達凈化科技有限公司)；PinAAcle 900T原子吸收光譜儀(美國PE公司)；

XGY-1011Y原子熒光光度儀(地礦部物化探研究所)；所有玻璃器皿均用硝酸溶液浸泡24h以上，用去離子水沖洗干凈，烘干備用。

圖2　調(diào)查站位圖

重金屬測定主要依據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.5-2007)[15]規(guī)定方法檢測。銅、鉛和鋅的測定采用火焰原子吸收光譜法，鎘的測定采用石墨爐原子吸收光譜法，無機砷和總汞含量的測定采用原子熒光光譜法測定。各測試元素標準溶液從國家標準物質(zhì)研究中心購得。

樣品分析過程中，同步測定近海海洋沉積物標準物質(zhì)(GBW07314)，進行質(zhì)量控制。各重金屬元素標準樣品的測值及平行樣的相對偏差見表1。6種重金屬元素標準樣測定值在標準值的不確定范圍內(nèi)，平行樣測值的相對偏差在容許限值[16]內(nèi)。

表1　重金屬元素標準樣品的測值及平行樣的相對偏差

2結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)域表層沉積物中重金屬的水平分布特征

象山港及其鄰近海域表層沉積物中各重金屬平均含量見表2。由表2可見，調(diào)查站位間表層沉積物中重金屬含量的變異系數(shù)較小，即數(shù)據(jù)離散程度小，反映了這6種重金屬在研究海域分布較均勻。與國內(nèi)外其他海灣相比，本研究海域中表層沉積物重金屬含量高于膠州灣[17]，略低于樂清灣[1]，Cu和As含量高于大亞灣[18]，Pb、Zn、Cd和Hg含量低于大亞灣，Cu、Pb和Zn高于Thermaikos灣[19]、低于Gorgan灣[20]。

從整個研究海域水平分布來看，Cu、Pb、Zn、Hg的水平分布特征相似：B區(qū)、E區(qū)和G區(qū)呈現(xiàn)高值區(qū)，A區(qū)為低值區(qū)；As高值區(qū)出現(xiàn)在E區(qū)和G區(qū)，B區(qū)并沒有呈現(xiàn)高值區(qū)；而Cd高值區(qū)出現(xiàn)在A區(qū)，B區(qū)、E區(qū)和G區(qū)含量均較低，恰與Cu的分布特征相反。

表2　表層沉積物中重金屬含量的統(tǒng)計特征

文獻[21-22]報道，重金屬含量與沉積物粒度大小有關(guān)，Cu、Pb、Zn、Hg含量與中值粒徑有顯著負相關(guān)性，Cd和As含量與粒度大小關(guān)系不大。象山港海域底質(zhì)類型分布情況見圖4，共7個類型，即粉砂質(zhì)黏土、砂、砂-粉砂、黏土-砂、砂-粉砂-黏土、中細砂和中砂[23]。在東北佛渡水道和牛鼻山東南口的2股潮波向象山港傳播過程中的共同影響下，梅山島西部-象山港口北部區(qū)域在漲潮時滯流，落潮時分流流速平緩，有利于細顆粒泥沙沉降[24]，該區(qū)域沉積物類型基本為粉砂質(zhì)黏土，本次調(diào)查結(jié)果顯示該區(qū)域沉積物Cu、Pb、Zn、Hg含量較高，出現(xiàn)了高值區(qū)。雙德山以東區(qū)段在潮流的影響下，灣外較混濁水體流入灣外，導致灣外泥沙向內(nèi)輸運，而灣頂泥沙隨落潮流也向外輸運，在這種復合作用下，雙德山以東區(qū)段利于細沙沉降，沉積物類型主要表現(xiàn)為粉砂粘土質(zhì)，利于Cu、Pb、Zn、Hg元素的吸附，含量較高。雙德山以西段受外海域來沙的直接影響較小，落潮時高流速水體攜帶泥沙向外輸移，該區(qū)段主要以沖刷為主，沉積物類型主要為砂質(zhì)等為主，有機質(zhì)含量低，吸附重金屬元素能力較弱，灣頂部區(qū)域即A區(qū)出現(xiàn)低值區(qū)。陸源輸入是影響近岸海域沉積物中重金屬水平分布的最重要因素之一，也是區(qū)域重金屬總水平的決定性因子[25]。象山港海域設(shè)有兩個重要排污口[26]：寧海顏公河入海排污口(位于B區(qū))和象山墻頭綜合排污口(位于E區(qū))，2個排污口都位于港部內(nèi)灣，水體交換能力差，致使排入水體中的污染物在水體滯流時間長，容易沉降，導致B區(qū)和E區(qū)沉積物質(zhì)量惡化。另外，在黃墩港(即B區(qū))海區(qū)內(nèi)有儲家中型鉛鋅礦，位于寧海縣建設(shè)鄉(xiāng)儲家村東北部1.5km處，為寧波市最主要的有色金屬礦床；在西滬港(即E區(qū))海區(qū)有沈家岙鉛鋅礦，位于象山縣亭溪鄉(xiāng)沈山岙村東北約250m。礦區(qū)揚塵、生產(chǎn)廢水、雨水淋瀝水、廢礦石等含鉛鋅重金屬的污染物通過大氣沉降、地表徑流、岸邊傾倒等方式進入附近海域水體中，造成B區(qū)、E區(qū)鉛鋅明顯高于其他區(qū)域。鎮(zhèn)?；^(qū)排污口排放的污水隨沿岸流經(jīng)佛渡水道進入I區(qū)和H區(qū)，在該區(qū)域潮流的作用下，隨懸浮物沉降至底質(zhì)中，導致梅山島周圍海域沉積物中重金屬出現(xiàn)了高值區(qū)。

Cd的水平分布與其他5種元素有所區(qū)別，高值區(qū)出現(xiàn)在A區(qū)，這與其他幾種元素恰好相反，粒度控制效應(yīng)并不能很好地解釋Cd的分布特征，陸源輸入可能是A區(qū)沉積物中Cd主要控制因素。A區(qū)(鐵港)為海水增養(yǎng)殖區(qū)，海水及沉積物中Cd部分可能來自養(yǎng)殖投放的飼料中[27]，但同為增養(yǎng)殖區(qū)的B區(qū)(黃墩港)、E區(qū)(西滬港)Cd含量較低，說明養(yǎng)殖活動并非沉積物中Cd的主要來源。A區(qū)沿岸工業(yè)廢水、廢渣堆場淋濾液等含Cd廢水的排放可能是導致該海區(qū)沉積物中Cd偏高的主要原因。

2.2 潛在生態(tài)風險評價

本文采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法[4]評價表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風險，計算公式為

(1)

其中：Cd為沉積物重金屬總體污染指數(shù)；Cfi為重金屬i的污染系數(shù)；Ci為重金屬i的實測值；Cni為重金屬i的評價區(qū)域本底值。本研究海域隸屬于東海大陸架，地質(zhì)構(gòu)造活動、海底巖石風化、侵蝕及水動力作用等地球化學作用的結(jié)果，形成了重金屬元素的自然豐度，即環(huán)境本底值。本文采用東、黃海表層沉積物中重金屬平均含量為背景值[28]，其中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的數(shù)值分別為10.52×10-6、20.27×10-6、66.1×10-6、0.053×10-6、0.092×10-6、16.6×10-6。

多種重金屬的潛在危害指數(shù)ERl的計算公式為

(2)

研究海域表層沉積物各重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)和6種重金屬總的潛在生態(tài)危害指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表3。6種重金屬的平均潛在生態(tài)危害系數(shù)大小順序為Cd>Hg>Cu>Pb>As>Zn，其中Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)在6種重金屬中最高，平均值達到97.05，除了C區(qū)屬于中等危害程度外，其他區(qū)域均達到較重危害程度?？偟臐撛谏鷳B(tài)危害指數(shù)范圍為126.48～178.39，各分區(qū)ERl大小順序為E>A>G>I>B>H>D>F>C，所有分區(qū)總的潛在生態(tài)危害程度均達到中等水平。由圖3可以看出Cd在總的潛在生態(tài)風險指數(shù)中的平均貢獻率達到64%，Zn的貢獻率最小，只占1%。

表3　評價指標與潛在生態(tài)危害程度的關(guān)系[4]

圖3　表層沉積物中重金屬的水平分布(mg/kg)

圖4　研究海域的底質(zhì)類型示意圖[22]

參照《海洋沉積物質(zhì)量標準》(GB18668-2002)[16]一類標準，本次調(diào)查象山港海域表層沉積物中重金屬Cu平均含量已超過海洋沉積物一類標準，超標率達70%，Cd沒有出現(xiàn)超標現(xiàn)象，這與潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果不一致。采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果顯示Cu只占總的潛在生態(tài)風險指數(shù)的11%，小于Cd和Hg，而Cd是該海域的主要環(huán)境風險因子之一，對海樣生態(tài)具有較高的潛在生態(tài)危害性。

采用不同的評價方法會造成評價結(jié)論出現(xiàn)差異。沉積物質(zhì)量標準法是依據(jù)平衡分配模型而建立的評價方法，易于定量化和模型，并可較好地反映沉積物來源和背景差異，但該方法在建立基準值的過程中可能會帶來某些不確定和誤差；潛在生態(tài)危害指數(shù)法采用沉積物中不同重金屬含量及其分布并結(jié)合其生物毒性，同時結(jié)合背景值的空間差異性，可以客觀地反映重金屬的污染和富集程度，又可以較好地反映重金屬對環(huán)境生物的毒性危害[29]。

表4　重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和總的潛在生態(tài)危害指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

圖5　不同重金屬對ERl貢獻率

鎘具有較強毒性和較高生物富集性，是生態(tài)安全及人類健康的潛在威脅因子之一，中國環(huán)境和衛(wèi)生領(lǐng)域已將鎘列為優(yōu)先控制污染物[30]。象山港及其鄰近海域表層沉積物中Cd的潛在生態(tài)風險已處于較重水平，嚴重威脅著該海域的生態(tài)安全及水產(chǎn)品衛(wèi)生安全。加強該海域水體、沉積物和生物體中Cd含量的監(jiān)測，合理開發(fā)利用海洋資源，保護海洋環(huán)境，對環(huán)港區(qū)域社會經(jīng)濟健康發(fā)展具有重要意義。

3結(jié)論

(1)2013年象山港及其鄰近海域表層沉積物中6種重金屬平均含量較2006年略有下降，但遠高于2002年水平。與國內(nèi)外其他海灣相比，研究海域表層沉積物中重金屬含量處于較高水平。Cu、Pb、Zn和Hg的水平分布特征相似，高值區(qū)出現(xiàn)在黃墩港(B區(qū))、西滬港(E區(qū))和港口(G區(qū))，鐵港(A區(qū))為低值區(qū)，As在E區(qū)和G區(qū)出現(xiàn)高值區(qū)，B區(qū)為低值區(qū)。而Cd水平分布趨勢與Cu相反，A區(qū)呈現(xiàn)高值區(qū)。

(2)通過Hakanson提出的生態(tài)風險指數(shù)法對象山港及其鄰近海域表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風險性進行了評價。結(jié)果顯示，Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)在6種重金屬中最高，占總的潛在生態(tài)風險指數(shù)的64%，是研究海域的主要環(huán)境風險因子之一。各分區(qū)總的潛在生態(tài)風險指數(shù)大小順序為E>A>G>I>B>H>D>F>C。

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責任編輯徐環(huán)

Horizontal Distribution and Pollution Assessment of Heavy Metals in the Surface Sediments of Xiangshan Bay and Its Territorial sea

FENG Wei-Hua1，2, CHEN Li-Hong1，2, SONG Wei-Hua1，2,CAO Jing1，2, ZHENG Fang-Qin1，2, ZHU Gen-Hai2

(1.The Key Laboratory of Engineering Oceanography, Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China; 2.The Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China)

Abstract:According to the results of the 2013 environmental inventory survey of Xiangshan Bay and its territorial sea, this paper analyzes the horizontal distribution characteristics of Cu, Pb, Zn, Cd, Hg, and As in surface sediments. The results showed that the horizontal distribution of Cu, Pb, Zn and Hg is similar, its high values appeare in the regions of B (Huangdun Harbor)、E (Xihu Harbor) and G (the mouth of the bay), while region A (Tie Harbor) is with low values, which may be related with the sediments types of the study area. The distribution of Cd is contary to that of Cu, and the characteristics of distribution of As are low-level inside the bay and high-level in the center and the mouth of the bay. The paper assessed the pollution of 6 kinds of heavy metals in surface sediments of the study area by using the Hakanson potential ecological risk index method and we found out that Cd has a higher potential ecological risk index than the others, which has already reached a severe degree in most regions. Cd has become one of the major environmental risk factors in the Xiangshan Bay area.

Key words:Xiangshan Bay; heavy metal; surface sediments; horizontal distribution; pollution assessment

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140421

中圖法分類號：P734.4

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)04-071-08

作者簡介：豐衛(wèi)華(1984-)，男，工程師，從事近岸海洋環(huán)境污染研究。E-mail: fengweihua1203@163.com

收稿日期：2014-12-16；

修訂日期：2015-04-05

*基金項目：國家自然科學基金項目(41176142)；國家海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201105009)資助

Supported by the National Natural Science Foundation of China (41176142)； Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean(201105009)