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(fù)雜等特點(diǎn)，漁業(yè)資源物種多樣性極高，重要經(jīng)濟(jì)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(yán)重[3]。沉積物中的重金屬是生態(tài)風(fēng)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(fēng)險，可更好地掌握區(qū)域海洋環(huán)境質(zhì)量。

單因子標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(fēng)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(fēng)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(yīng)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(jì)模式，將多個重金屬指標(biāo)重新組合成一組新的綜合指標(biāo)來進(jìn)行評價。

本研究以珠江口外大陸架海域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)、地累積指數(shù)對表層沉積物中的重金屬水平進(jìn)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(fēng)險進(jìn)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(hù)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(shè)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(yùn)輸均嚴(yán)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(jìn)行分析測定。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

利用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評價方法計(jì)算單項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)對研究海域表層沉積物中的重金屬水平進(jìn)行評價。

地累積指數(shù)評價計(jì)算公式如下：

(1)

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法計(jì)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(fēng)險指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

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(jì)軟件中進(jìn)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(jì)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?jǐn)?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(dá)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(jì)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(fēng)險評價結(jié)果

通過計(jì)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(xiàng)重金屬元素E<40.00，7種重金屬均屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險。研究海域西部表層沉積物Cd元素E均值為41.31，達(dá)到中等潛在生態(tài)風(fēng)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(fēng)險。

表4 研究海域表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(E)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)統(tǒng)計(jì)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(fēng)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(yàn)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(yàn)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(dú)立，部分重金屬之間具有較強(qiáng)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(jìn)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(jì)算結(jié)果

PC1方差貢獻(xiàn)率為41.059%，其特點(diǎn)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(fēng)化產(chǎn)物[31]。因此，方差貢獻(xiàn)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(xiàn)。

PC2方差貢獻(xiàn)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(zāi)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(jìn)入水體[32-33]。因本研究圍繞工業(yè)污染嚴(yán)重的珠江口外海進(jìn)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(yùn)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(fù)合肥如磷肥的主要成分，說明PC2除了來源于海上交通運(yùn)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(xiàn)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(xiàng)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(jī)質(zhì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成沉積物中的有機(jī)絡(luò)合物[34]，鄭江鵬等(2017)發(fā)現(xiàn)Hg與有機(jī)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(jī)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(jī)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(fēng)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(fēng)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(qiáng)的元素。研究表明，Cd在海洋中極易富集于生物體內(nèi)，進(jìn)而通過海洋食物鏈進(jìn)入人體影響人類健康，對海洋生物生長和人類都存在嚴(yán)重威脅[36-37]。本研究中Cd的潛在生態(tài)風(fēng)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(fēng)險系數(shù)均值達(dá)到中等潛在生態(tài)風(fēng)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(fēng)險偏高的情況[38-39]。因此有必要加強(qiáng)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(yù)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)；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(fēng)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(fēng)險由高到低為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn，西部表層沉積物Cd含量達(dá)到中等潛在生態(tài)風(fēng)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(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的內(nèi)源污染，實(shí)際來源有待進(jìn)一步調(diào)查與驗(yàn)證。