象山港及其邻近海域表层沉积物中重金属的水平分布特征及其污染评价*

丰卫华, 陈立红, 宋伟华, 曹　静, 郑芳琴， 朱根海

(1.国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室， 浙江 杭州 310012； 2.国家海洋局第二海洋研究所， 浙江 杭州 310012)



象山港及其邻近海域表层沉积物中重金属的水平分布特征及其污染评价*

丰卫华1,2, 陈立红1,2, 宋伟华1,2, 曹静1,2, 郑芳琴1,2， 朱根海2

(1.国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室， 浙江 杭州 310012； 2.国家海洋局第二海洋研究所， 浙江 杭州 310012)

摘要：根据2013年象山港及其邻近海域的环境现状调查结果，分析了表层沉积物中重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的水平分布特征。结果表明，Cu、Pb、Zn、Hg水平分布特征相似，高值区出现在B区(黄墩港)、E区(西沪港)和G区(港口)，A区(铁港)为低值区，与海区底质类型相关；而Cd的分布特征与Cu相反；As表现为港内低、港中和港口高的分布特点。采用潜在生态危害指数法对研究海域表层沉积物中6种重金属污染水平进行了评价，发现Cd的潜在生态风险危害程度较大，大部分区域已达到较严重的危害程度,是研究海域的主要环境风险因子之一。

关键词：象山港； 重金属； 表层沉积物； 水平分布； 污染评价

引用格式：丰卫华, 陈立红, 宋伟华，等. 象山港及其邻近海域表层沉积物中重金属的水平分布特征及其污染评价[J]. 中国海洋大学(自然科学版)， 2016, 46(4)： 71-78.

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象山港流域是东海沿岸一个狭长型半封闭式的深水港湾，由象山港峡湾、牛鼻山水道和佛渡水道三大部分组成，生态类型多样，水产资源丰富，是浙江省重要的海水增养殖基地[1]。近年来由于沿岸城镇化建设、船舶业、化工业以及养殖业的迅速发展，将大量生活、工业、养殖业污染物通过废水排放、废气沉降、固废淋滤等各种途径排入象山港海域，给象山港及其邻近海域海洋环境和海洋生态系统带来重大影响[2-3]。

近海沉积物是污染物的主要汇集场所[4]。沉积物中重金属在环境中具有持久性、累积性、不可逆性等特点，是环境监测的重要指标[5-6]。重金属在沉积物中累积、释放，不仅影响着水体水质的变化，而且对水体中的海洋生物以及大量底栖生物产生毒害作用，并通过食物链在生物体内富集逐级放大等作用影响到人类[7]。因此，了解海域沉积物中重金属的含量、时空变化、来源、污染评价具有重要的现实意义，是海洋污染防治和环境保护的重要环节，同时也能为合理开发利用海洋资源提供科学指导。

沉积物中重金属评价的主要方法有单因子指数法、综合指数法[8]、潜在生态危害指数法[4](The Potential Ecological Risk Index Method)、地积累积指数法(Geo-accumulation Index)[9]、污染负荷指数法(The Pollution Load Index)[10]、回归过量分析法(Regression Excessive Analysis)[11]、底栖生物评价法以及数据计算法等[12]。目前国内海洋环境质量评价主要采用单因子指数法，此方法较简单，但不能充分真实反映海域沉积物环境质量状况。而潜在生态危害指数法既可以较客观反映重金属的污染和富集程度，又可以较好地反映重金属对环境生物的毒性危害[13]。

本文根据2013年象山港及其邻近海域表层沉积物环境调查监测结果，分析该海域表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的水平分布特征，探讨该海域表层沉积物中重金属的可能来源，并对其进行潜在生态风险评价，为科学统筹海域使用与环境保护的关系提供一定的基础资料。

1材料与方法

1.1 样品的采集与处理

由于象山港是一狭长型复杂海湾，沿港各个行政区块在资源开发与环境整治方面缺乏统筹发展观，在利用及向该海域排放污染物亦存在明显的行政区划特征，因此，为了更好调查和评价该海域环境特征，从行政区域和海域自然属性角度，将调查区域分成9个区域[1, 14](见图1)并在这9个区域共设置了31个调查站位，于2013年12月进行了海样沉积物环境质量现状调查(见图2)。沉积物样品的采集、贮存及前处理均按《海洋监测规范》(GB17378-2007)[15]执行，S01、S11、S21、S31站位采集平行样。表层沉积物用抓斗式底泥采样器采集，用塑料勺从采泥器耳盖取0～2cm表层的泥样于聚乙烯袋中，放入冰箱保存。

图1　研究海域的区块划分图

1.2 仪器与方法

Milli-Q超纯水装置(杭州永洁达净化科技有限公司)；PinAAcle 900T原子吸收光谱仪(美国PE公司)；

XGY-1011Y原子荧光光度仪(地矿部物化探研究所)；所有玻璃器皿均用硝酸溶液浸泡24h以上，用去离子水冲洗干净，烘干备用。

图2　调查站位图

重金属测定主要依据《海洋监测规范》(GB 17378.5-2007)[15]规定方法检测。铜、铅和锌的测定采用火焰原子吸收光谱法，镉的测定采用石墨炉原子吸收光谱法，无机砷和总汞含量的测定采用原子荧光光谱法测定。各测试元素标准溶液从国家标准物质研究中心购得。

样品分析过程中，同步测定近海海洋沉积物标准物质(GBW07314)，进行质量控制。各重金属元素标准样品的测值及平行样的相对偏差见表1。6种重金属元素标准样测定值在标准值的不确定范围内，平行样测值的相对偏差在容许限值[16]内。

表1　重金属元素标准样品的测值及平行样的相对偏差

2结果与讨论

2.1 研究区域表层沉积物中重金属的水平分布特征

象山港及其邻近海域表层沉积物中各重金属平均含量见表2。由表2可见，调查站位间表层沉积物中重金属含量的变异系数较小，即数据离散程度小，反映了这6种重金属在研究海域分布较均匀。与国内外其他海湾相比，本研究海域中表层沉积物重金属含量高于胶州湾[17]，略低于乐清湾[1]，Cu和As含量高于大亚湾[18]，Pb、Zn、Cd和Hg含量低于大亚湾，Cu、Pb和Zn高于Thermaikos湾[19]、低于Gorgan湾[20]。

从整个研究海域水平分布来看，Cu、Pb、Zn、Hg的水平分布特征相似：B区、E区和G区呈现高值区，A区为低值区；As高值区出现在E区和G区，B区并没有呈现高值区；而Cd高值区出现在A区，B区、E区和G区含量均较低，恰与Cu的分布特征相反。

表2　表层沉积物中重金属含量的统计特征

文献[21-22]报道，重金属含量与沉积物粒度大小有关，Cu、Pb、Zn、Hg含量与中值粒径有显著负相关性，Cd和As含量与粒度大小关系不大。象山港海域底质类型分布情况见图4，共7个类型，即粉砂质黏土、砂、砂-粉砂、黏土-砂、砂-粉砂-黏土、中细砂和中砂[23]。在东北佛渡水道和牛鼻山东南口的2股潮波向象山港传播过程中的共同影响下，梅山岛西部-象山港口北部区域在涨潮时滞流，落潮时分流流速平缓，有利于细颗粒泥沙沉降[24]，该区域沉积物类型基本为粉砂质黏土，本次调查结果显示该区域沉积物Cu、Pb、Zn、Hg含量较高，出现了高值区。双德山以东区段在潮流的影响下，湾外较混浊水体流入湾外，导致湾外泥沙向内输运，而湾顶泥沙随落潮流也向外输运，在这种复合作用下，双德山以东区段利于细沙沉降，沉积物类型主要表现为粉砂粘土质，利于Cu、Pb、Zn、Hg元素的吸附，含量较高。双德山以西段受外海域来沙的直接影响较小，落潮时高流速水体携带泥沙向外输移，该区段主要以冲刷为主，沉积物类型主要为砂质等为主，有机质含量低，吸附重金属元素能力较弱，湾顶部区域即A区出现低值区。陆源输入是影响近岸海域沉积物中重金属水平分布的最重要因素之一，也是区域重金属总水平的决定性因子[25]。象山港海域设有两个重要排污口[26]：宁海颜公河入海排污口(位于B区)和象山墙头综合排污口(位于E区)，2个排污口都位于港部内湾，水体交换能力差，致使排入水体中的污染物在水体滞流时间长，容易沉降，导致B区和E区沉积物质量恶化。另外，在黄墩港(即B区)海区内有储家中型铅锌矿，位于宁海县建设乡储家村东北部1.5km处，为宁波市最主要的有色金属矿床；在西沪港(即E区)海区有沈家岙铅锌矿，位于象山县亭溪乡沈山岙村东北约250m。矿区扬尘、生产废水、雨水淋沥水、废矿石等含铅锌重金属的污染物通过大气沉降、地表径流、岸边倾倒等方式进入附近海域水体中，造成B区、E区铅锌明显高于其他区域。镇海化工区排污口排放的污水随沿岸流经佛渡水道进入I区和H区，在该区域潮流的作用下，随悬浮物沉降至底质中，导致梅山岛周围海域沉积物中重金属出现了高值区。

Cd的水平分布与其他5种元素有所区别，高值区出现在A区，这与其他几种元素恰好相反，粒度控制效应并不能很好地解释Cd的分布特征，陆源输入可能是A区沉积物中Cd主要控制因素。A区(铁港)为海水增养殖区，海水及沉积物中Cd部分可能来自养殖投放的饲料中[27]，但同为增养殖区的B区(黄墩港)、E区(西沪港)Cd含量较低，说明养殖活动并非沉积物中Cd的主要来源。A区沿岸工业废水、废渣堆场淋滤液等含Cd废水的排放可能是导致该海区沉积物中Cd偏高的主要原因。

2.2 潜在生态风险评价

本文采用Hakanson潜在生态危害指数法[4]评价表层沉积物中重金属的潜在生态风险，计算公式为

(1)

其中：Cd为沉积物重金属总体污染指数；Cfi为重金属i的污染系数；Ci为重金属i的实测值；Cni为重金属i的评价区域本底值。本研究海域隶属于东海大陆架，地质构造活动、海底岩石风化、侵蚀及水动力作用等地球化学作用的结果，形成了重金属元素的自然丰度，即环境本底值。本文采用东、黄海表层沉积物中重金属平均含量为背景值[28]，其中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的数值分别为10.52×10-6、20.27×10-6、66.1×10-6、0.053×10-6、0.092×10-6、16.6×10-6。

多种重金属的潜在危害指数ERl的计算公式为

(2)

研究海域表层沉积物各重金属的潜在生态危害系数和6种重金属总的潜在生态危害指数统计结果见表3。6种重金属的平均潜在生态危害系数大小顺序为Cd>Hg>Cu>Pb>As>Zn，其中Cd的潜在生态危害系数在6种重金属中最高，平均值达到97.05，除了C区属于中等危害程度外，其他区域均达到较重危害程度。总的潜在生态危害指数范围为126.48～178.39，各分区ERl大小顺序为E>A>G>I>B>H>D>F>C，所有分区总的潜在生态危害程度均达到中等水平。由图3可以看出Cd在总的潜在生态风险指数中的平均贡献率达到64%，Zn的贡献率最小，只占1%。

表3　评价指标与潜在生态危害程度的关系[4]

图3　表层沉积物中重金属的水平分布(mg/kg)

图4　研究海域的底质类型示意图[22]

参照《海洋沉积物质量标准》(GB18668-2002)[16]一类标准，本次调查象山港海域表层沉积物中重金属Cu平均含量已超过海洋沉积物一类标准，超标率达70%，Cd没有出现超标现象，这与潜在生态危害指数法评价结果不一致。采用潜在生态危害指数法评价结果显示Cu只占总的潜在生态风险指数的11%，小于Cd和Hg，而Cd是该海域的主要环境风险因子之一，对海样生态具有较高的潜在生态危害性。

采用不同的评价方法会造成评价结论出现差异。沉积物质量标准法是依据平衡分配模型而建立的评价方法，易于定量化和模型，并可较好地反映沉积物来源和背景差异，但该方法在建立基准值的过程中可能会带来某些不确定和误差；潜在生态危害指数法采用沉积物中不同重金属含量及其分布并结合其生物毒性，同时结合背景值的空间差异性，可以客观地反映重金属的污染和富集程度，又可以较好地反映重金属对环境生物的毒性危害[29]。

表4　重金属潜在生态危害系数和总的潜在生态危害指数统计结果

图5　不同重金属对ERl贡献率

镉具有较强毒性和较高生物富集性，是生态安全及人类健康的潜在威胁因子之一，中国环境和卫生领域已将镉列为优先控制污染物[30]。象山港及其邻近海域表层沉积物中Cd的潜在生态风险已处于较重水平，严重威胁着该海域的生态安全及水产品卫生安全。加强该海域水体、沉积物和生物体中Cd含量的监测，合理开发利用海洋资源，保护海洋环境，对环港区域社会经济健康发展具有重要意义。

3结论

(1)2013年象山港及其邻近海域表层沉积物中6种重金属平均含量较2006年略有下降，但远高于2002年水平。与国内外其他海湾相比，研究海域表层沉积物中重金属含量处于较高水平。Cu、Pb、Zn和Hg的水平分布特征相似，高值区出现在黄墩港(B区)、西沪港(E区)和港口(G区)，铁港(A区)为低值区，As在E区和G区出现高值区，B区为低值区。而Cd水平分布趋势与Cu相反，A区呈现高值区。

(2)通过Hakanson提出的生态风险指数法对象山港及其邻近海域表层沉积物重金属的潜在生态风险性进行了评价。结果显示，Cd的潜在生态危害系数在6种重金属中最高，占总的潜在生态风险指数的64%，是研究海域的主要环境风险因子之一。各分区总的潜在生态风险指数大小顺序为E>A>G>I>B>H>D>F>C。

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责任编辑徐环

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

中图法分类号：P734.4

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)04-071-08

作者简介：丰卫华(1984-)，男，工程师，从事近岸海洋环境污染研究。E-mail: fengweihua1203@163.com

收稿日期：2014-12-16；

修订日期：2015-04-05

*基金项目：国家自然科学基金项目(41176142)；国家海洋公益性行业科研专项经费项目(201105009)资助

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