温州苍南海域表层沉积物重金属污染特征及生态风险

徐菲菲，胡红美，郭远明，李铁军，徐开达，刘 琴，尤炬炬

(1.浙江伊渼源检测科技有限公司，浙江舟山 316021；2.浙江海洋大学海洋与渔业研究所，浙江省海洋水产研究所，浙江省海洋渔业资源可持续利用技术研究重点实验室，浙江舟山 316021)

随着人口的快速增长和经济的发展，海洋环境问题也日益突出[1]。海洋生态系统的沉积物通常被认为是重金属的主要汇点，当环境条件发生变化时，这些沉积物也可能成为各种水生生物体内重金属的潜在来源，再通过食物链传播，最终对人类健康和安全构成威胁[2-5]。研究表明，重金属具有一定毒性、不可生物降解性和持久性[6-7]。因此，迫切需要调查沉积物中重金属污染现状，并评估其生态风险、潜在来源和命运[8]。

苍南县位于浙江省最南端，濒临东海，海岸线长230 km。内海及领海面积3 783 km2，沿海滩涂面积97.24 km2，渔业资源较为丰富[9]。近年来，苍南县涉海工程日益趋多以及绝大多数水产养殖尾水直排入海，造成近海海洋环境压力较大，但目前涉及苍南海域沉积物中重金属赋存特征和生态风险评估数据缺乏，且现有重金属污染生态风险评估多采用单因子指数法，不能反映多种重金属的综合效应。因此，本文对温州苍南海域表层沉积物中7 种重金属进行了检测，采用单因子指数法、综合污染指数法和Hakanson 潜在生态风险指数法探讨了表层沉积物中不同重金属污染特征[10]，并对其潜在生态风险进行了评价，旨在为温州苍南海域生态环境保护及污染修复提供基础数据及科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样与分析

依据重点代表、近密远疏站位布设原则，2018 年4 月(春季)、9 月(秋季)在温州苍南海域设置了10 个代表性采样点(图1)，通过使用Van Veen grab 采泥器采集0～5 cm 表层沉积物样品。监测指标包括铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、铬(Cr)和总有机碳(TOC)。样品的采集、保存和检测主要按照《海洋调查规范》(GB 12763-2007)、《海洋监测规范》(GB 17378-2007)中相关要求执行[11-12]。As 和Hg 采用原子荧光光谱法(AFS)测定，Cu、Zn、Pb、Cd 和Cr 采用电感等离子质谱法(ICP-MS)测定[13]，TOC 采用氧化还原容量法测定。在检测过程中均进行质控样和20%平行样分析，相对误差＜15%，数据质量可靠。

图1 采样站位分布图Fig.1 Distribution of sampling station

1.2 评价方法

(1) 单因子指数法 该方法对每个重金属进行单独评价，计算公式为：

式中，Pi为重金属i 的标准指数，Ci为重金属i 的实测浓度，Si为重金属i 的评价标准值。根据《浙江省海洋功能区划(2011-2020 年)》，苍南海域海洋功能区有渔农业区、工业与城镇用海区、港口航运区、保留区等，本研究执行《海洋沉积物质量》(GB 18668-2002)中的第一类标准[14]，当Pi≤1 时，表示符合海洋功能要求，反之，表示超标。

(2) 综合污染指数法 该方法建立在单因子指数法基础上，反映每个站位多种重金属对表层沉积物的综合作用结果，计算公式为：

式中，PI 为重金属综合污染指数，n 为评价重金属种类数。当PI＜0.3 时，质量等级为清洁；0.3≤PI＜0.7，为尚清洁；0.7≤PI＜1，为允许；1≤PI＜2，为轻污染；2≤PI＜3，为污染；3≤PI＜5，为重污染；5≤PI，为恶性污染。

(3) 潜在生态风险指数法 该方法1980 年由瑞典学者HÅKANSON 提出，用于毒理学评价沉积物重金属的综合污染状况和环境影响[15-16]。

式中，Cfi为重金属i 的污染指数，Csi为全球工业化前沉积物中重金属i 含量[17]，其中Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr 含量分别为10.52、66.1、20.27、0.053、16.6、0.092、67.4 mg·kg-1。

Eri为重金属i 的潜在生态风险指数，Tri为重金属i 毒性响应因子。其中Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr 的毒性响应参数分别为5、1、5、30、10、40、2[10]。

RI 为潜在生态风险指数。各指数潜在生态风险评价标准见表1。

表1 潜在生态风险评价标准Tab.1 Potential ecological risk assessment criteria

2 结果与讨论

2.1 重金属的含量和污染特征

2018 年春、秋季苍南海域表层沉积物质量无显著性差异，春季Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg 和Cr 平均含量分别为23、73、31、0.069、10、0.013、54 mg·kg-1，秋季分别为28、79、38、0.078、9.4、0.024、58 mg·kg-1(图2)，参照全国海岸带重金属的背景值[18]，除Pb 外，其他重金属平均含量均低于背景值，Pb 平均含量(春季31 mg·kg-1，秋季38 mg·kg-1)高于背景值(25 mg·kg-1)，春季最大值位于3 号站位(45 mg·kg-1)，秋季位于3 号站位(46 mg·kg-1)，均靠近岸边，春、秋站位超标率均为90%。此外，Cu、Zn、Cr、As 也有部分站位也略高于背景值，春季站位超标率分别为10%、50%、40%、20%，秋季分别为70%、40%、50%、20%。与全国海岸带重金属背景值相比，苍南海域重金属已受到一定污染，主要污染因子为Pb、Cu、Zn、Cr。

图2 苍南海域春季(A)、秋季(B)表层沉积物中重金属含量Fig.2 Contents of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.2 重金属单因子污染指数

根据公式(1)，春、秋季所有调查站位Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr 的单因子污染指数均≤1(图3)，各重金属含量均符合《海洋沉积物质量》(GB 18668-2002)中的第一类标准。春季7 种重金属平均污染指数大小排序为Cr(0.67)＞Cu(0.65)＞Pb(0.51)＞As(0.50)＞Zn(0.49)＞Cd(0.14)＞Hg(0.07)，秋季为Cu(0.80)＞Cr(0.72)＞Pb(0.63)＞Zn(0.53)＞As(0.47)＞Cd(0.16)＞Hg(0.12)。

图3 苍南海域春季(A)、秋季(B)表层沉积物中重金属标准指数Fig.3 Standard index of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.3 重金属综合污染指数

根据公式(2)，春、秋季各调查站位综合污染指数范围分别为0.30～0.52(平均0.43)和0.35～0.55(平均0.49)，0.3≤PI＜0.7，说明苍南海域沉积物质量均处于尚清洁状态。

2.4 重金属潜在生态风险指数

基于全球工业化前沉积物中重金属含量为背景值，根据公式(3)、(4)、(5)计算重金属潜在生态风险指数(如表2)。结果表明，除Cd 春季少数站位略高(40.19～49.81)，秋季大部分站位略高(40.75～56.04)外，春、秋季其他重金属单项污染物生态风险指数均小于40，且春季Cd 平均生态风险指数小于40，但秋季略大于40，单项重金属潜在生态风险等级(Eri)除秋季Cd 为“中”，其他均为“低”，春季7 种重金属潜在生态风险指数大小顺序为Cd＞Cu＞Pb＞As＞Hg＞Cr＞Zn，秋季为Cd＞Cu＞Hg＞Pb＞As＞Cr＞Zn。总体而言，春、秋季重金属潜在生态风险RI 均小于150，因此该海域重金属潜在生态风险等级为“低”。

表2 苍南海域表层沉积物潜在生态风险指数Tab.2 Potential ecological risk index of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.5 重金属富集程度分析

富集因子是评价人类活动对表层沉积物重金属富集程度和污染状况的重要指标[19]。沉积物中重金属除了自然来源，还受人类活动影响。为揭示人类活动对苍南海域环境质量影响程度，基于全球工业化前沉积物中重金属含量为背景值，根据公式(3)计算各金属的富集系数(图4)，结果表明。春、秋季除Cr、Hg、As外，其他重金属平均富集系数均大于1，其中Pb 所有监测站位富集系数均大于1，春、秋季各金属富集程度大小顺序均为Cu＞Pb＞Cd＞Zn＞Cr＞As＞Hg。

图4 苍南海域春季(A)、秋季(B)表层沉积物重金属富集系数Fig.4 Enrichment factor of heavy metals in surface sediments in Cangnan sea area

2.6 重金属与TOC 相关性分析

通过重金属之间的相关性分析可确定沉积物中重金属的同源性。TOC 成分和含量的变化是影响表层沉积物中重金属分布的重要因素之一[20]。对2018 年春、秋季采集的10 个表层沉积物样品中的7 种重金属含量和TOC 含量进行Pearson 相关性分析(表3)。结果表明，春季Cu 和Zn、Cu 和Cr、Zn 和Cr 之间存在极显著相关性，秋季Cu 和Pb、Cu 和Zn、Cu 和Cr、Pb 和Zn、Pb 和Cd、Pb 和Cr、Zn 和Cr 之间存在显著或极显著相关性、说明它们之间具有一定的同源性。此外，春季苍南海域TOC 与Cd 具有显著正相关性，这可能通过海水中重金属与TOC 进行表面吸附沉积进入底质环境[21]。

表3 苍南海域表层沉积物中重金属含量和TOC 含量的相关性分析Tab.3 Correlation coefficient among of heavy metals and TOC in surface sediments in Cangnan sea area

3 小结

(1) 苍南海域表层沉积物中春季Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg 和Cr 含量范围分别为8.6～32、39～93、22～45、0.052～0.088、8.1～13、0.01～0.02、31～70 mg·kg-1，秋季分别为9.5～35、66～91、24～46、0.046～0.099、6.7～12、0.013～0.042、41～72 mg·kg-1，所有调查站位重金属含量均符合《海洋沉积物质量》一类标准；与全国海岸带重金属的背景值相比，重金属已受到一定污染，主要污染因子为Pb、Cu、Zn、Cr。

(2) 综合污染指数分析表明苍南海域沉积物质量均处于尚清洁状态；生态风险评估表明，总体上，苍南海域生态风险较低，春季7 种重金属潜在生态风险指数大小顺序为Cd＞Cu＞Pb＞As＞Hg＞Cr＞Zn，秋季为Cd＞Cu＞Hg＞Pb＞As＞Cr＞Zn；结合重金属富集程度分析，除Cr、Hg、As 外，其他重金属平均富集系数均大于1，春、秋季各金属富集程度大小顺序均为Cu＞Pb＞Cd＞Zn＞Cr＞As＞Hg；重金属和TOC 相关性分析表明，该海域表层沉积物中TOC 仅与Cd 含量具有一定的正相关性。