北部湾海域表层沉积物中重金属元素分布特征及潜在生态危害评价

滕德强, 崔振昂, 袁晓婕，张 亮

(广州海洋地质调查局，广州 510075)

0 引言

表层沉积物中重金属元素含量是海洋沉积地球化学表征之一，蕴含许多海洋地质和环境信息，能较好地反映该区人类活动对生态环境造成的影响，是开展地球化学研究和环境评价的基础数据支撑[1-3]。本文研究区为北部湾海域及其周边主要包括三亚、海南岛西部、海口、广西及雷州半岛沿海等在内的海域，位于我国南海西北部，属半封闭海湾,具有重要的战略地位和地理位置，特别是海南岛生态文明建设更是国家战略发展的重中之重。近些年，沿海地区的社会经济快速发展，人为活动加剧，对北部湾海域的环境状况产生了深远的影响。表层沉积物中重金属元素含量是反映海域环境的基本要素，较多研究者对北部湾重金属元素含量进行了一定的研究[4-10]，但其大部分研究范围仅限于近岸，纵海尺度较小，空间面积不大，不能全方位地分析北部湾海域的沉积环境状况。本文对北部湾海域进行了全方位布点采样，直观分析了研究区重金属元素的含量及沉积分布特征，并结合单因子指数法和潜在生态危害指数法[11]对研究区沉积环境进行了分析，获取了北部湾海域底质环境状况相关数据，为海南岛生态经济建设提供了可靠的数据支撑。

1 研究区概况

研究区是西、北、东3面环陆的天然半封闭型浅水海湾，是南海最大的海湾，周围陆域地势向海方向逐渐降低，沿海具有典型的滨海丘陵、滨海台地与滨海平原地貌特征。沿岸海湾主要分布于北岸，较大的有流沙湾、安铺港、铁山港、北海港、钦州湾、防城港、珍珠港和下龙湾等。

该区以正规日潮为主，局部出现不正规日潮，其中琼州海峡最为复杂，分布有不正规半日潮、不正规全日潮和正规全日潮。沿岸河流中的泥沙主要来自流域内被雨水冲刷的土壤。在研究区西北岸和北岸，有红河、禁江、蓝江、南流江、钦江、北仑河等河流入海，海南岛西岸有昌化江入海。其中，以红河径流量和输沙量最大，是流入北部湾的最大江河，在河口向海形成红河三角洲[12-13]。且该区石油天然气资源、生物资源异常丰富，不仅是油气储存的极佳场所，还是鱼类、贝类等海洋生物的天然家园，沿岸还有典型的红树林自然生态保护区。

2 技术与方法

2.1 站位部署

结合海南岛生态文明建设规划需求，在了解研究区全新世环境演化背景、地质环境特征及生态环境特征后，借鉴国内外海洋沉积物研究的技术方法进行站位部署。整个研究区覆盖了海南岛西部、广西南部及雷州半岛以东的部分海域，共布设了66个站位(图1)。沉积物取样技术参考了《海洋监测规范》(GB 17378—2007)[14]和《海洋地质地球物理调查规范》(GB/T 12763.8.6.3—2007)[15]等规范。

图1 北部湾研究区及取样站位分布

2.2 分析方法及质量控制

沉积物中不同的重金属元素采用不同的测试分析方法，其中: Cu、Zn和Pb元素采用HNO3-HClO4-HCl体系进行消解，由美国安捷伦公司生产的7700X型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行检测，参考《海底沉积物化学分析方法》(GB/T 20260.10—2006)[16]执行；As和Cd元素测试参考《海洋监测规范 第5部分：沉积物分析》(GB 17378.5.11.1和17378.5.5.1—2007)[14]中推荐的原子荧光法，采用AF-610B原子荧光光谱仪检测；Cd元素采用石墨原子吸收法进行测定。所有要处理的样品按总量的10%做平行样测定，以检验样品处理过程中可能产生的误差。对提取待测元素的提取剂做空白样检测，用于排除系统误差。内标法测试补偿分析信号的波动以提高测定的精密度和准确度。每10～20个样品插入标样，用于测试检验仪器运行的稳定性，测试结果与标样之间的差值比率应小于测量值的5%。对每10～20个样品用同一样品加标来检测加标的回收率，且标准物质的回收率在80%～125%之间。

2.3 污染评价方法

(1)

(2)

表1 重金属元素背景值及毒性系数

表2 重金属元素潜在生态风险等级[19]

3 结果与讨论

3.1 重金属元素含量统计

对北部湾66个站位表层沉积物中6种重金属元素(Cu、Pb、Zn、Cd、As和Hg)含量进行统计分析，结果见表3。

表3 研究区表层沉积物中重金属元素含量统计

从最大值与最小值之比看，Pb、Cd最大值与最小值之比较小，在2～3之间，Cu、Zn和As最大值与最小值之比相对较大，在5～8之间，而Hg的最大值与最小值之比最大，高达56；从变异系数看，Cu、Pb、Zn、Cd、As 5种重金属元素在区内的变异系数均小于0.4，且平均值和中位数值均较为接近，说明这5种重金属元素在空间分布上较为均匀，离散性较小，而Hg变异系数较大，分布最为分散；从沉积物含量上看，几乎所有站位各元素的含量值均低于国家Ⅰ类海洋沉积物标准值[17]。因此，除Hg以外，其余重金属元素在研究区内的分布受人类活动影响不大。

3.2 重金属元素分布特征

Cu、Pb、Zn、As、Cd、Hg 6种重金属元素分布特征如图2所示。

(1)Cu调查结果显示(图2(a))，最高值出现在雷州半岛近岸的42号站位，含量为28.2 mg/kg，并在雷州半岛近岸及海南岛西北部形成高值区，由近岸到远岸含量呈逐渐降低的趋势，而海南岛南部的Cu含量却由西向东逐渐增加。

(2)Pb调查结果显示(图2(b))，最高值出现在海南岛西北近岸的8号站位，含量为38 mg/kg，最大值与最小值之比为2.1，说明Pb含量在整个研究区变化幅度较小，分布较为均匀，且分布趋势与Cu相似。

(3)Zn调查结果显示(图2(c))，最高值也出现在海南岛西北近岸的8号站位，含量为110 mg/kg，在雷州半岛近岸、海南岛西北部及三亚远岸的局部地区含量较高，低值区主要集中在海南岛西南部，其分布趋势与Cu相似。

(4)As调查结果显示(图2(d))，最高值出现在20号站位，含量为15.5 mg/kg，在东方市西南近岸形成局部高值区，尽管最大值与最小值之比大于7，但整体含量不高，均低于国家Ⅰ类海洋沉积物标准值。

(5)Cd调查结果显示(图2(e))，平均含量为0.06 mg/kg，最高值出现在东方市近岸的46号站位，整个研究区Cd含量不高，大部分站位均低于0.04 mg/kg，仅在46号、3号以及63号站位形成局部高值区，其他区域含量比较低，分布特征与Cu相似。

(6)Hg调查结果显示(图2(f))，最高值出现在东方市北部近岸的45号站位，最大值与最小值之比为56，变异系数达到77%，分布较不均匀，在东方市西北近岸形成高值区，且由近岸到远岸Hg含量有逐渐降低的趋势，但在海南岛南部由西向东含量逐渐增加。

从上述分析可以看出，这6种重金属元素在雷州半岛、海南岛西北部以及海南岛南部分布趋势相似，在雷州半岛和海南岛西北部这6种重金属元素含量由近岸到远岸呈降低趋势，在海南岛南部，由西向东含量逐渐增加。在海南岛西南部，Cu、Pb、Zn、Cd这4种重金属元素含量由近岸到远岸呈增加趋势，主要原因是受对岸越南红河三角洲的影响，该区有红河、禁江、蓝江等入海河流，每年有大量泥沙、生活污水及工业废水入海[12-13]，As和Hg由近岸到远岸含量呈降低趋势。雷州半岛东南部各重金属元素含量近岸明显高于远岸，这主要是受雷州半岛东部海湾的影响，此区部分海湾已经成为运输港或渔港，导致其近岸重金属含量明显高于远岸。此外，在东方市近岸这6种重金属元素含量均较高，特别是Hg，其含量在东方市近岸明显高于国家Ⅰ类海洋沉积物标准值，表明附近海域在一定程度上受到了人类活动的影响，这与该区地处昌化江入海口的地理位置有较强的相关性，昌化江作为海南岛第二大河流，每年在中、下游均有大量工业废水和生活污水排放。

3.3 重金属元素来源分析

表4为北部湾海域表层沉积物主成分分析结果，总共有6个评价因子。

表4 主成分分析结果统计

第一主成分的贡献率达到47.13%，特点是因子变量在Cu、Zn和Pb上有较高载荷，载荷分别为0.948、0.956和0.846，Cu和Zn主要来自近岸的工业及生活排污[21-22]，表5重金属元素相关性分析结果显示Cu、Zn和Pb具有较强的相关性，表明Pb与Cu、Zn元素的输入具有同源性，因此，第一主成分表征了Cu、Zn和Pb主要来源于工业及生活污水排放。第二主成分的贡献率为18.44%，重金属元素As的载荷较高，为0.964，但元素As在自然界中含量较少，主要存在于化肥和农药中[21]，因此，第二主成分表征了农药和化肥的残留对沉积物的影响。第三主成分的贡献率为18.35%，重金属元素Cd和Hg的载荷较高，由于沉积物中的有机物在降解过程中能够释放Hg，而Cd主要来源于工业及生活排污[21-22]，因此，第三主成分表征了有机物降解、工业及生活排污是沉积物中Hg、Cd的主要来源[22]。前3个主成分累计贡献率达到83.92%，表明分析前3个主成分便可获取研究区重金属元素大部分来源信息。分析结果表明重金属元素来源主要有3个途径，分别是工业及生活排污、农业(农药、化肥等)残留和有机物降解。

表5 重金属元素间相关系数

3.4 潜在生态危害评价分析

(a)潜在生态风险系数(Eir) (b)潜在生态危害指数(RI)

综上，北部湾海域表层沉积物中重金属元素对生态系统有一定的影响，As、Pb、Cu、Zn及Cd的危害程度较小，对生态系统危害较为显著的是Hg，地质环境受危害最大的区域在昌化江入海口附近，其次，雷州半岛东部及海南岛南部也受到了一定的影响，相关部门应予以重视。

4 结论与建议

(1)Cu、Pb、Zn、As、Cd在北部湾海域受人类活动影响较小；Hg离散型较大，部分站位的含量超过国家Ⅰ类海洋沉积物标准值，表明Hg含量受到了人类活动的影响。

(2)Cu、Pb、Zn、As、Cd和Hg 6种重金属元素在雷州半岛、海南岛西北部以及海南岛南部分布趋势相似，在雷州半岛和海南岛西北部由近岸到远岸含量呈降低趋势，在海南岛南部，由西向东含量逐渐增加；6种重金属元素高值区均出现在东方市附近；在海南岛西南部，Cu、Pb、Zn、Cd含量由近到远逐渐增加，As、Hg含量由近到远逐渐降低。

(3)主成分分析结果显示，前3个主成分贡献率分别是47.13%、18.44%和18.35%，累计贡献率达到83.92%，表明重金属来源主要有3个途径，分别是工业及生活排污、农业(农药、化肥等)残留和有机物降解。

(4)单项重金属元素潜在生态风险等级评价结果显示，研究区重金属元素潜在生态风险强弱次序为Hg>Cd>As>Pb>Cu>Zn，As、Pb、Cu、Zn和Cd重金属元素潜在生态风险等级为轻微，而Hg对整个海域的危害程度最大，潜在生态风险等级达到了强级。多项重金属元素潜在生态危害评价结合分析结果显示，北部湾海域生态风险等级为中等，部分区域生态风险等级达到了强级，特别是昌化江入海口附近地质环境较差，相关部门应予以足够重视。