渤海湾潮间带表层沉积物重金属潜在风险评价

刘 超，李 超，孟 莎，刘淑君，周 斌

(国家海洋局 北海海洋工程勘察研究院，山东 青岛 266061)

潮间带是高低潮之间的地带，是连接陆地和海洋的狭长地带[1]，有着丰富的生物资源。潮间带环境和生态系统受陆地、海洋及人类活动的影响，是典型的生态敏感区，也是重金属的主要富集区之一[2]。沿岸排放的重金属污染物由入海河流携带进入水体后，经过一系列的物理化学过程在潮间带沉降富集，影响了潮间带环境及生态系统。潮间带富集的重金属极易二次释放到环境中，给人类生活质量和身体健康造成威胁[3-7]。

渤海湾是渤海三大海湾之一，三面环陆，是京津地区的海上门户。关于渤海湾污染，主要集中在渤海河口区以及渤海湾水体，沉积物以及生物体重金属[8-10]。而对于渤海湾潮间带沉积物重金属的研究较少，秦延文等[11]分析了渤海湾秦皇岛段沉积物重金属柱状样的污染特征，周秀艳等[12]分析了渤海湾天津段潮间带表层沉积物的污染状况。本文分析了渤海湾潮间带表层沉积物重金属含量，并分析了渤海湾潮间带表层沉积物潜在生态风险，旨在为渤海湾环境保护提供数据支撑。

1 材料和方法

在渤海湾潮间带设置了11个调查站位(图1)，2016年5月在每个站位的高潮位、低潮位及高低潮之间分别取表层沉积物样品，带回实验室分析。因条件限制，未取得站位1的高潮位数据。

图1 调查站位Fig.1 Surveying stations

1.1 实验方法

将沉积物样品带回实验室后，将其置于坩埚中，然后放入恒温干燥箱烘干，研磨后过160目尼龙筛。称取0.1 g沉积物样品于50 m L聚四氟乙烯消解管中，用少许水润湿样品，采用ST60全自动消解仪消解样品，逐渐升温至180 ℃，冷却10 min，依次加入2 m L硝酸，2 m L氢氟酸以及2 m L 高氯酸，继续加热至消解完全，期间补加1 m L硝酸和氢氟酸。待消解完全后，加水定容至标线、混匀、澄清，取上清液采用PAA900T原子吸收光谱仪测定重金属含量。

1.2 评价方法

采用潜在生态危害指数(Potential Ecological Risk Index，RI)法对渤海湾潮间带表层沉积物进行评价，该方法由瑞典科学家Hakanson于1980年提出[13]，充分考虑了生物毒性、生态危害的影响，以重金属含量、数量、毒性及评价区域对重金属的敏感性四个基本条件为原则。公式如下:

式中:C if、E ir分别是第i种重金属的污染系数和潜在生态危害系数;C iD为重金属i质量分数的实测值;C iR为重金属i质量分数最高背景值，采用渤海沉积物重金属的背景值;T ir为毒性系数，用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属的敏感程度(表1)[2];Cd为重金属总体污染程度指数。潜在生态污染指数法分级标准见表2[15]。

表1 重金属毒性系数以及背景值Table 1 Toxicity coefficients of heavy metals and their background values

表2 潜在生态污染指数法分级标准Table 2 Classification standard of the potential ecological pollution index method

2 结果与讨论

2.1 表层沉积物重金属质量分数及分布特征

根据海洋沉积物评价标准[15]，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr五种元素质量分数(表3)均低于国家一类沉积物质量标准限值:①Cu质量分数最大值为14.60μg·g-1，出现在站位9低潮位时刻，最小值为4.12μg·g-1，出现在站位2低潮位时刻，平均值为8.18μg·g-1;②Pb质量分数最大值为28.03μg·g-1，出现在站位11低潮位时刻，最小值为9.04μg·g-1，出现在站位9高潮位时刻，平均值为15.9μg·g-1;③Zn质量分数最大值为89.25μg·g-1，出现在站位7高潮位时刻，最小值为16.6μg·g-1，出现在站位7中潮位时刻，平均值为60.87μg·g-1;④Cd质量分数最大值为0.36μg·g-1，出现在站位5低潮位时刻，最小值为0.08μg·g-1，出现在站位3高潮位时刻，平均值为0.17μg·g-1;⑤Cr质量分数最大值为53.16μg·g-1，出现在站位11中潮位时刻，最小值为32.20μg·g-1，出现在站位3高潮位时刻，平均值为40.27μg·g-1。按质量分数平均值由高到低依次为Zn、Cr、Pb、Cu和Cd。

表3 渤海湾潮间带表层重金属质量分数(μg·g-1)Table 3 Contents of heavy metals in the surface sediments in the intertidal zone of the Bohai Bay(μg·g-1)

将本研究区重金属质量分数与国内典型海湾相比较(表4)可知:Cu处于相对较低的水平;Pb与北海潮间带含量相当，低于其他海湾;Zn与胶州湾、北海潮间带相近，明显低于其他海湾;Cd高于胶州湾，低于长江口滨岸潮滩与珠江口，与北海、杭州湾相近;Cr与杭州湾相近，明显低于其他海湾。

表4 典型河口海湾重金属元素平均质量分数(μg·g-1)Table 4 The average content of heavy metal elements in the sediments in typical bays and estuaries(μg·g-1)

与2008年环渤海典型海域潮间带重金属含量[16](表5)进行对比，重金属含量变化不大，本次调查中Zn、Cu比2008年含量略低，Pb、Cd和Cr含量基本一致。

表5 2008年渤海湾典型海域潮间带重金属质量分数(μg·g-1)Table 5 The contents of heavy metals in the typical intertidal zones around the Bohai Sea in 2008(μg·g-1)

续表

图2为高中低潮位表层沉积物重金属(Cu、Pb、Zn、Cd和Cr)含量的分布图，从图中可以看出，高中低潮位表层重金属(Cu、Pb、Zn、Cd和Cr)沿站位分布基本相近，其中Cu、Pb、Cd和Cr的分布相近，Zn变化较大，站位4～站位11 Zn和Cd含量增加明显。

图2 表层沉积物重金属分布Fig.2 Distributions of heavy metals in the surface sediments

2.2 表层沉积物重金属潜在生态风险评价

将渤海湾潮间带沉积物重金属(Cu、Pb、Zn、Cd和Cr)数据应用潜在生态危害指数法进行评价，所得评价结果见表6。

表6 渤海湾潮间带表层沉积物重金属潜在生态风险指数Table 6 Potential ecological risk indexes of heavy metals in the surface sediments in the intertidal zone of the Bohai Bay

由表6可知，Pb、Cr、Cu和Zn属于低污染程度，Cd属于中等污染程度，总体污染的污染指数小于8，属于低污染程度。从5种重金属元素的生态风险系数来看，5种元素的潜在生态风险由高至低为Cd、Pb、Cr、Cu和Zn，其中Pb、Cr、Cu、Zn的单个元素的危害系数都低于40，属于低微生态风险等级;Cd有8个站位的值介于40～80，属于中等生态风险等级，其余站位属于低微生态风险等级。从重金属潜在生态危害系数来看，所有站位RI值都小于135，属于低微潜在生态风险等级。综上所述，无论是单个元素还是总体的污染程度及潜在生态风险都处于中等污染以下，说明调查区域沉积物重金属环境风险等级良好。

3 结 论

通过分析渤海湾潮间带表层沉积物样品，讨论了其重金属含量及分布特征，采用潜在生态危害指数法对研究区5种重金属进行评价。得出结论如下:

1)渤海湾潮间带表层沉积物5种重金属Cu、Pb、Zn、Cr和Cd均未超出海洋沉积物质量标准中一类标准。

2)渤海湾潮间带表层沉积物中五项重金属中Cu、Pb、Cd、Cr沿站位的分布特征基本相似，高值出现在站位4和站位11;Zn沿站位的分布特征与其他4种元素不同，其质量分数变化大，存在明显的高值和低值，区域差别大。

3)从单个元素污染系数来看，Pb、Cr、Cu、Zn属于低污染程度，Cd属于中等污染程度，总体污染污染指数小于8，属于低污染程度。5种元素的潜在生态风险顺序由高至低为Cd、Pb、Cr、Cu和Zn，5种元素中Pb、Cr、Cu、Zn的单个元素的危害系数属于低微生态风险等级，Cd属于中等生态风险等级。

因此，调整近海产业结构，严格控制入海河流和近海经济活动的重金属特别是镉的污染排放，对保障渤海湾生态安全至关重要。