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1、 年 海 洋 湖 沼 通 报 庙岛群岛南部海域海水和表层沉积物 重金属分布特征及生态风险评价 徐艳 东 ， ， 王茂 剑 ， 马建 新 ， 魏 潇 ， 冯银 银 ， 朱金 龙 ， 杜逢 超 （ 山东省海洋资源与环境研究 院 山东省海洋生态修复重点实验室 ，山 东 烟台 ； 中国海洋大学环境科学与工程学院 ，山 东 青岛 ） 摘 要 ：基 于 年 月庙岛群岛南部海域的调查资料 ，综合运用单因子指数法 、地质累积指数法和潜 在生态风险指数法 种方法 ，研究了海水和表层沉积物重金属元素的含量分布特征 ，并对重金属元素进 行了污染评价和生态风险分析 。 结果表明 ： 调查海域海水中 、 、 和 均符合
2、第一类或第二类海 水水质标准 ， 站位的 超第二类海水水质标准 ；表 层沉积物中 种重金属均符合第一类沉积物质 量 标准 ， 沉积物质量良好 ； 地质累积指数评价结果 表明沉积物中重金属污染程度由高到低为 ， 均处于清洁状态 ， 、 、 、 、 均有部分站位呈轻度污染状态 ； 潜 在生 态风险指数表明沉积物中重金属综合潜在生态风险程度为中 ， 种重金属潜在生态风险由 高 到 低 为 ， 和 为 调查海域沉积物重金属主要潜在生 态 风 险 因 子 ； 相 关分析结果表明 、 、 、 、 、 之间呈显 著相关 （ ）， 具 有相似的来源特征 。 庙岛群岛南 部海域重金属的来源主要包括黄河入海泥沙悬
3、浮物输送 、 周边沿岸入海径流输入 、 港 口码头船舶引入和 大气沉降输入等 。 应加强对庙岛群岛南部海域海水中 及 表层沉积 物 中 和 的 监 测 ， 重 点 关 注 沉积物中 和 相对高值区的潜在生态风险 。 关键词 ： 重 金属 ； 沉 积物 ； 生 态风险评价 ； 庙 岛群岛 ； 相 关性分析 中图分类 号 ： 文献标志 码 ： 文章编 号 ： （ ） DOI:10.13984/37-1141.2016.02.005 引言 重金属作为典型的累积性污染物 ， 具有显著 的生物毒性和持久性 ， 然而不同于可生物 降解的有机污 染物 ， 重金属具有潜在的生物累积和生物 放大效应 ， 对 人
4、类健康和生态系统存在潜在的长期影响 。 随 着公众对环境污染问题的关注和重视 ， 重金属污 染评价在海洋环境评价中的作用越来越重要 ， 已 经成为 海洋环境评价体系中十分重要的因子 。 当前 ， 国内外评价重金属污染常用的方法主要有 单 因 子 指 数 法 、 地 质累积指数法 和 潜在生态风险指数法 等 。 单因子指数法简便易行 ， 并 可依据相应的评价标 准进行分类 ， 但它过分强调个别受污染较严重要 素的影响 ； 地 质累积指数法引入了各沉积物的地球化学 背景值 ， 计算简单且结果便于分类 ； 潜在生态风险指 数法考虑了不同重金属污染物的毒性水平以及生物 对不同污染物的敏感程度 ， 评价
5、结果更趋于客观 ， 但 它的计算结果受各重金属的毒性响应参数和背景值 影响较大 。 庙岛群 岛 位 于 山 东 半 岛 与 辽 东 半 岛 之 间 ， 黄 海 和 渤 海 交 汇 处 ， 由 大 小 个 岛 链 式 分 布 的 岛 屿 组 成 。 该海域浮游生物和底栖生物种类较多 ， 是多种鱼类洄游必经之地 ， 海洋 哺乳动物资源比较丰富 ， 周边分布有长岛国家级自然保护区等近 个保 护区和多处水产养殖区 ， 生 态环境特殊 。 南部海域现有 蓬莱港和长岛港两处主要港口 ， 随着港口航运业和旅游业等海洋产业的快速发展及人类 海洋活动的不断 基金项目 ：国家海洋公益性行业专项经费项目（ ， ）；
6、山东省软科学研究计划项目（ ）资 助 第一作者简 介 ： 徐 艳 东 （ ） ， 男 ， 在 读博 士 ， 助 理研究 员 ， 主要从事海洋环境监测与评价研 究 。 ： 通讯作 者 ： 王 茂 剑 （ ） ， 男 ， 山 东招远 人 ， 研 究员 。 ： 收稿日 期 ： 期 庙岛群岛南部海域海水和表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价 增加 ， 该海域生态环境正承受着愈来愈大的压力 ， 重金属污染物在海水和沉积物中不 断蓄积 。 然而 ， 目 前 针对该海域开展的重金属分布特征和生态风险评价研究鲜有文献报道 。 本文通过对庙岛群岛南部海域 海水中溶解态重金属和表层沉积物中重金属的采样调查 ，
7、综 合运用单因子指数法 、 地 质累积指数法和潜 在生态风险指数法等三种方法 ， 研究和分析了海 水和表层沉积物中重金属的污染特征和潜在生态风险 ， 探讨它们的主要来源 ， 这对掌握该海域海水和表 层沉 积物环境质量状况 、 指导重金属监测 方案优化和指 标筛选 、 海水养殖区选划以及保护修复海洋生态环境具有重要意义 。 材料与方法 采样站位 、 样品采集和分析方法 年 月 ， 山东省海洋资源与环境研究院在庙岛群岛南部海域布设 了 个采样 站 位 （ 见 图 ）， 共 获得 个站位的海水 和 个站位的表层 沉 积物样 品 。 水样采集使用有机玻璃采水 器 ， 水 样采集 后 ， 用 滤膜过滤处
8、 理 （ 除 外 ） ， 过滤的水样用硝酸酸化 至 小于 ， 样品用海 水 预先荡洗样品瓶 两次 ， 加入 硫酸溶 液 固 定 ； 沉 积 物 样 品 采 集 使 用 型 抓 斗 式 采 泥 器 （ 取 样 面 积 ） ， 用塑料勺取采泥器上 部 的沉积物样 品 。 海水和沉积物样品的采 集 、 贮存和 运 输按 照 海 洋监测规 范 第 部分 ： 样品采集 、 贮存和运 输 （ ） 的方法进 行 。 图 庙岛群岛南部海域采样站位图 海水 、 沉积物分析样 品 的 制 备 、 消 化 分 别 按 海 洋 监 测 规 范 第 部 分 ： 海 水 分 析 （ ） 和 海洋监测规 范 第 部 分 ：
9、 沉 积物分 析 （ ） 的 方法进 行 。 样品中 的 、 、 、 和 含量用原子吸收分光光度法测 定 ， 和 含量用原子荧光法测 定 。 采样过程中 同时采 集 现场空白样和现场平行 样 ， 实验室分析采用平行 样 、 加标回收样和质控样分析等进行 质 量控 制 ， 以 保证 样 品数据的可靠 性 。 数据处理 采 用 和 进行数据处 理 、 相 关性及显著性分 析 。 主要统计海水和沉积物中 重 金属的平均 值 、 最小值 、 最大值 、 标准差 、 变异系数 等 。 相关性分析采 用 相关系 数 （ ） ， 并 对 进 行 显 著性检验 ， 判断抽样样本所反映的关系能否代表 两个变量总
10、体的关 系 ； 采用双 尾 分布检 验 ， 显 著 性 水 平采 用 和 。 在 对 显著性进行检验的基础 上 ， 相关程度分 为 ： 当 时 ，视 为高度相关 ； ， 视为中度相 关 ； ， 视 为低度相 关 ； 当 ， 说 明 种重 金 属之间的相关程度极 弱 ， 可视为不相 关 。 评价方法 本文选取 、 、 、 、 、 和 等 种重金属指标 ， 采用单因子指数法 、 地质累积指数法和潜 海 洋 湖 沼 通 报 年 在生态风险指数法对海水和表层沉积物中的重金属进行了分布特征和生态风险评价 。 单因子指数法 海水水质和沉积物质量采用单因子指数评价 。 单因子指数法 是 将某种污染物实测浓度
11、与该种污 染物的评价标准进行比较以确定其类别的方法 ， 其计算公式为 ： （ ） 式中 ， 为 某监测站位污染 物 的污染指 数 ， 为污染 物 的实测浓 度 ， 为污染 物 的评价标 准 。 评 价标准 ： 海水采 用 海 水 水 质 标 准 （ ） ， 沉 积 物 采 用 海洋沉积物质 量 （ ） 的第一类沉积物质量标 准 。 地质累积指数法 地质累积指数法 是 提出的评价沉积物重金属累积程度的指标 ， 其计算公式为 ： （ ） 式中 ， 是指沉积物中重金 属 的实测 值 ； 是考虑到造岩运动可能引起的背景值波动而设定的常 数 ， 通 常取 ； 是指在沉积母质中元 素 的地球化学背景 值
12、。 依据地质累积指 数 （ ） 将重金属富集程度划分 为 个等 级 （ 见表 ）。 表 地质累积指 数 （ ） 与 污染分 级 值 级别 污染程度 清洁 轻度 偏中度 中度 偏重 严重 极重 潜在生态风险指数法 潜 在生态风险指数 法 由 提出 ， 是 沉积物质量评价中应用最为广泛的方法之 一 ， 其 计 算公式为 ： （） （） 式中 ， 为沉积物综合潜在生态风险指 数 ， 为 单个 污染物的潜在生态风 险 参 数 ， 为 污染 物 的 生物毒性响应参 数 ， 为污染 物 的污染指 数 ， 为污染 物 含量的实测 值 ， 为污染 物 的背景浓 度 。 给出了不同 的 值范围相对应的单污染物潜
13、在生态风险和不 同 值范围相对应的综 合 潜在生态风 险 （ 见表 ） 。 该方法原包 括 、 、 、 、 、 、 和 共 种污染 物 ， 因 本文调查 数 据未包 含 ， 故依据各污染因子所 占 权重值和马德毅 等 、 刘 文新 等 、 刘 志杰 等 对 标 准值 的 调 整方法 ， 将 标准值进行了调 整 ， 调整后的标准值和所对 应 的等级见 表 。 单污染物潜在风险参数 仍 采 用 给 出 值 。 参数的确定 由于背景 值 （ 或 ） 的选定无统一的标 准 ， 选用全球工业化前沉积物中污染物含量作 为背景值 。 本文研究的庙岛群岛南部海域未有 背景值的参考资 料 ， 考 虑到该区域位于
14、黄渤海交界 处 ， 结 合渤海海峡环流北 进南出的特点和黄渤海 海 区流系研究结 果 ， 其 沉积物特征可能与渤海更相 近 ， 因 期 庙岛群岛南部海域海水和表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价 此选 取 中国近海海洋环境质量现状与背景值研 究 中 渤海沉积物中重金属元素的背景值作为本研 究 的背景 值 （ 见表 ） 。 生物 毒 性响应参 数 代表不同污染物的毒性水平 和 生 物 对 不 同 污 染 物 的 敏 感 程 度 ， 揭示单个污染物对人体和水生态系统的危 害 ， 本文采 用 给出 的 值 （ 见表 ） 。 表 潜在生态风险分级标准 单 污染物潜在 生态风险参数 风险参数 程度分级
15、 综 合潜在 生态风险指数 （ ） 调整后的综合潜在 生态风险指数 （ ） 风险指数 程度分级 表 重金属的背景值及毒性响应系数 参数 背景 值 结果与讨论 海水中重金属的分布特征 调查海域海水中重金属含量和单因子指数评价结果见表 。 海水中 和 符合第一类海水水质 标准 ， 和 符合第二类海水水质标准 ， 位于庙岛海峡和蓬莱东 港区的外侧 ） 的 个站位 （ 分 别为 、 和 站 ） 超第二类海水水质标准 。 重金属含量分布和离散程度反映了自然和人为因素的影响 差异 。 除 的变异系数为 外 ， 其他 种 重金属 （ 、 、 和 ） 的变异系数均 较大 （ ）， 表明它们的空间分布不均匀 、
16、 离散程 度较高 ， 受 人为扰动或外来因素影响较大 ； 空 间分布上 ， 、 和 的含量高值区位于南长山岛南侧海域 （ 站位 ）， 和 的高值区位于南长山岛西侧海 域（ 站位 ）。 第一类达标率低的 种重金属 和 含量的空间分布情况见图 。 表 庙岛群岛南部海域表层海水的重金属含量统计结果 最小 值 最大 值 平均 值 标准 差 变异系 数 第一类达标 率 第二类达标 率 分级标 准 分级标 准 分级标 准 低潜在生态风 险 低生态风 险 中潜在生态风 险 中生态风 险 较高潜在生态风 险 较高生态风 险 高潜在生态风 险 很高生态风 险 很高潜在生态风 险 海 洋 湖 沼 通 报 年 图
17、海水中 和 的 空间分布 与周边典型海域海水中重金属平均含量的比较结果见表 。 从中可以看出 ， 庙 岛群岛南部海域各重 金属的平均含量均低于受人类活动影响显著的渤海的平均水平 ； 与 受人类活动影响较大的黄海相比 ， 该 海域 和 的平均含量要高 个数量级 ， 而 、 和 的含量与黄海相差不大 ； 与 天然表层海水背 景值和受人类活动影响较小的南海相比 ， 除 无对比 数据外 ， 其 他 种重金属的平均含量均要高 个数量级 。 表 庙岛群岛南部海域与我国典型海域海水中重金属平均含量对比 来源 渤 海 文献 北黄海 （ 春 季 ） 文献 南黄海 文献 南 海 文献 天然表层海水背景值 文献 第
18、一类海水标准值 文献 庙岛群岛南部海域 本研究 注 ： 表示文献中无此指标的监测值 。 表层中沉积物重金属的分布特征 调查海域表层沉积物的重金属含量统计结果见表 。 除 的 变异系数为 外 ， 其 他 种重金 属的变异系数均较大 （ ）， 其 中 的最大 ， 表 明 的含量空间分布不均匀 、 离 散程度较 高 ， 受人为扰动 或外来因素影响明显 。 单因子评价结果表明 ， 调 查海域中所有重金属的含量均 符合第 一类沉积物质量标准 ， 沉积物质量良好 。 空间分布上 ， 种重金属的高值区均位于蓬莱东港区外侧 （ 和 站位 ）， 低值区位于南长山岛西侧海域 （ 站位 ）。 以 和 为例 ， 其空
19、间分布情况见图 。 表 庙岛群岛南部海域表层沉积物的重金属含量统计结果 最小 值 最大 值 平均 值 标准 差 变异系 数 期 庙岛群岛南部海域海水和表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价 图 表层沉积物中 和 的 空间分布 与周边典型海域表层沉积物中重金属平均含量相比 （ 见 表 ）， 庙 岛群岛南部海域 、 、 和 的平均含量均低于渤海或山东 半岛北部海域的重金属平均含量 ； 、 、 和 均 低于北黄海的重金 属平均含量 ， 与南黄海相差不大 ； 除 的平均含量约为南海北部陆架区平均含量的 倍 、 的平均 含量 远低于南海北部陆架区平均含量外 ， 其它重金属平均含量与南海北部陆架区相差不大
20、 ； 的平均含量低 于渤海沉积物背景值 ， 而 、 、 、 和 的平均含量均高于背景值 。 表 庙岛群岛南部海域与我国典型海域表层沉积物的重金属平均含量对 比 （ ） （ ） 来源 山东半岛北部 文献 渤 海 文献 北黄海 文献 南黄海 文献 南海北部陆架区 文献 渤海沉积物背景值 文献 第一类沉积物标准值 文献 庙岛群岛南部海域 本研究 注 ： 表示文献中无此指标的监测值 。 表层沉积物地质累积指数评价 表层沉积物的重金属地质 累积指数评价结 果 见 表 。 所 有 采 样 站 位 的 均 小 于 ， 为 清 洁 状 态； 仅有 个站 位 为轻度污 染 状 态 ， 其 他皆为清洁 状 态 。
21、 的站 位 和 为轻度污染状 态 ， 的站位 和 为轻度污染状 态 。 达到清洁状态和轻度污染状态的站位比例分别 为 和 ， 偏 中 度污染状态区域占 总 数 的 ， 主 要 位 于南长山岛西 侧 、 大 黑 山 岛 西南侧和蓬莱东 港 区外侧海 域 （ 、 、 和 站 位 ） 。 按 照 平 均值排 序 ， 各 重金属的污染严重程度从高到低依次 为 ； 的地质累积指数高主要是由于调查区域 的 含量远高于背景值所 致 。 表 表层沉积物重金属的地质累积指数评价 统计量 （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） 最小值 最大值 平均值 标准差 海 洋 湖 沼 通 报 年 表层沉积物
22、潜在生态风险评价 表层沉积物的重金属潜在生态风险评价结果见表 。 、 、 、 和 的 最 大 值 均 远 低 于 ， 为低潜在生态风险 ； 和 在部分站位达到中潜在生态风险等级 （ 的站位 的 值 在 ， 的站位 的 值 在 ）。 按照 平 均值排序 ， 各 重金属元素潜在生态风险由高到 低依次为 。 这与按 计算结果得到的排序不同 ， 主要 原因是潜在生态 风险评价考虑了重金属的生物毒性效应因素 ， 因 此较地质累积指数法的评价结果更为客观实用 ， 但 这两 者的计算结果均受到背景值的影响 。 根据本文调整后的 分级标准 ， 均值为 ， 的站位的 值介于 ， 综合评价结果为中生态风险 。 、
23、 和 在 种重金属生态风险中的贡献率的 均值分别为 、 和 ， 表明 和 的生态风险较大 ， 这主要与 和 的生 物毒 性较高及调查海域部分站位这 种重金属含量较高有关 。 和 都具有较强的生物毒性和生物累积 性 ， 对海洋生物生长和人类健康 都存在严重威胁 ， 因此应加强对该海域沉积物中 和 的监测和预 警 。 高值区主要位于南长山岛西侧和蓬莱东港区外侧海域 （ 和 站位 ）， 应重点关注以上区 域的 潜在生态风险 。 表 表层沉积物重金属潜在生态风险评价结果 统计量 （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） 最小值 最大值 平均值 标准差 表层沉积物重金属含量特征分析和评价
24、通 过对调查海域表层沉积物中重金属元 素之间的相关分 析 ， 获 得相关关系矩 阵 （ 见 表 ） ， 除 与 相关性不显 著 （ ， ） 外 ， 其他各 重 金属指标 之间为高度相关或中度相 关 ； 各 重金属 元 素与有机碳呈显著相 关 。 有研究学者发 现 ， 在一定的区域 内 ， 当沉积物的来源相同或 相 似 时 ， 重 金属元 素 之间具有显著的相关 性 ， 且通过重金属元素之 间 及其与沉积特征之间的相关分 析 ， 可 以确定重金属的 来 源 及 其在沉积物中含量变化的控制因 素 。 由此可 见 ， 、 、 、 、 以 及 之间具有相 似 的来 源 特征 ， 它们可能已受到严重的人 为 干 扰 ， 主 要来自人类活动引起的重金属输 入 ； 与 的相关性 不 显 著 ， 一定程度上反映出这两种重金属污染的非同源 性 。 与其他金属元 素相 比 ， 在 搬运和沉积过程 中 所受到的控制因素不 同 ， 它的分布可能更易受悬浮物浓 度 、 有机质含量以及水体盐度的共同影 响 。 表 表层沉积物中重金属与水体环境因子及 各重金属之间的相关关系矩阵 盐度 悬浮物 有机碳 石油类 硫化物