辽东湾北部近岸海域表层沉积物中重金属生态效应与潜在生态风险

    车琳萍

    摘 要：为查明辽东湾北部近岸海域表层沉积物中重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb和Zn的含量特征、生态效应与潜在生态风险，2017年8月对辽东湾北部近岸海域进行了1个航次的现场调查。调查结果显示，重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As含量平均值分别为25.80、21.83、80.91、0.28、0.06和12.72 mg/kg。生態效应评价显示，有7个站位的As含量位于效应浓度低值（ERL）与效应浓度中值（ERM）之间，只是偶尔会产生不利的生态效应，所有站位的Cu、Pb、Zn、Cd和Hg含量均低于ERL，几乎不会产生不利的生态效应。潜在生态风险分析结果显示，辽东湾北部近岸海域表层沉积物中，Cd、Hg和As的潜在生态风险系数较高，Cu、Pb和Zn的潜在生态风险系数相对较低，辽东湾北部近岸距离河口较近的海域是潜在生态风险较大区域。

    关键词：重金属；生态效应；潜在生态风险；辽东湾；沉积物

    重金属污染已成为一种重要的海洋环境问题[1]，一旦重金属对底栖生物产生急性或慢性毒害作用，将对整个海洋环境造成严重的危害[2-4]。由于累积作用，沉积物中重金属含量比相应海水中的高，重金属进入海洋后容易存储在沉积物中[5-6]，且表现出较强的分布规律[7-8]，海洋沉积物可作为监测重金属的一种敏感指示物[9]，因此，考察重金属在海洋沉积物中的含量特征和生态效应是评价海洋环境污染的重要指标。

    辽东湾北部入海河流比较多，主要有小凌河、大凌河、双台子河和大辽河，可携带大量的重金属污染物进入辽东湾，再加上辽东湾属半封闭性海湾，海水交换能力差，极易使辽东湾海域沉积物质量受到严重威胁，而近岸又处于陆地与海洋过渡带，自然因素和人类活动产生的重金属，容易附着于悬浮颗粒物上，并随之沉降于近岸海域沉积物中[10]，因此，对辽东湾北部近岸海域沉积物环境质量进行监测与评价显得尤为重要。笔者基于辽东湾北部近岸海域的2017年8月现场调查数据，研究分析了表层沉积物中Cd、Hg、As、Cu、Pb和Zn 这6种重金属的生态效应和潜在生态风险，为该海域的海洋生态环境保护与修复提供理论支撑。

    1 材料与方法

    1.1 采样站位与时间

    调查区域选择位于辽东湾北部的全部近岸海域，共设调查站位9个（图1），调查时间为2017年8月。

    1.2 测定元素与分析方法

    样品检测重金属包括Cd、Hg、As、Cu、Pb和Zn。样品的采集、现场处理及分析方法均依据《海洋监测规范》（GB 17378.5–2007）[11]中规定的方法进行。Cu、Pb、Zn和Cd采用原子吸收分光光度法（美国PE AAS-900T）测定，Hg和As 采用原子荧光法（AFS-230E）测定。

    2 结果与讨论

    2.1 重金属含量

    辽东湾北部近岸海域表层沉积物中重金属含量如表1所示，Cd、Hg、As、Cu、Pb和Zn的平均值分别为0.28、0.06、12.72、25.80、21.83和80.91 mg/kg，均小于国家海洋沉积物质量第一类标准值（GB 18668-2002），这6种重金属元素的最大值均小于国家海洋沉积物质量第二类标准值（GB 18668-2002）[12]。重金属Cd、Pb、Zn和Cu含量的平均值大于中值，As和Hg含量的平均值小于中值，说明辽东湾北部近岸海域Cu、Pb、Zn和Cd含量分布均向高含量方向倾斜，As和Hg含量分布均向低含量方向倾斜。

    2.2 重金属生态效应评价

    重金属污染会影响沉积物微生物区系、微生物过程和生态物种，进一步会影响生态系统的结构与功能，最终会给生态系统带来负效应[13]。生态效应浓度低值（Effect range low，ERL）和生态效应浓度中值（Effect range median，ERM）是Long等[14]建立的，是目前国际上环境评价广泛采用的沉积物质量标准。沉积物重金属含量依据ERL和ERM的生态效应可划分为三个区间：重金属含量小于ERL，表示很少产生不利的生态效应；重金属含量介于ERL和ERM之间，表示偶尔产生不利的生态效应；重金属含量大于ERM，表示经常产生不利的生态效应[15]。

    辽东湾北部近岸海域表层沉积物中重金属含量与生态效应浓度标准（ERL和ERM）的比较如表2所示。Cd、Hg、Cu、Pb和Zn含量均低于其 ERL值，表明这5种重金属对海洋沉积物生态环境产生的影响相对较低。有22.22%站位的沉积物中As含量低于ERL值，有77.78%站位的沉积物中As含量介于ERL和ERM之间，表明As偶尔会产生不利的生态效应，影响海洋沉积物环境。因此，理论上，辽东湾北部近岸海域表层沉积物中的As会对沉积物环境和底栖生物群落产生生态影响，我们应引起足够重视。

    2.3 重金属生态风险评价

    辽东湾北部近岸海域表层沉积物中重金属的潜在生态风险采用“Hakanson潜在生态风险指数法”进行分析评价。Hakanson（瑞典学者）在1980年就提出了潜在生态风险指数法[16]，该法充分考虑了污染物的生物毒性和生态毒性，包含了现在和潜在两个层面的生态风险情况[17]。重金属的区域地球化学背景值是沉积物重金属生态风险研究中一项关键指标[18]，我们考虑到研究区域元素背景值比普通页岩中地球化学背景值更接近实际情况，为此，本研究采用冯慕华等[6]对辽东湾沉积物重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb和Zn背景值的研究结果（见表3）作为参比。计算公式如下：

    式中，RI为多种重金属元素的潜在生态风险指数，Eri为单个重金属元素的潜在生态风险系数， Tri为重金属毒性响应因子，Ci为重金属实测值，Co为背景值。Cd、Hg、As、Cu、Pb和Zn的Tri分别为30、40、10、5、5和1。重金属潜在生态风险评价等级如表4所示。

    辽东湾北部近岸海域表层沉积物重金属潜在生态风险系数（Eri）和潜在生态风险指数（RI）计算结果见表5。在研究区域内，Eri平均值范围为1.01～16.77，均小于40，RI范围为33.24～66.93，RI均小于150。进一步分析发现，Eri顺序为Cd>As>Hg>Cu>Pb>Zn，说明Cd、As和Hg是对辽东湾北部近岸海域生态环境具有潜在影响的主要元素。其中Cd的Eri值最大，高值出现在站位1、2、3和4附近，说明辽东湾北部距离河口较近海域的Cd潜在生态风险较大，As的Eri高值除出现在站位1、2、3和4附近外，在站位9也较高，说明As的潜在生态风险较大区域除与Cd重叠的区域外，还增加了大辽河河口东岸海域，Hg的Eri高值出现在站位1、2、3、4、5和9，说明Hg的潜在生态风险较大区域又增加了小凌河河口西岸海域。通过分析我们发现，Cd、As和Hg潜在生态风险较大的区域在站位5、1、2、3、4和9附近，位于辽东湾北部距离河口较近海域，在距离河口较远的站位6、7和8附近，Cd、As和Hg的潜在生态风险较小，说明入海河流周边城市的污染物通过各种途径输入河流，最终可能被带入辽东湾，因此，辽东湾北部近岸距离河口较近的海域是重金属潜在生态风险较大区域。

    3 结论

    辽东湾北部近岸海域表层沉积物中重金属含量相对较低，Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的平均值分别为25.80、21.83、80.91、0.28、0.06和12.72 mg/kg，均低于国家海洋沉积物质量第一类标准。

    对辽东湾北部近岸海域表层沉积物中重金属生态响应分析表明，Cd、Hg、Pb、Cu和Zn含量均低于其 ERL，对生态环境影响较小，As偶尔会产生不利的生态效应，理论上，辽东湾北部近岸海域表层沉积物中的As会对沉积物环境和底栖生物群落产生生态影响，我们应引起足够重视。

    Cd、As和Hg对辽东湾北部近岸海域生态环境具有潜在危害，辽东湾北部近岸海域表层沉积物中，Cd、Hg和As的潜在生态风险系数较高，Cu、Pb和Zn的潜在生态风险系数相对较低，辽东湾北部近岸距离河口较近的海域是潜在生态风险较大区域。

    参考文献：

    [1] Davutluoglu O I，Seckin G，Kalat D G，et al.Speciation and implications of heavy metal content in surface sediments of Akyatan Lagoon-Turkey[J].Desalination，2010，260（1-3）：199-210.

    [2] Preuss T G，Hommen U，Alix A，et al.Mechanistic effect models for ecological risk assessment of chemicals（MEMoRisk）—a new SETAC-Europe Advisory Group[J].Environmental Science and Pollution Research，2009，16（3）： 250-252.

    [3] Wang W X，Yan Q L，Fan W H，et al.Bioavailability of sedimentary metals from a contaminated bay[J].Marine Ecology Progress Series，2002，240：27-38.

    [4] Pan K，Wang W X.Trace metal contamination in estuarine and coastal environments in China[J].Science of The Total Environment，2012，421-422：3-16.

    [5] 丁喜桂，叶思源，高宗军.近海沉积物重金属污染评价方法[J].海洋地质动态，2005，21（8）：31-36.

    [6] 冯慕华，龙江平，喻龙，等.辽东湾东部浅水区沉积物中重金属潜在生态评价[J].海洋科学，2003，27（3）： 52-56.

    [7] Nendza M.Inventory of marine biotest methods for the evaluation of dredged material and sediments[J].Chemosphere，2002，48（8）：865-883.

    [8] Morales-caselles C，Kalman J，Riba I，et al.Comparing sediment quality in Spanish littoral areas affected by acute（Prestige，2002）and chronic（Bay of Algeciras）oil spill[J].Environmental Pollution，2007，146（1）：233-240.

    [9] 胡宁静，石学法，黄朋，等.渤海辽东湾表层沉积物中金属元素分布特征[J].中国环境科学，2010，30（3）：380-388.

    [10] Viaroli P，Laserre P，Campostrini P.Lagoons and coastal wetlands in the Global change context，impacts and management issues[J].Hidrobiologia，2007，577：1-3.

    [11] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理会.海洋监测规范（沉积物分析）：GB 17378.5-2007[S].北京：海洋出版社，2007.

    [12] 国家技术监督局.海洋沉积物质量：GB 18668-2002[S].北京：中国标准出版社，2002.

    [13] 胡宁静，石学法，刘季华，等.莱州湾表层沉积物中重金属分布特征和环境影响[J].海洋科学进展，2011，29（1）：63-72.

    [14] Long E R，MacDonald D D，Smith S L，et al.Incidence of adverse biological effects within range of chemical concentrations in marine and estuary sediments[J].Environ Manage，1995，19（1）：81-97.

    [15] 刘金虎.莱州湾多项介质重金属污染特征及其在食物链（网）的传递与生物放大作用[D].北京：中國科学院大学，2013.

    [16] Hakanson L.An ecological risk index for aquatic pollution control.a sediment ecological approach[J].Water Research，1980，14（8）：975-1001.

    [17] 刘孟兰，郑西来，林端，等.南海重点海洋倾倒区表层沉积物富集特征及其潜在生态风险评价[J].海洋环境科学，2007，26（2）： 158-165.

    [18] 鲍永恩，符文侠.辽东湾北部沉积物对重金属集散的控制作用[J].海洋学报，1994，16（3）：139-141.