海州湾人工鱼礁海域沉积物中重金属生态风险的分析

(1.上海海洋大学海洋科学学院,上海201306;2.大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室,上海201306; 3.上海科技管理学校上海200200;4.江苏省海洋水产研究所,江苏南通226007)

摘要：于2008年春季(5月)、夏季(8月)、秋季(11月)对海州湾人工鱼礁投放海域表层沉积物中重金属取样调查,分析了该海域沉积物中主要重金属的时空分布特征,并采用综合污染指数法和潜在生态危害指数法对重金属潜在生态危害进行了研究。结果表明:海州湾人工鱼礁投放海域表层沉积物中Pb、Cd、Cu、Zn、Hg和As重金属含量存在较为明显的季节变化,秋季高于夏季和春季;在空间分布上总体上呈现对照区2＞鱼礁区2＞鱼礁区1＞对照区1这一近岸高、远岸低的变化趋势。生态风险分析显示:Hg和Pb的单个污染系数较大,其中Hg的污染程度和潜在生态危害在秋季(11月)处于中等程度(Ⅱ),其他5种重金属均处于轻微污染程度和较低生态危害;总体污染程度低,潜在生态危害均属轻微生态危害。

海州湾位于中国江苏北部,北起山东日照岚山镇的佛手咀(35°05′55″N、119°21′53″E),南至连云港市高公岛(34°45′25″N、119°29′45″E),是一个濒临黄海的喇叭口形开敞海湾,湾口宽为42 km,海湾面积为876.39 km2,岸线长为86.81 km[1]。这里是江苏重要的水产养殖和捕捞基地[2],也是江苏四大渔场之一[3]。近年来,随着海洋资源的开发,沿海城市和生产的发展,以及沿海港口频繁的贸易往来,海洋环境的污染日益严重,其中重金属是具有潜在危险的重要污染物。与其他污染物不同,重金属污染物不易降解,相反可在生物体内富集,成为持久性污染物[4]。这对于近海生态环境的安全会产生严重影响。有研究表明,在受重金属污染的水体中,水相中重金属的含量很小,而且随机性很大,常随排放状况与水力学条件的变化而变化,含量分布规律性也较差;相反,沉积物中重金属的含量比相应水相中的重金属含量高很多倍,并表现出较明显的含量分布规律性[5]。因此,对沉积物中重金属污染的评价是很有必要的,也很有价值。

自2003年起在海州湾投放人工鱼礁,累计已建成人工鱼礁区30 km2。由于人工鱼礁具有阻流作用,在鱼礁迎流面附近产生上升流,礁体内部和后部会产生涡流,如果沉积物中污染物超标,那么将会使蓄积在沉积物中的污染物有再次释放造成二次污染的潜在危险。本研究中,作者以海州湾人工鱼礁投放海域表层沉积物中重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、As为研究对象,利用单因子污染评价法和综合指数法对人工鱼礁投放海域底质沉积物中重金属分布规律和生态风险进行了分析,以期为该海域生态环境的进一步评价提供参考。

1 材料与方法

于2008年5月、8月、11月在海州湾人工鱼礁投放海域设置4个站点,其中鱼礁区2个(R1、R2),对照区2个(C1、C2),站位分布如图1所示。沉积物的采集、预处理、制备、保存和测定方法均按《海洋监测规范》(GB 17378-2007)[6]的

要求进行。表层沉积物用抓斗式采样器采集,用塑料勺取其中央未受干扰的表层0～2 cm泥样,并对样品现场描述记录,编号放入洁净聚乙烯袋中,于0～4℃下保存。在实验室内将解冻至室温的样品在阴凉通风处风干,剔除砾石、贝壳及木屑等动植物残体,用玛瑙研钵将其磨碎并全部通过160目筛,充分混匀后取样进行测定分析,其中,Cu、Zn、Pb、Cd用原子吸收分光光度计测定,Hg、As采用原子荧光分光光度计测定。

参照瑞典学者Häkanson[7]提出的沉积物中重金属污染物的潜在危害指数评价方法,结合该海域特点,选择Hg、Cd、Pb、Zn、Cu和As 6种重金属,评估重金属对人工鱼礁投放海域海洋生态系统潜在的生态危害。计算公式如下:

式中:

为重金属毒性响应系数,反映重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度。

重金属含量参照值

采用未受污染沉积物中该金属含量为参考值(一般采用工业化以前的沉积物中重金属的最高背景值[8])。重金属的毒性系数

用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度。其中

和

的参考值见表1[9]。重金属污染评价指标及其污染程度和潜在生态风险程度判定指标见表2。

表1 重金属的背景参照值和毒性系数
Tab.1 Background reference value(and toxicity coefficient()of the heavy metals

重金属Heavy metalCin/(ng·kg-1)Tir Cu Zn Pb Cd Hg As 50 175 70 1 0.25 15 5 1 5 3 0 40 10

表2 评价指标与污染程度和潜在生态危害程度的关系
Tab.2 The relationship between evaluation indices and the contamination degree and potential ecological risk

评价指标Evaluation Indices数值Value Grade＜1低污染程度或生态危害程度The contamination degree and ecological risk level等级ⅠCif 1～3中等Ⅱ3～6重Ⅲ≥6严重Ⅳ＜8低ⅠCd8～16中等Ⅱ16～32重Ⅲ≥32严重Ⅳ＜40低Ⅰ40～80中等ⅡEir 80～160较重Ⅲ160～320重Ⅳ≥320严重Ⅴ＜150低ⅠERI150～300中等Ⅱ300～600重Ⅲ≥600严重Ⅳ

2 结果与分析

海州湾人工鱼礁投放海域沉积物中Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、As 6种重金属含量具有明显的季节变化(图2),总体上呈现秋季(11月)高于夏季(8月)和春季(5月)的趋势。从调查站点的变化来看,对照区2在春季、夏季和秋季均高于其他3个调查区,其中Zn、Pb在3个季节的含量均明显呈现出对照区2＞鱼礁区2＞鱼礁区1＞对照区1的趋势。

从季节变化来看,秋季(11月)Cu含量较高,为11.74～15.07 mg/kg,其中对照区2为4个调查点中最高值;春季和夏季较低,分别为1.26～2.25 mg/kg和0.96～2.57 mg/kg。4个调查点中Zn含量在春、夏、秋3季呈现逐渐递增的趋势,其中春季为5.90～15.64 mg/kg,夏季为5.41～23.15 mg/kg,秋季为24.69～33.85 mg/kg。Pb含量在春、夏、秋3季也呈现逐渐递增的趋势,其中

春季为6.54～8.33 mg/kg,夏季为11.60～23.74 mg/kg,秋季为42.54～49.90 mg/kg。Cd分布规律不明显,除秋季(11月)对照区2最高为0.41 mg/kg外,其他季节各调查点均在0.20 mg/kg以下,其中夏季(8月)为3个季节中最低(0.02～0.06 mg/kg)。Hg春季(5月)和夏季(8月)变化幅度较小,分别为0.059～0.063 mg/kg和0.031～0.068 mg/kg,秋季含量较高,为0.267～0.468 mg/kg。As与Cd分布规律相似,夏季(8月)较低,为0～1.73 mg/kg(其中对照区1未检出);秋季(11月)较高,为0.45～3.74 mg/kg;春季居中,为2.12～2.59 mg/kg。

调查期间,各站点沉积物中重金属含量年均值如图3所示。总体上,重金属含量由多至少依次为:Pb＞Zn＞Cu＞As＞Hg＞Cd。与《海洋沉积物质量》(GB 18668-2002)[10]比较可知,这些站点沉积物中6种重金属年均值均符合第Ⅰ类标准。除Hg外,其余5种重金属年均值总体呈现出对照区2＞鱼礁区2＞鱼礁区1＞对照区1的趋势,其中Cu、Zn、Pb、Cd的这种变化趋势最为明显。

对沉积物中重金属污染状况的评估,目前尚没有成熟方法和统一标准。其中瑞典学者Häkanson[7]于1980年建立的潜在生态危害指数法,综合考虑了重金属的毒性、重金属在沉积物中普遍的迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性,以及重金属区域背景值的差异,消除了区域差异和异源污染的影响。该方法可以综合反映沉积物中重金属对生态环境的影响潜力[11],现已成为国内外沉积物质量评价中应用最为广泛的方法之一[12]。

本研究中应用“潜在生态危害指数法”对海州湾人工鱼礁投放海域沉积物中6种重金属的污染程度和潜在生态风险进行了评价。从评价结果(表3)来看,4个站点中Pb和Hg的单个重金属污染系数

相对较大,其中秋季(11月)Hg的污染系数为1.07～1.87,污染程度属于Ⅱ类(即处于中等污染程度);其余4种重金属在3个季节单个污染系数均小于1,污染程度属于Ⅰ类,处于较低水平。从总的污染度指标值来判断,春季和夏季总体污染度指数Cd均小于1,秋季总体污染度指数为2.40～3.73,高于其他两个季节。比较总体污染程度指数可知,各调查站点总体污染程度指数Cd均小于8,处在Ⅰ类指标范围内,属于轻微污染,但3个季节中对照区2均最高。

从表4可见:与污染程度评价结果相似,该海域表层沉积物中Hg的潜在生态危害系数

在秋季(11月)较高,为42.72～74.90,属于Ⅱ类指标范围(即存在中等程度的生态危害);而其他5种重金属生态危害系数均小于15,低于Ⅰ级潜在生态危害系数(40),即处于轻微生态危害程度。比较总体潜在生态危害指数ERI可知,春季(5月)和夏季(8月)4个调查区的ERI值均小于20,处于非常低的水平;秋季(11月)与春季和夏季相比ERI值则较高,为50.75～94.90,其中秋季(11月)对照区2的ERI为94.90,为各调查点最高值,说明该站点在秋季潜在生态危害高于春夏季。按照潜在生态风险评价的等级标准来衡量,该海域各调查区各季节ERI值均小于Ⅰ级潜在生态指数值(150),说明人工鱼礁区1、2和对照区1、2总体上潜在生态危害处于轻微水平。

表3 表层沉积物重金属污染系数和污染程度指数的评价
Tab.3 Single contamination coefficient and comprehensive contamination coefficient of heavy metals in the surface sediments in Haizhou Bay

时间Time单个重金属污染系数Cif/污染程度Single contamination coefficient/contamin ation level总体污染程度CdComprehensive contamination coefficient 5月对照区10.04/Ⅰ0.03/Ⅰ0.09/Ⅰ0.04/Ⅰ0.24/Ⅰ0.17/Ⅰ0.61/Ⅰ站位Station CuZnPbCdHgAs鱼礁区10.03/Ⅰ0.04/Ⅰ0.11/Ⅰ0.11/Ⅰ0.23/Ⅰ0.14/Ⅰ0.66/Ⅰ鱼礁区20.04/Ⅰ0.08/Ⅰ0.12/Ⅰ0.07/Ⅰ0.25/Ⅰ0.17/Ⅰ0.73/Ⅰ对照区20.05/Ⅰ0.09/Ⅰ0.12/Ⅰ0.17/Ⅰ0.24/Ⅰ0.17/Ⅰ0.84/Ⅰ8月对照区10.02/Ⅰ0.03/Ⅰ0.24/Ⅰ0.02/Ⅰ0.21/Ⅰ0.00/Ⅰ0.52/Ⅰ鱼礁区10.04/Ⅰ0.06/Ⅰ0.34/Ⅰ0.02/Ⅰ0.19/Ⅰ0.04/Ⅰ0.69/Ⅰ鱼礁区20.03/Ⅰ0.09/Ⅰ0.24/Ⅰ0.04/Ⅰ0.12/Ⅰ0.06/Ⅰ0.58/Ⅰ对照区20.05/Ⅰ0.13/Ⅰ0.17/Ⅰ0.06/Ⅰ0.35/Ⅰ0.12/Ⅰ0.88/Ⅰ11月对照区10.23/Ⅰ0.14/Ⅰ0.61/Ⅰ0.04/Ⅰ1.41/Ⅱ0.03/Ⅰ2.46/Ⅰ鱼礁区10.28/Ⅰ0.17/Ⅰ0.66/Ⅰ0.04/Ⅰ1.07/Ⅱ0.18/Ⅰ2.40/Ⅰ鱼礁区20.29/Ⅰ0.18/Ⅰ0.70/Ⅰ0.11/Ⅰ1.10/Ⅱ0.24/Ⅰ2.62/Ⅰ对照区20.30/Ⅰ0.19/Ⅰ0.71/Ⅰ0.41/Ⅰ1.87/Ⅱ0.25/Ⅰ3.73/Ⅰ

表4 表层沉积物重金属的潜在生态危害系数和潜在生态危害指数的评价
Tab.4 Potential ecological risk coefficients and index assessment of heavy metal pollution in surface sediments in Haizhou Bay

时间Time站位Station生态危害系数Eir/危害程度Ecological risk coefficients/risk level CuZnPbCdHgAs潜在生态危害指数ERI/危害程度Potential ecological risk index 5月对照区10.19/Ⅰ0.03/Ⅰ0.47/Ⅰ1.20/Ⅰ9.44/Ⅰ1.72/Ⅰ13.05/Ⅰ鱼礁区10.23/Ⅰ0.04/Ⅰ0.57/Ⅰ3.30/Ⅰ9.44/Ⅰ1.41/Ⅰ14.99/Ⅰ鱼礁区20.22/Ⅰ0.08/Ⅰ0.59/Ⅰ2.10/Ⅰ10.08/Ⅰ1.66/Ⅰ14.73/Ⅰ对照区20.13/Ⅰ0.09/Ⅰ0.60/Ⅰ5.10/Ⅰ9.44/Ⅰ1.73/Ⅰ17.09/Ⅰ8月对照区10.10/Ⅰ0.03/Ⅰ0.83/Ⅰ0.62/Ⅰ8.29/Ⅰ0.00/Ⅰ9.87/Ⅰ鱼礁区10.22/Ⅰ0.06/Ⅰ1.19/Ⅰ0.55/Ⅰ7.74/Ⅰ0.40/Ⅰ10.16/Ⅰ鱼礁区20.16/Ⅰ0.09/Ⅰ1.22/Ⅰ1.22/Ⅰ4.93/Ⅰ0.57/Ⅰ8.19/Ⅰ对照区20.26/Ⅰ0.13/Ⅰ1.70/Ⅰ1.69/Ⅰ14.05/Ⅰ1.15/Ⅰ18.98/Ⅰ11月对照区11.17/Ⅰ0.14/Ⅰ3.04/Ⅰ1.07/Ⅰ56.21/Ⅱ0.30/Ⅰ61.93/Ⅰ鱼礁区11.39/Ⅰ0.17/Ⅰ3.30/Ⅰ1.33/Ⅰ42.72/Ⅱ1.84/Ⅰ50.75/Ⅰ鱼礁区21.44/Ⅰ0.18/Ⅰ3.51/Ⅰ3.40/Ⅰ44.10/Ⅱ2.35/Ⅰ54.98/Ⅰ对照区21.51/Ⅰ0.19/Ⅰ3.56/Ⅰ12.24/Ⅰ74.90/Ⅱ2.50/Ⅰ94.90/Ⅰ

3 讨论

从季节变化来看,由于秋季(11月)是海州湾一年中平均风速最大(6.2 m/s)的季节,且多年最多风向为E向和ESE向,在E向和ESE向风的作用下使向岸余流增强。由于向岸余流的存在,不利于污染物向外海扩散[3]。海州湾人工鱼礁投放海域在秋季(11月)受向岸余流的影响,沉积物中重金属不利于向外海扩散,因此,4个调查点沉积物中秋季重金属含量明显高于春季和夏季。

从空间分布来看,在4个调查点中,对照区2的年均重金属含量均高于其他3个调查点,且总体上呈现对照区2＞鱼礁区2＞鱼礁区1＞对照区1这一近岸高、远岸低的变化趋势。分析其原因,可能由

于对照区2相比其他3个点更靠近岸边,因而受陆源性河口输入和沿岸余流的影响较大。由于靠近海州湾人工鱼礁投放海域主要的入海河流为湾顶附近的临洪河,且临洪河为连云港市主要的排污河,沿河附近又有经济开发区和工业园区;同时临洪河还是沂沭水系下游,通过新沭河带来了大量污染物。因此,临洪河口污染物的输入,尤其是重金属的输入给近海海洋环境造成较大的影响和压力[2]。此外,海州湾水域的余流场基本为向岸方向,在E向和ESE向风所产生的余流作用下,加剧了污染物的向岸堆积。所以,从空间分布来看,海州湾沉积物中重金属元素呈现出近岸高于远岸的趋势。

在海州湾人工鱼礁投放海域沉积物中,重金属Pb和Hg对环境的影响相对较大,其中Pb年均含量居于单个重金属元素的首位,且与重金属元素地壳上的丰度值排序(Mn＞Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Co＞Pb＞As＞Hg[13])比较序位前移。Hg的单个元素污染程度指数和潜在生态风险指数均高于其他5种重金属,处于中度污染状态。产生这种情况的原因,除了可能受地壳元素分布的影响外,主要受外界污染因素的影响较大。由于海州湾近岸海域污染物包括陆源污染和海上污染,根据《江苏省海洋污染基线调查报告》[14],入海河口污染物排放量占总排放量的90%以上,临洪河口、沙旺河口、龙王河口和兴庄河口是海州湾区域主要的入海口,其污染物的排放直接影响了海州湾近岸的水质。贺心然等[15]对连云港近岸海域采取的柱状沉积物样品进行了分析,结果表明,在靠近临洪河口Pb的含量明显偏高,临洪河对沉积物中重金属含量变化的影响较大。张存勇等[16]对海州湾南部近岸柱状沉积物重金属污染的研究结果表明,在靠近临洪河口及河口以北近岸海域表层沉积物中,单个重金属污染系数中Hg为中度污染级别。据此推断,临洪河是海州湾重金属的主要来源之一。

海州湾人工鱼礁投放海域污染指数和潜在生态危害指数评价结果表明,人工鱼礁区1、2和对照区1、2的两种指数均较低,属于Ⅰ标准,重金属污染情况和潜在生态风险居轻微水平。分析其原因,可能与海州湾人工鱼礁投放海域底质沉积物的粒径特征有关。沉积物粒度为沉积物的特征参数,粒度是影响沉积物中重金属含量的最重要控制参数之一[17]。随着沉积物颗粒由粗到细,重金属含量一般相应增加。通常情况下,近岸海域沉积物粒度特征一般表现为近岸较粗、远岸较细。但张存勇等[16]的研究结果表明,海州湾海域底质沉积物总体上呈现从近岸区到远岸区由细变粗,沉积物粒度表现出“近岸细、远岸粗”的空间分布规律。近岸主要为黏土质粉砂,远岸为细砂,中间为粉砂质砂和砂质粉砂。由于投礁海域属于海州湾中间部分,表层沉积物为粉砂质砂和砂质粉砂,粒径粗,对重金属的吸附能力小,污染程度和潜在生态风险处于较低水平。

本研究中,通过对人工鱼礁投放海域鱼礁区和对照区表层沉积物中重金属含量的分析与环境影响效果评价,结果表明,投放人工鱼礁后,尽管鱼礁具有一定的阻流效应,但是该海域并未因为鱼礁的投放而使鱼礁区的沉积物中重金属环境质量安全在短期内因鱼礁的阻流作用而产生明显影响。但从目前该区域重金属污染程度和时空变化特征来看,今后在人工鱼礁建设时礁区选址不适合向近岸靠拢,而应考虑向远岸区域发展。同时在鱼礁(群)间距配比时应适当增加,以减少鱼礁的阻流效应对沉积物中污染物质向外海扩散的影响。因此,为了全面掌握人工鱼礁投放以后对底质沉积物的长期影响效应,今后应进一步加强对该海域的沉积物环境质量的监测。

此外,本研究中未考虑海州湾人工鱼礁投放海域重金属的形态和有机碳、酸可挥发硫(AVS)等因素的影响,而金属的生物毒性和生态效应与其赋存的形态密切相关,重金属的生物毒性直接受酸可挥发硫含量的影响[18-19]。另外,对重金属的污染物来源分析、迁移扩散机制等也未做深入探讨,这方面内容有待于进一步深入研究。

4 结论

1)海州湾人工鱼礁投放海域表层沉积物中Pb、Cd、Cu、Zn、Hg和As重金属含量存在较为明显的季节变化,秋季高于夏季和春季;在空间分布上总体上呈现出对照区2＞鱼礁区2＞鱼礁区1＞对照区1这一近岸高、远岸低的变化趋势。

2)6种重金属中Hg和Pb的单个污染系数较大,其中Hg的污染程度和潜在的生态危害在秋季(11月)处于中等程度,其他5种重金属均处于轻微的污染程度和较低生态危害。

3)调查海区沉积物中,Pb、Cd、Cu、Zn、Hg和As的含量都低于《海洋沉积物质量》第Ⅰ类标准,总体污染程度低,潜在生态危害均属轻微生态危害(Ⅰ类范围),表明人工鱼礁建设海域表

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The ecological risk evaluation of heavy metals in surface sediments in artificial reefs sea area in Haizhou Bay

LU Lu1,ZHANG Shuo1,2,ZHAO Yu-qing3,ZHANG Hu4,XIANG Zai-chen1
(1.College of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources,Ministry of Education,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;3.Shanghai Science and Technology Management School,Shanghai 200200;4.Maine Fisheries Research Institute of Jiangsu,Nantong 226007,China)

Abstract：The spatio-temporal profiles of heavy metals in surface sediments of artificial reefs deployed sea area in Haizhou Bay were investigated in spring(May),summer(August)and autumn(November)of 2008,and the potential ecological risk of the heavy metals were analyzed and assessed by the method of potential ecological risk index and coefficient of contamination.The results showed that the contents of Pb,Cd,Cu,Zn,Hg and As were found to be varied significantly with the seasons.There were significantly higher contents of the heavy metals in autumn than those in spring and summer,and higher near shore and lower offshore,and the maximum in control 2 in the four sampling stations,followed by in the reef 2,the next in the reef 1 and the minimum in the control 1.The coefficients of contamination of Hg and Pb were found bigger than those of other heavy metals.The level of contamination and potential ecological risk of Hg were in middle level(Ⅱ)in autumn(Nov.),while the other five heavy metals were in weak level.It was found that the artificial reef sea area in Haizhou Bay was weak pollution level according to the index of contamination and potential ecological risk.

基金项目：国家“863”重点项目(2006AA100303);上海市教委创新项目(09YZ272);农业部转产专业项目(技09-0065);上海市高校第五期海洋环境工程重点学科资助项目(J50702)