劉 陽 趙晉娥 張凡順

(中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院，山東 青島 266000)

潮間帶處于海洋與陸地的交界地帶，受海洋環(huán)境及陸地輸入的共同影響。潮間帶是海洋生物產(chǎn)卵、索餌、孵化和棲息的重要場(chǎng)所，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中具有重要地位[1]。潮間帶又是人類的重要活動(dòng)場(chǎng)所，往往匯集大量生活垃圾、工業(yè)廢棄物等污染物，導(dǎo)致潮間帶表層沉積物中的重金屬大量累積，對(duì)潮間帶的生態(tài)環(huán)境造成危害[2]。因此，對(duì)潮間帶表層沉積物中的重金屬進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)在海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)中具有重要作用。

青島是我國著名的海濱旅游城市，每年大量游客進(jìn)入沿海一線。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年青島接待游客超過1億人次，同比增長13%，旅游消費(fèi)總額突破1 900億元，同比增長在15%以上。青島又是我國的重要港口城市，青島港主要從事集裝箱、原油、鐵礦石、煤炭、糧食等各類進(jìn)出口貨物的裝卸、儲(chǔ)存、中轉(zhuǎn)、分撥等物流服務(wù)和國際客運(yùn)服務(wù)[3]，繁忙的貨輪航道、大量生活垃圾、貨運(yùn)船舶廢棄物給潮間帶環(huán)境造成巨大壓力。目前，有關(guān)青島近海海域沉積物重金屬的研究大多集中在膠州灣海域，對(duì)其他近海海域的研究相對(duì)較少，尚無研究對(duì)熱點(diǎn)海域的沉積物重金屬污染情況進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

為此，本研究選擇團(tuán)島灣、青島灣、匯泉灣、太平角、浮山灣、雕塑園及石老人等旅游熱點(diǎn)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，分析其表層沉積物中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg、As的含量，并采用多種評(píng)價(jià)方法對(duì)重金屬污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以揭示人為活動(dòng)對(duì)濱海區(qū)域的環(huán)境壓力，為旅游熱點(diǎn)海域旅游管理及重金屬污染綜合防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2019年4—5月在青島團(tuán)島灣、青島灣、匯泉灣、太平角、浮山灣、雕塑園及石老人等海濱潮間帶設(shè)置采樣點(diǎn)采集表層沉積物樣品，采樣點(diǎn)分布見圖1。將采集的沉積物樣品裝于聚乙烯袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，-20 ℃冰箱保存。

圖1 青島潮間帶采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling stations in Qingdao intertidal zone

1.2 樣品處理與重金屬測(cè)定

樣品處理：沉積物樣品自然風(fēng)干后用瑪瑙研缽研磨過160目篩，將研磨后的樣品充分混勻放入干燥器，室溫下保存。

重金屬測(cè)定：參考文獻(xiàn)[4]，稱量0.100 g沉積物樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸(優(yōu)級(jí)純)、5 mL氫氟酸(優(yōu)級(jí)純)和2 mL高氯酸(優(yōu)級(jí)純)，將消解罐放入MDS-6型微波消解儀2.0 MPa下持續(xù)消解10 min，消解液轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯坩堝，電熱板上蒸至近干，三蒸水定容至10 mL，待測(cè)。采用石墨爐原子吸收法測(cè)定消解液中Cu、Pb、Cd及Cr含量，火焰原子吸收法測(cè)定消解液中的Zn含量，分析儀器為TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)；采用氫化物發(fā)生原子熒光光譜法測(cè)定消解液中As、Hg含量，分析儀器為PF6-3型原子熒光分光光度計(jì)。測(cè)試過程中使用近海海洋沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07314)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。

1.3 評(píng)價(jià)方法

目前對(duì)沉積物中重金屬的污染評(píng)價(jià)方法有很多，為全面評(píng)價(jià)調(diào)查區(qū)域的重金屬污染情況，本研究分別采用單因子污染指數(shù)法、尼梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害法、地累積指數(shù)法對(duì)沉積物的污染現(xiàn)狀及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

單因子污染指數(shù)法反映了單個(gè)重金屬元素的污染程度，能判斷出環(huán)境中的主要污染因子，體現(xiàn)區(qū)域重金屬污染特征，單因子污染指數(shù)計(jì)算見式(1)。

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為第i種重金屬的單因子污染指數(shù)；Ci為沉積物中第i種重金屬的測(cè)定值，mg/kg；Si為第i種重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。本研究中，Si選擇劉義峰等[5]使用的膠州灣沉積物重金屬元素背景值，Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg、As背景值依次為31.10、9.83、0.10、44.93、65.30、0.041、6.79 mg/kg。當(dāng)Pi<1時(shí)，重金屬i處于低污染水平；當(dāng)1≤Pi<3時(shí)，重金屬i處于中等污染水平；當(dāng)3≤Pi<6時(shí)，重金屬i處于較高污染水平；當(dāng)Pi≥6時(shí)，重金屬i處于高污染水平。

尼梅羅綜合污染指數(shù)法是多因子綜合評(píng)價(jià)方法[6]，根據(jù)調(diào)查區(qū)域的尼梅羅綜合污染指數(shù)，對(duì)照相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)即可評(píng)價(jià)該區(qū)域的環(huán)境狀況。尼梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算方法見式(2)。

(2)

式中：P為尼梅羅綜合污染指數(shù)；Pmax為單因子污染染指數(shù)的最大值；Pave為單因子污染指數(shù)的平均值。

尼梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 尼梅羅綜合污染指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

潛在生態(tài)危害法綜合考慮了重金屬毒性、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行约皡^(qū)域背景值的差異等，消除了區(qū)域差異及異源污染的影響，既能反映單個(gè)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，又能反映多種重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[7]。計(jì)算公式如下：

Eri=Tri×Ci

(3)

RI=∑Eri

(4)

式中：Eri為第i種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)；Tri為第i種重金屬的毒性系數(shù)，Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg及As的毒性系數(shù)分別為5、5、30、1、2、40、10[8]；RI為多種重金屬的潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)。潛在生態(tài)危害指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

地累積指數(shù)法是由德國學(xué)者M(jìn)üLLER[9]于1969年提出的用于定量研究沉積物中重金屬污染程度的一種方法，該方法利用了沉積物中一種重金屬的總含量與其地球化學(xué)背景值的關(guān)系。計(jì)算方法見式(5)：

(5)

式中：Igeo為沉積物中重金屬i的地累積指數(shù)。

地累積指數(shù)對(duì)污染程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 地累積指數(shù)污染程度分級(jí)

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)

青島潮間帶表層沉積物重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)見表4。由表4可知，7個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物中Cu介于3.18～14.96 mg/kg，平均值為10.69 mg/kg，變異系數(shù)為37%；Pb介于11.94～24.15 mg/kg，平均值為16.90 mg/kg，變異系數(shù)為22%；Cd介于0.04～0.22 mg/kg，平均值為0.12 mg/kg，變異系數(shù)為59%；Cr介于32.14～59.30 mg/kg，平均值為46.76 mg/kg，變異系數(shù)為20%；As介于5.86～36.88 mg/kg，平均值是24.01 mg/kg，變異系數(shù)為46%；Hg介于0.022～0.105 mg/kg，平均值為0.073 mg/kg，變異系數(shù)為49%；Zn介于38.77～46.59 mg/kg，平均值為43.45 mg/kg，變異系數(shù)為6%。除As外其他元素均達(dá)到《海洋沉積物質(zhì)量》(GB 18668—2002)中的一類沉積物標(biāo)準(zhǔn)[10]，雕塑園及石老人采樣點(diǎn)中的As符合一類沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(≤20 mg/kg)，其他采樣點(diǎn)As符合二類沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(≤65 mg/kg)。各重金屬質(zhì)量濃度平均值排序?yàn)镃r>Zn>As>Pb>Cu>Cd>Hg。

表4 青島潮間帶表層沉積物重金屬質(zhì)量濃度

7種重金屬中除Cd的變異系數(shù)大于50%外，其他均低于50%，說明各采樣點(diǎn)間重金屬的空間分布比較均勻，差異不大。與其他區(qū)域比較(見表5)，青島潮間帶表層沉積物中的Cu含量與黃河三角洲、洋山港及北部灣較為接近，低于舟山潮間帶、膠州灣及泉州灣；Pb含量與洋山港較為接近，低于其他區(qū)域；Cd含量與舟山潮間帶、黃河三角洲及北部灣較為接近，低于其他區(qū)域；Cr含量與舟山潮間帶及黃河三角洲較為接近，高于北部灣，低于膠州灣及泉州灣；As含量與泉州灣較接近，高于其他區(qū)域；Hg含量與舟山潮間帶、洋山港、北部灣較為接近，低于泉州灣；Zn含量與黃河三角洲及洋山港較接近，低于其他區(qū)域?？傮w而言，青島潮間帶表層沉積物中除As含量偏高外，其他重金屬含量總體處于較低水平。

表5 青島潮間帶表層沉積物重金屬與其他區(qū)域比較

2.2 重金屬污染評(píng)價(jià)

青島潮間帶表層沉積物重金屬的單因子污染指數(shù)及尼梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。7種重金屬的單因子污染指數(shù)顯示，各個(gè)采樣點(diǎn)Cu及Cr均處于低污染水平；Pb處于中等污染水平；Cd在青島灣、匯泉灣及石老人為中等污染水平，其他采樣點(diǎn)均為低污染水平；Hg在團(tuán)島灣及青島灣為低污染水平，其他采樣點(diǎn)均為中等污染水平；Zn在太平角及浮山灣為中等污染水平，其他均為低污染水平；As在雕塑園為低污染水平，在石老人為中等污染水平，在其他采樣點(diǎn)均為較高污染水平。

尼梅羅綜合污染指數(shù)排序?yàn)樘浇?青島灣>團(tuán)島灣>浮山灣>匯泉灣>石老人>雕塑園。調(diào)查地區(qū)污染等級(jí)主要為Ⅱ、Ⅲ級(jí)，其中匯泉灣、雕塑園、石老人為Ⅱ級(jí)，污染程度為輕度污染，團(tuán)島灣、青島灣、太平角、浮山灣污染等級(jí)為Ⅲ級(jí)，污染程度為中度污染。其中匯泉灣的尼梅羅綜合污染指數(shù)為2.49，接近中度污染的臨界值，需要持續(xù)關(guān)注。

表6 青島潮間帶表層沉積物重金屬的單因子污染指數(shù)及尼梅羅綜合污染指數(shù)

在調(diào)查中，研究者還采集了調(diào)查區(qū)域的生物體樣品，結(jié)果顯示青島潮間帶生物體中As污染較為嚴(yán)重，30個(gè)生物個(gè)體中8個(gè)未受到污染，18個(gè)處于輕度污染水平，1個(gè)處于中度污染水平，3個(gè)處于重度污染水平，與表層沉積物的調(diào)查結(jié)果一致，表明As已在生物體中明顯富集。As是危害最嚴(yán)重的環(huán)境污染物之一，被列為人類致癌物質(zhì)之一[16]，青島潮間帶區(qū)域的As污染需要引起足夠重視。

2.3 重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

青島潮間帶表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示(見表7)，Cu、Pb、Cr及Zn的潛在生態(tài)危害指數(shù)均小于40，具有低度潛在生態(tài)危害；青島灣及石老人表層沉積物中的Cd具有中度潛在生態(tài)危害，在其他采樣地點(diǎn)均為低度潛在生態(tài)危害；團(tuán)島灣、青島灣、太平角的表層沉積物中As具有中度潛在生態(tài)危害，在其他采樣點(diǎn)均為低度潛在生態(tài)危害，Hg在太平角、浮山灣、雕塑園及石老人具有較重潛在生態(tài)危害，在匯泉灣具有中度潛在生態(tài)危害，在其他采樣點(diǎn)具有低度潛在生態(tài)危害。不同采樣點(diǎn)潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)排序?yàn)槭先?太平角>浮山灣>青島灣>雕塑園>匯泉灣>團(tuán)島灣，青島潮間帶沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害處于低度或中度水平，具有從低度向中度發(fā)展的趨勢(shì)，其中As、Hg及Cd所占權(quán)重較大，需要引起關(guān)注。

表7 青島潮間帶表層沉積物重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

表8為青島潮間帶表層沉積物重金屬地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果。可以看出，各采樣點(diǎn)Cu、Cr、Zn均無污染；Cd僅在青島灣和石老人處于輕度污染，其他采樣點(diǎn)均無污染；除個(gè)別采樣點(diǎn)外，青島潮間帶Pb、Hg總體處于輕度污染；As在石老人處于輕度污染，在團(tuán)島灣、青島灣、匯泉灣、太平角和浮山灣均處于偏中度污染。7種重金屬中，Pb、As、Hg的Igeo平均值超過0，分別為0.168、1.034、0.025，需要引起關(guān)注。

表8 青島潮間帶表層沉積物重金屬地累積指數(shù)

3 結(jié) 語

(1) 青島潮間帶表層沉積物重金屬含量平均值排序?yàn)镃r>Zn>As>Pb>Cu>Cd>Hg，As滿足GB 18668—2002二類沉積物標(biāo)準(zhǔn)，其他重金屬滿足一類沉積物標(biāo)準(zhǔn)；各采樣點(diǎn)間重金屬分布比較均勻，差異不大；除As的含量偏高外，青島潮間帶表層沉積物重金屬含量與其他區(qū)域相比處于較低水平。

(2) 7種重金屬的單因子污染指數(shù)表明，各個(gè)采樣點(diǎn)Cu、Cr在均處于低污染水平；Pb處于中等污染水平；Cd、Hg、Zn處于低污染或中等污染水平；部分采樣點(diǎn)As處于較高污染水平。各采樣點(diǎn)尼梅羅綜合污染指數(shù)排序?yàn)樘浇?青島灣>團(tuán)島灣>浮山灣>匯泉灣>石老人>雕塑園，其中匯泉灣、雕塑園、石老人為輕度污染，團(tuán)島灣、青島灣、太平角、浮山灣為中度污染。

(3) 潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)排序?yàn)槭先?太平角>浮山灣>青島灣>雕塑園>匯泉灣>團(tuán)島灣，As、Hg及Cd的權(quán)重較大，需要引起關(guān)注；青島潮間帶表層沉積物潛在生態(tài)危害處于低度或中度水平，且具有從低度向中度發(fā)展的趨勢(shì)。

(4) 地累積指數(shù)表明As、Pb、Hg在各區(qū)域污染較其他重金屬嚴(yán)重，地累積指數(shù)平均值超過0，需要重點(diǎn)注意。

(5) 多種評(píng)價(jià)方法均表明青島旅游熱點(diǎn)海域重金屬存在一定程度的污染，其中As的污染需要重視。7個(gè)采樣點(diǎn)中，太平角及青島灣人口更加密集，有棧橋、八大關(guān)、海軍博物館等熱門景點(diǎn)，環(huán)境壓力更大，因此在旅游管理中需要格外控制人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。