0 引言

【研究意义】沉积物是水环境中重金属的源与汇，在物理、化学和生物作用下，沉积物内的重金属易再次释放进入水中，造成二次污染^[1]。涠洲岛珊瑚礁主要分布于北部、东部和西南部沿岸 。珊瑚礁不仅是海洋中最大的生态系统，也是地球上除热带雨林生态系统外的第二大生态系统，其对于海洋生物多样性保护及维护区域和全球生态健康均具有重要作用，是海洋环境健康的重要指示物 。珊瑚礁的存活和生长与海域水体重金属污染状况关系密切 ，当海水中重金属超过一定质量浓度时就会影响到珊瑚礁的生长发育和存活 。因此，对涠洲岛沉积物中重金属含量进行研究有利于了解该海域水体重金属污染状况，可为该海区珊瑚及其它环境资源保护和可持续发展提供科学依据。【前人研究进展】据1999年邱绍芳^[10]的调查，涠洲岛附近海域的水质和底质均未发现污染，环境良好。之后学者们研究发现该岛潮滩多数地区存在Cu污染，个别地区存在As污染，附近海域石油类和重金属Pb超一类海水水质标准，水质呈轻度污染状态 。2015年杨华等^[13]调查了涠洲岛附近有珊瑚群落发育的海域，发现部分站点Pb和Hg质量浓度略高于一类海水水质标准，认为Hg是珊瑚生长区的主要生态风险因子。综上可见，涠洲岛海域重金属污染呈加剧趋势，极可能影响珊瑚礁的生长存活。【本研究切入点】目前关于涠洲岛海域重金属研究仍较缺乏，为了保护该岛珊瑚及其它环境资源不受到污染破坏，有必要加强该方面研究。【拟解决的关键问题】考虑到涠洲岛海域重金属分布具有南高北低的特点^[13]，本研究以该岛西面和西南面作为研究区域，采用瑞典科学家Hakanson^[14]潜在生态风险评价方法和德国科学家Muller^[15]提出的地累积指数法对该区域重金属含量进行综合评价。

1 材料与方法 1.1 调查站位

于2014年在广西涠洲岛6个采样点(S1、S2、S3、S4、S5、S6)进行海水沉积物样品采集(图 1)，具体操作参考《海洋监测规范》(GB 17378—2007)^[16]。

1.2 评价标准及分析方法 1.2.1 单因子污染系数

单因子污染系数C_fⁱ反映沉积物中某重金属i的污染程度。计算公式如下：

$ C_f^i = C_s^i/C_n^i, $

(1)

式中，C_sⁱ为某重金属元素i的实测数值，C_nⁱ采用北部湾海底沉积物重金属元素背景值(表 1)^[17]。C_fⁱ＜1为低污染，1≤C_fⁱ＜3为中污染，3≤C_fⁱ＜6为较高污染，C_fⁱ≥6为高污染^[14]。

1.2.2 多个重金属综合污染指数C_s

C_s 是指单因子污染系数之和，公式如式(2)所示，综合污染指数分级标准见表 2。

$ {C_s} = \sum\nolimits_{i = 1}^5 {C_f^i}。$

(2)

1.2.3 单个重金属的潜在生态风险系数

单个重金属的潜在生态风险系数E_fⁱ反映重金属的毒性水平和生物对其污染的敏感程度(表 3)，公式为

$ E_f^i = T_f^i \times C_f^i, $

(3)

式中，T_fⁱ为重金属的毒性响应系数(表 1)，C_fⁱ为单因子污染系数。

1.2.4 多种重金属潜在生态风险指数

RI为沉积物中多种重金属潜在生态风险指数，其分级见表 3。

$ RI = \sum\nolimits_{i = 1}^n {E_f^i}。$

(4)

1.2.5 重金属地累积指数污染评价

地累积指数是德国科学家Muller^[15]提出的针对沉积物中重金属污染程度评价的常用指标，能直观地反映重金属的累积程度，公式为

$ {I_{{\rm{geo}}}} = {\rm{lo}}{{\rm{g}}_2}({C_n}/k{B_n}), $

(5)

式中：I_geo为地累积指数；C_n为第n种重金属在沉积物中的测定值(mg·kg^-1)；k通常设为常数，取值1.5；B_n为沉积岩中第n种元素的地球环境背景值(mg·kg^-1)，本研究采用北部湾海底沉积物重金属元素背景值作为参照值(表 1)。I_geo和污染程度关系见表 4。

2 结果与分析 2.1 沉积物中重金属含量特征

涠洲岛西面及西南面水域重金属含量如表 5所示，均值大小依次为Cd＜Cu＜Pb＜Cr＜Zn。参考《海洋沉积物质量》(GB 18668-2002)Ⅰ类沉积物标准^[18]，研究区内所测重金属含量均未超出Ⅰ类标准值。其中，除Cd未检出外，Pb的标准差最小，分布相对均匀，Cu、Cr次之，Zn离散程度最高，分布最为不均。Cu含量峰值发生在采样点S5，Pb发生在采样点S3，Zn则有多个峰值，分别出现在采样点S3和S5。

2.2 沉积物中重金属含量污染评价 2.2.1 重金属单因子污染系数及综合污染指数

据公式(1)计算出每个采样点5种重金属的单因子污染系数，从数据上看所有单因子污染系数 < 1，单因子污染系数均值排列顺序为Cd < Cr < Pb < Zn < Cu(表 5)。所有站位重金属元素的综合污染指数C_s＜5，污染程度分级均为低水平(表 6)。

2.2.2 潜在生态风险指数评价

以北部湾海底沉积物重金属元素背景值作为标准(表 1)，据公式(3)和(4)计算出每个采样点的潜在生态风险指数(表 7)。从生态危害的角度看，各重金属元素的潜在生态风险系数E_fⁱ呈Cd < Zn < Cr < Pb < Cu，对应均值均远小于40；各站位多种重金属潜在生态风险指数RI为0.86~7.97，远小于150，因此，涠洲岛西面及西南面沉积物重金属生态风险分级属于“轻微生态危害”。

2.2.3 不同重金属对RI的贡献率

总的来说，重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Cr对本研究海域RI的如图 2所示。具体到各采样区域，除S2站点Pb对RI贡献最大外，其它站点Cu的贡献率最大。可见Cu是涠洲岛西面及西南面重金属污染的主要风险因子，对生态环境的潜在危害较大。

2.2.4 重金属地累积指数污染评价

涠洲岛西面及西南面沉积物重金属的地累积指数排序分别为Cd＜Cr＜Pb＜Cu＜Zn，污染等级均为0级(表 8)，污染程度为无污染。

3 讨论

重金属具有生物富集、生物放大及难解降等特点，而绝大部分重金属会很快由水相转为固相，研究表明，水相中重金属的含量少、随机性强且分布规律不固定，而沉积物中重金属累积的含量比水体中高很多倍，且具有明显的分布规律性^[19]。因此，对沉积物中重金属进行污染评价有助于评估研究区域的环境质量状况。涠洲岛西面及西南面沉积物中各重金属单因子污染系数和综合污染指数、单重金属潜在生态风险系数、多种重金属潜在生态风险指数、地累积指数都处于低污染水平，说明涠洲岛西面及西南面目前重金属污染轻微。单因子污染系数和潜在生态风险系数评价结果存在差异，分析原因，可能是由于个别重金属元素的亲颗粒性导致它们对海域生物造成的毒性有所差异，使污染程度和所造成生态危害程度之间不完全一致^{[1, 20]}。

涠洲岛海域沉积物的历史数据表明(表 9)，重金属含量均值和变化范围长期处于清洁水平内，各元素均未达到污染水平。2006年除Cu含量的均值比1999年高，其他元素含量则较1999年低，本研究中所有元素含量均值均较2006年低，说明不考虑采样站位差异，涠洲岛海域沉积物重金属环境质量状况呈持续好转趋势。与广西沿海其它海域相比(表 10)，涠洲岛西面及西南面沉积物的重金属含量较低，在北部湾海域最低，污染较小，其数值更接近于北海所测数据。由于防城港、钦州湾区域的港口、工业区较为密集，海域沉积物重金属含量相对较高。

4 结论

涠洲岛西面及西南面海域沉积物重金属均值依次为Cd＜Cu＜Pb＜Cr＜Zn，分别对应未检出、3.02 mg·kg^-1、3.19 mg·kg^-1、6.47 mg·kg^-1、10.10 mg·kg^-1，含量范围分别为未检出、0.95~8.29 mg·kg^-1、2.68~4.07 mg·kg^-1、1.81~18.46 mg·kg^-1、ND~34.59 mg·kg^-1。各重金属单因子污染系数均 < 1，所有站位重金属综合污染指数 < 5，污染程度均属于“低水平”。单个及多种重金属生态风险分级均为“轻微”，其中Cu是引发生态风险的主要元素。地累积指数亦表明该海域各重金属污染程度均为0级。总体来说，涠洲岛西面及西南面海域沉积物重金属含量与污染程度较广西沿海其他海域低。涠洲岛西面及西南面海域底质尚属清洁。