黄渤海典型鳗草海草床重金属生态风险评估_乔永亮.pdf

Marine Sciences/Vol.46,No.12/2022 103 黄渤海典型鳗草海草床重金属生态风险评估 乔永亮1,2,3,4,5,徐少春2,3,4,5,6,7,周 毅2,3,4,5,6,7,贾小平1(1.青岛科技大学 环境与安全工程学院,山东 青岛 266042;2.中国科学院海洋研究所 中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室,山东 青岛 266071;3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室,山东 青岛 266237;4.中国科学院海洋大科学研究中心,山东 青岛 266071;5.中国科学院海洋牧场工程实验室,山东 青岛 266071;6.中国科学院大学,北京 100049;7.山东省实验海洋生物学实验室,山东 青岛 266071)摘要:为全面了解我国黄渤海鳗草(Zostera marina L.)床重金属污染水平,本研究以大连林阳北海、葫芦岛兴城、唐山乐亭-曹妃甸和青岛湾四处鳗草床为研究对象。于夏季采集鳗草、海水和沉积物样品并分析其重金属(Cu、Zn、Pb 和 Cd)含量。以此分析海草的重金属富集特征,并对比评估不同鳗草床重金属潜在生态风险。结果表明,夏季四处鳗草床海水重金属含量由高到低依次为:ZnCuPbCd,均低于国家一级水质标准;对沉积物来说,重金属含量由高到低依次为:ZnPbCuCd,均低于国家一级沉积物质量标准。鳗草对重金属的富集因重金属种类和海草积累部位而异,其地上组织对 Cu、Zn、Cd的富集能力高于地下组织。研究区域海水中 Cu、Zn、Pb 和 Cd 潜在风险等级均处于低风险水平。而对沉积物而言,葫芦岛兴城鳗草床 Cd 的潜在风险等级处于较高风险水平(Ei值为 156.9)。唐山乐亭-曹妃甸和青岛湾鳗草床的地质累积指数(Igeo)由大到小依次为:CdPbZnCu。综合所有元素的潜在生态风险指数(IR),葫芦岛兴城鳗草床的潜在生态风险值最高。关键词:鳗草;海草床;黄渤海;重金属;生态风险评估 中图分类号:Q948.116 文献标识码:A 文章编号:1000-3096(2022)12-0103-12 DOI:10.11759/hykx20220331001 海草是世界上唯一的海洋沉水被子植物1。海草床作为三大典型近海海洋生态系统之一,具有重要生态功能,可为各种海洋生物提供栖息地和育幼场所,是儒艮、绿海龟等生物的重要食物来源;能够改善水质、减缓水流、防风固堤2;能够调节气候,是海洋生态系统中重要的碳汇3。由于全球工业化进程加快,越来越多的重金属污染物被排放到海洋中,海草床健康面临严重威胁。自1990年以来,全球海草床面积每年约减少7%4-5。重金属由于毒害性和难降解性而具强烈污染性6,重金属污染会影响海草床的健康状况。一方面,重金属会对海草自身造成严重损害,如 Cd、Cu、Pb、Zn 会抑制海草生长、影响海草光合作用进程7-10;另一方面,重金属会随食物链和食物网积累至更高营养级11,高营养级生物会因生物放大作用而受到严重危害。鳗草(Zostera marina L.)隶属鳗草科,鳗草属,是黄渤海海草床的优势种,在我国主要分布于辽宁、河北和山东沿海12-13,其重金属含量在一定程度上可反映近海海洋的污染状况。潜在生态风险评估是评价由一种或多种外界因素导致未来可能发生不利生态影响的过程14。按照评价标准划分出相应的风险等级,以此预测未来可能产生的负面生态影响或评估由于过去某种因素导致生态变化的可能性。潜在生态风险等级越高,表明环境未来发生不利影响的可能性越大。地质累积指数法是目前评价重金属污染程度的常见方法之一。该方法在考量自然环境背景值和人为活动的基础上,还将自然成岩对环境背景值的影响纳入了计算中,弥补了其他评价方法的不足15。按照评价标准划分环境重金属污染程度,污染程度越高表明受到的污染越严重。由于 收稿日期:2022-03-31;修回日期:2022-05-19 基金项目:国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项(2019YFD0901301);国家科技基础性工作专项(2015FY110600);中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-DQC041-1)Foundation:National Key R&D Program of China,No.2019YFD0901301;National Science&Technology Basic Work Program,No.2015FY110600;Key Research Project of Frontier Sciences of CAS,No.QYZDB-SSW-DQC041-1 作者简介:乔永亮(1996),男,黑龙江鹤岗人,硕士研究生,主要从事海洋环境科学研究,E-mail:;周毅(1968),通信作者,博士生导师,研究员,E-mail:;贾小平(1974),通信作者,硕士生导师,副教授,E-mail: 104 海洋科学/2022 年/第 46 卷/第 12 期 鳗草的生长环境特殊,在评价鳗草床的潜在生态风险及其对重金属的富集特征时,应充分考虑海水和沉积物两种环境介质,并综合运用富集系数(FBC)和转运系数(FT)等评价指标。本研究通过测定鳗草床重金属含量,对比分析不同鳗草组织对重金属的富集特征,并采用潜在生态风险法和地质累积指数法对黄渤海典型鳗草床的重金属污染程度进行全面评估,以期为海草床的科学管理提供依据。1 材料与方法材料与方法 1.1 样品采集样品采集 1.1.1 研究区域研究区域 根据我国北方黄渤海鳗草分布状况,选取四处海草床为研究对象,分别为大连林阳北海鳗草床、葫芦岛兴城鳗草床、唐山乐亭-曹妃甸鳗草床和青岛湾鳗草床(图 1)。大连林阳北海海草床以鳗草为优势种,海草的生物量、高度和密度呈显著的季节性变化16。葫芦岛兴城海草床的海草种类为鳗草和日本鳗草(Zostera japonica),其中鳗草为优势种,主要分布在兴城市东盐滩与觉华岛之间海域。唐山乐亭-曹妃甸鳗草床面积约为 30 km2,是目前中国分布面积最大的鳗草床17。青岛湾的海草种类为鳗草,海草床面积较小,该鳗草床处于旅游景区中,是目前中国鳗草床中比较靠南的一处。以上述 4 处海草床为研究区域可代表我国北方海草床中重金属污染的普遍状况。研究区域夏季的环境背景参数见表 1。图 1 黄渤海典型鳗草床分布 Fig.1 Distribution of typical eelgrass beds in the Yellow Sea and the Bohai Sea 注:A:大连林阳北海鳗草床;B:葫芦岛兴城鳗草床;C:唐山乐亭-曹妃甸鳗草床;D:青岛湾鳗草床,图片源自谷歌地图 表 1 海草床基础环境数据 Tab.1 Basic environmental data of the seagrass bed 海草床 调查日期 水深/m 水温/悬浮物/(mgL1)溶解氧/(mgL1)盐度 pH 底部光照/(mol photonsm2s1)大连林阳北海 2020-6-17 2.871.50 20.020.354.473.05 10.810.79 31.440.83 8.030.07 958.39178.77葫芦岛兴城 2020-5-30 2.200.17 17.740.266.821.76 10.001.03 32.200.02 8.030.09 2 628.12415.38唐山乐亭-曹妃甸 2020-6-1 1.580.16 20.680.7511.973.089.710.31 32.340.03 8.160.12 1 918.89569.88青岛湾 2020-6-18 2.870.15 20.970.046.212.697.550.21 30.260.87 7.890.01 1 009.78175.59 Marine Sciences/Vol.46,No.12/2022 105 1.1.2 样品的采集方法样品的采集方法 2020 年夏季,在 4 处鳗草床的中心位置设置 1 条垂直于岸边的采样剖面,在剖面上设置近岸、中岸和远岸 3 处采样站位(图 1),在每个站位采集 3 组平行样。采样时,使用 2.5 L 塑料桶采集海水样品;使用样方框(直径=19 cm,深度=15 cm)采集鳗草生境周围沉积物,并使用塑料铲挖取样方框内鳗草植株,保证挖掘斑块小于 0.25 m2,有利于海草 1 年之后的恢复生长18。1.2 样品预处理和分析样品预处理和分析 1.2.1 样品预处理样品预处理 采集样品尽快保存至20 冰箱。测定前,海水样品使用平均孔径为 0.45 m的滤膜过滤,以去除悬浮物质;鳗草样品使用去离子水洗净后与沉积物一同放入 60 烘箱中烘干至恒重,烘干后的样品研磨成粉末后过 80 目筛,保存在干燥箱中,待测定其重金属含量。1.2.2 样品分析方法样品分析方法 鳗草与沉积物样品在测定前需进行消解,称取定量干燥样品,装入烧杯后,加入 10 mL 浓硝酸,置于 160220 的加热板上,在通风橱内消化至硝酸完全蒸发。待烧杯冷却后,加入 3 mL 浓硝酸:高氯酸(体积比为 31)的混合溶液,并用超纯水多次转移至 15 mL 离心管中定容。最后,将消解后的鳗草和沉积物样品及过滤后的海水样品送至中国科学院海洋研究所(中国青岛)分析测试中心使用Thermo Scientific iCAP Qc ICP-MS(Thermo Fisher Scientific Inc.,Horsham,英国)测定重金属(Cu、Pb、Zn、Cd)含量。1.3 数据分析方法和评价标准数据分析方法和评价标准 1.3.1 分析方法分析方法 生态风险一般指生态系统及其组分所承受的风险,潜在生态风险则是指一定区域内,具有不确定性的事故或威胁对生态系统及其组分可能产生的负面影响。Hakanson 在 1980 年提出的潜在生态风险指数法(IR)19,可用于评估环境的潜在生态风险。该方法可计算分析出某种或某些重金属元素在环境中的危害程度和潜在生态风险,计算方法为公式(1):()Riin/IET CC=,(1)式中,IR为潜在生态风险指数;Ei是某种元素的生态风险值;T 是某种元素的毒性系数;Ci是某种元素的含量;Cn是背景值。地质累积指数(Igeo)是利用重金属元素的含量与元素背景值之间关系来判定区域重金属污染程度的依据20,计算方法为公式(2):geo2sedimentbackgroundlog/1.5ICC=,(2)式中,Csediment为沉积物中重金属含量;Cbackground为背景值。植物富集重金属的能力可用富集系数(FBC)表示,计算方法为公式(3):tissuestissuesBCenvironmentsedimentCCFCC=,(3)式中,Ctissues为鳗草组织中重金属含量,环境重金属含量选定为沉积物中的重金属含量21-22。转运系数(FT)是指植物地上组织重金属含量与地下组织重金属含量的比值,该参数反应了植物将重金属从地下组织向地上组织运输和富集的能力,计算方法为公式(4):aboveground tissuesTbelowground tissuesCFC=,(4)式中,Caboveground tissues和 Cbelowground tissues分别为鳗草地上和地下组织中重金属含量。1.3.2 评价标准评价标准 根据中国浅海沉积物化学元素丰度表23、海水水质标准(GB 30971997)24和海洋沉积物质量(GB186682002)25中的分级和分类原则确定沉积物背景值、海水水质标准和海洋沉积物质量标准,使用徐争启等26对 Hakanson 制定的重金属毒性系数进行优化后的结果为评价依据(表 2)。研究区域重金属潜在生态风险的评价标准,详见表 3。表 2 重金属环境背景值及毒性系数23-26 Tab.2 Environmental background concentration and the toxicity coefficient o