北部灣潿洲島海水重金屬污染現狀研究

徐軼肖 *，謝誼 ，趙鵬 ，張騰 ，周齊家 ，胡寶清

1. 廣西師范學院，北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧530001；2. 廣西師范學院，廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，廣西 南寧 530 001

潿洲島位于廣西壯族自治區北海市南部（N21°02′40.61″、E109°06′49.48″），屬于亞熱帶季風氣候，是南海北部灣最大的島嶼，中國最大最年輕的火山島。該島沿岸淺海生長著具有較高生態學價值的珊瑚礁生態系統，是北部灣地區 21世紀海洋資源持續發展與利用的重要對象之一（史海燕，2012）。然而，近幾十年來由于遭受人為和自然的雙重壓力，珊瑚礁生態系統面臨著嚴重退化，靠近大陸的沿岸淺海形勢尤為嚴峻，其中海水污染已對潿洲島珊瑚礁造成了一定的負面影響，成為珊瑚礁退化的一個重要因素（王麗榮等，2006；陳天然等，2013）。

近年來潿洲島旅游業發達，2005—2008年上島游客從9萬人增加至20萬人，客輪從每天1～2航次增加至4航次（譚趣孜等，2011）。潿洲島主要分布有中海油潿洲終端處理廠、水電廠、新奧燃氣公司等工業。旅游業、工業、運輸業的迅猛發展，導致重金屬污染物在近岸海水中迅速增加，沿岸生態環境正承受著巨大壓力。這不僅制約地區經濟的快速發展，還對水生生物和人體健康產生負面影響。重金屬污染具有來源廣、殘毒時間長、易蓄積、污染后不易被發現且難于恢復等特征（雷富等，2013a），明確海水重金屬污染程度并加以管理顯得尤為重要。1999年邱紹芳（1999）對潿洲島附近海域的水質和底質進行研究，均未發現污染，環境良好。后來研究發現該島潮灘多數地區開始出現Cu和As污染，石油類和重金屬 Pb含量超一類海水水質標準，水質呈輕度污染狀態（譚趣孜等，2011；唐璐璐等，2009）。2015年楊華等（2017）調查了潿洲島附近有珊瑚群落發育的海域，發現部分站點 Pb和Hg質量濃度略高于一類海水水質標準并認為Hg是珊瑚生長區主要生態風險因子。綜上可見，潿洲島海域重金屬污染呈加劇趨勢。本文根據2015—2016年廣西潿洲島海水重金屬數據，分析該海域海水重金屬分布現狀、污染程度及特征，為該海區環境資源保護和可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 調查站位

潿洲島位于北部灣海域中部，東西寬約 6 km，南北長約6.5 km，總面積24.74 km2，全鎮總人口1.53萬人。島上建有中海油潿洲終端處理廠、水電廠、新奧燃氣公司等。本研究于 2015年10月和2016年10月，在潿洲島周離岸0.8～2 km 處布設 S1（N21°01′41″、E109°04′51″）、S2（N21°01′28″、E109°04′33″）、S3（N21°03′57″、E109°05′26″）、S4（N21°04′51″、E109°07′20″）、S5（N21°04′20″、E109°07′56″）、S6（N21°03′07″、E109°08′39″）、S7（N21°01′51″、E109°08′01″）、S8（N21°01′24″、E109°07′52″）共 8 個采樣點（圖1），分別采集表層0.5 m處海水1000 mL，搖勻，過0.45 μm濾膜，濾液加數滴硫酸酸化，低溫冷藏帶回實驗室。

1.2 評價標準及分析方法

海水樣品的采集、貯存、運輸和分析均按《海洋監測規范》（GB/T17378—2007）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2008）進行。Cu、Pb、Zn、Cd、Cr分析采用原子吸收光譜儀，Hg、As采用原子熒光分光光度計，檢出限分別為0.2、0.03、3.1、0.01、0.4、0.007 和 0.5 μg·L-1。據廣西壯族自治區海洋功能區劃（2011—2020年）（廣西壯族自治區人民政府，2013），潿洲島主要功能為海洋保護和旅游休閑區，因涉及珊瑚礁生態系統保護，海洋生物資源恢復，結合中國海水水質分類與標準（GB3097—1997）（國家環境保護局，中國國家標準化管理委員會，1998），本文采用第一類海水水質標準對潿洲島海水進行環境質量狀況評價（表1）。

表1 一類海水水質標準Table 1 The first class seawater quality standard of China

重金屬評價方法采用綜合指數法（何祥英，2014；李壯偉等，2012），計算如下：

式中，Pi、Ci和 Si分別為某重金屬元素 i的單項指數、實測數據和評價標準值；n為參與評價的重金屬種類數；WQI為重金屬污染綜合指數。Pi≤1表示海水中重金屬i符合標準，Pi>1表示海水中重金屬i超過標準，總體污染水平等級劃分見表2。

1.3 數據處理方法

運用Excel 2013對2015—2016年采樣原始數據進行整理與統計，ArcGIS 10.1進行采樣點的描繪，OriginPro 9.0制作圖表并進行分析。

2 結果與分析

2.1 重金屬含量

圖1 采樣地點Fig. 1 Sampling sites in Weizhou Island, Beibu Gulf of Guangxi

表2 海水重金屬綜合污染指數與污染程度的關系Table 2 Correlation of WQI and contamination Status

2015年潿洲島海水重金屬均值為 Hg

以《海水水質標準》（GB 3097—1997）一類海水作為參考，2015—2016年重金屬Cu、Cd、Cr、As均未發現超標，但2016年Zn存在超標現象（圖 2），超標率為 37.5%，最大超標倍數高達 11.7（S6），最大質量濃度為 253.7 μg·L-1，已超過三類海水水質標準（100 μg·L-1）。Pb和Hg在2015年與2016年均存在超標現象（圖2），2015年Pb超標率為25.0%，最大超標倍數為2.2，最大質量濃度（3.16 μg·L-1）介于一類與二類海水水質標準之間；Hg超標率為 75%，最大超標倍數為0.3，說明Hg盡管超標現象明顯，但程度不嚴重。2016年Pb超標率為62.5%，最大超標倍數達 5.6，最大質量濃度（6.56 μg·L-1）已超過二類海水水質標準（5 μg·L-1），超標現象和程度較2015年均有所增加；Hg超標率為12.5%，最大超標倍數為0.2，超標現象和程度較2015年均下降。就地理位置而言，Zn超標發生在潿洲島的東面和東南面（S6-S8）；2015年Pb超標位于島的西南面（S1-S2），Hg則在島周多處檢測到超標現象（S1-S3、S5-S6、S8）；2016年在環島多地發現Pb超標（S2-S6），而Hg僅在S6處有超標，說明重金屬在潿洲島的分布存在地理差異和年際差異。

2.2 污染評價

根據單項污染指數Pi，2015年重金屬平均污染程度為 Cr

表4顯示，2015年和2016年潿洲島重金屬綜合污染指數分別為0.39和0.76，均小于1，整體上海域屬于清潔級；2016年WQI是2015年的1～2倍，表明2016年潿洲島重金屬污染程度總體較2015年有所加重。具體地說，2015年各站位WQI均小于1，各站位可認為屬于清潔狀態，但2016年位于島北面的S4和東面的S6站位WQI分別為1.17和2.20，分別屬于輕度污染與中度污染（表4）。

表3 北部灣潿洲島海水重金屬含量特征Table 3 Heavy metals concentration in seawater of Weizhou Island, Beibu Gulf of Guangxi

表4 北部灣潿洲島海水重金屬綜合污染指數（WQI）Table 4 WQI of seawater in Weizhou Island, Beibu Gulf of Guangxi

圖2 潿洲島海水重金屬質量濃度(橫線表示第一類海水水質標準)Fig. 2 Mass concentrations of Heavy metals in seawater of Weizhou Island, Beibu Gulf of Guangxi

3 討論

重金屬具有生物富集、生物放大及難解降等特點，海水重金屬污染會對近海的植物、動物造成影響，從而影響近海漁業和生態環境，并最終對食物鏈頂層的人類安全構成威脅。潿洲島熱帶北緣珊瑚礁生態系統發育典型，海水重金屬污染除了對該海域各級生物產生影響外，更可對珊瑚幼蟲階段和珊瑚骨骼形成等產生不利影響（Woods et al.，2016；Guzman et al.，2002），理應受到特別重視。

3.1 潿洲島重金屬變化趨勢

與其他中國沿海地區類似，潿洲島海域經歷了清潔到一定程度重金屬污染的過程。20世紀90年代初，潿洲島海域的水質和底質重金屬濃度均符合海水一類標準，不存在超標現象（邱紹芳，1999）。2007年，潿洲島海水呈輕度污染，Pb超標率達17%（譚趣孜等，2011），相應地，在人為活動較頻繁的島東面和南面潮灘，發現重金屬元素累積明顯（唐璐璐等，2009）；2015年，個別站位Pb含量超一類海水標準（μg·L-1），Hg盡管未超標，但其最大值（0.05 μg·L-1）已達一類海水標準上限（楊華等，2017）。本研究 2015年亦檢測到重金屬Pb、Hg超標，高風險重金屬元素組成與楊華等（2017）研究結果一致，程度較后者嚴重，可能與兩者之間的采樣時間及站位差異有關。2016年，在原Pb、Hg超標的基礎上，本研究發現島東面和東南面的 Zn檢出超標，且最大濃度已超過海水三類水質標準。可見數十年來，潿洲島海域重金屬污染呈加重趨勢，這對該海域生物及珊瑚礁生態系統都將是嚴峻的挑戰。

3.2 潿洲島重金屬污染分布特征

盡管 2015—2016年潿洲島海域重金屬綜合污染仍屬清潔級，但元素Pb、Hg、Zn超標，前兩者在該島的西面、北面和東面均存在污染，Zn則在該島的東面和東南面出現污染，這與前人的研究結果基本一致（譚趣孜等，2011；唐璐璐等，2009；楊華等，2017）。由于本研究未在潿洲島南部海域采樣，無法得知該海區重金屬污染情況，考慮到南部為潿洲島的經濟和人口中心，受人類活動和養殖行為影響污染嚴重，海洋災害如赤潮頻發（何本茂等，2013；竇勇等，2015），可推測該海區重金屬污染不容樂觀。另外，本研究中2016年Pb污染程度較2015年加重，Hg污染減輕，并新發現了 Zn污染，推測由重金屬來源變化引起，潿洲島存在的工業排污、旅游客運業，油氣開采及原油運輸船、油井平臺、養殖業極可能是變化的原因（廣西壯族自治區人民政府，2013），學者們指出上述人類活動與該島海水重金屬含量大小密切相關（譚趣孜等，2011；楊華等，2017）。

3.3 與其他海域的比較

與國內其他礁區，如西沙海域礁區、廣東大亞灣礁區、三亞鹿回頭礁區、湛江燈樓角礁區的海水重金屬含量比較（楊華等，2017；周靜等，2007），本研究潿洲島海域海水重金屬平均含量與鹿回頭和西沙接近，目前上述礁區重金屬含量仍屬于清潔級或僅對珊瑚生態系統具有輕微潛在風險（楊華等，2017；周靜等，2007），可認為基本不影響海域珊瑚生長。

由于采樣時間與季節的差異，無法將潿洲島與廣西北部灣其他海域海水重金屬含量進行比較，但仍可發現潿洲島 As含量總體上比廣西北部灣其他海域低，而Cu、Pb、Cd、Cr、Hg與廣西北部灣近岸整體水平較接近，但比北部灣潮間帶、北海、廉州灣、欽州灣、防城港等低（表5）。推測因前者屬離岸島嶼，與后者相比，較少受到沿岸工業活動、河流匯入、農業和生活污染等不利因素影響。由于2016年S6站位的異常高濃度Zn貢獻，本研究海域Zn平均含量較廣西北部灣大多數海域高。除S6外，其余站位Zn基本滿足一類海水標準，與北部灣其他海域相仿。

3.4 重金屬相關性

重金屬元素相關性能夠說明元素的來源和遷移累積特征（唐璐璐等，2009；黃向青等，2014）。采用 Pearson積矩法對本研究海域重金屬含量進行相關性分析，并進行0.05水平雙尾檢驗。根據表6，2016年潿洲島海域重金屬元素間的相關性大于2015年。2015年Cu和Cd、2016年Zn和Hg呈顯著正相關，相關系數分別為 0.7578和0.7967，后者均為超標元素。

根據不同重金屬元素的相關性特點將重金屬元素分成兩組，第一組為具有顯著正相關性的Cu-Cd、Zn-Hg，說明其來源相近。研究發現，合金船舶中含有Cu和Zn（羅萬次等，2014），而船舶防腐材料中含有 Cd的成分（易志全等，2011）。隨著廣西北部灣經濟區的開發，潿洲島沿岸進行的海水養殖、用海工程建設項目的增加及沿岸邊貿經濟的快速發展，潿洲島沿岸捕魚、交通運輸船等各類船只活動頻繁。2015年Cu與Cd呈顯著正相關，說明海域很可能受到了各類來往船舶的污染。工業污染是 Zn的重要來源（柴小平，2015），而農用殺蟲劑、除草劑、餌料、消毒劑、魚蝦類排泄物中含有 Hg（唐璐璐等，2009），由此推測2016年海水中Zn與Hg來源與近岸發展的工業、農業、養殖業等人類影響源有關。第二組為存在一定相關性的Pb-As-Cr。據了解，海水中的溶解態 Pb通常來源于工業廢水的排放和大氣沉降等人為污染源（孫維萍等，2009）。加之潿洲島西南海域有油氣田，而原油含 Cr、Pb、Ni等重金屬，其運輸船污水排放中

也含有Cr和Pb（譚趣孜等，2011）。農用殺蟲劑、除草劑中含有As（魏大成，2003）。由此推測，此類重金屬有工業、農業、養殖業和運輸業等多重復雜來源。

表5 潿洲島與廣西北部灣其它海域海水重金屬含量比較Table 5 Comparison of heavy metals concentration in seawater of Weizhou Island with Other seawaters in Beibu Gulf of Guangxi μg·L-1

表6 潿洲島海域海水重金屬相關性分析Table 6 Correlation analysis of heavy metals in seawater of Weizhou Island, Beibu Gulf of Guangxi

4 結論

（1）2015年潿洲島海水重金屬均值為Hg

（2）2015—2016年潿洲島整體海域重金屬綜合污染指數均小于1，屬于清潔級，但2016年位于島北面的S4和東面的S6站位綜合污染指數均大于1，分別屬于輕度和中度污染。重金屬Zn、Pb、Hg存在超標，最高濃度分別超一類海水水質標準的 11.7、5.6、0.3倍，人類活動可能是潿洲島海水重金屬污染的主要原因。

（3）潿洲島除 As含量總體比廣西北部灣其他海域低外，其余6項重金屬含量均比北部灣潮間帶、北海、廉州灣、欽州灣、防城港低，但與廣西北部灣近岸水體接近。近30年來，潿洲島海域重金屬污染呈增加趨勢，盡管目前基本不影響珊瑚生長，但對海域生物及珊瑚礁生態系統存在的潛在威脅加重，亟需引起重視。

（4）2015年潿洲島海水重金屬 Cu和 Cd，2016年潿洲島海水重金屬Zn和Hg之間均存在顯著正相關，且2016年重金屬元素間的相關性大于2015年，相關系數分別為0.7578和0.7967，Zn和Hg均為超標元素。推測此類重金屬主要來源于工業、農業、養殖業。

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