海洋科学  2025, Vol. 49 Issue (12): 40-51   PDF    
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20250712001

文章信息

邓炜华, 罗育池, 唐俊逸, 伍银爱, 叶匡旻, 方扬. 2025.
DENG Weihua, LUO Yuchi, TANG Junyi, WU Yinai, YE Kuangmin, FANG Yang. 2025.
南海表层沉积物重金属与生源要素污染特征、生态风险及防治对策
Pollution characteristics, ecological risks, and prevention countermeasures of heavy metals and biogenic elements in the surface sediments in the South China Sea
海洋科学, 49(12): 40-51
Marine Sciences, 49(12): 40-51.
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20250712001

文章历史

收稿日期:2025-07-12
修回日期:2025-10-09
南海表层沉积物重金属与生源要素污染特征、生态风险及防治对策
邓炜华1,2, 罗育池1,2, 唐俊逸1,2, 伍银爱1,2, 叶匡旻1,2, 方扬1,2     
1. 广东省环境科学研究院, 广东 广州 510700;
2. 粤港澳环境质量协同创新联合实验室, 广东 广州 510700
摘要:本研究分析了2021—2022年南海海域表层沉积物中铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铬(Cr)、总氮(TN)、总磷(TP)、总有机碳(TOC)的含量, 采用地累积指数(Igeo)、潜在生态风险指数(RI)、综合污染指数(P)、毒性效应评估及有机指数(OI)进行评估。结果表明, 重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr质量分数均值分别为35.63、17.53、99.84、1.30、0.05、9.79、57.84 mg/kg, Igeo评价Cd为中度污染, RI综合评价为中等风险, 污染来源主要为工业源以及水产养殖和交通运输的复合源。生源要素TN、TP、TOC质量分数均值分别为1.51 mg/g、0.36 mg/g、0.67%, P评价为重度污染, 毒性效应评价TN会对多数底栖生物产生潜在毒性效应, OI评价为较清洁, 其有机污染主要来自海源。基于调查分析结果, 本文进一步针对性地提出了强化污染源头管控、创新监测与执法机制、推动区域协同治理的对策建议。
关键词表层沉积物    重金属    生源要素    风险评价    南海    
Pollution characteristics, ecological risks, and prevention countermeasures of heavy metals and biogenic elements in the surface sediments in the South China Sea
DENG Weihua1,2, LUO Yuchi1,2, TANG Junyi1,2, WU Yinai1,2, YE Kuangmin1,2, FANG Yang1,2     
1. Guangdong Provincial Academy of Environmental Science, Guangzhou 510700, China;
2. Guangdong-Hongkong-Macau Joint Laboratory of Collaborative Innovation for Environmental Quality, Guangzhou 510700, China
Abstract: This study analyzed the contents of Cu, Pb, Zn, Cd, Hg, As, Cr, total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and total organic carbon (TOC) in the surface sediments in the South China Sea from 2021 to 2022. The assessment was conducted using the geo-accumulation index (Igeo), potential ecological risk index (RI), comprehensive pollution index (P), toxicity effect evaluation, and organic index (OI). Results showed that the mean contents of heavy metals Cu, Pb, Zn, Cd, Hg, As, and Cr were 35.63, 17.53, 99.84, 1.30, 0.05, 9.79, and 57.84 mg/kg, respectively. Igeo evaluation showed that Cd was moderately polluted, while RI comprehensive evaluation showed a medium risk level. Primary pollution sources were industrial activities as well as compound contributions from aquaculture and transportation. The mean contents of biogenic elements TN, TP, and TOC were 1.51 mg/g, 0.36 mg/g, and 0.67%, respectively. P evaluation showed severe pollution. Toxicity evaluations indicated that TN content may have potential toxic effects on most benthic organisms. OI evaluation was relatively clean, showing that the organic pollution mainly originated from marine sources. Based on the investigation and analysis results, this study further proposed targeted countermeasures and suggestions, including strengthening the control of pollution sources, innovating monitoring and law enforcement mechanisms, and promoting regional collaborative governance.
Key words: surface sediments    heavy metals    biogenic elements    risk assessment    South China Sea    

南海是中国重要的热带边缘海, 海域辽阔, 海域内岛屿、礁石众多, 其拥有丰富的渔业资源和独特的生态系统, 为区域经济发展与国家安全提供了重要支撑[1]。随着沿岸地区经济活动的加剧和人口的快速增长, 工农业生产和商业旅游等人类活动导致海域沉积物重金属和生源要素含量不断增加, 对海洋生态系统健康和生物多样性构成潜在威胁[2-3]。有研究报道, 重金属具有来源广泛、降解时间长、能通过食物链富集和传递等特点, 在环境中其高浓度可通过抑制生物生长造成生态系统破坏, 亦可通过食物链进行生物积累和放大, 危害人类健康[4-5]。大量氮磷等生源要素进入水体富集可导致海水富营养化[6], 也可与重金属协同加剧珊瑚礁退化、底栖生物多样性锐减等生态问题, 如仁爱礁海域因菲律宾非法“坐滩”军舰长期排放废水等污染物, 导致重金属和有机污染物浓度异常升高, 造礁石珊瑚覆盖率在十余年间减少87.3%[7]。南海海洋环境面临着日益严峻的污染挑战。

沉积物既是污染物的载体, 又是潜在的污染源[8]。现有研究多聚焦单一污染物或局部海域, 尽管对南海北部近岸及河口区的重要海域如珠江口、北部湾等开展了较为深入的研究, 但对南海的广大远海、深海区域以及岛礁周边的沉积物重金属和生源要素研究相对较少, 对多要素协同效应及跨区域污染机制的探讨仍显不足, 南海生态环境保护亟需将环境科学与政策管理相融合, 以实现资源开发与生态安全的平衡, 为全球海洋污染治理提供中国方案。因此, 本研究在南海5个区域开展了表层沉积物重金属和生源要素调查, 分析重金属和生源要素分布特征, 评估不同区域沉积物的生态环境状况及生态风险, 旨在为南海海域生态环境管理与国际交流合作提供数据和支持。

1 材料与方法 1.1 样品采集与处理

2021年8月—2022年7月, 在南海海域共布设22个采样站点(表 1), 包括珠江口盆地海域6个(S1、S2、S3、S4、S5、S6)、东沙群岛海域3个(S7、S8、S9)、西沙群岛海域6个(S10、S11、S12、S13、S14、S15)、中建南海域4个(S16、S17、S18、S19)、中沙群岛海域3个(S20、S21、S22)。采用彼得森采泥器取上层0~5 cm表层沉积物, 样品的贮存、前处理和检测等参照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)中的重金属、总有机碳、总氮、总磷相关规定执行[9]

表 1 南海表层沉积物采样站点地理信息 Tab. 1 Geographical information of the surface sediment sampling sites in the South China Sea
站点 区域 经度 纬度
S1 珠江口盆地海域 113.768 5°E 21.926 8°N
S2 珠江口盆地海域 114.443 0°E 22.008 0°N
S3 珠江口盆地海域 115.089 2°E 20.344 2°N
S4 珠江口盆地海域 114.853 6°E 20.922 8°N
S5 珠江口盆地海域 114.647 1°E 21.460 3°N
S6 珠江口盆地海域 114.149 9°E 19.658 3°N
S7 东沙群岛海域 118.459 4°E 20.963 3°N
S8 东沙群岛海域 118.167 8°E 20.605 0°N
S9 东沙群岛海域 117.419 0°E 20.053 1°N
S10 西沙群岛海域 110.886 2°E 17.3456°N
S11 西沙群岛海域 112.840 0°E 17.951 6°N
S12 西沙群岛海域 111.603 5°E 18.178 7°N
S13 西沙群岛海域 111.281 6°E 16.907 8°N
S14 西沙群岛海域 111.650 0°E 16.130 6°N
S15 西沙群岛海域 112.205 6°E 15.647 2°N
S16 中建南海域 111.588 9°E 12.619 4°N
S17 中建南海域 111.763 9°E 15.172 2°N
S18 中建南海域 111.597 2°E 14.150 0°N
S19 中建南海域 112.250 0°E 13.147 2°N
S20 中沙群岛海域 113.630 6°E 14.036 1°N
S21 中沙群岛海域 115.370 2°E 13.697 7°N
S22 中沙群岛海域 113.889 2°E 12.971 8°N

将沉积物湿样转移至洁净的瓷蒸发皿, 100 ℃烘干后, 去除砾石及较大颗粒杂质, 经行星式球磨仪研磨, 过160目筛备用。称取0.10 g过筛沉积物样品, 分别置于经10%硝酸浸泡48 h的聚四氟乙烯消解罐与经(1+3)硝酸浸泡24 h的具塞比色管, 向聚四氟乙烯消解罐中加入硝酸、盐酸、氢氟酸, 进行微波消解, 得到消解液1; 向具塞比色管中加入体积比为3︰1的盐酸和硝酸混合溶液后, 进行沸水浴1 h处理, 得到消解液2。采用电感耦合等离子体发射光谱法(iCapRQ, Thermo Fisher Scientific, 美国)测定消解液1中Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量; 采用原子荧光光谱法(BAF-2000, 北京宝德仪器, 中国)测定消解液2中As和Hg含量。Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、As和Hg的检出限为0.002~0.180 mg/kg。沉积物中总有机碳采用重铬酸钾氧化-还原容量法测定, 检出限为0.044%。总氮采用凯氏定氮法测定, 检出限为0.024 mg/g。总磷采用钒钼酸铵比色法测定, 检出限为0.019 mg/g。样品测定设置空白样品、平行样品、重金属实际样品加标、生源要素标准样品(GBW07314、GBW07362、GBW07460), 加标样品回收率为82.9%~106%, 标准样品回收率为97.6%~102%。

1.2 重金属评价方法 1.2.1 基准比较法

根据沉积物质量指南, 评价海洋沉积物重金属污染水平[10-11]。该指南由阈值效应浓度(TEC)和可能效应浓度(PEC)构成, 当重金属含量小于TEC时, 表示无不利的生物效应; 含量介于TEC和PEC之间时, 不利的生物效应可能发生; 含量大于PEC时, 会引起不利的生物效应。Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr的TEC分别为31.6、35.5、121、0.99、0.18、9.79、43.4 mg/kg, PEC分别为149、128、459、4.58、1.06、33、111 mg/kg。

1.2.2 地累积指数法

采用地累积指数评估重金属在沉积物中的污染和富集程度, 计算公式如下:

$ I_{\mathrm{geo}}=\log _2\left[C_i /\left(K \times B_i\right)\right], $ (1)

式中: Igeo为地累积指数; Ci为沉积物中重金属元素i的实测值(mg/kg); K是考虑各地岩石差异可能引起背景值变化而取的系数(一般取1.5); Bi为重金属元素i的环境地球化学背景值(mg/kg), 参考张远辉等[12]的调查结果, Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr的背景值分别为34、24.1、108、0.25、0.061、6.58、57.9 mg/kg。地累积指数分级标准及其与重金属污染程度的关系见表 2

表 2 地累积指数分级标准[11, 13] Tab. 2 Classification criteria for the geoaccumulation index
地累积指数 Igeo≤ 0 0 < Igeo≤1 1 < Igeo≤2 2 < Igeo≤3 3 < Igeo≤4 4 < Igeo≤5 Igeo>5
污染程度 清洁 轻度污染 中度污染 偏重度污染 重度污染 严重污染 极严重污染
1.2.3 潜在生态风险指数法

采用潜在生态风险指数评估单个重金属元素对环境的影响以及环境中多个重金属元素的综合效应, 计算公式如下:

$ E_i=T_i \times C_i / B_i, $ (2)
$ R I=\sum E_i, $ (3)

式中: Ei为沉积物中重金属元素i的潜在生态风险系数; Ti为重金属元素i的毒性系数, Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr的毒性系数分别为5、5、1、30、40、10、2; RI为潜在生态风险指数, 其分级标准及对应的生态风险程度见表 3

表 3 潜在生态风险系数和潜在生态风险指数分级标准[14] Tab. 3 Classification standards for the potential ecological risk coefficient and potential ecological risk index
潜在生态风险系数 潜在生态风险指数 风险等级
Ei < 40 RI < 150 轻度
40≤Ei < 80 150≤RI < 300 中等
80≤Ei < 160 300≤RI < 600 较强
160≤Ei < 320 600≤RI < 1 200 很强
Ei≥320 RI≥1 200 极强
1.3 生源要素评价方法 1.3.1 污染指数法

采用单因子指数法和内梅罗综合指数法评估沉积物中生源要素的污染和富集程度, 计算公式如下:

$ {P_i} = {\text{ }}{\raise0.7ex\hbox{${{C_i}}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{{C_i}} {{k_i}}}}\right.} \!\lower0.7ex\hbox{${{k_i}}$}}{\text{ }}, $ (4)
$ P=\sqrt{\frac{\left(\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n P_i\right)^2+\left[\max \left(P_i\right)\right]^2}{2}}, $ (5)

式中: Pi为生源要素i的单因子指数; Ci为生源要素i的实测值; ki为生源要素i的标准值, 参考加拿大安大略省环境和能源部发布的沉积物评价指南[10, 15-16], TN、TP、TOC的标准值分别为0.55 mg/g、0.60 mg/g、1.72%; n为个数, n=3; P为内梅罗综合指数。单因子指数和综合指数的污染分级标准见表 4

表 4 单因子指数和综合指数的污染分级标准[11, 16] Tab. 4 Pollution classification standards for the single-factor index and comprehensive index
级别 PTN PTP PTOC P 污染程度
1 PTN≤1.0 PTP≤0.5 PTOC≤1.0 P≤1.0 清洁
2 1.0 < PTN≤1.5 0.5 < PTP≤1.0 1.0 < PTOC≤1.5 1.0 < P≤1.5 轻度污染
3 1.5 < PTN≤2.0 1.0 < PTP≤1.5 1.5 < PTOC≤2.0 1.5 < P≤2.0 中度污染
4 PTN>2 PTP>1.5 PTOC>2 P>2 重度污染
1.3.2 生源要素毒性法

采用加拿大安大略省环境和能源部制定的质量评价指南(表 5), 评估沉积物中TOC、TN、TP生态毒性效应。

表 5 生源要素潜在毒性效应评价指标[8] Tab. 5 Indices for potential toxic ecological risk assessment for biogenic elements
标准 WTOC/% WTN/(mg·g‒1) WTP/(mg·g‒1) 生物毒性程度
Ⅰ类 WTOC < 1 WTN < 0.55 WTP < 0.60 此时在水生生物中未发现毒效应
Ⅱ类 1≤WTOC≤10 0.55≤WTN≤4.80 0.60≤WTP≤2.00 此时沉积物已受污染, 但是多数底栖生物可以承受
Ⅲ类 WTOC>10 WTN>4.80 WTP>2.00 此时底栖生物群落已遭受明显的损害
1.3.3 有机指数法

参考有机污染指数[11, 17]对沉积物污染现状进行评价, 计算公式如下:

$ O I =W_{\mathrm{OC}} \times W_{\mathrm{ON}}, $ (6)
$ W_{\mathrm{ON}} =W_{\mathrm{TN}} \times 0.095, $ (7)

式中: OI为有机指数; WOC为有机碳含量(%); WON为有机氮含量(%); WTN为总氮质量分数(mg/g)。有机指数评价标准见表 6

表 6 沉积物有机指数评价标准[11] Tab. 6 Evaluation criteria for organic indices of sediments
有机指数 OI < 0.05 0.05≤OI≤0.20 0.20≤OI≤0.50 OI>0.50
污染程度 清洁 较清洁 尚清洁 有机污染
2 结果与讨论 2.1 含量分布特征

南海表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr、TN、TP、TOC的质量分数分别为35.63±22.17 mg/kg, 17.53±5.03 mg/kg, 99.84±28.53 mg/kg, 1.30± 0.90 mg/kg, 0.05±0.03 mg/kg, 9.79±3.45 mg/kg, 57.84±14.88 mg/kg, 1.51±1.40 mg/g, 0.36±0.23 mg/g, 0.67%±0.27%(平均值±标准差)(表 7)。与上地壳[4, 18]相比, 所有站点沉积物Cr含量较低, Cd、As含量较高, 其平均值高于上地壳值13.46倍、1.04倍, Zn、Cu、Pb、Hg的含量略高, 分别高了49%、27%、3%、0.8%。与往年研究相比, 南海沉积物Cd、As平均含量整体呈上升趋势, 可能是污染增加, Cu、Pb、Zn、Cr平均含量变化不大, 整体呈上下波动趋势。与东海、黄海、渤海等我国其他海域相比, 南海沉积物Zn、Cd、Hg、TN平均含量高于其他3个海域, Cu、As含量仅次于东海, Cr含量仅次于黄海, Pb、TP、TOC含量与黄海相近。

表 7 南海和其他海域沉积物重金属及生源要素含量 Tab. 7 Contents of heavy metals and biogenic elements in sediments in the South China Sea and other sea areas
指标 Cu质量分数/(mg·kg−1) Pb质量分数/(mg·kg−1) Zn质量分数/(mg·kg−1) Cd质量分数/(mg·kg−1) Hg质量分数/(mg·kg−1) As质量分数/(mg·kg−1) Cr质量分数/(mg·kg−1) TN质量分数/(mg·g−1) TP质量分数/(mg·g−1) TOC质量分数/% 参考文献
平均值 35.63 17.53 99.84 1.30 0.05 9.79 57.84 1.51 0.36 0.67 本研究
变异系数 0.62 0.29 0.29 0.69 0.50 0.35 0.26 0.93 0.62 0.41
最小值 7.52 9.16 34.77 0.16 0.01 6.54 23.50 0.50 0.14 0.08
最大值 94.70 27.60 151.18 2.70 0.11 20.90 81.10 6.12 0.96 1.07
珠江口盆地海域 11.80 15.34 67.18 1.00 0.03 9.07 47.25 0.70 0.35 0.54
东沙群岛海域 45.67 18.86 110.51 1.75 0.09 10.23 68.11 1.34 0.39 0.98
西沙群岛海域 32.37 15.66 106.61 0.86 0.05 9.83 55.37 1.63 0.52 0.66
中建南海域 54.50 16.97 123.03 2.34 0.06 7.36 66.58 2.45 0.22 0.68
中沙群岛海域 54.60 25.05 110.07 0.94 0.06 13.97 62.01 1.01 0.23 0.64
上地壳 28 17 67 0.09 0.05 4.8 92 [4, 18]
南海北部海域(2016年) 9.6 18.6 58.7 0.06 5.2 39.6 [4]
南海北部湾海域(2012年) 17.68 26.50 55.70 0.11 7.24 35.00 [19]
南海北部海域(2008年) 21.34 32.48 86.82 65.13 [5]
南海北部海域(1998年) 9.0 2.30 46.9 0.79 25.5 [20]
中国东海海域 36.55 32.29 82.61 0.29 0.016 10.78 8.421 1.20 0.50 0.65 [19, 8]
中国黄海海域 17.48 17.57 58.92 0.07 0.019 9.10 76.39 1.30 0.46 0.68 [19, 8]
中国渤海海域 20.80 16.28 26.44 0.15 5.56 22.25 0.60 0.30 0.85 [19, 21]
注: “—”表示暂缺数据。

从空间分布上看, 重金属Cu、Pb、As在中沙群岛海域含量较高, 其最高值分别在S20、S22、S21站点; Zn、Cd在中建南海域含量较高, 其最高值均在S19站点; Hg、Cr在东沙群岛海域含量较高, Hg最高值在S8站点, Cr最高值则在中建南海域的S22站点。可能由于珠江口强大的水动力和再悬浮作用, 重金属不易沉积。生源要素TN含量表现为中建南海域>西沙群岛海域>东沙群岛海域>中沙群岛海域>珠江口盆地海域, 其最高值在S17站点; TP含量表现为西沙群岛海域>东沙群岛海域>珠江口盆地海域>中沙群岛海域>中建南海域, 其最高值在S13站点; TOC含量表现为东沙群岛海域>中建南海域>西沙群岛海域>中沙群岛海域>珠江口盆地海域, 其最高值在S9站点。各项指标变异系数依次为TN>Cd>Cu=TP>Hg>TOC>As>Pb=Zn>Cr, TN、Cd、Cu、TP的变异系数均大于0.5, 空间分布不均匀, 离散程度较大, 主要分布在中建南、西沙和中沙群岛海域, 可能受到中南半岛湄公河的陆源排放影响[22]。TOC、As、Pb、Zn、Cr的变异系数均小于0.5, 空间分布较均匀, 离散性较小[8]。整体而言, 南海海域表层沉积物重金属及生源要素分布存在空间差异, 原因可能是污染源不同, 当变异系数超过0.2, 人类活动可能是污染物空间分布差异的主要影响因素[11, 23]

2.2 污染风险评价 2.2.1 重金属污染评价

根据国家海洋沉积物质量标准[24], 南海表层沉积物除Cu、Cd(平均高于第一类标准)外, Pb、Zn、Hg、As、Cr平均含量都低于第一类标准, 各元素高于第一类标准的站点数占比分别为50%、68%、0、5%、0、5%、9%, 其中, Cd在50%站点的含量高于第二类标准, 主要分布在中建南海域及东沙群岛海域。与美国沉积物质量指南[10-11]相比, 南海表层沉积物所有站点Pb、Hg含量均低于TEC, 表明无不利生物效应, Cu、Zn、Cd、As、Cr在部分站点的含量介于TEC和PEC之间, 站点数占比分别为55%、18%、55%、45%、91%, 表明不利的生物效应可能发生。从区域来看, 珠江口盆地海域可能发生与Cd、Cr相关的不利生物效应, 东沙群岛海域可能发生与Cu、Cd、As、Cr相关的不利生物效应, 西沙群岛海域可能发生与Cu、As、Cr相关的不利生物效应, 中建南海域可能发生与Cu、Zn、Cd、Cr相关的不利生物效应, 中沙群岛海域可能发生与Cu、As、Cr相关的不利生物效应。

南海表层沉积物重金属Igeo均值依次为Cd(1.30)>As(‒0.08)>Cr(‒0.65)>Zn(‒0.77)>Cu(‒0.81)>Hg(‒1.09)>Pb(‒1.10)(图 1), 其中, Pb、Zn、Cr在所有站点的Igeo值均小于0(无污染); Hg的Igeo值范围为‒3.61~0.31, 仅在东沙群岛海域的S8站点存在轻度污染; Cu的Igeo值范围为‒2.76~0.89, 在14%的站点存在轻度污染; As的Igeo值范围为‒0.59~1.08, 在27%的站点存在轻度污染, 在中沙群岛海域的S21站点存在中度污染; Cd属于中度污染, 其Igeo值范围为‒1.21~2.85, 在73%的站点存在轻度以上Cd污染, 甚至50%的站点为偏重度Cd污染。从区域来看, 南海表层沉积物大范围受到Cd污染, 与1998年研究结果[22]相似且较之污染加重, 在东沙群岛和中建南海域分别为中度和偏重度污染水平, 此外, 东沙群岛海域存在Hg、As轻度污染, 中建南海域存在Cu轻度污染, 中沙群岛海域存在As轻度污染。

图 1 南海表层沉积物重金属地累积指数 Fig. 1 Geoaccumulation index of heavy metals in the surface sediments in the South China Sea

南海表层沉积物Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr的Ei值范围分别为1.11~13.93、1.90~5.73、0.32~1.40、19.44~324.48、4.92~74.53、9.94~31.76和0.81~2.80(图 2), 其中, Cu、Pb、Zn、As、Cr在所有站点均属于轻微生态风险等级; Hg均值为轻度风险, 但27%站点的Hg含量为中等生态风险, 主要在东沙群岛海域; Cd属于较强生态风险等级, 82%站点的Cd含量为中等以上生态风险, 且50%的是很强以上生态风险等级, 主要在东沙群岛和中建南海域, 特别在中建南海域S19站点, 为极强风险等级, 与我国沉积物质量标准比较结果相似。由此, 南海海域表层沉积物重金属潜在生态风险指数RI值介于76.35~422.13, 均值为215.91, 属于中等风险等级。潜在风险的主要来源为Cd(ECd=156.18), 贡献率达到72%, Hg次之(15%)。各区域的RI值依次为: 中建南海域(343.67)>东沙群岛海域(301.24)>中沙群岛海域(186.63)>西沙群岛海域(160.38)>珠江口盆地海域(158.26), 东沙群岛和中建南海域附近的潜在生态风险指数较高, 有研究表明, 南海天然气水合物有利区分布主要集中在中建南盆地和东沙的笔架南盆地[25], 沉积物重金属含量增加可能因石油开采[26]、渔业养殖[27]、船舶航运[28]等人类活动所致。

图 2 南海表层沉积物重金属潜在生态风险系数 Fig. 2 Potential ecological risk coefficient of heavy metals in the surface sediments in the South China Sea
2.2.2 生源要素污染评价

单因子污染指数表明, 南海表层沉积物中PTN介于0.91~11.14(图 3), 均值2.75, 属于重度污染, 轻度、中度和重度TN污染站点数占比分别为16%、26%和53%, 主要分布在东沙、西沙群岛和中建南海域。PTP介于0.23~1.61, 均值0.61, 属于轻度污染, 轻度、中度和重度TP污染站点数占比分别为18%、14%和5%, 主要在东沙、西沙群岛和珠江口盆地海域。PTOC介于0.05~0.62, 均值0.39, 为清洁水平。综合污染指数结果显示, 南海表层沉积物P范围为0.70~8.48, 均值2.14, 为重度污染水平, 其中, 中沙群岛和珠江口盆地海域属于轻度综合污染, 东沙群岛海域属于中度综合污染, 西沙群岛和中建南海域属于重度综合污染, 可能因西沙群岛附近海上网箱养殖[29]、砗磲底播养殖[30]及采挖[31]过程的排污所致。综上所述, 南海海域表层沉积物无碳污染, 氮磷污染较为严重, 主要集中在西沙群岛和中建南海域附近。

图 3 南海表层沉积物生源要素污染指数和质量分数 Fig. 3 Pollution index and mass fraction of biogenic elements in the surface sediments in the South China Sea

根据毒性效应评价标准, 南海表层沉积物TOC、TN、TP均值分别为0.67%、1.51 mg/g、0.36 mg/g(图 3), TOC、TP属于Ⅰ类标准, TN属于Ⅱ类标准。其中, 14%站点(S9、S19、S22)的TOC质量分数大于1%, 属于Ⅱ类标准; 18%站点(S18、S19、S20、S21)的TP质量分数大于0.60 mg/g, 属于Ⅱ类标准; 除S21站点外的其余站点TN质量分数均大于0.55 mg/g, 属于Ⅱ类标准, 且最高值(6.12 mg/g)在S17站点, 属于Ⅲ类标准, 推测此站点底栖生物群落可能遭受明显的损害。整体上看, 南海沉积物TOC、TP大部分未对水生生物造成毒害, 但沉积物已受TN污染, 多数底栖生物可能正在承受潜在损害。

根据有机指数评价标准, 南海表层沉积物OI值介于0.01~0.33, 均值0.10, 属于较清洁水平, 除珠江口盆地(清洁水平)外, 其他区域沉积物有机污染程度为较清洁, 各区域的有机污染情况为: 中建南海域(0.15)>东沙群岛海域(0.13)>西沙群岛海域(0.11)>中沙群岛海域(0.07)>珠江口盆地海域(0.04), 这与综合污染指数结果一致。其中, 中建南海域S17站点、西沙群岛海域S14站点OI值分别为0.33、0.32, 有机污染较为严重, 属于尚清洁水平。

2.3 相关性及源解析 2.3.1 相关性分析

Pearson相关性分析结果表明, 南海表层沉积物重金属与生源要素TN两两之间的相关系数为‒0.64~0.83 (图 4), 各重金属及总有机碳之间P值均小于0.05, 为相关性显著或极显著, 总氮、总磷的P值大于0.05, 相关性小, 表明Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr、TOC在南海表层沉还受到其他多种因素的共同影响[8]。其中, TOC与Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、Cr之间为正相关性, 与As为负相关性, 表明TOC会影响重金属在南海沉积物中的富集[32], As作为类金属, 在沉积物中吸附富集及反应机理不同于其他金属[33]。Cu与Zn、Cu与Cr、Zn与Cr的相关系数分别为0.75、0.61、0.83, 说明Cu、Zn、Cr具有相似的地球化学行为, 在海洋沉积物中的迁移、转化、富集的行为过程相似, 与东海、黄海的表层沉积物研究结果相似[8]

图 4 南海表层沉积物重金属和TOC相关性 Fig. 4 Correlation between heavy metals and TOC in the surface sediments in the South China Sea
2.3.2 重金属来源分析

KMO值(0.588>0.5)和巴特利特球形度检验(0.000 < 0.05)结果表明, 对沉积物重金属及总有机碳变量使用PA-FC降低数据维度适合主成分分析的要求[34]。使用凯撒正态化最大方差法进行正交轴旋转, 并根据其特征值(λ>1)提取到2个主成分(表 8), 成分矩阵旋转后提取的主成分1和主成分2累积贡献率为73.87%, 提取的主成分能够较好地反映原始数据信息, 与往年研究南海沉积物重金属来源结果相似[4]

表 8 南海表层沉积物重金属主成分载荷分布 Tab. 8 Load distribution of heavy metals in the surface sediments in the South China Sea
参数 因子载荷
主成分1 主成分2
Zn 0.884 −0.108
Cr 0.866 −0.255
Cu 0.776 −0.264
Hg 0.760 0.169
TOC 0.746 −0.015
As –0.030 0.941
Cd 0.378 −0.790
Pb 0.629 0.646
特征值 3.868 2.042
贡献率/% 48.34 25.53
累计贡献率/% 48.34 73.87
注: 加黑表示高载荷, 载荷超过0.8。

主成分1(PC1)解释了变量总信息的47.60%, 是南海沉积物重金属来源的重要影响因素。Zn、Cr的载荷大于0.8, 为高载荷, Cu、Hg、TOC、Pb属于较高载荷(> 0.6), 与相关性的研究结果类似。PC1还存在Cd的低载荷(0.378), 相关性分析结果表明Cu与Cd存在极其显著的正相关性, 说明Cd与Cu可能存在相同来源, 有研究表明, Zn、Cr、Pb为亲铜元素[4, 8], 与Cu均可能来自工业生产和生活污水[35-36], Hg主要来自煤炭燃烧、金属及石油化工的冶炼[36]。综合PC1在中建南和东沙群岛海域含量较高, 该区域石油天然气开采及合成等工业活动频繁[25-26], 因此推测PC1主要为工业源。

主成分2(PC2)对南海沉积物重金属来源的解释能力为26.28%, As具有高载荷(0.941), 在PC2中的贡献率达54%, Pb次之(0.646), 两者呈极其显著的正相关性, 可能有相似来源。研究表明, As受人类活动干扰明显, 主要来源于工业生产和农药等工农业废水[36], Pb主要来源于工业生产和交通运输[36], 车辆船舶废气排放的Pb可通过悬浮物沉降至海底[4]。由于近年富As养殖业用药用肥的持续上升[4, 11], 再结合PC2分布主要在中沙群岛海域, 该区域海上航运、水产养殖等产业发达[27-28], 推测PC2代表的是水产养殖以及船舶捕捞、运输等活动产生的尾气沉降所带来的复合污染。

2.3.3 有机物来源分析

参考Milliman等[37]、Muller等[38]研究结果, 利用碳氮元素比值判定沉积物中的有机质来源, TOC/TN比值低于8的认为是海源, 高于12的认为是陆源。南海表层沉积物TOC/TN比值为0.92~11.22, 均值6.00, 除珠江口盆地S1站点的TOC/TN比值高于8, 其余站点的比值均低于8, 与东海、黄海远岸海域[8]以及深圳湾[39]、琼海近岸海域[40]的调查结果相似, 表明南海海域有机物基本为海源的水生有机物, 如浮游植物、海草海藻等, 推测该海域初级生产力产物通过海水沉降成为南海海域有机物的主要物质来源, 而珠江口盆地近岸海域有机物来源为混合源, 不仅来源于海洋水生生物, 也来源于陆源的输入, Andrews等[41]研究表明陆源向海排污会导致近岸沉积物中C/N值升高, 如船舶污水、生活污水、养殖尾水及陆地植物等, 可能是排污及其引发的海水富营养化提高了初级生产力, 造成陆源有机质向海底沉积。

2.4 对策建议

南海作为我国重要的生态屏障与战略海域, 其环境质量直接影响区域生态安全与可持续发展。结合本研究调查结果, 针对南海沉积物中Cd、Hg、TN、TP污染突出且来源以工业与养殖为主的特征, 从源头管控、监测执法、区域协同等方面提出以下对策建议。

2.4.1 强化污染源头管控, 构建陆海统筹治理体系

一是严格工业污染准入与排放标准。针对工业源重金属(Cd、Hg)及氮磷污染, 需完善重点行业污染物排放限值, 制定南海专属环境准入负面清单。例如, 参考广东省固废处理环保经验, 推动沿海工业区建设“循环经济产业园”, 实现废水、废气、固废协同处置与资源化利用[42]。同时, 探索“排污许可+总量控制”双约束机制, 对涉重企业实施在线监测全覆盖, 并建立污染源动态数据库, 确保工业源达标排放。二是推动养殖业绿色转型。针对养殖源污染, 需推广生态循环养殖模式, 如海水池塘多营养层级综合养殖(IMTA)、工厂化循环水养殖(RAS)等技术, 减少氮磷排放。借鉴广东省、海南省等“美丽海湾”建设经验, 划定近岸养殖禁养区与限养区, 强制要求养殖企业配备尾水处理设施, 并引入生态补偿机制, 对采用低碳技术的企业给予税收优惠。此外, 加强水产养殖饲料添加剂管控, 禁止使用含重金属的促生长剂。三是优化陆源污染拦截体系。在入海河流关键断面建设生态缓冲带与人工湿地, 利用植物-微生物协同作用吸附重金属及氮磷素。有研究表明, 河流输入是污染物入海的主要途径, 需在珠江河口区域设置生态拦截屏障, 降低污染物迁移通量[43]。同时, 推进“海绵城市”建设, 减少地表径流携带的工业与农业面源污染物入海。

2.4.2 创新监测与执法机制, 提升精准化治理能力

一是构建智能监测网络。整合卫星遥感、无人机巡航、无人船采样等技术, 建立南海全域“空-天-海-底”一体化监测体系。参考中国科学院南海海洋研究所的研究方法, 开发基于质量平衡模型的污染物迁移预测系统, 实现污染溯源与风险预警[43]。针对重金属污染, 可布设沉积物原位传感器, 实时监测Cd、Hg等的赋存形态与生物有效性。二是推行“柔性执法+信用监管”模式。借鉴广东省“公开道歉承诺从轻处罚”机制, 对轻微环境违法企业实施限期整改与信用修复, 对恶意排污行为则从严处罚并纳入失信黑名单[44]。同时, 学习广东省“大市政”数字化管理经验, 利用区块链技术实现固废全链条追溯, 结合AI算法优化执法资源配置[42]。三是强化污染防治执法监管。对于诸如菲律宾非法“坐滩”军舰等公然侵犯中国主权并构成局部环境威胁的行为, 应依据国内《海洋环境保护法》等法律法规, 采取坚决、必要的措施予以处置, 防止污染加剧, 并保留追究其生态损害赔偿责任的权利[7]。同时, 针对确属跨国性质的污染传输问题, 积极联合周边国家, 在《巴塞尔公约》《伦敦倾废公约》等国际法框架下, 探索信息共享、协同监测与联合执法的合作机制, 构建海洋生态共同体。

2.4.3 推动区域协同治理, 深化国际合作

一是建立南海环境治理共同体。依托“南海沉积物与环境变化”国际合作项目, 联合越南、菲律宾等国家开展污染源解析与生态修复技术攻关, 统一区域环境质量标准[45]。推动成立“南海环境基金”, 资助跨境污染治理与生态补偿项目, 增强区域互信。二是实施重点海域综合治理。针对南海污染热点区域, 制定“一湾一策”治理方案。例如, 参考仁爱礁生态修复需求, 采用珊瑚移植、人工鱼礁投放等技术恢复生物多样性, 并通过沉积物钝化技术降低重金属活性[7]。同时, 将生态修复与蓝色碳汇交易结合, 吸引社会资本参与。三是加强公众参与与国际舆论引导。建立南海环境信息共享平台, 定期发布生态质量公报与治理进展, 增强公众监督权。借鉴广东省环保科普馆经验, 开展海洋环境教育, 培育民间环保组织[42]。在国际层面, 通过科学数据驳斥不实指控, 主动发布南海生态保护成果, 提升国际话语权[7]

综上, 南海环境保护需以陆海统筹为核心, 通过源头防控截断污染链条, 依托智能技术提升监管效能, 并深化区域合作应对跨境挑战。构建科学化、精细化、国际化的综合治理体系, 是实现南海生态环境可持续保护的必要路径, 亦为全球海洋治理提供区域性实践参考。

3 结论

(1) 南海表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr的平均质量分数分别为35.63、17.53、99.84、1.30、0.05、9.79、57.84 mg/kg; TN、TP、TOC的平均质量分数分别为1.51 mg/g、0.36 mg/g、0.67%, Cd和As含量较高, 各重金属及生源要素分布存在空间差异。

(2) 地累积指数和潜在生态风险指数表明, 南海表层沉积物与往年相似, 重金属Cd呈现中度污染, Hg、As、Cu在部分站点存在轻度污染; 潜在生态风险指数评估整体为中等生态风险水平, 其中Cd为较强风险, Hg为轻度风险。基于污染指数、毒性效应及有机指数评估, 沉积物有机污染状况处于较清洁水平, 综合污染程度为重度污染水平, 主要污染因子为TN, 其含量与东海、黄海相近, 可能对水生生物存在潜在毒性效应。

(3) 相关性和源解析结果表明, 南海表层沉积物重金属来源主要有两个, 一是石油天然气开采及合成等工业排污, 二是水产养殖和交通运输源的综合污染; 有机物来源主要是海源的水生有机物沉降累积, 近岸海域沉积物的有机物受陆源排污影响。

(4) 针对调查揭示的污染特征与风险, 提出如下防治对策建议, 一是强化污染源头管控, 构建陆海统筹治理体系, 二是创新监测与执法机制, 提升精准化治理能力, 三是推动区域协同治理, 深化国际合作。

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