《Marine Environmental Research》：Ecological Risk and Source Apportionment of Heavy Metals in Surface Sediments from a Key Shellfish Production Area in Northern Liaodong Bay, China
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本研究通过潜在生态风险指数和地质累积指数评估了碣石港区表层沉积物的重金属污染水平，利用PCA和PMF模型解析污染来源。结果表明Zn、Pb、Cu、Cd、Hg浓度依次递减，均符合中国一级标准，但Cd和Hg存在人为富集，主要来源为农业、工业排放及煤燃烧运输，需针对性管理以保障贝类生产安全及海洋环境。
作者：李昂、薛素燕、孙慕展、马青斌、李家琦、刘璐蕾、朱玲、毛宇泽
中国渔业科学院黄海渔业研究所海洋养殖生物育种与可持续产品国家重点实验室，青岛 266071
摘要
作为辽东湾北部重要的贝类生产区，格利港不仅支撑着一项具有经济价值的产业，还具有重要的生态价值。然而，日益增加的人为压力对该地区构成了日益严重的威胁。因此，评估重金属的生态风险并确定其来源对于有效的环境保护和污染管理至关重要。本研究使用潜在生态风险指数（RI）和地累积指数（Igeo），结合主成分分析（PCA）和正矩阵分解（PMF）模型，评估了格利港表层沉积物中重金属（Cu、Zn、Pb、Cd 和 Hg）的生态风险及其来源。金属浓度排序为：Zn（22.949±6.507 mg·kg?1）> Pb（12.066±6.359 mg·kg?1）> Cu（5.134±2.114 mg·kg?1）> Cd（0.197±0.126 mg·kg?1）> Hg（0.067±0.033 mg·kg?1）。所有测得的重金属浓度均符合中国海洋沉积物质量标准I类（MSQ-1）。此外，平均浓度低于阈值效应水平（TEL）和效应范围-低（ERL），表明不良生物效应的概率较低。RI 和 Igeo 指数均指出 Hg 和 Cd 是生态风险的主要来源。PCA 和 PMF 模型识别出四个主要来源：农业活动（影响 Pb、Cd 和 Cu）、工业排放（Cd、Cu、Hg 和 Zn）、煤炭燃烧和运输（Hg 和 Pb）以及自然来源（Zn）。针对这些来源进行有针对性的管理对于确保区域贝类生产的安全和海洋环境的保护至关重要。
引言
河口是生产力极高的生态系统，提供关键的生态系统功能和服务（Costanza 等，1997；Meng 和 Liu，2010；Wolf 等，2009）。位于陆海交界处，河口受到人为活动、径流、大气沉降等多种因素的复杂且多变的影响，使其生态环境变得敏感和脆弱（Yang 等，2006）。人为污染物通过径流不断进入海洋，使河口常常成为营养物质、重金属和有机污染物的汇聚地（Bantan 等，2020；Maanan 等，2015；Niu 等，2021）。由于重金属具有高毒性、易于生物积累和抗降解性，因此对其对生物地球化学循环的影响及其相关的生态风险引起了广泛关注（Achary 等，2016；Liu 等，2019；Ma 等，2025）。这些持久性污染物可以通过食物网积累，对人类健康和生态系统完整性构成重大威胁（Jain，2004；Jia 等，2021；Jiang 等，2012；Truchet 等，2021；Wang 等，2018）。重金属污染已成为全球性的环境问题（Aljohani 等，2023；An 等，2026；Jin 等，2025；Liu 等，2026）。工业化显著增加了人为来源的重金属浓度，尤其是在快速城市化和工业化的沿海地区。海洋沉积物是河流和大气中释放的大部分重金属的最终归宿（Jiang 等，2023；Li 等，2024a）。一旦重金属进入水体，它们会被悬浮颗粒捕获和吸附，随后聚集并沉降在沉积物中。然而，沉积物扰动可以通过一系列生化过程（如溶解、离子交换和脱附）将积累的重金属重新释放到水柱中，导致二次污染（Ke 等，2017；Liu 等，2008；Yu 等，2001）。作为重金属的主要储存库（Miranda 等，2021；Sin 等，2001；Weng 和 Wang，2014），海洋沉积物污染水平是评估水生生态系统潜在生态风险的关键参数（Ahmed 等，2018）。
目前，用于评估沉积物中重金属污染的常用指标包括海洋沉积物质量指南、潜在生态风险指数（Hakanson，1980）和地累积指数（Muller，1969）等。例如，Assaluyeh 和 Bassatin 河口的镍、铬、镉和汞污染水平较高（Davoodi 等，2017）。对珠江口的研究表明，镉主要以生物可利用的形式存在，对生态系统构成严重威胁（Liu 等，2024b）。Mahanadi 河口的研究显示沉积物主要受镉污染，偶尔会出现生物效应（Swain 等，2021），而 Uppanar 河口的研究显示镉和铬为主要污染源，沉积物整体处于中等风险水平（Gopal 等，2018）。准确识别和评估沉积物中重金属的污染风险及其来源是实施区域源控制策略的前提。常用的源分配分析方法包括相关性分析、聚类分析、主成分分析（PCA）和正矩阵分解（PMF）。其中，美国环境保护署（US EPA）推荐的 PMF 模型是一种有效的受体模型。它在非负约束条件下提供可靠的源分配结果，并考虑了数据不确定性，因此在识别重金属来源方面得到了广泛应用（Dong 等，2019；Proshad 等，2022；Sun 等，2020）。例如，Ma 等（2025）应用 PMF 模型研究了敖江口红树林沉积物，确定了四个主要重金属来源：工业排放、综合航运/运输排放、自然来源和农业输入。同样，Liu 等（2024a）使用 PMF 分析南阳盆地沉积物样本，发现铬来自采矿来源和自然来源，镉来自运输和采矿活动，铅来自运输和自然来源，汞主要受煤炭燃烧和农业活动的大气沉降影响。重金属污染评估和来源识别研究不仅有助于准确评估区域环境质量，还为制定有效的环境管理和污染控制策略提供了科学依据。
格利港位于辽东湾北部，由辽河和双台子河的冲积物形成，面积约为10,000公顷。它是中国北部沿海泥滩最重要的贝类生产区之一（Su 等，2022）。该地区支持多种具有经济价值的贝类物种，包括 Mactra veneriformis、Meretrix meretrix、Potamocorbula laevis 和 Solen grandis，为当地带来了显著的经济效益和生态服务。然而，近年来贝类资源显著减少，同时主导物种也发生了变化（Li 等，2024b；Wang 等，2016）。这种减少归因于环境压力、疾病爆发和过度开发（Jiang 等，2024），威胁到了当地的贝类养殖业，并引发了食品安全方面的担忧。尽管已有几项研究评估了格利港附近水域的重金属风险（Li 等，2015；Li 等，2024b），但对其核心生产区内的重金属污染进行全面评估和来源分析仍缺乏。鉴于其独特的地理特征和生态/经济重要性，研究格利港主要生产区的重金属情况至关重要。因此，本研究重点关注格利港主要生产区的沉积物。基于对铜、锌、铅、镉和汞浓度的分析，以及沉积物质量指南、潜在生态风险指数和生物累积污染指数，评估了重金属污染风险。此外，还利用 PCA 和 PMF 模型量化了主要来源及其对观察到的重金属负荷的贡献。总体目标是为目标性的区域重金属污染风险管理和控制策略提供科学依据。
研究区域
格利港的特点是浊度高、水体透明度低和严重富营养化。格利港的海底主要由淤泥质粘土组成，具有不规则的半日潮汐制度。潮滩地形平坦，表层水流速度快，冬季结冰期较长。在格利港东部的主要贝类生产区内设置了12个采样点（图1），涵盖了具有经济意义的采收区域。
海洋沉积物质量
图2显示了格利港沉积物中重金属的空间分布，详细数据见附录A中的表S3。靠近盘锦港的采样点显示出相对较高的重金属浓度。
沉积物中重金属的浓度（平均值±标准差）从高到低依次为：Zn（22.949±6.507 mg·kg?1）> Pb（12.066±6.359 mg·kg?1）> Cu（5.134±2.114 mg·kg?1）> Cd（0.197±0.126 mg·kg?1）> Hg（0.067±0.033 mg·kg?1）。虽然铜……
结论
金属浓度排序为：Zn > Pb > Cu > Cd > Hg。靠近盘锦港的采样点显示出相对较高的重金属浓度。格利港的沉积物符合中国海洋沉积物质量标准I类（MSQ-1）。然而，镉和汞超过了当地背景水平，表明存在显著的人为富集。生态风险评估（潜在生态风险指数、地累积指数）明确指出汞和镉是主要来源。
作者贡献声明
孙慕展：方法论、调查。
薛素燕：写作——审阅与编辑、数据管理、概念化。
李昂：写作——审阅与编辑、初稿撰写、数据管理。
毛宇泽：写作——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。
李家琦：写作——审阅与编辑、方法论、概念化。
马青斌：方法论、调查。
朱玲：写作——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD2400800）、中央公益性科学机构基础研究基金YSFRI, CAFS（编号2023TD54）的支持。
