追踪污染源与生态风险：北部湾海洋沉积物中潜在有毒元素（PTE）污染的季节-空间变化

《Marine Pollution Bulletin》：Tracing sources and ecological risks: seasonal-spatial variations of potentially toxic element (PTE) pollution in marine sediments of Beibu Gulf

本研究通过2022年8月和12月季节采样，分析北海湾沉积物中Zn、Cr、Pb、Cu、As、Hg、Cd的时空分布特征、生态风险及污染来源。结果表明冬季污染水平更高，Cu、Pb、Hg季节波动显著，主要来源为农业/水产养殖（夏30.3%、冬18.6%）、工业/交通排放（夏36.9%、冬32.6%）、自然地质来源（夏29.6%、冬43.6%）和航运（夏3.3%、冬5.2%），为区域环境保护提供科学依据。

　　

毕志涵|关瑶|杨林深|欧荣涛|顾一璐|魏慧华|刘欣|刘泽壮|田丽萍|肖凯岩|权思勇|彭旭亚|高晓峰|朱祖豪

中国自然资源部第四海洋研究所北部湾海洋资源、环境与可持续发展重点实验室，北海，536000，中华人民共和国

摘要

海洋沉积物中的潜在有毒元素（PTE）污染因其生态风险和健康影响而引起全球关注。本研究通过8月和12月的季节性采样活动，旨在描述七种PTE在北部湾沉积物中的时空分布，评估其生态风险，并确定其来源。夏季/冬季的平均PTE浓度（mg/kg）分别为：Zn 82.14/78.79，Cr 40.57/39.74，Pb 33.94/21.69，Cu 15.00/11.93，As 6.30/7.32，Hg 0.09/0.12，Cd 0.09/0.08，各元素之间的顺序为Zn > Cr > Pb > Cu > As > Hg/Cd。Cu、Pb和Hg表现出明显的季节性波动，而Zn、Cd、Cr和As则相对稳定。从空间上看，这些元素的分布呈现出近岸富集的趋势。生态风险评估表明，Hg是一年中的主要风险因素，且冬季的污染水平总体更高。多元统计分析和正矩阵分解（PMF）分析表明，PTE的主要来源包括农业/水产养殖（夏季30.3%；冬季18.6%）、工业/交通排放（夏季36.9%；冬季32.6%）、自然地质来源（夏季29.6%；冬季43.6%）以及航运活动（夏季3.3%；冬季5.2%）。本研究为制定北部湾的针对性环境保护和生态健康管理策略提供了关键的科学数据和定量依据。

引言

具有高毒性、持久性、生物累积性和抗降解性的海洋潜在有毒元素（PTE）已成为对海洋环境的主要全球威胁（Hernández等人，2020；Lao等人，2019；Lin等人，2021；Xiao等人，2022；Zhao等人，2016）。PTE通过生物放大作用威胁人类健康，并因其跨界分布而在国际海洋治理中成为关键问题（Wei等人，2023；Xu等人，2018；Zhang等人，2016）。尽管PTE通过风化、侵蚀、径流和大气沉降自然进入海洋，但近几十年来快速的沿海工业化和城市化使得人类活动（包括工业废水、农业径流、城市污水和大气沉降）成为沿海水域PTE的主要来源（Alahabadi和Malvandi，2018；Chen等人，2018；Lin等人，2021；Wang等人，2013；Wu等人，2017）。尽管有排放控制措施，但由于PTE的长期存在性，它们仍广泛存在于各种环境介质中（Islam等人，2015；Wang等人，2013）。

沉积物是水生生态系统的重要组成部分，构成了食物网的基础，并成为PTE污染的主要载体和储存库（Abbasi等人，2021；Xiao等人，2021）。值得注意的是，沉积物中PTE浓度的变化可以有效反映人类活动的强度，悬浮颗粒物由于其强大的吸附能力而成为重要的富集介质（de Souza Machado等人，2016；Pan和Wang，2012；Yang等人，2022）。然而，在环境变化过程中沉积物的重新悬浮可能会触发PTE的再迁移，使其通过地球化学-生物过程重新进入水柱，从而增加生态风险（Ip等人，2007；Mondal等人，2018）。因此，沉积物中PTE的分析有助于评估污染状况并为生态系统保护提供科学依据。

作为中国南海西北部的一个重要半封闭海湾，北部湾独特的生态系统维持了丰富的海洋生物多样性，并长期对区域渔业经济做出了重要贡献（Chen等人，2018；Liu等人，2020；Xu等人，2021）。然而，沿岸工业化的加速，特别是石油化工和冶金产业的迅速扩张，通过大量排放工业废水和城市污水，从根本上改变了PTE的污染负荷（Gan等人，2013；Lao等人，2019）。监测数据显示，沉积物中PTE的积累量在过去三十年呈上升趋势，在工业区和石油开采区附近形成了明显的污染热点，典型的工业污染物（如Cd、Pb和Cu）的浓度显著超过背景水平，引发了生态担忧（Chen等人，2018；Lao等人，2019）。该海湾的区域重要性凸显了调查沉积物中PTE的污染状况、生态风险及其自然/人为来源的必要性，以及评估其潜在生态影响的必要性。

为了更好地了解PTE的潜在风险和污染水平，需要采用多种指标的综合性地球化学评估方法（Cüce等人，2025）。常用的评估指标包括污染负荷指数（PLI）、地质积累指数（I_geo）和潜在生态风险指数（ERI），用于评估沉积物中PTE的生态风险（Chen等人，2018；Cüce等人，2022；Liu等人，2025；Zhao等人，2023）。这些指标通常结合使用，以构建多层次的评估框架，因为每个指标都能提供独特且互补的信息。PLI反映了多种元素的综合污染压力，I_geo定量评估了单个PTE的人为富集水平，ERI通过毒性加权因素估计了潜在的生物毒性风险（Cüce等人，2022）。这种综合方法有效克服了单一指标评估的局限性，提供了对沉积物污染模式的全面理解，并支持更明智的环境风险评估。

此外，污染源的识别是制定有效污染控制策略的基础。主成分分析（PCA）和正矩阵分解（PMF）是两种常用的沉积物中PTE来源分配方法（Hossain Bhuiyan等人，2021；Lin等人，2021；Xiao等人，2021）。PCA通过降维识别主要污染源特征和关键污染物成分（Cüce等人，2022；Cüce等人，2025）。PMF作为一种先进的受体模型，结合了单个样本数据中的不确定性，精确量化了不同污染源对特定PTE的贡献率（Liu等人，2019；Romano等人，2020；Zhu等人，2023；Zhu等人，2022）。当与相关性分析结合使用时，这些方法可以有效地区分自然地质背景和人为来源。

已有文献记录了北部湾沿海地区和石油平台附近的PTE污染；然而，对开阔水域的系统性研究仍然不足（Gan等人，2013；Xu等人，2019；Yang等人，2015）。值得注意的是，大多数现有研究，包括邻近地区的研究，都依赖于单季节采样，这忽略了由径流、潮汐和人为输入驱动的PTE水平的动态季节变化。在像北部湾这样的半封闭海湾中，这种局限性尤为明显，因为农业径流、工业排放和航运等人为活动表现出明显的季节性模式，这些活动会显著影响沉积物中PTE的积累（Lao等人，2019；Mirzaei等人，2020；Nguyen等人，2020；Song等人，2022）。此外，这些季节性变化与潮汐动态的相互作用会深刻改变沉积物中PTE的空间分布模式，由于缺乏系统的、定量的来源识别，目前尚无法制定针对性的管理策略。

因此，本研究旨在：（1）描述北部湾表层沉积物中七种典型PTE（Cu、Cd、Cr、Zn、Pb、As和Hg）的空间分布和季节变化模式；（2）使用综合评估方法（PLI、I_geo和ERI）系统评估生态风险水平；（3）通过多元统计分析（PCA、相关性分析和PMF）识别自然和人为来源，以建立定量来源分配模型。

研究区域和样品采集

本研究的研究区域为位于中国南海西北部的北部湾。2022年8月（夏季）在49个站点进行了沉积物采样，2022年12月（冬季）在39个站点进行了采样（图1）。为了捕捉高径流季节的空间异质性，夏季采样增加了10个额外的站点。研究区域的详细特征和站点选择的理由见支持文件。

沉积物中的PTE浓度

夏季沉积物中的PTE浓度存在显著变化：As（1.59–14.10 mg/kg），Cd（0.04–0.21 mg/kg；某些站点未检测到），Cr（12.60–76.90 mg/kg），Cu（5.60–25.50 mg/kg），Hg（0.06–0.14 mg/kg），Pb（15.00–60.30 mg/kg），Zn（33.80–126.00 mg/kg）（表1）。这些PTE的平均浓度顺序为：Cd（0.09 mg/kg）< Hg < As < Cu < Pb < Cr < Zn（82.14 mg/kg）。就变异系数（CV）而言，Cd（55.56%）和As（50.70%）的变化最大。

结论

本研究系统评估了北部湾沉积物中PTE的时空分布特征，并通过多指标综合评估揭示了其生态风险和污染来源。观察到PTE浓度的显著季节性变化。Cu、Pb和Hg表现出明显的季节性波动，而Zn、Cd、Cr和As则相对稳定。值得注意的是，Cd和As的高变异性反映了大量的人为影响。

CRediT作者贡献声明

毕志涵：撰写——初稿、方法论、数据分析、概念化。关瑶：撰写——审阅与编辑、可视化、软件、方法论。杨林深：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论、调查。欧荣涛：撰写——审阅与编辑、可视化、调查。顾一璐：监督、资源管理、项目实施、调查、资金获取。魏慧华：调查、数据管理。刘欣：可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了以下项目的支持：CPSF博士后奖学金计划（项目编号GZB20240914），第四海洋研究所科学研究基金（编号2023FY100800），广西关键技术研发计划（编号AB24010009），广西资助项目（编号304024XM20N0006），中国博士后科学基金会（编号2024M753851），重庆海外归国人员创业与创新支持计划