基于SOM（土壤有机质模型）、PMF（概率质量函数）和GIS（地理信息系统）方法，对中国典型工业化海湾中多种介质中痕量金属的来源分配及生态风险进行研究

《Marine Policy》：Source apportionment and ecological risks of trace metals in multiple media in a typical Chinese industrialized bay on the basis of SOM, PMF and GIS methods

痕量金属在Meizhou Bay不同介质中的分布、生物积累特征及污染源解析，结合GIS/SOM/PMF模型评估污染水平和生态风险，发现Zn和Hg浓度最高和最低，IPI值显示海水低污染，但Cd和Hg在沉积物中生态风险显著，主要来源为化石燃料燃烧（24.3%）、自然地质过程（48.0%）和养殖活动（27.7%）。

　　

林玉红|刘阳|谭毅|吴楠|王凌青|陈金民|孙秀武|徐东|陈宝红|潘忠|王伟利|蔡琳

中国自然资源部第三海洋研究所，厦门，361005

摘要

由于人类活动的日益频繁，水生系统中不同介质中痕量金属（TMs）的浓度和风险正在逐渐增加。本研究旨在通过分析中国南部一个典型石化工业区的样本，探讨这些元素在各种环境介质中的分布和生物累积模式。此外，还评估了这些元素的生态风险和人为来源。研究结果表明，锌（Zn）和汞（Hg）在海水表面、沉积物和海产品中的含量分别最高和最低，而其他痕量金属的含量介于两者之间。海水中痕量金属的综合污染指数（IPI）值介于1.13至3.16之间，仍处于较低污染水平。经过多种污染评估方法的综合应用，发现镉（Cd）和汞（Hg）是导致沉积物中污染物积累显著增加和生态风险升高的主要因素。结合使用地理信息系统（GIS）、自组织映射（SOM）和正矩阵分解（PMF）方法，分析了痕量金属的来源和贡献。研究结果表明，化石燃料燃烧（24.3%）、自然地质过程（48.0%）和水产养殖活动（27.7%）是沉积物中痕量金属积累的主要来源。本研究为减少典型石化工业区的痕量金属污染、提高生态安全以及评估海产品中潜在有毒元素对人类健康的风险提供了重要数据。

引言

痕量金属（TMs）由于其多样的来源、显著的持久性、高生物累积潜力、在环境中的隐蔽性以及通过食物链放大作用，已成为紧迫的全球环境问题（Duman等人，2025年；刘等人，2025年；庞等人，2025年；Tanwar等人，2025年）。在沿海生态系统中，痕量金属来源于多种途径，包括自然风化过程、陆地径流、大气沉降和地下地下水排放。其中，陆地输入作为主要来源，在沿海地区快速城市化和工业扩张的背景下越来越受到重视（Bhuiyan等人，2025年）。

来自多种来源的痕量金属通过不同途径进入海湾，并经历复杂的物理化学过程。在这些过程中，痕量金属通常被吸附在水中的悬浮颗粒表面，随后沉降到表层沉积物中（Chidugu-Ogborigbo等人，2025年；Motlagh等人，2025年）。此外，某些海洋资源会吸收痕量金属，导致其在生物组织中的生物累积和生物转化。随着时间的推移，这些痕量金属通过海洋食物网迁移和放大，对海产品的安全性和生物多样性产生不利影响（Lima等人，2025年；Sonone等人，2025年）。此外，痕量金属与有机污染物的共存可能会加剧生态压力，可能导致海洋生物资源的长期下降（Fang等人，2025年）。

海产品具有很高的营养价值，为人类提供多种必需的营养素，是沿海社区饮食的基石。然而，痕量金属在沿海生态系统中的积累引发了人们对食用受污染海产品相关健康风险的日益关注（Choudhury等人，2025年）。作为水产养殖生产和出口的全球领导者，中国一直占据着全球渔业产量的主导地位。尽管如此，多项研究显示沿海水域、沉积物和海产品中存在不同程度的痕量金属污染（Wang等人，2025a）。因此，有必要对不同环境介质中痕量金属的分布、生物累积、污染水平和来源进行全面彻底的研究，以评估其对沿海生态系统的生态影响和对人类健康的潜在风险（Wang等人，2023a）。

湄洲湾是中国的一个优质深水港口，是福建省经济发展和环境保护的重要区域。其北部水域归莆田市秀屿区管辖，东部水域由泉州市光港区管理。港口经济的发展带来了“大型港口和大型船舶”的时代，拥有众多大型码头和日益频繁、规模更大的船舶。该港口分为五个区域：兴化、东吴、秀屿、小厝和斗尾。近年来，湄洲湾已成为福建省综合交通网络和台湾海峡西岸经济区港口集群的重要组成部分，是东南沿海地区大宗能源和原材料的关键转运枢纽。近年来，光港区建设了石化基地、发展了港口、进行了大规模的沿海土地填海、大规模的水产养殖以及北部沿海经济区的开发（泉州市人民政府，2021年）。这些人为活动大大增加了工业废水、水产养殖废水和生活污水排放到海湾中的量。这些人为压力可能会加剧湄洲湾的痕量金属污染（Lv等人，2019年）。

以往关于湄洲湾痕量金属的研究主要集中在多种介质中的含量和风险评估（Li，2021年；Xi和Yang，2011年；Yang等人，2014年）。根据以往的研究，湄洲湾北部的表层沉积物整体上受到中等程度的痕量金属污染，生态风险较低（Lv等人，2019年）。海产品很少受到重金属污染的影响，重金属暴露的健康风险相对较低（Sun和Huang，2018年；Xie，2012年）。然而，以往的研究通常仅限于湄洲湾的某些区域和生物样本，没有进行统一的多介质分析，也没有对痕量金属污染的来源进行更深入的调查和分析。本研究全面采集了湄洲湾的海水、沉积物和海产品样本，主要目标如下：（1）测量不同环境介质中的痕量金属含量并评估其污染状况；（2）分析其生物累积模式及其相关的生态风险；（3）应用自组织映射（SOM）、地理信息系统（GIS）和正矩阵分解（PMF）模型分析不同区域中痕量金属的空间分布，并识别和量化自然和人为来源的贡献。本研究的主要创新在于首次实现了跨多种介质的SOM-PMF-GIS集成分析方法，这体现了我们在污染源分析方法上的新颖性。根据区域发展规划，湄洲湾的石化产业应在未来十年内得到优化。本研究评估和确定了痕量金属的来源，为预防和减轻海洋污染提供了坚实的基础。此外，还为环境管理机构提供了宝贵的见解，有助于他们制定有效的保护政策和修复措施。

研究区域和采样程序概述

湄洲湾位于福建省中部海岸，总海岸线长度为289公里，其中包括超过30公里的天然深水海岸线，水深超过10米，海域面积达516平方公里。该海湾具有规律的半日潮汐制度，平均潮差为4.25米。由于其独特的地理优势，周边地区实现了快速的经济发展。然而，北部海岸的大规模土地填海

海水物理化学特性和痕量金属浓度的季节变化

为了评估这些特性对海水金属浓度的影响，在春季和秋季对湄洲湾表层海水的物理化学性质和营养水平进行了评估。春季水温范围为15.1°C至15.5°C（平均：15.3°C），秋季为21.4°C至22.1°C（平均：21.6°C）。海水温度基于采样时间，反映了同一天内不同采样站的温度差异。平均pH值为8.07

结论

本研究分析了湄洲湾三种介质（即海水、沉积物和海产品）中的痕量金属。阐明了它们的空间动态、污染强度和生态毒性风险。分析数据显示，锌（Zn）是所有介质中的主要污染物，而汞（Hg）的绝对浓度最低。尽管综合污染指数（IPI）评估表明海水中的污染水平较低，但

CRediT作者贡献声明

林玉红：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件应用，正式分析，概念化。刘阳：方法学，正式分析。谭毅：软件应用，正式分析。吴楠：正式分析。王凌青：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。陈金民：方法学，调查。孙秀武：数据管理。徐东：调查，数据管理。陈宝红：调查，数据管理。潘忠：撰写 – 审稿与编辑。王伟利：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国厦门自然科学基金（编号：3502Z202373078）、中国自然资源部第三海洋研究所科学研究基金（编号：2024011）、中国国家自然科学基金（编号：42373064）以及中国福建省自然科学基金（编号：2024J01179）的支持。