洋山港周边表层沉积物中重金属空间分布、PMF源解析与生态风险评价

《Journal of Marine Science and Engineering》：Heavy Metals in Surface Sediments Around Yangshan Port: Spatial Distribution, Sources, and Ecological Risks

　　

研究人员利用45个沉积物样品，调查了洋山港附近海岸带表层沉积物中重金属（Cu、Pb、Zn、Cd和Hg）的空间分布、污染水平、可能来源及总体生态风险。重金属平均污染因子（CF）值呈Cd（2.07）>Cu（1.83）=Hg（1.83）>Zn（1.30）>Pb（1.19）的递减顺序，揭示Pb、Zn、Cu、Hg和Cd为低至中度污染。平均修正污染程度（mC_d）值为1.65，显示总体低污染水平。潜在生态风险指数（RI）平均值为153.17，表明重金属存在中等生态风险。Cd和Hg是生态风险的主导贡献者，而Cu、Pb和Zn的单项生态风险相对较低。根据mC_d和RI，洋山港、东海大桥及上海南部海岸带周边表层沉积物具有较高的污染指数值并呈中等生态风险，可能受港口活动和陆源输入影响。基于正定矩阵因子分解（PMF）模型结合相关性分析，定量归因出4个可能污染源：杭州湾可能的陆源输入，其总有机碳（TOC）、Cu、Pb和Zn载荷相对较高（26.78%）；可能与航运相关的源，其Cu、Pb、Zn和Cd载荷较高（38.91%）；以Hg为主的输入，可能与大气沉降有关（17.56%）；以Cd为主并含少量Cu、Pb、Zn和TOC的载荷，可能与陆源输入有关（16.75%）。在PMF解析出的4个因子中，可能与航运相关的源对实测重金属负荷贡献最大。

一、研究背景与问题

海岸带是陆海相互作用的关键界面。随着经济快速发展、海洋资源开发增强和港口活动增加，海岸带环境出现严重退化。港口区域常因自净能力差、水动力有限而污染恢复滞后，导致污染物累积。重金属污染对港口环境构成威胁，因为多数重金属毒性高、环境持久且不能通过生物降解去除，可通过食物链在水生生物中累积，最终威胁公共安全与健康。Cu、Cd、Pb、Zn和Hg因不良生态效应被选为研究对象，其中Hg和Cd即使在痕量浓度下也极具毒性，且无公认生物学功能。沉积物是海岸水生环境中重金属的主要汇，但重金属也可在自然或人为活动影响下，通过溶解氧、pH和氧化还原电位变化等释放回水体，造成二次污染。上海洋山港位于长江口离岸岛屿，2002—2018年分四阶段建设，形成30个泊位，年处理能力超过1500万标准箱（TEU，衡量港口集装箱吞吐量的标准单位），约有89条国际航线；密集船舶交通、河流径流和沿海经济发展使重金属等污染物释放增加。已有研究多关注洋山港船舶排放空气污染物、多环芳烃修复效应和基础重金属污染调查，较少研究利用PMF受体模型定量区分表层沉积物重金属污染源，并量化各独立污染源的生态风险贡献。因此，研究人员开展源解析和源特定风险评估，以识别优先金属、可能污染源以及需要监测或管理的空间区域。

二、研究开展与意义

研究人员采集45个表层沉积物样品，确定Cd、Cu、Pb、Hg和Zn的浓度和污染状况，应用PMF定量识别可能来源，并评价总体潜在生态风险。结果可为洋山港及其他大型港口环境识别优先金属、可能污染源和需监测管理区域提供重要信息。需注意，所有风险评估均基于沉积物重金属总浓度，不能直接指示重金属生物有效性和实际原位生物影响。

三、关键技术方法

2020年12月至2021年1月，在洋山港及上海东南沿岸（30.27°N—31.04°N，122.32°E—122.57°E）采集45个表层沉积物站样品，采样深度约0—5 cm，密封于聚乙烯袋并?20 °C保存。样品经冷冻干燥、研磨、过100 μm筛，按海洋监测规范分析Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和总有机碳（TOC，沉积物有机碳总量），采用微波消解，质控标准物质GBW07314。污染评价采用污染因子（CF，相对背景值的累积程度）、修正污染程度（mC_d，多种金属总体污染）、潜在生态风险指数（RI，综合毒性响应因子）及单个金属潜在生态风险因子（E_rⁿ）。源解析采用美国EPA正定矩阵因子分解（PMF，受体模型），测试3、4、5因子情景，每情景20次迭代，选四因子；结合Pearson相关、变异系数（CV，空间离散度）和ArcGIS 10.0反距离权重（IDW）插值。样本队列来源为洋山港2020—2021年45个站位。

四、研究结果

3.1 金属浓度与空间分布（Metal Concentrations and Spatial Distribution）
通过45个样品统计，平均浓度降序为Zn（86.0 mg/kg）>Cu（25.7 mg/kg）>Pb（25.0 mg/kg）>Cd（0.141 mg/kg）>Hg（0.0459 mg/kg），均高于对应背景值。Pb和Hg的CV分别50.70%和65.41%，显示高空间异质性。平均Cu、Pb、Zn、Cd、Hg浓度分别为背景值的1.8、1.2、1.3、2.1、1.8倍，指示可能富集。因未测粒度和矿物组成，不能完全分离人为输入与自然沉积控制。空间分布显示Cu和Zn相似，高Cu值在洋山港、杭州湾附近和上海南部，提示Cu和Zn可能同源；Hg高值在洋山港和东海大桥中间带，向西南和东北降低；Pb高值在舟山群岛东部；Cd高值在中部和东部；TOC呈西到东递减，杭州湾内河流排放区富集。Cu、Zn、Cd、Hg最大浓度中心与杭州湾西部高TOC核心重叠，洋山港次热点与局部中TOC升高斑块匹配，表明TOC可能是重金属滞留的关键载体。

3.2 沉积物污染指数（Sediment Pollution Indices）
通过CF和mC_d评价，平均CF降序为Cd（2.07）>Cu（1.83）=Hg（1.83）>Zn（1.30）>Pb（1.19），显示Pb、Zn、Cu、Hg、Cd总体低至中度污染。mC_d变化0.65—2.33，最低S6，最高S9，均值1.65，显示低污染；约40.0%沉积物为无至极低污染，42.2%低污染，17.8%中等污染。空间上较高mC_d在中心区域，尤其洋山港、东海大桥和上海南部沿海。因未做站位粒度和矿物归一化，这些差异不能仅解释为人为污染差异，可能受人为输入和自然沉积学变率共同影响。

3.3 生态风险（Ecological Risks）
通过E_rⁿ和RI评价，平均E_rⁿ降序为Hg（73.39）>Cd（62.06）>Cu（9.17）>Pb（5.95）>Zn（2.61）。Cu、Zn、Pb的E_rⁿ<40，为低潜在生态风险；Cd和Hg在多数沉积物中为中风险，与其高毒性响应因子有关。约2.2%沉积物Hg为高风险，S41值227.20。RI均值153.17，范围71.48—288.97，表明所有金属总体中等生态风险。Hg和Cd因较高污染因子和毒性响应系数对总生态风险贡献最大。

3.4 沉积物重金属来源识别（Source Identification of Heavy Metals in Sediments）
通过Pearson相关和PMF进行来源识别。Cu与Zn、Pb、Cd显著正相关（p<0.01），并与TOC显著相关，仅说明统计关联，有机质可能与Cu相互作用影响其沉积累积；高Cu在杭州湾和上海南部，研究人员暂推断近岸陆源输入可能贡献部分Cu，并通过吸附、络合和沉淀促进其累积。Hg与其他金属几乎无明显相关，提示其可能来源不同。PMF确定四因子，缩放残差95.8%，标准化后?3至3，所有变量信噪比S/N>2，Q_robust/Q_true=1.45，R²大多>0.80，20次随机种子和bootstrap重采样因子剖面一致。贡献率Factor 2（38.91%）>Factor 1（26.78%）>Factor 3（17.56%）>Factor 4（16.75%）。Factor 1中TOC高载荷（55.96%），Cu、Pb、Zn较高，杭州湾附近高，解释为杭州湾陆源输入；Factor 2中Cu、Pb、Zn、Cd高，Hg较高，集中在洋山港和舟山群岛，解释为可能航运相关源；Factor 3以Hg为主，洋山港附近高并向海洋降低，解释为可能大气沉降；Factor 4中Cd高并含少量Cu、Pb、Zn、TOC，从海岸向海洋降低，解释为工农业陆源人为输入。

五、讨论总结与研究结论翻译

讨论与结论总结：较高污染水平和中等生态风险（基于mC_d和RI）出现在洋山港、东海大桥和上海南部沿海，可能与港口活动和陆源输入有关；Cd和Hg是区域生态风险主要贡献者。PMF四因子可能为杭州湾陆源输入（26.78%）、港口交通和航运活动（38.91%）、大气沉降（17.56%）、工农业陆源人为输入（16.75%）；航运相关因子贡献最大。但生态风险未在PMF各因子间定量分配，因此本研究数据不推断源特定生态风险排序。局限包括：CF、mC_d、RI按站位计算作为相对空间筛选指标，而Hakanson（1980）原模型用于区域综合；未测Al、Fe等保守元素，无法进行富集因子（EF）和地累积指数（I_geo）归一化，无残余样，粒度与矿物偏差不能消除；站点RI与PMF结合的生态风险分配有不确定性，仅初步辅助参考。未收集沉积物粒度、水动力和沉积环境数据，PMF来源识别为可能推断而非结论；未来应同步收集粒度与水动力监测数据。受海洋调查成本、航线、海域准入限制，仅45个站点和5种金属，样本有限给IDW连续空间图带来预测不确定性，不能完全捕捉局部变化；PMF缺更多地球化学指标可能限制稳定性和源区分能力。评价仅依赖总含量，缺金属形态、生物有效性和沉积物毒性，风险结果需谨慎解释。管理上，Hg和Cd应优先长期常规监测，高综合生态风险区应作为后续连续调查和定期风险监管重点。

研究结论翻译：现有研究结果提供了研究区表层沉积物中5种重金属（Cu、Pb、Zn、Cd和Hg）的空间分布、污染水平、定量来源和源特定生态风险信息。基于mC_d和RI指数，在洋山港、东海大桥和上海南部沿海表层沉积物中观察到相对较高污染水平和中等生态风险，可能主要与港口活动和陆源输入有关。Cd和Hg似乎是区域生态风险的主要贡献者。PMF解析出的4个因子暂代表可能污染源，包括杭州湾陆源输入（Factor 1：26.78%）、港口交通和航运活动（Factor 2：38.91%）、大气沉降（Factor 3：17.56%）以及工农业活动陆源人为输入（Factor 4：16.75%）。在PMF解析因子中，可能的航运相关因子对实测重金属浓度贡献最大。然而，由于生态风险未在个别PMF因子间定量分配，本研究数据未推断源特定生态风险排序。