北海海洋牧场沉积物中重金属的分布、来源识别及生态风险评估

《Regional Studies in Marine Science》：Occurrence, source identification, and ecological risk assessment of heavy metals in sediments of Beihai Marine Ranching

海洋牧场沉积物中重金属浓度及同位素示踪分析显示，除过渡带S3点As轻微富集外，其他重金属含量均较低，潜在生态风险指数为31.17，表明污染风险可控。Cd和Pb同位素特征（δ11?Cd=-0.3106，2??Pb/2??Pb=39.1390）证实自然源主导，人为影响有限。该研究为复杂海岸区污染溯源提供新方法。

　　

姚关|黄曼宇|杨波|苏琼源|余硕|朱卓豪|欧阳先青

中国自然资源部第四海洋研究所广西海洋学实验室，北海，536000

摘要

海洋牧场代表了一种可持续的渔业发展和生态系统保护方法，这种方法依赖于健康的环境基础。本研究检测了北海海洋牧场表层沉积物中重金属（砷、镉、铬、铜、汞、镍、铅、锌）的浓度以及镉和铅的同位素组成。重金属浓度（mg/kg）分别为：砷9.22、镉0.02、铬15.83、铜6.87、汞0.01、镍9.17、铅7.45、锌13.67。平均富集因子、地质积累指数和平均潜在生态风险指数分别为1.01、-2.52和31.17。这些结果表明，沉积物中的重金属含量总体较低。仅在过渡带（S3站点）观察到轻微的砷富集现象。总体而言，研究结果表明这些重金属主要来源于自然来源，对北海海洋牧场的生态风险很小。镉和铅的同位素组成（δ11?/11?Cd = –0.3106，2??Pb/2??Pb = 39.1390，2??Pb/2??Pb = 15.7127，2??Pb/2??Pb = 18.8144）表明这些金属主要来自当地沉积岩的自然风化过程，人为影响有限。研究结果证明了镉和铅同位素分析在追踪海洋环境中重金属来源方面的有效性，为复杂沿海系统的污染源识别提供了一种可靠的方法。

引言

由于重金属的毒性和其在沉积物及生物体内的长期积累潜力，重金属污染引起了广泛关注。沿海地区特别容易受到人为重金属污染的影响（Su等人，2023b；Hasan等人，2024）。由于独特的地质结构和水文过程，这些地区的沉积物往往成为重金属的长期储存库（Pan和Wang，2012）。重金属主要通过河流输入、大气沉降和各种人类活动进入海洋环境。主要的人为污染源包括航运、海底疏浚、城市和工业废水排放、采矿、农业肥料使用以及化石燃料燃烧（Martínez等人，2022）。重金属对人类健康构成严重且通常是不可逆的风险，因为它们可以通过食物链生物放大，导致海产品中的重金属浓度升高（Liang等人，2023）。因此，评估和识别沉积物中的重金属污染源对于保护沿海生态系统和支持海洋牧场的可持续发展至关重要（Liang等人，2024）。

稳定同位素分析，特别是使用铅和镉同位素，已成为一种强大的污染源分配工具，因为它具有高精度和区分能力（Dickin，2018）。其中，铅同位素被广泛用于追踪海洋重金属污染的来源（Xu等人，2014；Dang等人，2015；Shi等人，2022），而镉同位素则越来越多地与铅结合使用以提高污染源的区分度（Cloquet等人，2006）。先前在中国沿海地区使用铅同位素分析的研究表明，沿海沉积物中的43-74%的痕量金属（镍、铜、锌、砷、硒、镉和铅）来源于人类活动，包括车辆排放、农业和工业过程（Zhou等人，2024）。铅同位素追踪还表明，白令海-西北北极海洋中的金属主要来源于当地的地壳基岩。然而，沉积物岩心中的铅同位素特征的历史变化表明，全球工业活动对该地区的金属沉积有所贡献（Lin等人，2023）。除了污染研究外，镉同位素还被用于评估海洋初级生产力，并追踪环境中镉的来源和迁移路径。镉天然存在八种稳定同位素：1??Cd（1.25%）、1??Cd（0.89%）、11?Cd（12.50%）、111Cd（12.80%）、112Cd（24.13%）、113Cd（12.20%）、11?Cd（28.73%）和11?Cd（7.50%）。作为一种痕量营养素，其在海洋中的生物地球化学循环引起了相当大的关注（Hohl等人，2017）。海水同位素分析显示，不同水体的镉同位素组成存在差异，而沉积物中的镉含量通常接近0.00‰。浮游植物优先吸收较轻的镉同位素，这些同位素随后通过有机物沉积转移到沉积物中，从而支持使用镉同位素作为过去生物生产力的代理指标（Chen等人，2021）。此外，镉同位素在追踪地球深部碳循环方面也显示出价值（Liu等人，2025）。尽管取得了这些进展，但对海洋沉积物中镉同位素的研究仍然有限。

全球海洋资源面临日益减少的趋势，而渔业活动仍在不断扩大。海洋牧场提供了一种系统化的方法来培育和恢复海洋资源，促进可持续利用，并支持多元化经济发展（Tan和Lou，2021）。北部湾是中国重要的渔业区域，包含40多个渔场和500多种鱼类，同时该地区还拥有丰富的石油资源（Zhao等人，2024）。位于北部湾内的北海海洋牧场是国家级海洋牧场示范区的第四批成员。其无障碍的水交换和缓慢的水流为水生生物的聚集、栖息、生长和繁殖提供了有利条件。然而，牧场的发展依赖于健康的海洋生态系统。最近的研究表明，北部湾的水产养殖和河口地区的季节性污染正在增加，大量工业和水产养殖废水排入南柳河等河流，最终流入海洋，加剧了该地区的环境压力（Su等人，2024）。此外，Chen等人（2022）发现，在雨季，一些河流将大量重金属污染物带入广西的沿海海湾。汞同位素证据表明，石油化工生产、煤炭燃烧和金属加工等人造活动是北部湾沿海地区镉、汞和砷等重金属的主要来源，占总输入量的约70%（Lin等人，2021）。相应的，铅富集模式的同位素研究表明，虽然存在局部人为输入，但北部湾东部的铅主要来源于自然（Xu等人，2019）。此外，使用铅同位素特征和贝叶斯模型追踪红树林中镉的来源表明，虽然自然来源占主导地位，但农业活动等人为来源的贡献也相当大，合计占近30%（Tao等人，2024）。

因此，本研究调查了北海地区海洋牧场养殖水域沉积物中八种重金属（砷、镉、铬、铜、汞、镍、铅和锌）的污染水平以及镉和铅的同位素特征。主要研究目标包括：（1）探讨北海海洋牧场表层沉积物中重金属污染的特点；（2）分析北海海洋牧场的污染程度和潜在生态风险；（3）研究沉积物中重金属的来源追踪、迁移和循环规律。本研究旨在进一步丰富关于北海海洋牧场重金属污染现状和污染源追踪的研究方法，为重金属污染的风险预测和其他海洋牧场的预防措施提供基础数据支持，并促进海洋资源的有效管理和可持续利用。

研究区域和样本采集

北海市的国家级海洋牧场位于中国广西银滩海滩的南部海域。海底坡度平缓，深度一般小于20米。该区域具有良好的水交换和弱水流特性，为水生生物的聚集、生长和繁殖创造了有利条件。2020年7月，在北部湾水域选择了6个采样点（图1）。采样站分布在

沉积物粒度和矿物组成

北海海洋牧场沉积物的平均粒径（Mz）范围为1.09至5.50 φ（表S4），较大的粒径表明水动力环境较强（图2）。从近岸到远岸，采样站的粒径从纯沙质逐渐过渡到沙质-粉砂混合-粉质-粘质，对应于水动力从强混合到多动态混合再到弱混合的梯度。近岸站点（S1、S2和S4）的沉积物

结论

本研究显示，北海海洋牧场沉积物中的重金属污染水平总体较低。砷、铬、铅和锌的最高浓度出现在东部的S3站点，表明存在局部人为影响。总体而言，北海海洋牧场沉积物中的重金属浓度低于工业化河口和集约化水产养殖区的报告值，表明污染负担相对较低。除了S1站点外，大多数站点的平均富集因子（EF）值

CRediT作者贡献声明

余硕：可视化、调查。苏琼源：可视化、正式分析、数据管理。朱卓豪：软件、方法论、数据管理。姚关：写作——审稿与编辑、资金获取、概念化。杨波：软件、方法论。黄曼宇：写作——初稿、正式分析。欧阳先青：正式分析、数据管理。

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的研究工作。

致谢

本研究得到了科技基础资源调查计划（项目编号2023FY100801、2025FY200101）、广西关键技术研发计划（项目编号AB24010009）和国家自然科学基金共享航次项目（NORC2021-11、NORC2024-11）的支持。我们衷心感谢匿名审稿人的建设性评论和宝贵建议。