渤海是我国唯一的半封闭型内海,海洋资源丰富,对我国的经济、社会、军事以及外交具有重要的战略地位。但是,随着环渤海地区经济的高速发展和海洋开发活动的不断加强,渤海所承受的环境污染也不断加重。重金属因其自身的难降解性和通过食物链富集、毒性放大的特性,其污染和潜在生态危害问题更是倍受关注。沉积物是近海重金属的积累库,研究渤海表层沉积物重金属的时空分布特征,明确其影响因素,认识其生态风险性,对保护渤海生态环境策略制订、维护渤海生态系统健康和可持续发展具有重要意义。本文研究内容如下：(1)分析整理1978年至2009年间的渤海污染监测网资料,建立渤海表层沉积物重金属风险评价数据查询分析系统；(2)研究渤海表层沉积物重金属元素的时空分布特征及其影响因素；(3)评估渤海表层沉积物重金属污染程度及其潜在的生态风险性,筛选并确定渤海表层沉积物重金属中的优先污染物；(4)构建生态风险综合评价方法,并实际应用于渤海莱州湾典型海区沉积物重金属生态风险性评估。本文取得的主要研究结果如下：(1)建立了渤海表层沉积物重金属风险评价数据查询分析系统以1978年至2009年间的渤海污染监测网资料为基础数据,采用异常值判别等方法剔除非正常数据,对数据进行标准化处理,构建渤海污染监测网综合监测数据库；结合渤海及周边地区的基础地理信息构建渤海基础地理信息数据库。在两个数据库的基础上利用.NET语言进行系统的开发,形成产品数据库及用户管理数据库,建立“渤海表层沉积物重金属风险评价数据查询分析系统”。(2)揭示了近30来年渤海表层沉积物重金属空间分布与时间演化特征渤海表层沉积物重金属Cu、Hg、Cd、Pb和As的含量空间变化趋势表明,近岸重金属含量高,离岸距离越远,重金属含量逐渐降低。Hg含量近岸高,外海低,而且从北向南有降低趋势；Cu与Hg相反,呈现北低南高的趋势：其它三种重金属Cd、Pb和As趋势基本一致,河北、大连近岸海域和黄河口海域高,呈现自高值区向南北两侧和外海减小的趋势。1978~2009年渤海表层沉积物重金属Hg、Cu、Cd和As含量随时间变化大致分为四个阶段：第一个阶段是1970年代,重金属平均含量较高；第二阶段1970年代末至1990年代初,重金属平均含量显著降低；第三阶段1990年代后期至2000年代初,重金属平均含量再次升高：第四阶段自2002年至今,重金属平均含量再次降低。其中,Hg在1970年代和1990年代后期出现含量高峰期,最高值达到400×10-6,1990年代初和2000年后,Hg含量很低,约为20×10-9；Cu在90年代后期至2000年附近较高,最高值出现在2003年,为25.60×10-6,总体上Cu平均值随时间变动不大；Cd平均最高含量出现在1978年,为0.78×10-6,80年代、90年代以及2000年后的时间里波动较小；As含量1998年平均值最高,为12.67×10-6,此后大致呈现逐渐降低的趋势。沉积物重金属Pb与上述重金属元素含量随时间变化不同,1978年Pb平均值最低,为9.80×10-6；此后至1985年,Pb的平均含量迅速增加,至今,虽然Pb的平均含量存在一定程度的波动,但是整体水平居高不下；在2000年平均值最高,达20.87×10-6。(3)研究发现渤海表层沉积物重金属含量与沉积物类型密切相关,重金属含量随时间的变化与沿岸河流的重金属排放状况和环渤海经济增长(GDP)紧密关联。重金属的留存与沉积环境密切相关。粒度是沉积物的首要性质,通过对1998年和2009年渤海表层沉积物重金属含量与各级粒度组分的Pearson相关性分析及聚类分析,结果表明渤海表层沉积物重金属基本上符合“元素粒度控制律”,总体上与<16μm粒级组分含量高低相一致。其中Hg和Cd的分布受砂和粉砂等较粗颗粒物影响较大：Pb和Cu分布则受到细颗粒组分的控制；As与各粒级组分都没有较显著的相关性。入海河流的重金属排放量是沉积物中重金属积累的源泉,并且其在沉积物中的积累有一定的时间迟滞。通过对2000年~2009年黄河口年河流排放浓度与当年及滞后一年沉积物重金属含量的相关性分析,发现河流重金属排放量与滞后一年的沉积物Hg、Cd、Pb和As重金属元素含量呈现较好的线性相关关系,线性相关性系数分别为0.9975,0.7549,0.9610,0.9839。各种重金属在沉积物中积累的时间迟滞有一定差异。沉积物中Hg的变化总是滞后于排放浓度的变化,滞后时间约在1-2年；重金属Cu、Cd、Pb和As含量变化也有类似规律,总是在排放浓度出现变化后滞后一段时间相应地发生含量的改变。重金属Pb在沉积物中的含量很可能主要受到之前一年排放的影响。重金属排放量高低间接反映区域经济发展状况。以渤海黄河口为典型研究区,发现排海重金属总量与GDP值之间存在着一定的关系。经济快速发展导致高重金属含量排放的同时,提高了促进重金属污水治理的能力和水平。这种复杂作用的结果,使得GDP在经济快速发展初期与特定重金属排放量之间呈现一定的正相关关系。研究表明,GDP与Hg和Cd显示较显著相关性,分别为0.6155和0.5162；而经济发展产生的污染并不直接通过排放影响沉积物中Pb和As的含量,可能有其他的因素作用；Cu与重金属排海总量和GDP值变化均无关。(4)研究发现渤海表层沉积物重金属污染程度及其潜在的生态风险性在不同海区与不同时间段差异巨大,Hg和Cd一直是渤海表层沉积物重金属中的优先污染物。针对渤海表层沉积物重金属综合生态风险状况,从单个种类污染状况、总体污染状况、综合化学毒性、以及重金属质量基准与生物有效性等不同角度,采用综合指数法、地累积指数法、潜在生态风险指数法和水体沉积物质量基准法,对近30年来渤海表层沉积物重金属的综合污染状况及其潜在生态风险进行了定量评价。结果表明,渤海中部、河北和大连近岸沉积物重金属污染状况较轻,辽东湾、莱州湾和渤海湾沉积物污染较严重。1970年代末以及1990年代中期至本世纪初,渤海表层沉积物重金属潜在生态风险处在较强的水平。不同海区的生态风险性存在较大差异。辽东湾沉积环境重金属的生态风险性最大,其潜在生态风险指数RI处于“高值”或“极高”水平。渤海湾、莱州湾的生态风险性次之；渤海湾在1978年、1996-1998年间沉积物重金属潜在生态风险指数RI均在“中等”的水平；莱州湾在1998年RI达到了“极高”水平,其余30年间处于“低值”水平,保持了较低的生态风险性。河北近岸、大连近岸沉积环境重金属的潜在生态风险性较小,仅在个别年份出现中等生态风险的情况。渤海中部潜在生态风险最小,常年保持在轻微生态危害的水平,这表明渤海中部沉积物尚未被重金属污染,沉积环境良好。从海洋生物毒性的角度出发,利用沉积物质量基准法的评价,以底栖生物免受特定化学物质致害的保护性临界水平、底栖生物剂量-效应关系为判断依据,结果表明,在较长时期内渤海大部分海区Cu和As的含量居于产生效应的临界浓度(TEL)之上,会偶发负面效应,长期暴露会造成对海洋生物的不良影响。突出优先污染物的生态作用,采用综合指数法、地累积指数法和潜在生态风险指数法的评估结果表明,近30年来Hg和Cd一直是渤海沉积物中的优先污染物,相对于Pb、Cu和As污染较重,其潜在的生态风险更大。Hg在1978年辽东湾单因子评价结果Pi=12.65,地累积指数Iego达到了“极强”的程度,潜在生态危害指数Eri亦处于“极高”水平以上；1996年,Pi=3.17,Iego达到了“强-中’的程度。Cd在2000年的大连近岸Iego达到了“强”的污染程度,Eir达到了“高值”水平(5)建立了沉积物重金属生态风险综合评估方法(Comprehensive Ecological Risk Assessment of Heavy Metal in Sediments, CERAHMS),更加侧重沉积物重金属的生态效应和对人群健康风险效应评估,评估显示渤海莱州湾沉积物重金属存在底栖种群衰退迹象与负面人体健康影响的威胁。通过对沉积物重金属含量、底栖生物群落特征和人群健康响应等指标进行归一化处理,建立了沉积物重金属生态风险综合评估方法(?)(CERAHMS),能更好地反映沉积环境重金属对底栖种群健康和人群健康的风险性。基于2004年和2009年渤海莱州湾相关数据,利用CERAHMS评估结果表明,2009年莱州湾沉积物重金属风险性较2004年有所升高,部分区域存在底栖种群衰退迹象与负面人体健康影响的风险。CERAHMS法优势在于,从沉积物重金属对种群健康和人类健康角度,将沉积物重金属的生态风险性从化学量更新到生物量,更确切地体现重金属的生物效应及其对人类的潜在危害性。本论文的主要创新点如下：(1)揭示了渤海海域沉积物重金属空间分布特征和近30年来演化过程及其主要影响因素；(2)构建了沉积物重金属生态风险综合评估方法,将沉积物重金属的生态风险性评价从化学量更新到生物量,能更好地反映重金属的生物效应及其对人类的潜在危害性。