渤海西部河口潮間帶區(qū)海水及沉積物中重金屬研究

張效龍, 丁德文, 徐家聲, 劉敦武, 王慧艷, 陶常飛

(1.大連海事大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院,遼寧大連 116026;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島 266061;3.化為海洋網(wǎng)絡(luò)有限公司,天津 300456)

渤海西部河口潮間帶區(qū)海水及沉積物中重金屬研究

張效龍1,2,3, 丁德文1,2, 徐家聲2, 劉敦武2, 王慧艷2, 陶常飛2

(1.大連海事大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院,遼寧大連 116026;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島 266061;3.化為海洋網(wǎng)絡(luò)有限公司,天津 300456)

通過(guò)對(duì)渤海灣西部永定新河河口潮間帶區(qū)海水及沉積物中重金屬含量及污染狀況的研究,認(rèn)為海水中重金屬含量平均值的大小順序?yàn)?Zn>Cu>Pb>Hg>Cd;因海水中重金屬輸入途徑的不同,不同潮期海水中重金屬含量存在差異:大潮期海水中重金屬 Cu,Pb和 Hg的含量大于小潮期海水中的含量,而重金屬 Zn和 Cd的含量則小于小潮期海水中的含量;因受海水中懸浮物含量、種類及河口區(qū)咸淡水混合發(fā)生絮凝作用等的影響,海水中重金屬含量在垂向上也存在差異。無(wú)論是大潮期還是小潮期,海水中重金屬含量總是表層略大于底層;按一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海水中重金屬污染狀況的分析,認(rèn)為研究區(qū)海水已局部受到重金屬污染,污染最嚴(yán)重的是重金屬 Zn,其次為重金屬 Pb,Hg和 Cu,不存在重金屬 Cd污染;沉積物中重金屬含量平均值的大小順序與海水中的相同,說(shuō)明海水與沉積物中重金屬循環(huán)處于相對(duì)平衡狀態(tài)。沉積物中重金屬含量平均值均在渤海灣環(huán)境背景值范圍內(nèi),且是渤海海域含量最低的區(qū)域。經(jīng)過(guò)對(duì)沉積物重金屬污染狀況的分析,研究區(qū)沉積物重金屬污染輕微。

渤海灣;永定新河河口;潮間帶;海水;沉積物;重金屬;污染

由于重金屬特殊的化學(xué)、地球化學(xué)性質(zhì)及毒性效應(yīng),重金屬被稱為環(huán)境中最具潛在危害的污染物,且具有高度危害性和難治理性 (海熱提等,2006),因而在環(huán)境評(píng)估及修復(fù)治理方面倍受關(guān)注。潮間帶是海洋與陸地的過(guò)渡地區(qū),它為眾多的海洋生物提供了產(chǎn)卵、索餌、孵化的場(chǎng)所和棲息地。進(jìn)入潮間帶環(huán)境的重金屬不僅會(huì)在沉積物中富集(黃歲梁等,1994;王曉蓉,1983;鮑永恩等,1994),而且可以通過(guò)生物體進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng),并在生態(tài)系統(tǒng)中富集或放大,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)直接或間接的構(gòu)成威脅 (陳靜生等,1990),進(jìn)而危害人體的身心健康。因此,研究潮間帶地區(qū)海水及沉積物中重金屬就顯得非常重要。

渤海西部區(qū)域是天津沿海所在地,是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶的龍頭地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口聚集,附近有永定新河、海河等河流匯入。這些河流在攜帶大量泥沙流入渤海的同時(shí),也將大量的重金屬帶入渤海。徐恒振等(2000)和陳江麟等 (2004)對(duì)渤海沉積物中重金屬的研究均證明了渤海沉積物中重金屬含量已存在不同程度的富集,局部海域污染程度已非常嚴(yán)重。當(dāng)前,對(duì)于渤海灣西部沉積物中的重金屬已有所研究(齊鳳霞等,2004),對(duì)于水陸交互的潮間帶地區(qū)沉積物中重金屬研究卻很少 (秦延文等,2006),在潮間帶區(qū)同時(shí)對(duì)海水及沉積物中重金屬的研究更鮮為報(bào)道。筆者對(duì)永定新河河口海陸相互作用最活躍的潮間帶地區(qū)海水及沉積物中重金屬含量及污染狀況進(jìn)行了研究,為該區(qū)環(huán)境評(píng)估及修復(fù)治理提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品的采集

樣品采集時(shí)間為 2004年 10月。采樣站位 12個(gè),均勻布設(shè)在研究區(qū)內(nèi) (圖 1)。海水樣品分大潮期和小潮期兩個(gè)航次采集。水樣采集時(shí),如果采樣站位水深大于5 m,則每個(gè)航次分別進(jìn)行表、底兩層采樣。表層沉積物樣品采集與小潮期海水樣品采集同步實(shí)施。本次研究共采集表層水樣 12個(gè),底層水樣 7個(gè),表層沉積物樣品 12個(gè)。

1.2 分析方法

(1)海水中重金屬含量測(cè)定。采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法 (國(guó)家海洋局,2002a;國(guó)家環(huán)保局,1989),用有機(jī)溶劑甲基異丁基酮對(duì)海水樣品進(jìn)行萃取,經(jīng)硝酸反萃取后,用 PE-300原子吸收分光計(jì)和原子熒光光譜儀,測(cè)定海水中重金屬的含量。

圖1 研究區(qū)及取樣站位位置Fig.1 The survey area and samp ling po int locations

(2)沉積物中重金屬含量測(cè)定。采用國(guó)家海洋局(2002b)提供的方法,將樣品制備好后,用 HNO3-HCI O4-HF消化,7%的 HCl定容,然后用 PE-300原子吸收分光計(jì)和原子熒光光譜儀對(duì)重金屬含量進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 海水中重金屬

(1)海水中重金屬含量。海水中重金屬含量測(cè)定結(jié)果如表 1所示。通過(guò)對(duì)表 1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,小潮期表層海水中重金屬含量平均值的大小順序?yàn)?Zn>Cu>Pb>Hg>Cd,而大潮期表層海水中以及大、小潮期底層海水中重金屬含量平均值的大小順序均與小潮期表層海水中的相同,說(shuō)明研究區(qū)海水中重金屬含量相對(duì)穩(wěn)定。就大、小潮期間海水中重金屬含量平均值的比較,無(wú)論是表層海水還是底層海水中,重金屬 Cu,Pb和 Hg的含量平均值總是大潮期大于小潮期,而重金屬 Zn和 Cd的含量平均值則為小潮期大于大潮期。其原因可能受重金屬來(lái)源控制。海水中重金屬 Cu,Pb和 Hg以環(huán)境背景或自然來(lái)源為主,大潮期時(shí)研究區(qū)增水,渤海其它區(qū)域海水中的重金屬 Cu,Pb和 Hg通過(guò)海水被帶入研究區(qū),而小潮期研究區(qū)減水,研究區(qū)海水中重金屬 Cu,Pb和 Hg相對(duì)向其它區(qū)域輸運(yùn),從而導(dǎo)致海水中重金屬 Cu,Pb和 Hg的含量平均值總是大潮期大于小潮期的現(xiàn)象。重金屬 Zn和 Cd主要以河流輸入為主,因小潮期河流對(duì)研究區(qū)輸入的貢獻(xiàn)比大潮期時(shí)強(qiáng),導(dǎo)致小潮期海水中重金屬Zn和 Cd的含量平均值大于大潮期海水中的含量。

通過(guò)海水中重金屬含量平均值在垂向上的對(duì)比分析,研究區(qū)海水中的重金屬含量平均值無(wú)論在小潮期還是大潮期均為表層大于底層。根據(jù)陳春華等 (1999),海水中重金屬含量與海水中懸浮物含量正相關(guān),即懸浮物含量多的水體中重金屬含量大,懸浮物含量少的水體中重金屬含量則小。通常而言,海水中懸浮物含量因重力作用底層大于表層,因而底層海水中重金屬含量應(yīng)大于表層。而研究區(qū)海水中重金屬含量平均值卻是表層大于底層。為研究這一反?，F(xiàn)象,筆者對(duì)研究區(qū)大潮期的 5號(hào)站、8號(hào)站和 12號(hào)站海水中懸浮物含量及其粒徑大小進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定(表 2)。對(duì)比表 2的結(jié)果,研究區(qū)大潮期海水中懸浮物含量底層大于表層,而懸浮物平均粒徑則為表層大于底層。由此可見(jiàn),解釋研究區(qū)海水中重金屬含量表層大于底層的現(xiàn)象,不僅應(yīng)考慮海水中懸浮物含量,還應(yīng)考慮懸浮物的粒徑及比表面積(黃歲梁等,1994)。研究區(qū)表層海水中懸浮物以粘土為主,底層海水中懸浮物以粉砂為主。研究區(qū)因咸淡水混合發(fā)生絮凝作用,使得表層海水中懸浮物粒徑大于底層,導(dǎo)致表層海水中懸浮物對(duì)重金屬的吸附作用強(qiáng)于底層,造成表層海水中重金屬含量高于底層海水中的現(xiàn)象。

表 1 海水中重金屬含量及超標(biāo)率Tab.1 The heavy metal content and their superstandard ratio in the seawater μg·L-1

表 2 大潮期海水中懸浮物含量及其平均粒徑Tab.2 The suspended solids content and their average sizes in seawater of spring season

(2)海水中重金屬污染狀況。根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(國(guó)家海洋局,1998),按一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)海水中重金屬污染狀況進(jìn)行分析,確定的超標(biāo)率見(jiàn)表1。根據(jù)超標(biāo)率結(jié)果分析,研究區(qū)表層海水中小潮期重金屬超標(biāo)率由大到小的順序?yàn)?Zn>Cu,Pb,Hg>Cd;大潮期重金屬超標(biāo)率由大到小的順序?yàn)?Zn>Pb>Hg>Cu>Cd。小潮期重金屬 Zn的超標(biāo)率最高,為 58%,重金屬 Cu、Pb和 Hg的超標(biāo)率相同均為 8.3%,重金屬 Cd不存在超標(biāo)現(xiàn)象。大潮期重金屬 Zn的超標(biāo)率仍為最高,為41.7%,其次為重金屬 Pb和 Hg,分別為 33.3%和 16.7%,最后為重金屬 Cu,為 8.3%,重金屬Cd仍不存在超標(biāo)現(xiàn)象。底層海水中小潮期僅有重金屬 Zn超標(biāo),超標(biāo)率為71.4%;大潮期僅有重金屬 Pb超標(biāo),超標(biāo)率為 14.3%。由此可見(jiàn),研究區(qū)海水已經(jīng)局部受到重金屬污染,污染最嚴(yán)重的是重金屬 Zn,其次為重金屬 Pb,Hg,Cu,不存在重金屬Cd的污染。表層海水中重金屬污染程度較底層海水中嚴(yán)重,大潮期重金屬污染較小潮期嚴(yán)重。

為進(jìn)一步分析研究區(qū)海水中重金屬污染特征,筆者概括總結(jié)了近年來(lái)我國(guó)沿海不同海區(qū)海水中重金屬含量的檢測(cè)結(jié)果平均值 (李淑媛等,1995),并將研究區(qū)海水中重金屬含量平均值與它們進(jìn)行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)研究區(qū)海水中重金屬 Cu和 Zn的含量比任何海區(qū)都高;重金屬 Pb的含量比?？跒澈椭榻诘?重金屬 Cd含量?jī)H比太平洋的高。由此可見(jiàn),渤海灣地區(qū)海水中金屬污染均比其它海區(qū)嚴(yán)重,在研究區(qū)重金屬 Cu和 Zn污染尤為顯著 (表3)。

表 3 不同海區(qū)海水中重金屬含量的監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.3 The heavy metal content in different sea area

2.2 沉積物中重金屬

(1)沉積物中重金屬含量。研究區(qū)沉積物中重金屬 Cu,Pb,Zn,Cd和 Hg的含量平均值分別為21.26,2.78,62.85,0.10和 0.12 mg/kg(表 4)。它們的大小順序?yàn)?Zn>Cu>Pb>Hg>Cd,這與海水中重金屬含量的大小順序一致,說(shuō)明海水與沉積物中重金屬間的吸放循環(huán)處于相對(duì)平衡狀態(tài)。不過(guò)由于重金屬在沉積物中的富集,沉積物中重金屬含量要比海水中的重金屬含量約大 3個(gè)數(shù)量級(jí)。

根據(jù)表 4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,將研究區(qū)沉積物中重金屬含量與渤海灣環(huán)境背景值 (孟偉等,2006)進(jìn)行比較,研究區(qū)沉積物中重金屬 Pb的含量遠(yuǎn)低于環(huán)境背景值,重金屬 Cu,Zn和 Cd含量平均值均在渤海重金屬含量環(huán)境背景值范圍內(nèi)。在研究區(qū)內(nèi)的 12個(gè)站位中重金屬Cu,Zn和Cd含量超過(guò)環(huán)境背景值的站位主要為河道內(nèi)的 1號(hào)站和河口附近的 3號(hào)站,說(shuō)明河流輸入對(duì)研究區(qū)沉積物中重金屬具有影響作用。

表 4 沉積物中重金屬含量、環(huán)境背景值及超標(biāo)率Tab.4 The heavy m etal content,am bient background value and superstandard ratio in sedi ment mg·kg-1

(2)沉積物中重金屬污染狀況。根據(jù)《海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(國(guó)家海洋局,2002b),對(duì)沉積物中重金屬污染狀況進(jìn)行分析。沉積物中重金屬污染指數(shù)特征值的大小順序?yàn)?Cu>Zn>Hg>Cd>Pb。從超標(biāo)率分析,僅有重金屬 Cu存在超標(biāo)現(xiàn)象,超標(biāo)率為8.0%,超標(biāo)站位為河道內(nèi)的 1號(hào)站,其余重金屬均不超標(biāo),表明研究區(qū)沉積物中重金屬污染輕微。該結(jié)果與陳江麟等 (2004)的研究結(jié)果相一致。

研究區(qū)及渤海其它海區(qū)表層沉積物中重金屬平均含量結(jié)果列于表 5。比較表 5中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,研究區(qū)沉積物中重金屬 Pb含量比渤海其它任何海域都低,重金屬 Cu含量?jī)H高于遼河口灘地、萊州灣中部海域和黃河口地區(qū),重金屬 Zn含量?jī)H高于遼河口灘地和黃河口地區(qū),重金屬 Cd含量?jī)H高于渤海中部海區(qū) (李淑媛等,1995)。由此可見(jiàn),研究區(qū)沉積物中重金屬含量是渤海灣內(nèi)相對(duì)最低的區(qū)域,其結(jié)果從另一方面反映了研究區(qū)沉積物重金屬污染是渤海海域較輕微的地區(qū)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)渤海北部永定新河河口潮間帶區(qū)海水及沉積物中重金屬含量和污染狀況的研究,得出如下的認(rèn)識(shí):

(1)研究區(qū)海水中重金屬含量平均值大小順序不受潮期及水深影響,均為 Zn>Cu>Pb>Hg>Cd。就大小潮期而言,大潮期海水中重金屬 Cu、Pb和Hg的含量平均值總是大于小潮期,重金屬 Zn和Cd的含量平均值則小于小潮期。就表、底層而言,無(wú)論大潮期還是小潮期,海水中重金屬含量平均值總是表層大于底層,其原因可能受懸浮物成分、含量、粒度、比表面積以及咸淡水混合發(fā)生絮凝作用的影響和制約。通過(guò)對(duì)海水中重金屬污染狀況的分析,研究區(qū)海水已局部受到重金屬污染,污染最嚴(yán)重的是重金屬 Zn,期次為重金屬 Pb,Hg和 Cu,不存在重金屬 Cd的污染。

表 5 研究區(qū)及渤海其它海區(qū)表層沉積物中重金屬平均含量結(jié)果Tab.5 The heavy m etalmean content in the surveyarea and other area ofBohai seamg·kg-1

(2)研究區(qū)沉積物與海水中重金屬含量平均值大小順序相同,表明海水與沉積物中重金屬循環(huán)處于平衡狀態(tài)。相對(duì)渤海其它海域,研究區(qū)沉積物中重金屬含量最低,其沉積物重金屬含量平均值均不超過(guò)環(huán)境背景值范圍。通過(guò)對(duì)沉積物中重金屬污染狀況的分析,研究區(qū)沉積物重金屬污染輕微。

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HeavyMetal in Seawater and Sedi ment I nvestigation at Bohai Sea Western Estuary Tidal Zone

ZHANG Xiao-long1,2,3, DI NGDe-wen1,2, XU Jia-sheng2, LI U Dun-wu2, WANG Hui-yan2, T AO Chang-fei2
(1.Department of Environment Science and Engineer,Dalian Maritime University,Dalian,LN 116026,China;2.First Institute ofOceanography,SOA,Qingdao,SD 266061,China;3.HuaweiMarine NetworksLimited Company,Tianjin 300456,China)

the heavy metal content in the seawater and seabed sediment and their contamination conditions have been investigated at the Bohai sea western estuary tidal zone.Some new conclusions are obtained.The order relation of heavymetal content average value is Zn>Cu>Pb>Hg>Cd in seawater。The heavymetal content is different in different tidal-season because of the difference of their imputing path.The Cu、Pb and Hg contents are higher in spring season than in neap season,but the Zn and Cd contents are inverse.The heavymetal content in superficial seawater is always higher than in the bottom seawater,because of affected by the suspendedmatter content,their types in seawater and flocculation in estuary area.According to the one class water quality standard,the seawater in the investigated zone has partly been contaminated by the heavy metal,and Zn contamination is severe,next is Pb,Hg and Cu,Cd contamination is non-existent.The order relation of heavymetal content average value in sedi ment is samewith in seawater,which indicates heavymetal circulation between sediment and seawater is in equilibrium state.The heavymetal content average values in the investigated area is not exceeding the ambient background value in Bohai sea,and is the lowest than any areas of Bohai sea.According to the heavy metal contamination conditions analyzing,the heavymetal contamination in sediment is very little.

Bohai sea;Yongding new river estuary;tidal zone;seawater;sediment;heavy metal;contamination

X55

A

1674-3504(2010)03-276-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.03.10

2009-09-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助 (40572142)

張效龍 (1975—),男,副研究員,博士生,主要從事海洋工程環(huán)境及海底光纜路由勘察方面的工作和研究。E-mail:zhangxiaolong@huawei marine.com