長(zhǎng)江口及鄰近海域沉積物中石油烴污染特征

李 磊,蔣 玫,王云龍,袁 騏,徐國(guó)棟,沈新強(qiáng)

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所,上海 200090)

長(zhǎng)江口及鄰近海域沉積物中石油烴污染特征

李 磊,蔣 玫,王云龍,袁 騏,徐國(guó)棟,沈新強(qiáng)*

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所,上海 200090)

根據(jù) 2004～2009年豐水期對(duì)長(zhǎng)江口及鄰近海域的調(diào)查監(jiān)測(cè)資料,研究了沉積物中石油烴的時(shí)空分布特征及污染情況,分析了其影響機(jī)理.結(jié)果表明,石油烴平均含量為176.25mg/kg,沉積物無(wú)石油烴污染;沉積物中石油烴空間分布格局整體上呈由近岸向遠(yuǎn)岸遞減的趨勢(shì),陸源輸送、水動(dòng)力條件、細(xì)顆粒物質(zhì)的吸附以及絮凝作用是控制石油烴分布的主要因素;調(diào)查海域空間分布尺度上可以劃分為4個(gè)海域,MDS排序分析以及 ANOSIM 檢驗(yàn)均支持了劃分結(jié)果;沉積物中石油烴含量為近岸最大渾濁帶最高,其次為近岸區(qū)和泥質(zhì)區(qū),在遠(yuǎn)岸區(qū)則常年存在一個(gè)石油烴含量的低值區(qū).

長(zhǎng)江口；沉積物；石油烴；分布特征

石油烴是由烷烴、烯烴、芳烴、雜環(huán)芳烴等多組分復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)組成的均質(zhì)混合物,開(kāi)采、煉制、貯存運(yùn)輸和使用等人類活動(dòng)過(guò)程是其進(jìn)入海洋環(huán)境中的主要途徑[1].各種途徑來(lái)源的石油烴進(jìn)入海洋后,顯著特征是在海面形成一層厚度不等的薄膜,干擾海氣界面間正常的氣體、能量和水分交換,影響限制光合作用[2],并對(duì)海洋生物產(chǎn)生毒害[3-7].結(jié)果不僅破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的基礎(chǔ),而且最終可能會(huì)破壞食物鏈平衡,降低海洋生物多樣性指數(shù),引起海洋生物資源的衰退、弱化海洋生態(tài)系統(tǒng)[8].同時(shí),通過(guò)生物富集、食物鏈放大,石油污染物最終可能會(huì)影響人類健康.盡管在經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、光化學(xué)作用、微生物分解等一系列物理、化學(xué)、生物過(guò)程后,部分石油烴進(jìn)入大氣,但大部分石油烴最終以溶解組分或相應(yīng)的降解組分存在于海洋中,并且有相當(dāng)部分通過(guò)吸附、絮凝和沉淀作用進(jìn)入沉積物,成為石油烴的“匯”[9].進(jìn)入沉積物的石油烴,盡管也會(huì)被底泥中的微生物降解,但由于海底低溫、缺氧等不利條件,底質(zhì)中石油烴降解緩慢,不僅對(duì)活動(dòng)能力較差的各種底棲生物造成短期或者長(zhǎng)期毒性危害,在某些特定環(huán)境條件下,還能夠成為水體二次污染的主要“源”[10].

河口是海陸交替的過(guò)渡帶之一,是淡水和海洋之間的生態(tài)交錯(cuò)區(qū),其物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)比其他地域迅速,對(duì)流域自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)敏感,屬于相對(duì)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)[11].近海沉積物作為環(huán)境演變的產(chǎn)物之一,蘊(yùn)含著許多的環(huán)境信息,能夠顯示某海域的底質(zhì)環(huán)境污染狀況并作為地球化學(xué)研究和進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[12].因此,研究沉積物中石油烴含量、分布等特征不僅可以了解該海區(qū)的污染狀況、遷移和沉積機(jī)制,對(duì)探討石油烴對(duì)底棲生物的影響也有著重要的意義.本文以2004～2009年5月、8月豐水期對(duì)長(zhǎng)江口及鄰近海域的監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ),研究了沉積物中石油烴在時(shí)間、空間尺度上的連續(xù)分布特征及污染水平,同時(shí)探討分析了其影響機(jī)制,以期為長(zhǎng)江口及鄰近海域沉積物中石油烴污染有效控制和進(jìn)一步研究提供支持.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

2004～2009年5月、8月豐水期在長(zhǎng)江口及鄰近海域設(shè)置了20個(gè)監(jiān)測(cè)站位(圖1),采用蚌式采泥器采集表層 0～10cm沉積物樣品,樣品的采集、貯存和運(yùn)輸方法均按照《海洋調(diào)查規(guī)范》[13]的有關(guān)要求進(jìn)行.沉積物樣品經(jīng)自然風(fēng)干,挑除石塊、殘根等雜物,充分混勻磨碎后過(guò)80目(180μm)篩,使用正己烷作萃取劑,用 Na2SO4洗滌萃取液,棄去水相,使用三科(上海三科儀器有限公司) 752N型紫外分光光度計(jì)測(cè)定沉積物中石油烴的含量[14].采用國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的標(biāo)準(zhǔn)油(濃度1.0g/L)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(R=0.999).

1.2 數(shù)據(jù)處理與評(píng)價(jià)方法

1.2.1 評(píng)價(jià)方法 為了定量反映各站位、年際之間石油烴的空間波動(dòng)程度的大小差異,選用變異系數(shù)來(lái)表示它們變化程度的大小,變異系數(shù)計(jì)算公式如下[16]∶

式中∶CV為變異系數(shù);S2為各站位、年際之間石油烴的空間、時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差為各站位、年際之間石油烴空間、時(shí)間序列的平均值.

圖1 監(jiān)測(cè)站位分布(底圖據(jù)文獻(xiàn)[15])Fig.1 Location of sampling stations(Base map after reference[15])

使用單因子指數(shù)質(zhì)量模型對(duì)沉積物中石油烴質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),其計(jì)算公式為[17]∶

式中∶Pi,Ci和Si分別為石油烴評(píng)價(jià)結(jié)果、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)Pi>1,表明沉積物已經(jīng)受到污染,當(dāng) Pi≤1,表明沉積物未受到污染,Pi越大,表明沉積物受污染程度越高.本研究采用《海洋沉積物質(zhì)量》Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)[18].

1.2.2 數(shù)據(jù)分析 沉積物中石油烴的平面分布使用Surfer 8.0軟件(Golden Software, USA)繪制,使用克里格法(Ordinary Kriging)網(wǎng)格化數(shù)據(jù).

應(yīng)用 Primer5.0 軟件(Plymouth MarineLaboratory, UK)進(jìn)行聚類分析(CA)和多維定標(biāo)分析(MDS)進(jìn)行聚類劃分,MDS結(jié)果用脅強(qiáng)系數(shù)(Stress)檢驗(yàn),Stress<0.20時(shí),可用MDS二維散點(diǎn)圖來(lái)表示,圖形有一定可信度,Stress<0.10時(shí),是一個(gè)好的排序,Stress<0.05,具有很好的代表性[19].利用相似性分析(ANOSIM)檢驗(yàn)聚類分析結(jié)果的差異性,該分析給出一個(gè)統(tǒng)計(jì)量 R,其大小一般介于0～1,值越大表明差異越大.

各站位、年際之間沉積物中石油烴實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差異顯著性采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行處理分析,利用 Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較,當(dāng)P<0.05時(shí),差異顯著.

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物中石油烴的含量及年際變化

2004～2009年調(diào)查海域表層沉積物中石油烴含量范圍為 50.05～428.50mg/kg,平均含量為176.25mg/kg,各年際間石油烴含量無(wú)顯著性差異(P>0.05);2004～2009年際間石油烴含量均符合《海洋沉積物質(zhì)量》[18]Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)(≤500mg/kg),其Pi值均≤1,表明沉積物未受到石油烴污染; 2004～2009年際間石油烴含量的順序依次為 2008年 >2006年>2007年>2009>2005年>2004年,各年際間石油烴含量波動(dòng)微弱,但總體上略微增長(zhǎng);2004～2009年際間石油烴含量變異系數(shù)的順序依次為2005年>2006年>2008年>2004> 2007年>2009年,平均變異水平為46%,屬于中等變異水平[20],表明各年際間石油烴含量在調(diào)查海域的具有一定的空間離散度(圖2).

圖2 2004～2009年表層沉積物中石油烴含量年際變化Fig.2 Annual changes of petroleum contents in surface sediments from 2004 to 2009

2.2 表層沉積物中石油烴空間聚類和排序分析

圖3 各站位表層沉積物中石油烴的聚類分析Fig.3 Cluster of petroleum in surface sediments

對(duì)2004～2009年的調(diào)查海域20個(gè)監(jiān)測(cè)站位沉積物中石油烴進(jìn)行空間聚類分析,聚類結(jié)果如圖3所示,可以比較明顯的分為4組,第1組包括1、2、3、4號(hào)站位;第2組包括17、18、19、20號(hào)站位,第3組包括5、6、13、14、15、16號(hào)站位,第4組包括7、8、9、10、11、12號(hào)站位.為了驗(yàn)證聚類效果,應(yīng)用Bray-Curtis相似性指數(shù)計(jì)算各聚類分組的相似性水平,圖4是以Bray-Curits相似性為基礎(chǔ)的20個(gè)監(jiān)測(cè)站位組成的相似MDS圖,該圖分析的stress值為0.03<0.05,說(shuō)明該圖具有非常好的說(shuō)服力,依據(jù) MDS排序分析結(jié)果,2004～2009年的20個(gè)監(jiān)測(cè)站位沉積物中石油烴可以比較明顯的分為4組,與聚類分析結(jié)果一致(圖3),可以很好地解釋各站位沉積物中石油烴分布的相似關(guān)系.同時(shí),應(yīng)用Primer5.0對(duì)上述聚類和排序分析結(jié)果做ANOSIM分析,對(duì)各聚類組(1、3組,1、4組,1、2組,3、4組,3、2組,4、2組)的差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),結(jié)果為總體R=0.99,P (level%)=0.1%,表明各聚類組兩兩之間均具有顯著性差異(表 1),故可以把所有站位分為 4個(gè)類別組.

圖4 各站位表層沉積物中石油烴MDS排序分析Fig.4 MDS ordination of petroleum in surface sediments

2.3 表層沉積物中石油烴的空間分布

如圖5所示,6年間沉積物中石油烴的分布趨勢(shì)總體一致,局部存在差異,主體呈現(xiàn)出近岸高、外海低,沿岸到離岸方向呈逐漸降低的分布趨勢(shì),空間差異與變異水平一致.在調(diào)查海域西部近岸海域、東北偏東部海域有2個(gè)顯著的高值區(qū),最高值分別出現(xiàn)在2006年的8號(hào)站位、2008年的1號(hào)站位,分別為311.70,428.50mg/kg.同時(shí)分別以2個(gè)高值區(qū)為基礎(chǔ)形成了2個(gè)呈西北-東南、西-東走向的2個(gè)舌狀凸出等值線,其值在向外延展的過(guò)程中逐漸遞減.在調(diào)查海域的東南方向海域則常年存在一個(gè)石油烴含量的低值區(qū),最低值出現(xiàn)在2005年的20號(hào)站位,為50.05mg/kg.調(diào)查海域沉積物中石油烴的空間分布與長(zhǎng)江河口水下三角洲的走向相吻合,這是受其來(lái)源、水動(dòng)力條件以及沉積機(jī)理制約的結(jié)果.石油烴污染物主要來(lái)源于人類活動(dòng)輸入[1],長(zhǎng)江口作為世界第3大河的入海口,海域緊鄰工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江三角洲地區(qū),是流域物質(zhì)流的匯集之地,陸源輸送的石油烴污染物入海量巨大[21],進(jìn)入長(zhǎng)江口的石油烴受陸源輸送及水動(dòng)力條件控制,隨長(zhǎng)江沖淡水呈扇形向外海擴(kuò)展,在強(qiáng)烈的物理、化學(xué)和生物過(guò)程作用下,石油烴被懸浮顆粒物吸附、絮凝并沉淀,并在潮水作用下向沉積物深處遷移,使其殘留于沉積物的一定深度內(nèi)長(zhǎng)期滯留[22].此后隨著長(zhǎng)江沖淡水控制力的逐漸減弱,海水稀釋作用占據(jù)主導(dǎo)地位,沉積物中石油烴含量由近岸向遠(yuǎn)岸海域遞減,等值線也由與河口趨向于平行延展逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橼呄蛴谂c河口垂直的帶狀分布.

表1 聚類結(jié)果的ANOSIM分析Table 1 ANOSIM test of CA

對(duì)照監(jiān)測(cè)站位空間分布(圖 1),并參照孟翊等[23]、王麗萍等[24]對(duì)長(zhǎng)江口海域沉積物地球化學(xué)分區(qū)的研究,圖3中聚類分析所分類的4組監(jiān)測(cè)站位基本上分別對(duì)應(yīng)近岸最大渾濁帶區(qū)、遠(yuǎn)岸區(qū)、泥質(zhì)區(qū)和近岸區(qū).第1組監(jiān)測(cè)站位位于近岸最大渾濁帶區(qū),陸源輸送、排污口排污污染負(fù)荷較重,同時(shí)此區(qū)沉積物以泥質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)泥為主(圖 1),沉積物粒度較細(xì),擁有大比表面積,絮凝作用強(qiáng)烈,吸附污染物的能力相對(duì)于較大顆粒物要大很多,對(duì)石油烴具有“過(guò)濾”作用[25],地理位置和沉積物粒徑特性的疊加作用是第1組高于并區(qū)別于其他組的原因(圖6).第2組監(jiān)測(cè)站位位于較遠(yuǎn)海域,遠(yuǎn)離陸源污染,且開(kāi)放性海域也有利于污染物的擴(kuò)散,石油烴含量也最低(圖6).第3組監(jiān)測(cè)站位位于泥質(zhì)區(qū)(圖 1),沉積物粒度相比較最大渾濁帶更細(xì)(中值粒徑 6.9Φ),比表面積也更大[15],但由于海水的稀釋作用,輸送到此海域的石油烴量已經(jīng)減少,其值也低于近岸最大渾濁帶,具有區(qū)別于其余監(jiān)測(cè)站位的空間相似性(圖6).第4組監(jiān)測(cè)站位位于近岸區(qū),陸源輸送、排污口排污對(duì)這些監(jiān)測(cè)站位影響最為強(qiáng)烈,盡管其底質(zhì)類型與第1組一致,但其值低于吸附作用強(qiáng)烈的近岸最大渾濁帶(圖6).

圖5 表層沉積物中石油烴的平面分布(mg/kg)Fig.5 The distribution of petroleum in surface sediments(mg/kg)

圖6 各聚類分組石油烴含量Fig.6 Petroleum contents of different groups

3 結(jié)論

3.1 沉積物中石油烴含量范圍為 50.05～428.50mg/kg,平均含量為 176.25mg/kg,各年際間含量無(wú)顯著性差異(P>0.05),污染輕微.

3.2 沉積物中石油烴在空間尺度上可以劃分為4組,MDS排序分析支持劃分結(jié)果,ANOSIM分析表明各聚類組兩兩之間均具有顯著性差異.

3.3 沉積物中石油烴的分布趨勢(shì)總體一致,局部存在差異,主體呈現(xiàn)沿岸到離岸方向呈逐漸降低的分布趨勢(shì),石油烴分布為近岸最大渾濁帶最高,其次為近岸區(qū)和泥質(zhì)區(qū),在遠(yuǎn)岸區(qū)常年存在一個(gè)石油烴含量的低值區(qū).

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Characteristics of petroleum hydrocarbon pollution in surface sediments from the Changjiang Estuary and its adjacent areas.

LI Lei, JIANG Mei, WANG Yun-long, YUAN Qi, XU Guo-dong, SHEN Xin-qiang*
(East China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200090, China). China Environmental Science, 2014,34(3)：752～757

In order to investigate the characteristics of the distribution and pollution level of the petroleum hydrocarbon in surface sediments. Based on data obtained from the Changjiang Estuary and its adjacent areas in the rainy season from year 2004to 2009, the distribution characteristics and pollution level of the petroleum hydrocarbon in surface sediments analyzed, and their influencing mechanisms was further analyzed. The average content of the petroleum hydrocarbon was 176.25mg/kg and there was almost no pollution in the investigation area. The distribution pattern of the petroleum hydrocarbon was decreased from the alongshore to the open sea and hydrographic dynamics, adsorption and flocculation played important roles in the distribution of the petroleum. According to the spatial analysis results, the petroleum hydrocarbon in surface sediments was classified into four areas and the results were supported by multidimensional analysis and ANOSIM test. The investigation area could classify into inshore turbidity maximum areas, inshore areas, muddy areas, and there was a perennial low value area in the offshore area located in the southeast.

the Changjiang Estuary；surface sediments；petroleum hydrocarlon；spatial distribution

X171

：A

：1000-6923(2014)03-0752-06

李 磊(1985-),男,安徽亳州人,助理研究員,碩士,研究方向?yàn)楹Ｑ笊鷳B(tài).發(fā)表論文25篇.

2013-06-23

國(guó)家“973”項(xiàng)目(2010CB429005);農(nóng)業(yè)部應(yīng)對(duì)溢油關(guān)鍵技術(shù)專項(xiàng)(2012-2014)

* 責(zé)任作者, 研究員, xinqiang_shen@hotmail.com