海南島東部陸架表層沉積物重金屬污染評價

徐方建,閆慧梅,田 旭,邱隆偉,劉兆慶,李安春,趙永芳,殷學(xué)博

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海南島東部陸架表層沉積物重金屬污染評價

徐方建1,2*,閆慧梅1,田 旭3,邱隆偉1,劉兆慶1,李安春4,趙永芳4,殷學(xué)博4

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580；2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071；3.國家深?；毓芾碇行?山東 青島 266237；4.中國科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071)

對海南島東部陸架29個站位的表層沉積物重金屬元素(Cu、Cr、As、Pb、Zn和Cd)進(jìn)行了含量測試及分布特征分析,采用地累積指數(shù)(geo)、富集因子(EF)和潛在生態(tài)危害指數(shù)對其進(jìn)行了評價.研究結(jié)果表明:重金屬含量空間分布趨勢較為相似,呈現(xiàn)出由陸向海略微減小的趨勢.6種重金屬元素可能有相同或相似的來源,但Pb和As受到了人類活動影響.以上地殼和海南島近岸未受污染沉積物為背景值的geo和EF值排序有所不同.研究區(qū)單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值排序?yàn)镃d>As>Cu>Pb>Cr>Zn,Cu、Cr、Pb和Zn等4種重金屬為輕微潛在生態(tài)危害,As和Cd在個別站位達(dá)到了中等潛在生態(tài)危害水平.綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)評價結(jié)果顯示,研究區(qū)絕大多數(shù)站位處于輕微潛在生態(tài)危害水平.潛在生態(tài)危害水平相對較高的區(qū)域鄰近萬泉河、陵水河和三亞河河口.

陸架；海南島；表層沉積物；重金屬；污染

近年來,隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,重金屬污染物通過河流等進(jìn)入近岸海域,絕大部分迅速轉(zhuǎn)移至沉積物中被儲存下來[1-2].當(dāng)水體環(huán)境發(fā)生改變時,沉積物中的重金屬污染物可能重新釋放到水體中[3-4],不但會對生物產(chǎn)生危害,而且還會通過食物鏈的方式向人體轉(zhuǎn)移,從而威脅人類的健康[5].因此,近海海域環(huán)境質(zhì)量問題受到了越來越多的關(guān)注.近年來,諸多學(xué)者對中國渤海[6-7]、黃海[8-9]、東海[10-11]和南海[12-14]等近海海域沉積物重金屬污染進(jìn)行了大量研究工作.

海南島是我國第二大島嶼,位于中國大陸南端,具有熱帶季風(fēng)型海洋性氣候,終年高溫,平均氣溫為22~26℃,雨量充沛,年降雨量為960~ 2140mm[15].海南島沿岸自然環(huán)境相對較好,但近年來工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水排放以及旅游業(yè)的迅速發(fā)展使海南島周邊海域環(huán)境受到一定程度的影響[16-17].關(guān)于南海北部海域重金屬污染研究已有報(bào)道,但多側(cè)重于河口[13,16,18]、海灣[19-21]以及潮間帶[22]等,對陸架區(qū)的研究程度仍然偏低.因此,南海北部海南島鄰近陸架區(qū)沉積物重金屬污染應(yīng)該得到重視.本文對位于海南島東部陸架的29個表層沉積物樣品進(jìn)行了重金屬元素(Cu、Cr、As、Pb、Zn和Cd)分析,以期為海南島鄰近海域海洋生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展及污染防治提供參考依據(jù).

1 材料和方法

1.1 樣品采集與測試

29個沉積物表層樣品由中國石油大學(xué)(華東)2012~2014年采自于海南島東部陸架(圖1).根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》[23]海洋底質(zhì)采樣要求,取其未受干擾的表層樣品.航次由國家自然科學(xué)基金委員會資助,所用考察船為中國科學(xué)院南海海洋研究所的“實(shí)驗(yàn)3號”考察船.

粒度樣品經(jīng)30% H2O2和1mol/L HCl處理去除有機(jī)質(zhì)和貝殼、有孔蟲等鈣質(zhì)后,在國家海洋局第一海洋研究所用Malvern Mastersizer 3000激光粒度儀進(jìn)行了粒度測量.測量范圍為0.01~ 3500.0μm,重復(fù)測試的相對誤差小于1%.

表1 元素測試值與標(biāo)準(zhǔn)值對比(μg/g)Table 1 Certified and measured values of heavy metal concentrations in the standard reference materials(μg/g)

注:- 表示未測試或無相關(guān)數(shù)據(jù).

化學(xué)元素樣品加入30% H2O2和1mol/L HCl處理后,烘干、研磨至200目以下,送至中國科學(xué)院海洋研究所進(jìn)行重金屬元素(Cu、Cr、As、Pb、Zn和Cd)含量測試.測試方法如下:(1)準(zhǔn)確稱取0.04g樣品置于聚四氟乙烯內(nèi)膽中,加入1.5mL HF和0.5mL HNO3置于防腐烘箱中150℃加熱消解12h,冷卻;(2)開蓋,加入0.25mL HClO4于150 ℃電熱板上趕酸,蒸至近干,有白煙冒出;(3)加入0.4mL 1.0mg/L Rh、1mL高純水和1mLHNO3置于防腐不銹鋼外套內(nèi),于150℃防腐烘箱中回溶6h;(4)取出聚四氟乙烯內(nèi)膽,將溶液轉(zhuǎn)移到40mL聚乙烯瓶中,用高純水稀釋至40mL(不定容、不稱重)搖勻,待測.所用儀器為美國產(chǎn)Elan DRCⅡ型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS).為了監(jiān)控測試精度和準(zhǔn)確度,利用國家海洋沉積物一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07315、GBW07316和美國地質(zhì)調(diào)查局玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BCR-2、BHVO-2作了質(zhì)量監(jiān)控(表1).

1.2 研究方法

1.2.1 地累積指數(shù) 地累積指數(shù)(geo)由德國科學(xué)家Müller[24]提出,是用于研究重金屬污染程度的定量指標(biāo),目前得到了廣泛應(yīng)用[6-7,25-26].地累積指數(shù)的計(jì)算公式如下:

geo=log2[(C)/(KB)] (1)

式中:C表示樣品中元素的實(shí)測含量;B表示元素的地球化學(xué)背景值;表示修正指數(shù).為考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變化而取的系數(shù)(一般取=1.5).B選用了上地殼[27]和海南島近岸(DNC01孔)未受污染沉積物[28]的元素平均含量.各元素的取值分別為Cu(28/20.15)、Cr(92/45.24)、As(4.8/4.49)、Pb(17/31.72)、Zn(67/60.80)和Cd(0.09/0.19).表2為geo值與重金屬污染程度的關(guān)系.

表2 Müller地累積指數(shù)分級[24]Table 2 Müller classification of geo-accumulation index of the heavy metals[24]

1.2.2 富集因子 富集因子(EF)被廣泛用于區(qū)分重金屬的自然和人類活動來源以及反映環(huán)境污染狀況[6,8,13,29].富集因子的計(jì)算方法是將樣品中元素的含量與保守性元素進(jìn)行對比,將重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)化,計(jì)算公式如下:

EF=(X/X)sample/(X/X)baseline(2)

式中:X和X分別表示重金屬元素和標(biāo)準(zhǔn)化元素的含量;sample和baseline分別表示樣品和背景;標(biāo)準(zhǔn)化元素X選擇元素Al[6,8,13].本研究中背景值分別選用上地殼[27]和海南島近岸未受污染沉積物的元素平均含量[28].根據(jù)富集因子的大小, Sutherland[30]將污染程度劃分為5個級別:無污染至輕污染(EF<2);中度污染(2￡EF<5);顯著污染(5￡EF<20);強(qiáng)烈污染(20￡EF<40);極強(qiáng)污染(EF> 40).

表3 重金屬潛在生態(tài)危害程度及等級劃分Table 3 Ranking of contamination and potential ecological risks based onEriand RI

3 潛在生態(tài)危害指數(shù) 采用瑞典學(xué)者H?kanson[31]提出的沉積物評價方法,對海南島東部陸架表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害進(jìn)行評價.該方法不僅反映了某一特定環(huán)境下沉積物中各種污染物對環(huán)境的影響,而且反映了環(huán)境中多種污染物的綜合效應(yīng)[3],并用定量方法劃分出了潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度[31],因而是重金屬污染評價中應(yīng)用最為廣泛的方法之一[3,6,12,22,31].根據(jù)這一方法,區(qū)域內(nèi)沉積物中第種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(E)以及綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)的計(jì)算公式分別為

C=C/C(3)

E=T×C(4)

RI=ΣE(5)

式中:C和C分別為重金屬含量的實(shí)測值和背景值;C為重金屬的富集系數(shù);T為重金屬的毒性系數(shù).重金屬背景值C采用海南島近岸未受污染沉積物的元素平均含量[28].重金屬的毒性系數(shù)T分別為Cu(5)、Cr(2)、As(10)、Pb(5)、Zn(1)、Cd(30)[31].因?yàn)楸狙芯克鶞y沉積物重金屬元素少于H?kanson[31]提出的8種元素,故根據(jù)文獻(xiàn)[3,32]的調(diào)整方法,對本文綜合生態(tài)危害指數(shù)RI的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整.表3為潛在生態(tài)危害系數(shù)E與調(diào)整后的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI評價標(biāo)準(zhǔn).

2 結(jié)果

2.1 沉積物粒度

研究區(qū)沉積物總體偏粗,平均粒徑為17.8~ 184.5μm.沉積物以粉砂為主,含量為26.8%~ 84.3%,平均為60.7%.其次是砂,含量為3.6%~ 66.8%,平均為26.9%.含量最低的是粘土,平均為12.4%.

2.2 重金屬含量與空間分布特征

表4為海南島東部陸架表層沉積物重金屬含量分析結(jié)果.根據(jù)海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB18668- 2002)[33]可見,本區(qū)大部分重金屬沉積物最高值均未超過I類標(biāo)準(zhǔn),其中As、Pb和Cd的平均值不及I類標(biāo)準(zhǔn)的一半.只有Cu在部分站位超過I類標(biāo)準(zhǔn),超標(biāo)率為24%,但未超過Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn).

如圖2所示,Cu、Cr、As、Pb、Zn和Cd等6種重金屬元素空間分布趨勢較為相似,呈現(xiàn)出由陸向海略微減小的趨勢,重金屬含量低值區(qū)基本位于研究區(qū)的東北部,高值區(qū)基本位于研究區(qū)的中部和南部,恰好鄰近萬泉河、陵水河和三亞河.已有研究結(jié)果表明,海南島東部河流受到了不同程度的重金屬污染[28,36],且由于海南島獨(dú)特的地勢(中間高四周低),使得海南島東部河流物質(zhì)極易到達(dá)鄰近陸架區(qū)[13,37].因此,該區(qū)重金屬污染主要受到了海南島東南部河流(萬泉河、陵水河和三亞河)的影響.這與已有研究發(fā)現(xiàn)河口區(qū)域(如渤海灣河口[9]、長江口[38]、珠江口[39])污染程度通常相對嚴(yán)重較為一致.此外,重金屬高值區(qū)的分布還可能與沉積物粒度有關(guān).

3 討論

3.1 相關(guān)性分析

沉積物的粒度是控制重金屬含量的一個重要因素[40-42].為探討海南島東部陸架的重金屬來源,對重金屬含量與細(xì)粒級組分(<63μm)含量進(jìn)行相關(guān)性分析,可以看出,Cu、Cr、Zn和Cd等與細(xì)粒級組分含量的相關(guān)系數(shù)均在0.5以上(表6),即沉積物粒徑越細(xì),這些元素含量越高.Cu、Cr、Zn和Cd兩兩之間相關(guān)系數(shù)大多在0.8以上,呈極顯著正相關(guān),說明這4種元素可能有相同或相似的來源.As和Pb與以上4種重金屬元素相關(guān)系數(shù)為0.5~0.8,說明其來源在一定程度上有著相似性,但是沉積物細(xì)粒級組分與As和Pb基本無相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)小于0.3),說明As和Pb受到了人類活動的影響[13,36,43].Pb與其他重金屬元素相關(guān)性都不是特別顯著,這一類似的現(xiàn)象還出現(xiàn)在珠江口[43]和海南島昌化江河口及鄰近的陸架區(qū)[13],已有的研究認(rèn)為其可能受到了大氣沉降和航海過程中油氣燃燒等因素的影響[43-44].

表6 海南島東部陸架表層沉積物重金屬含量與細(xì)粒級組分相關(guān)性分析Table 6 Pearson’s correlation analysis of heavy metal contents and fine components in the surface sediment in the eastern continental shelf of Hainan Island

注: **在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān),*在0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān),<63μm代表體積含量.

3.2 地累積指數(shù)評價

以上地殼重金屬元素含量[27]為背景值,海南島東部陸架表層沉積物各重金屬元素的geo范圍分別為:Cu,-1.62~0.10(平均值為-0.57),Cr,-2.09~ -0.90(平均值為-1.30),As,-1.9~1.37(平均值為-0.11),Pb,-1.20~0.29(平均值為-0.46),Zn,-1.41~ 0.19(平均值為-0.34),Cd,-0.91~1.39(平均值為0.39).Cr全部站位污染程度為無污染,Cu、Zn和Pb小部分站位污染程度為輕度~中度,As和Cd污染程度最高,少部分站位污染程度為中度.如圖3(a)所示,污染程度排序?yàn)镃d>As>Pb>Zn>Cu> Cr.

以海南島近岸未受污染沉積物重金屬元素含量[28]為背景值,各元素geo范圍分別為:Cu, -1.14~0.57(平均值為-0.10),Cr,-1.07~0.12(平均值為-0.27),As,-1.82~1.46(平均值為-0.02),Pb, -0.21~-0.61(平均值為-1.36),Zn,-1.27~0.33(平均值為-0.20),Cd,-1.99~0.31(平均值為-0.69).Pb和Cd幾乎所有站位的污染程度為無污染,Zn和Cr小部分站位為輕度~中度,Cu約有一半站位污染程度達(dá)到輕度~中度,As個別站位污染程度達(dá)到中度.如圖3(b)所示,污染程度排序?yàn)锳s>Cu>Zn> Cr>Cd>Pb.

3.3 富集因子評價

以上地殼重金屬元素含量[27]為背景值,各重金屬元素的EF范圍分別為:Cu,1.16~1.80(平均值為1.39),Cr,0.71~1.22(平均值為0.84),As,0.65~ 4.84(平均值為2.11),Pb,0.75~2.53(平均值為1.56),Zn,1.23~2.84(平均值為1.64),Cd,1.77~ 5.54(平均值為2.78).Cu和Cr所有站位污染程度為無污染~輕微污染,Zn和Pb有極個別站位為中度污染,As有一半左右站位為中度污染,Cd污染程度最高,有1個站位達(dá)到顯著污染水平.如圖4(a)所示,污染程度排序?yàn)镃d>As>Pb>Zn> Cu>Cr.

以海南島近岸未受污染沉積物重金屬元素含量[28]為背景值,各重金屬元素的EF范圍分別為:Cu,1.31~2.03(平均值為1.57),Cr,1.17~2.02(平均值為1.39),As,0.57~4.21(平均值為1.83),Pb, 0.33~1.10(平均值為0.68),Zn,1.10~2.54(平均值為1.47),Cd,0.68~2.14(平均值為1.07).Cu、Cr、Pb、Zn和Cd幾乎全部站位為無污染~輕微污染, As部分站位達(dá)到中度污染.如圖4(b)所示,污染程度排序?yàn)锳s>Cu>Zn>Cr>Cd>Pb.

總體來看,以上地殼和海南島近岸未受污染沉積物為背景值的geo和EF值排序有所不同(圖3~圖4).評價結(jié)果均顯示As為研究區(qū)內(nèi)污染程度較高的元素.以海南島近岸未受污染沉積物為背景值的geo和EF值排序中,元素Cu的污染程度為第2位,遠(yuǎn)高于以上地殼為背景值的污染排序.這與6種元素中只有Cu的含量超過海洋沉積物重金屬國家I類標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論較為一致.以上地殼為背景值時,Cr的值與上地殼背景值很接近,其為6種重金屬中污染最低.以海南島近岸未受污染沉積物為背景值時,由于Pb的值與海南島近岸未受污染沉積物背景值很接近,其成為6種重金屬中污染程度最低的.顯然,利用不同的背景值獲得的geo和EF值是不同的.選用上地殼為背景值,雖然可以降低最近一兩百年來工業(yè)生產(chǎn)污染對評價的不利影響,但卻可能忽視了不同區(qū)域自然條件對元素遷移的影響.因此,選用區(qū)域性的海南島近岸未受污染沉積物為背景值,可避免選用上地殼元素平均值為背景值的缺陷.實(shí)際上,在已有的研究中,已經(jīng)越來越多的關(guān)注或是使用不同區(qū)域的土壤或是沉積物元素含量作為背景值[45-48].

3.4 潛在生態(tài)危害評價

單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值排序?yàn)镃d> As>Cu>Pb>Cr>Zn.如表7所示,Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)E的平均值約是Zn的22倍、Cr的12倍、Pb的10倍、Cu的4倍、As的2倍,此結(jié)果表明Cd對RI的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他重金屬元素.Cu、Cr、Pb和Zn等4種重金屬的E均小于40(輕微潛在生態(tài)危害),只有As和Cd個別站位的E值介于40~80之間(中等潛在生態(tài)危害).可見,海南島東部陸架沉積物中重金屬As和Cd為主要潛在生態(tài)危害因子.

綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI表明,研究區(qū)絕大多數(shù)站位處于輕微潛在生態(tài)危害水平.風(fēng)險(xiǎn)相對較高的區(qū)域靠近萬泉河、陵水河和三亞河河口,這可能與海南島沿岸人類活動較密集導(dǎo)致入海河流帶來一定污染物有關(guān).

表7 重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)(Eri)和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)Table 7 Values of individualpotential ecological risk index (Eri) and requested potential ecological risk index (RI)

4 結(jié)論

4.1 海南島東部陸架表層沉積物重金屬元素含量相對較低且變化范圍較大.部分站位的Cu符合海洋沉積物重金屬國家Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn),其他5種元素都符合I類標(biāo)準(zhǔn).重金屬含量空間分布趨勢較為相似,表現(xiàn)出由陸向海略微減小的趨勢.重金屬污染主要受到海南島東南部河流的影響.Cu、Cr、As、Pb、Zn和Cd等6種重金屬可能有相同或相似的來源,但和Pb還受到人類活動的影響.

4.2 以上地殼和海南島近岸未受污染沉積物為背景值的geo和EF值排序有所不同.選用上地殼為背景值忽視了不同區(qū)域自然條件對元素遷移的影響,而選用海南島近岸未受污染沉積物為背景值,則可避免選用上地殼為背景值的缺陷.

4.3Cu、Cr、Pb和Zn處于輕微潛在生態(tài)危害水平,As和Cd在個別站位達(dá)到中等潛在生態(tài)危害水平.綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)評價結(jié)果認(rèn)為,研究區(qū)絕大多數(shù)站位處于輕微潛在生態(tài)危害水平.潛在生態(tài)危害水平相對較高的區(qū)域鄰近萬泉河、陵水河以及三亞河河口.因此,海南島東部河流以及陸架沉積物的重金屬污染和生態(tài)危害應(yīng)該得到一定的重視.

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* 責(zé)任作者, 副教授, xufangjiangg@163.com

Evaluation of heavy metal pollution in surface sediments in thecontinental shelf to the east of Hainan Island

XU Fang-jian1,2*, YAN Hui-mei1, TIAN Xu3, QIU Long-wei1, LIU Zhao-qing1, LI An-chun4, ZHAO Yong-fang4, YIN Xue-bo4

(1.School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China；2.Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China；3.National Deep Sea Center, Qingdao 266237, China；4.Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)., 2016,36(5)：1530~1539

The distribution and concentrations of six heavy metals (Cu, Cr, As, Pb, Zn, and Cd) in 29 surface sediment samples collected from the eastern continental shelf of Hainan Island were determined in this study. The geo-accumulation index (geo), the enrichment factor (EF), and the potential ecological risk index (PERI) were analyzed to assess the potential contamination and the environmental risks associated with heavy metals. Generally, the concentrations of 6 heavy metals showed a similar distribution pattern, and were slightly decreased from the coast toward offshore. It was possible that these heavy metals shared similar sources, whereas the levels of Pb and As were influenced by anthropogenic activities. There were differences in thegeoand EF values obtained from upper continental crust and the unpolluted sediment in offshore of Hainan Island. The average individual potential risk index of heavy metals showed the order Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn, suggesting “l(fā)ow potential ecological risks” of Cu, Cr, Pb and Zn. There were only a few sites possessing “considerable potential ecological risks” of As and Cd. PERI indicated that most of the sites could be categorized as “l(fā)ow potential ecological risks” in the studied area. The areas with higher potential ecological risks were near Wanquanhe, Lingshuihe and Sanyahe.

continental shelf；Hainan Island；surface sediments；heavy metals；contamination

X508,P736.4+1

A

1000-6923(2016)05-1530-10

徐方建(1982-),男,山東濟(jì)南人,副教授,博士,主要從事海洋沉積與礦物學(xué)研究.發(fā)表論文30余篇.

2015-10-13

國家自然科學(xué)基金(41106040,41430965);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助(12CX02003A)