欽州灣南部表層沉積物重金屬分布及生態(tài)危害評價

王恩康,孫永根*,夏 鵬,佟智成,金玉休,徐艷東,閆文文,王 晶

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1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;2.欽州市海洋環(huán)境監(jiān)測預報中心,廣西欽州535000; 3.山東省海洋資源與環(huán)境研究院,山東煙臺264006)

欽州灣南部表層沉積物重金屬分布及生態(tài)危害評價

王恩康1,孫永根1*,夏 鵬1,佟智成2,金玉休1,徐艷東3,閆文文1,王 晶1

(

1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;2.欽州市海洋環(huán)境監(jiān)測預報中心,廣西欽州535000; 3.山東省海洋資源與環(huán)境研究院,山東煙臺264006)

分析2013年欽州灣南部海域的表層沉積物樣品,擬對其7種重金屬元素質量分數(shù)的空間分布特征進行探討。采用單因子污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對沉積物污染程度及其潛在生態(tài)危害進行評價,并利用主成分分析法對其重金屬的潛在來源進行解析,結合2011年和2012年同區(qū)的調查數(shù)據(jù)對近3 a來重金屬質量分數(shù)的變化趨勢進行研究。研究發(fā)現(xiàn):重金屬Pb,Cr,Hg,As質量分數(shù)在研究區(qū)中南部海域較高,Cu和Zn在犀牛腳外側海域質量分數(shù)整體較高,Cd在研究區(qū)西北側的欽州港南部海域質量分數(shù)較高;Cd的生態(tài)危害達到中度危害水平,其他6種重金屬(Cu,Pb,Zn,Cr,Hg,As)生態(tài)危害程度較輕;重金屬的潛在來源主要為欽州港周邊海上交通排污、港口疏浚和周邊河流陸源排污;2013年調查的Zn和Hg質量分數(shù)均明顯高于2011年和2012年的。

欽州灣;表層沉積物;重金屬;時空分布;生態(tài)危害

沉積物是重金屬污染物的“貯存庫”和載體,其賦存的重金屬會隨沉積環(huán)境的改變而釋放到水中,水中的重金屬也會經(jīng)過物理化學作用富集在表層沉積物中;因此,表層沉積物同時充當著重金屬的“源”和“匯”。重金屬是一類難以消除的富集性污染物,具有污染殘留時間長、易蓄積、不易被微生物降解等特征,通過食物鏈在生物體內循環(huán)和富集,能破壞生物體正常的生理代謝活動,對生物體潛在威脅極大[1]。因此,沉積物中重金屬的污染狀況是當前重金屬研究的熱點和首要問題[2-3]。

欽州灣位于北部灣頂部,廣西沿岸中段;由內灣和外灣構成,屬半封閉型的天然海灣。該灣口門寬約29 km,縱深約39 km,海灣面積約380 km2[4]。灣內海洋經(jīng)濟魚類豐富,沿岸紅樹林發(fā)育茂密,也是白海豚的重要棲息地。一直以來,欽州灣作為重要的環(huán)境保護區(qū)域,其環(huán)境質量的要求相對較高。但近年來欽州灣沿岸工業(yè)發(fā)展迅速,加上環(huán)境基礎設施建設還不完善,2012年欽州市工業(yè)污水排放量高達1 791×104t,對近海海域的環(huán)境污染和生態(tài)破壞逐步顯現(xiàn)。近來對欽州灣沉積物的重金屬污染研究多集中于空間分布特征方面[2,5-6],不能反映其重金屬質量分數(shù)的時空變化規(guī)律及其潛在來源。我們以2013年獲取的欽州灣南部海域的表層沉積物為研究對象,在其單因子評價、潛在生態(tài)危害評價和源解析的基礎上,結合2011和2012年的重金屬數(shù)據(jù)對其時間演變規(guī)律進行探索,以期為欽州灣南部海域重金屬的污染治理提供數(shù)據(jù)支撐。

(高 峻 編輯)

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域的站位分布

2011-11,2012-09和2013-03,我們委托廣西紅樹林研究中心在欽州灣南部海域進行表層沉積物樣品采集,站位數(shù)分別為20站、12站和19站,具體站位見圖1。樣品采集按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》樣品的采集、貯存和運輸要求[7]進行。采用重力抓斗采集浮泥以下0～2 cm表層沉積物樣品密封于雙層聚乙烯袋內,低溫冷凍保存直至樣品分析。

圖1 研究區(qū)域及采樣站位Fig.1 Study area and sampling sites

1.2 樣品分析方法

樣品分析按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》沉積物分析的方法[8]執(zhí)行,采用原子熒光光譜儀和原子吸收分光光度計測試樣品中7項重金屬元素(As,Hg,Zn,Cr,Cu,Cd,Pb),準確度(ΔlgC)控制在0.110～0.112,精密度(RSD)控制在10%～20%。其中,As和Hg采用原子熒光光譜法(SK-2003AZ)測試,Zn,Cr,Cu,Cd,Pb采用原子吸收分光光度法(WFX-120)測試,檢出限分別為0.06,0.002,6.0,2.0,2,0.04,1.0 mg/kg。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染評價

基于《海洋沉積物質量》[9]中的一類沉積物質量標準,計算單一污染物的環(huán)境質量指數(shù),其計算公式:式中:Pi為第i項污染物的環(huán)境質量指數(shù);Ci為第i項污染物的實測質量分數(shù);Si為第i項污染物的評價標準。

1.3.2 潛在生態(tài)危害評價

采用瑞典科學家H?kanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[10]對重金屬的單因子富集系數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)進行評價,計算公式:

表1 潛在生態(tài)危害指標及分級[3,10]Table 1 Potential ecological risk indices and classification

2 結果與討論

2.1 重金屬元素質量分數(shù)及其空間分布特征

2013-03獲取的欽州灣南部海域表層沉積物中Cu的變化范圍為3.78～51.96 mg/kg,均值±偏差為(13.54±10.05)mg/kg;Pb的變化范圍為3.65～18.65 mg/kg,均值±偏差為(10.45±4.68)mg/kg;Zn的變化范圍為8.01～496.65 mg/kg,均值±偏差為(134.62±132.41)mg/kg;Cd的變化范圍為0.01～0.21 mg/ kg,均值±偏差為(0.09±0.06)mg/kg;Cr的變化范圍為6.48～50.41 mg/kg,均值±偏差為(23.34±11.06) mg/kg;Hg的變化范圍為0.017～0.092 mg/kg,均值±偏差為(0.054±0.020)mg/kg;As的變化范圍為7.64～19.70 mg/kg,均值±偏差為(11.97±3.15)mg/kg。其中:Pb,Cr,Hg,As質量分數(shù)在研究區(qū)中南部海域較高,Cu和Zn在犀牛腳外側海域質量分數(shù)整體較高,Cd質量分數(shù)高值區(qū)主要分布在研究區(qū)西北側的欽州港南部海域,其空間分布特征詳見圖2。

2.2 重金屬單因子污染指數(shù)評價

參照《海洋沉積物質量》中的沉積物質量標準[9],計算2013年每個站位各污染物的環(huán)境質量指數(shù)。結果表明:除Cu和Zn外,其他污染物均符合一類沉積物質量標準,沉積物質量狀態(tài)良好。所有站位的Cu和Zn分別符合二類和三類沉積物質量標準(表2)。

圖2 2013-03重金屬元素(Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg,As)質量分數(shù)(mg·kg-1)的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of heavy metals(Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg,As)in March 2013

表2 重金屬元素的單因子評價指數(shù)Table 2 Single-factor evaluation indices of heavy metals in the surface sediments

2.3 重金屬潛在生態(tài)危害評價

單因子污染指數(shù)法僅將污染物的實測質量分數(shù)與《海洋沉積物質量》中規(guī)定的數(shù)值[9]進行比較,未考慮不同重金屬間的毒性差異,并不能很好地反映研究海域的污染程度及其潛在生態(tài)危害。有鑒于此,利用潛在生態(tài)危害指數(shù)對2013年欽州灣南部海域表層沉積物中的重金屬進行評價,以期了解其潛在生態(tài)危害程度。2.3.1 表層沉積物中重金屬的富集特征

為保證我們選用的背景值能夠最大程度代表欽州灣的實際背景,選擇Dou等[11]在北部灣東部的研究數(shù)據(jù),其研究范圍與我們研究區(qū)基本一致,作為本次評估的背景值較為合適。Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg,As的背景值(CiR)分別為68.4,34.2,57.4,0.08,45.3,0.09,18.1 mg/kg。

將欽州灣南部海域表層沉積物中各重金屬元素質量分數(shù)代入式(2),計算結果列于表3中。

表3 表層沉積物中各重金屬的富集系數(shù)(Cif)Table 3 Enrichment coefficients of heavy metals(Cif)in the surface sediments

分析欽州灣南部海域表層沉積物中各種重金屬的富集系數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn),沉積物中重金屬Zn的富集程度最大,平均富集系數(shù)為2.35,有26%的站位屬于強污染水平,位于外灣東側、犀牛腳北側海域的13-3和13-4站的富集系數(shù)分別達8.65和7.07;其次是重金屬Cd和As,平均富集系數(shù)分別為1.15和0.66,其中,Cd有47%的站位屬于中等污染水平,As僅有1個站位屬于中等污染水平。Cr和Hg富集系數(shù)平均值均小于1,屬于輕微污染,但重金屬Cr有2個站位屬于中等污染,重金屬Hg有1個站位屬于中等污染。富集程度較低的重金屬依次為Pb和Cu,其富集系數(shù)均小于1,屬于低污染水平。

2.3.2 潛在生態(tài)危害評價

重金屬的毒性響應系數(shù)用于指示重金屬的毒性水平以及對生物的敏感程度。H?kanson的評價模型中7種重金屬元素的毒性大小依次為Hg＞Cd＞As＞Pb=Cu＞Cr＞Zn[10,12-13],Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg,As重金屬元素的毒性響應系數(shù)(Tir)[14]分別為5,5,1,30,2,40,10。

分別將表3中各重金屬元素的富集系數(shù)(Cif)和各重金屬元素的毒性響應系數(shù)(Tir)代入式(3)和式(4),分別得到該海域表層沉積物中各重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Eir)和沉積物中重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI),將計算結果列于表4。

表4 表層沉積物中各重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Eir)和危害指數(shù)(RI)Table 4 Potential ecological risk coefficients(Eir)and risk indices(RI)of heavy metals in the surface sediments

結果表明:各重金屬的所有潛在生態(tài)危害系數(shù)Eir＜80,最大值出現(xiàn)在13-18站的Cd元素(78.75);所有站位的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI＜150,屬輕微生態(tài)危害范疇。研究海域表層沉積物重金屬中除Cd的綜合潛在生態(tài)危害系數(shù)(40～80)達到中度危害水平外,其他6種重金屬(Cu,Pb,Zn,Cr,Hg,As)的綜合潛在生態(tài)危害系數(shù)＜40,屬于輕微生態(tài)危害程度。

圖3 表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of potential ecological risk of heavy metals in the surface sediments

分析重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)的空間分布特征(圖3),發(fā)現(xiàn)欽州港南部海域以及研究區(qū)中南部海域潛在生態(tài)危害指數(shù)較高,而研究區(qū)西側和東側相對較低,其分布規(guī)律與周邊海洋開發(fā)活動息息相關,其中陸源污染物、港口疏浚物和海上交通排污是重要的影響因素。

2.4 重金屬污染物的源解析

主成分分析法(PCA)已廣泛應用于海洋沉積物中重金屬污染物的源解析[15-19]?，F(xiàn)以2013年重金屬Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg和As的質量分數(shù)為參數(shù),其Bartlett球形檢驗統(tǒng)計量為58.32(P＜0.01),KMO檢驗值為0.67;表明數(shù)據(jù)間存在較強的相關關系,適宜做主成分分析?；赟PSS 13.0 for windows數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件,在對原始矩陣數(shù)據(jù)歸一化處理的基礎上,按特征值≥1的標準提取主成分;共獲得3個主成分PC1,PC2和PC3,進而對各主成分的方差貢獻進行解析[20]。3個主成分的累計方差為77.88%,反映了沉積物中重金屬潛在來源的多數(shù)信息,其特征值和方差貢獻詳見表5。

PC1的方差貢獻為40.55%,Pb,Cr,Hg,As占的荷載較高。Pb,Cr,Hg,As質量分數(shù)具有較為一致的空間分布特征,在研究區(qū)中南部海域較高,在其他區(qū)域相對較低。已有研究表明,Pb主要受陸源排污、海上交通排污及大氣沉降等影響,Cr主要為礦山開采和工業(yè)污染物等隨河流輸入海洋,Hg主要來源于陸源河流輸入和大氣沉降等[1,18,21],As在自然環(huán)境中存在極少,受農藥和化肥的使用、煤渣排污的影響較大。研究區(qū)的中部和南部為港口航運區(qū),海上交通運輸頻繁,海上交通排污可能為Pb,Cr,Hg,As質量分數(shù)較高的重要原因。PC2的方差貢獻為18.91%,Cu和Zn占的載荷較高,兩者在犀牛腳外側海域質量分數(shù)整體較高。研究結果顯示,Cu和Zn主要來源一般為工業(yè)污染、陸地巖石以及土壤風化產(chǎn)物[21]。犀牛腳臨近海岸主要砂質海岸和基巖海岸,其Cu和Zn的背景值較高,風化產(chǎn)物是Cu和Zn的主要來源。PC3的方差貢獻為18.42%,Cd占的荷載較高,其高值區(qū)主要分布在研究區(qū)西北側的欽州港南部海域,港口疏浚物是影響其質量分數(shù)空間分布的重要因素[19-20]。此外研究區(qū)周邊分布有多條河流,西北部有茅嶺江和欽江,北部有大風江和武利江入海,陸源污染物隨河流入海對研究區(qū)各元素質量分數(shù)均產(chǎn)生了重要影響。

表5 主成分分析(PCA)計算結果Table 5 Calculation results of principal component analysis(PCA)

2.5 重金屬元素的時間變化趨勢

分析欽州灣南部海域2011-11,2012-09和2013-03表層沉積物調查數(shù)據(jù),對欽州灣南部海域表層沉積物重金屬的時間變化趨勢進行研究(表6)。運用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對調查數(shù)據(jù)進行處理,分別得到研究區(qū)域潛在生態(tài)危害指數(shù)分布特征(圖4)。

表6 2011-2013年重金屬質量分數(shù)的時間變化特征(mg·kg-1)Table 6 Temporal characteristics of heavy metals in 2011-2013(mg·kg-1)

分析可知,1)Cu質量分數(shù)在2011-2012年增幅很大,其平均質量分數(shù)從7.68 mg/kg增加至16.52 mg/kg,增幅高達115%,但2012-2013年有小幅回落,降幅18%;2)Pb質量分數(shù)在2011-2012年增幅較大,增幅達72%,但2012-2013年也出現(xiàn)小幅回落,降幅約40%;3)Zn質量分數(shù)在2011-2012年出現(xiàn)小幅增加,增幅約27%,隨后在2012-2013年出現(xiàn)大幅增長,增幅高達140%;4)Cd質量分數(shù)在2011-2012年出現(xiàn)50%的增幅,在2012-2013年又出現(xiàn)大幅回落,降幅達50%;5)Cr質量分數(shù)在2012年調查中未檢,質量分數(shù)在這3 a增加將近7倍;6)Hg質量分數(shù)呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢,增幅分別為37%和15%;7) As質量分數(shù)在2011-2012年出現(xiàn)小幅增加,增幅為28%,但之后2 a又出現(xiàn)小幅降低,降幅約9%。Cu, Zn,Hg和Pb在2012年和2013年質量分數(shù)均高于2011年,主要應與欽州港持續(xù)建設以及周邊海域交通運輸?shù)热祟惢顒硬粩嘣鰪娪嘘P;2012年Cd和As質量分數(shù)均高于2011年和2013年,可能與欽州港的港池疏浚量年際變化有關,具體原因待進一步研究。

圖4 2011-2013年危害指數(shù)(RI)分布特征Fig.4 Distribution characteristics of risk indices(RI)in 2011-2013

2011-2013年研究區(qū)全域的綜合生態(tài)危害指數(shù)＜150,屬輕微生態(tài)危害范疇,這說明研究區(qū)各年份表層沉積物潛在生態(tài)危害程度較低,但仍表現(xiàn)出了一定的空間分異性。2011年大風江口和研究區(qū)南部綜合生態(tài)危害程度較周邊區(qū)域高(圖4a),2012年自犀牛腳至大風江口綜合生態(tài)危害程度較周邊區(qū)域高(圖4b), 2013年研究區(qū)西南部綜合生態(tài)危害程度較周邊區(qū)域高(圖4c)。三年綜合生態(tài)危害指數(shù)高值區(qū)出現(xiàn)擺動變化,主要與研究區(qū)周邊港口建設、海上交通和陸域排污有關。

3 結 論

為深入了解欽州灣南部海域重金屬的污染現(xiàn)狀、潛在來源及時間變化趨勢,對該海域近2011-2013年的7種重金屬元素質量分數(shù)進行分析,研究發(fā)現(xiàn):

1)2013-03表層沉積物中Pb,Cr,Hg,As質量分數(shù)在研究區(qū)中南部海域較高,Cu和Zn在犀牛腳外側海域質量分數(shù)整體較高,Cd質量分數(shù)高值區(qū)主要分布在研究區(qū)西北側的欽州港南部海域;除Cu和Zn外,其他重金屬元素均符合一類沉積物質量標準,沉積物質量狀況良好。

2)由潛在生態(tài)危害評價結果可知,Cd的生態(tài)危害程度達到中度危害,其他6種重金屬(Cu,Pb,Zn,Cr, Hg,As)的生態(tài)危害程度較輕;欽州港南部海域以及研究區(qū)中南部海域潛在生態(tài)危害指數(shù)較高,而研究區(qū)西側和東側相對較低。

3)基于主成分分析法對沉積物中重金屬的潛在來源進行了解析,主要為欽州港周邊海上交通排污、港口疏浚和周邊河流陸源排污等不同排污途徑輸入。

4)2011-2013年欽州灣南部海域表層沉積物中重金屬質量分數(shù)的時間變化趨勢表明,2013年Zn和Hg的質量分數(shù)均明顯高于2011年和2012年的;其他4種(Cu,Pb,Cd,As)重金屬質量分數(shù)變化不大。

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Distribution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in the Surface Sediments in Southern Waters of Qinzhou Bay

WAGN En-kang1,SUN Yong-gen1,XIA Peng1,TONG Zhi-cheng2,JIN Yu-xiu1, XU Yan-dong3,YAN Wen-wen1,WANG Jing1
(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 2.Qinzhou Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center,Qinzhou 535000,China; 3.Shandong Marine Resource and Environment Research Institute,Yantai 264006,China)

Based on the survey data of surface sediments obtained from the southern waters of Qinzhou Bay in March 2013,this study analyzed the spatial characteristics of seven heavy metals.By means of the methods of single factor contaminant index and the potential ecological risk index,an assessment research was carried out to examine the contamination level of the surface sediments.Then,compared with the survey data in November 2011 and September 2012,we studied the temporal trend of heavy metals.The results showed that,1)the contents of Pb,Cr,Hg and As were higher in the central south region of the study area,and those of Cu and Zn were higher in the adjacent waters of Xiniujiao.Meanwhile,the content of Cd was higher in the northwest region of the study area,i.e.,the south of Qinzhou Port.The ecological risk of Cd reached a medium hazard level,and yet the other six heavy metals(Cu,Pb,Zn,Cr,Hg,As)had relatively low values;2)the potential sources of heavy metals were mainly the marine traffic pollution, harbor dredging and terrestrial pollution via rivers;3)the contents of Zn and Hg in 2013 were obviously higher than those in 2011 and 2012.

Qinzhou Bay;surface sediment;heavy metals;temporal-spatial distribution;ecological risk

April 28,2016

P736.4

A

1671-6647(2017)02-0284-11

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.02.013

2016-04-28

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金資助項目——海岸帶保護區(qū)保護范圍選劃方法研究(2014G16)和小尺度下的海島景觀格局變化研究(2013G14)

王恩康(1985-),男,山東即墨人,碩士,助理工程師,主要從事海洋環(huán)境工程方面研究.E-mail:wekang@fio.org.cn

*通訊作者:孫永根(1981-),男,山東青島人,碩士,工程師,主要從事海洋環(huán)境工程方面研究.E-mail:sunyonggen@126.com