南通近海潮灘表層沉積物重金屬含量特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

顧 佳,閆玉茹,平利姣

(有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院,南京210007)

南通近海潮灘表層沉積物重金屬含量特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

顧 佳,閆玉茹,平利姣

(有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院,南京210007)

基于南通近海(洋口港—呂四)潮灘特點(diǎn)布設(shè)潮灘斷面并采集表層沉積物,根據(jù)樣品汞、鎘、鉛、砷、鉻等7種重金屬元素含量測(cè)試結(jié)果,分析研究區(qū)沿海潮灘表層沉積物主要重金屬元素含量特征,并與江蘇其他濱岸地區(qū)潮灘沉積物的重金屬含量進(jìn)行對(duì)比,初步探討2009—2012年南通沿海灘涂表層沉積物重金屬含量變化與元素的相關(guān)性。采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)南通近海潮灘表層沉積物中7種重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。南通潮灘表層沉積物重金屬含量分布均勻,且低于江蘇省蘇北其他地區(qū)沿海潮灘的沉積物含量。7種重金屬元素的相關(guān)分析表明,Cu與Pb、Zn具有較好的相關(guān)性,Pb與Cd、Hg的相關(guān)性最差。潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)表明,南通近岸潮灘表層沉積物7種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)均屬低生態(tài)危害范疇,近岸海域(洋口港—呂四段)潮灘表層沉積物環(huán)境質(zhì)量總體較好。

潮灘;表層沉積物;重金屬;生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

近年來(lái),隨著沿海開(kāi)發(fā)的興起和海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,江蘇沿海生態(tài)地質(zhì)環(huán)境污染日益嚴(yán)重。重金屬是具有潛在危害的污染物,與其他污染物不同,重金屬可被微生物分解,能在生物體內(nèi)富集,成為持久性污染物,并通過(guò)食物鏈危及人類健康[1]。潮灘地區(qū)作為海洋與陸地的過(guò)渡地帶,其沉積物重金屬含量能真實(shí)反映區(qū)域環(huán)境的質(zhì)量狀況,是識(shí)別和防范問(wèn)題區(qū)域的重要標(biāo)志[2]。潮灘地區(qū)在海陸交互作用的影響下,環(huán)境復(fù)雜多變,潮灘沉積物在水動(dòng)力作用下易發(fā)生擾動(dòng),導(dǎo)致重金屬元素被重新釋放到環(huán)境中從而帶來(lái)“二次污染”[3]。因此,研究潮灘地區(qū)沉積物重金屬元素的分布對(duì)查明與解決近岸重金屬污染問(wèn)題具有重要意義。本文分析南通近岸海域潮灘沉積物中重金屬含量、分布及富集特征,并評(píng)價(jià)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),為該地區(qū)海岸帶一體化管理提供參考。

1 樣品及測(cè)試方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為南通洋口港區(qū)—通州灣—呂四港區(qū)沿線潮灘區(qū)域,32°0′40.7″～32°37′3.4″N,121°14′38.8″～121°55′24.4″E,屬北亞熱帶和暖溫帶季風(fēng)氣候。海岸帶沉積物主要為粉砂淤泥,岸線蝕淤變化強(qiáng)烈,其中新開(kāi)河港一帶侵蝕速率為10 m/a,30年蝕退8 km2。新川港—小洋港一帶為淤積海岸。

1.2 樣品特征

2012年3月和2012年10月在南通沿海洋口港—呂四港分別布設(shè)6個(gè)采樣斷面(圖1),每個(gè)斷面分別采集高潮灘、中潮灘和低潮灘的表層沉積物樣品,采樣深度為0～20 cm。樣品采集、預(yù)處理按照海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范(GB 17378.5—2007)執(zhí)行。

圖1 研究區(qū)及采樣位置圖Fig.1 Map of the study area and locations of collecting samples

1.3 測(cè)試方法

對(duì)表層沉積物的分析項(xiàng)目包括重金屬元素汞、銅、鉛、鎘、鉻、砷、鋅。分析方法均參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其中鎘采用石墨爐原子吸收分光光度法(GB/ T17141-1997),檢出限為0.04×10-6;銅、鉛、鋅、鉻采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(DZG20.04-2011.84.2.5),檢出限依次為銅0.6×10-6、鉛1× 10-6、鋅6×10-6、鉻2×10-6;砷采用原子熒光光譜法(DZG20.04-2011.84.2.23),檢出限為0.06× 10-6;Hg采用冷原子熒光光譜(GB/T22105-2008),檢出限為2×10-6。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 表層沉積物重金屬含量整體分布特征

南通沿海潮灘表層沉積物類型較簡(jiǎn)單,主要為砂,其次為粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂。采集的表層樣品主要集中在潮間帶下部至水深10 m等深線范圍。濱岸潮上帶至潮間帶上部采樣較少,已采集區(qū)域底質(zhì)類型為粉砂、砂質(zhì)粉砂。以通州灣外潮流沙脊腰沙、冷家沙為中心,向北、南、東方向砂質(zhì)含量逐漸減小,粉砂質(zhì)、粘土質(zhì)含量逐漸增加。研究區(qū)潮流通道區(qū)域顆粒細(xì)化明顯,以粉砂為主,沙脊區(qū)以砂為主。

南通沿海潮灘表層沉積物重金屬7個(gè)元素的含量及變異系數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知,兩季南通沿海潮灘表層沉積物銅、鉛、鋅、砷、鉻、鎘和汞的變異系數(shù)為0.11～0.47,均＜0.5,分異性較小,說(shuō)明潮灘表層沉積物的重金屬元素分布均勻。

南通沿海地區(qū)與江蘇省其他沿海潮灘地區(qū)重金屬元素含量對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可知,南通沿海潮灘表層沉積物重金屬元素中銅、鉛、鋅、砷、鉻、鎘和汞的算術(shù)平均值均遠(yuǎn)小于江蘇省蘇北沿海潮灘沉積物,該區(qū)重金屬含量較低。

潮間帶沉積物中重金屬主要來(lái)源為陸地徑流、大氣沉降和污水排放,而潮間帶沉積物中重金屬累積受水動(dòng)力條件、沉積環(huán)境及生物作用等影響[4]。該區(qū)沿海潮灘主要以粉砂為主,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跑灘調(diào)查,該區(qū)源頭未發(fā)現(xiàn)較大的工礦企業(yè),結(jié)合該區(qū)相對(duì)較低的重金屬含量,說(shuō)明研究區(qū)暫未受明顯的重金屬污染。

表1 南通沿海表層沉積物重金屬元素含量(×10-6)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table1 Statistical parameters of heavy metal element contents(× 10-6)of surface sediments in the coastal area of Nantong

2.2 表層沉積物重金屬含量空間分布特征

潮灘一般分為高潮灘、中潮灘和低潮灘。研究表明[6-7],大部分潮灘沉積物中的重金屬含量呈帶狀分布。在垂直岸線上,從高潮灘到低潮灘,重金屬含量明顯減少,反映了潮灘水動(dòng)力作用對(duì)重金屬空間分布的控制[8]。

南通沿海不同潮灘表層沉積物重金屬含量見(jiàn)表3。可知,該區(qū)潮灘沉積物重金屬含量與所處的潮灘部位密切相關(guān)。高潮灘各重金屬元素含量高于中潮灘和低潮灘的重金屬元素含量,中潮灘和低潮灘各重金屬元素含量接近,無(wú)明顯差異,尤其是Cu、Pb、Zn和Cr在高潮灘明顯富集。

2.3 表層沉積物重金屬含量變化特征

將2012年南通近岸海域段(洋口港—呂四)潮灘表層沉積物環(huán)境指標(biāo)含量均值與2009～2011年該區(qū)潮灘表層沉積物環(huán)境指標(biāo)含量均值比較(圖2),其中2009～2011年數(shù)據(jù)參考《2010年南通市海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》和《2011年南通市海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》[9]。

由圖2可知,2009～2012年,南通近岸海域段(洋口港—呂四)潮灘表層沉積物環(huán)境質(zhì)量狀況總體較好,監(jiān)測(cè)結(jié)果全部符合GB18668—2002《海洋沉積物質(zhì)量》一類標(biāo)準(zhǔn)。2012年灘涂表層沉積物鉛、鎘含量較前幾年略上升。

表2 南通沿海地區(qū)與其他濱岸地區(qū)沉積物重金屬含量(×10-6)對(duì)比[5]Table2 Comparison of heavy metal contents(×10-6)between surface sediments in the Nantong coastal zone and other coastal areas

表3 南通沿海不同潮灘表層沉積物重金屬含量(×10-6)Table3 Heavy metals(×10-6)of surface sediments at different tidal flats of the Nantong coastal zone

圖2 2009～2012年南通潮灘表層沉積物Cu、Pb、Cd、Hg、As含量變化Fig.2 Changes of Cu,Pb,Cd,Hg and As contents in the surface sediments in the Nantong tidal flat from 2009 to 2012

3 表層沉積物重金屬元素相關(guān)性分析

對(duì)研究區(qū)36個(gè)樣品的7種重金屬元素進(jìn)行相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。Cu與Pb、Zn具有較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均＞0.8。前人研究[10]發(fā)現(xiàn),當(dāng)沉積物來(lái)源相同或相似時(shí),其重金屬元素之間具有明顯的相關(guān)性,說(shuō)明Cu、Pb、Zn具有相似的物源或沉積過(guò)程。Cr與其他重金屬元素的相關(guān)性一般,相關(guān)系數(shù)為0.44～0.66。As與其他重金屬元素的相關(guān)系數(shù)為0.31～0.58。Pb與Cd、Hg的相關(guān)性最差,表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),且相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值僅為0.02和0.07,證明這三種元素的來(lái)源無(wú)相關(guān)性。

4 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)方法

評(píng)估沉積物重金屬的污染狀況,目前還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文采用瑞典學(xué)者Hakanson 1980年建立的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[11],各參數(shù)毒性系數(shù)及背景值見(jiàn)表4。

表3 研究區(qū)表層沉積物重金屬元素相關(guān)系數(shù)Table3 Correlation coefficients of heavy metals in surface sediments of the study area

表4 研究區(qū)沉積物中各重金屬毒性系數(shù)及背景值Table4 Toxicity coefficients and background values of heavy metals in the sediment of the study area

式中ERI為多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù); Cni為重金屬背景值;Tri為重金屬毒性系數(shù);Eri為沉積物中第i種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)。

依據(jù)單個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)(Eri)將沉積物中重金屬污染狀況劃分為5個(gè)等級(jí),多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ERI)劃分為4個(gè)等級(jí)(表5)。

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法計(jì)算的南通近海潮灘表層沉積物中7種重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見(jiàn)表6。

表5 研究區(qū)重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)污染程度等級(jí)表Table5 Pollution grades of potential ecological hazard coefficients of heavy metals in the study area

表6 表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表Table6 Potential ecological hazard coefficients and ecological risk index of heavy metals in the surface sediments

由表6可知,以單個(gè)污染因子的潛在生態(tài)危害系數(shù)評(píng)價(jià),南通近岸海域潮間帶表層沉積物污染因子(Cu、Pb、Zn、As、Cd、Hg)的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Eri)均遠(yuǎn)＜40,表明潮間帶沉積環(huán)境中污染因子的潛在生態(tài)危害輕微,屬低生態(tài)危害范疇,其生態(tài)危害程度依次為As＞Cd＞Hg＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn。

以多種污染因子的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià),潮間帶表層沉積物中污染因子的潛在生態(tài)危害系數(shù)(ERI)均遠(yuǎn)＜150,屬低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。

5 結(jié) 論

(1)南通近海潮灘表層沉積物砷、銅、鎘、鉛、鋅和汞含量均符合一類海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),總鉻除個(gè)別點(diǎn)位達(dá)二類標(biāo)準(zhǔn)外,其他均符合一類標(biāo)準(zhǔn)。潮間帶表層沉積物質(zhì)量總體較好。

(2)2009～2012年,南通近岸海域段(洋口港—呂四)潮灘表層沉積物環(huán)境質(zhì)量總體較好,2012年灘涂表層沉積物鉛、鎘含量較前幾年略有上升。

(3)高潮灘各元素含重金屬含量高于中潮灘和低潮灘,中潮灘和低潮灘各重金屬元素的含量接近,無(wú)明顯差異,特別是Cu、Pb、Zn和Cr在高潮灘明顯富集。

(4)南通近岸潮灘表層沉積物銅、鉛、鋅、砷、鎘、汞的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Eri)均遠(yuǎn)＜40,屬低生態(tài)危害范疇,生態(tài)危害程度依次為As＞Cd＞Hg＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn。

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Characteristics and ecological risk assessment of heavy metals in tidal flat surface sediments of the Nantong coastal zone

GU Jia,YAN Yu-ru,PING Li-jiao
(Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey, East China Mineral Exploration and Development Bureau for Non-ferrous Metals,Nanjing 210007,China)

Based on the characteristics of the tidal flat distribution and surface sediments of the Nantong coastal area(from Yangkou Port to Lusi coast),seven kinds of heavy metals such as mercury, cadmium,lead,arsenic,chromium,etc,were analyzed.This study analyzed the characteristic of heavy metal concentration of the sediments in this area,compared with that in other tidal flat sediments of other coastal areas of Jiangsu,and finally discussed changes of heavy metal concentrations in the surface sediments in the Nantong coastal area from 2009 to 2012 and their relationship to the elements.Potential ecological risk factors and potential ecological risk of 7 heavy metal elements in the surface sediments of the tidal flat in Nantong coastal area were preliminarily evaluated using the potential ecological risk index method.The results show that the heavy metal elements in the surface sediments of the tidal flat in Nantong are evenly distributed,and the contents of heavy metals are lower than that in other coastal tidal flat sediments in Jiangsu Province.Correlation analysis of seven kinds of heavy metal elements shows that Cu has a good correlation with Pb and Zn,and Pb has worst correlation with Cd and Hg.Risk assessment using potential ecological risk index method shows that the potential ecological risk factors triggered by seven kinds of heavy metals in the surface sediments of coastal tidal flat in Nantong belongs to low ecological risk categories,suggesting that the environmental quality of the surface sediments in the tidal flat of the coastal area(from Yangkou Port to Lusi coast)is generally good.

tidal flat;surface sediments;heavy metals;ecological risk assessment

X142

A

2096-1871(2017)02-155-06

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.02.010

2016-08-30

2016-12-05 責(zé)任編輯:譚桂麗

江蘇省地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目“南通沿海地區(qū)地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)(項(xiàng)目編號(hào):蘇國(guó)土資勘函(2012)1號(hào))”資助。

顧佳,1984年生,女,工程師,從事環(huán)境地球化學(xué)研究。