北部灣海域表層沉積物中重金屬元素分布特征及潛在生態(tài)危害評價

滕德強, 崔振昂, 袁曉婕，張 亮

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075)

0 引言

表層沉積物中重金屬元素含量是海洋沉積地球化學(xué)表征之一，蘊含許多海洋地質(zhì)和環(huán)境信息，能較好地反映該區(qū)人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的影響，是開展地球化學(xué)研究和環(huán)境評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[1-3]。本文研究區(qū)為北部灣海域及其周邊主要包括三亞、海南島西部、?？?、廣西及雷州半島沿海等在內(nèi)的海域，位于我國南海西北部，屬半封閉海灣,具有重要的戰(zhàn)略地位和地理位置，特別是海南島生態(tài)文明建設(shè)更是國家戰(zhàn)略發(fā)展的重中之重。近些年，沿海地區(qū)的社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人為活動加劇，對北部灣海域的環(huán)境狀況產(chǎn)生了深遠的影響。表層沉積物中重金屬元素含量是反映海域環(huán)境的基本要素，較多研究者對北部灣重金屬元素含量進行了一定的研究[4-10]，但其大部分研究范圍僅限于近岸，縱海尺度較小，空間面積不大，不能全方位地分析北部灣海域的沉積環(huán)境狀況。本文對北部灣海域進行了全方位布點采樣，直觀分析了研究區(qū)重金屬元素的含量及沉積分布特征，并結(jié)合單因子指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法[11]對研究區(qū)沉積環(huán)境進行了分析，獲取了北部灣海域底質(zhì)環(huán)境狀況相關(guān)數(shù)據(jù)，為海南島生態(tài)經(jīng)濟建設(shè)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是西、北、東3面環(huán)陸的天然半封閉型淺水海灣，是南海最大的海灣，周圍陸域地勢向海方向逐漸降低，沿海具有典型的濱海丘陵、濱海臺地與濱海平原地貌特征。沿岸海灣主要分布于北岸，較大的有流沙灣、安鋪港、鐵山港、北海港、欽州灣、防城港、珍珠港和下龍灣等。

該區(qū)以正規(guī)日潮為主，局部出現(xiàn)不正規(guī)日潮，其中瓊州海峽最為復(fù)雜，分布有不正規(guī)半日潮、不正規(guī)全日潮和正規(guī)全日潮。沿岸河流中的泥沙主要來自流域內(nèi)被雨水沖刷的土壤。在研究區(qū)西北岸和北岸，有紅河、禁江、藍江、南流江、欽江、北侖河等河流入海，海南島西岸有昌化江入海。其中，以紅河徑流量和輸沙量最大，是流入北部灣的最大江河，在河口向海形成紅河三角洲[12-13]。且該區(qū)石油天然氣資源、生物資源異常豐富，不僅是油氣儲存的極佳場所，還是魚類、貝類等海洋生物的天然家園，沿岸還有典型的紅樹林自然生態(tài)保護區(qū)。

2 技術(shù)與方法

2.1 站位部署

結(jié)合海南島生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃需求，在了解研究區(qū)全新世環(huán)境演化背景、地質(zhì)環(huán)境特征及生態(tài)環(huán)境特征后，借鑒國內(nèi)外海洋沉積物研究的技術(shù)方法進行站位部署。整個研究區(qū)覆蓋了海南島西部、廣西南部及雷州半島以東的部分海域，共布設(shè)了66個站位(圖1)。沉積物取樣技術(shù)參考了《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378—2007)[14]和《海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.8.6.3—2007)[15]等規(guī)范。

圖1 北部灣研究區(qū)及取樣站位分布

2.2 分析方法及質(zhì)量控制

沉積物中不同的重金屬元素采用不同的測試分析方法，其中: Cu、Zn和Pb元素采用HNO3-HClO4-HCl體系進行消解，由美國安捷倫公司生產(chǎn)的7700X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進行檢測，參考《海底沉積物化學(xué)分析方法》(GB/T 20260.10—2006)[16]執(zhí)行；As和Cd元素測試參考《海洋監(jiān)測規(guī)范 第5部分：沉積物分析》(GB 17378.5.11.1和17378.5.5.1—2007)[14]中推薦的原子熒光法，采用AF-610B原子熒光光譜儀檢測；Cd元素采用石墨原子吸收法進行測定。所有要處理的樣品按總量的10%做平行樣測定，以檢驗樣品處理過程中可能產(chǎn)生的誤差。對提取待測元素的提取劑做空白樣檢測，用于排除系統(tǒng)誤差。內(nèi)標(biāo)法測試補償分析信號的波動以提高測定的精密度和準(zhǔn)確度。每10～20個樣品插入標(biāo)樣，用于測試檢驗儀器運行的穩(wěn)定性，測試結(jié)果與標(biāo)樣之間的差值比率應(yīng)小于測量值的5%。對每10～20個樣品用同一樣品加標(biāo)來檢測加標(biāo)的回收率，且標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的回收率在80%～125%之間。

2.3 污染評價方法

(1)

(2)

表1 重金屬元素背景值及毒性系數(shù)

表2 重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險等級[19]

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬元素含量統(tǒng)計

對北部灣66個站位表層沉積物中6種重金屬元素(Cu、Pb、Zn、Cd、As和Hg)含量進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。

表3 研究區(qū)表層沉積物中重金屬元素含量統(tǒng)計

從最大值與最小值之比看，Pb、Cd最大值與最小值之比較小，在2～3之間，Cu、Zn和As最大值與最小值之比相對較大，在5～8之間，而Hg的最大值與最小值之比最大，高達56；從變異系數(shù)看，Cu、Pb、Zn、Cd、As 5種重金屬元素在區(qū)內(nèi)的變異系數(shù)均小于0.4，且平均值和中位數(shù)值均較為接近，說明這5種重金屬元素在空間分布上較為均勻，離散性較小，而Hg變異系數(shù)較大，分布最為分散；從沉積物含量上看，幾乎所有站位各元素的含量值均低于國家Ⅰ類海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)值[17]。因此，除Hg以外，其余重金屬元素在研究區(qū)內(nèi)的分布受人類活動影響不大。

3.2 重金屬元素分布特征

Cu、Pb、Zn、As、Cd、Hg 6種重金屬元素分布特征如圖2所示。

(1)Cu調(diào)查結(jié)果顯示(圖2(a))，最高值出現(xiàn)在雷州半島近岸的42號站位，含量為28.2 mg/kg，并在雷州半島近岸及海南島西北部形成高值區(qū)，由近岸到遠岸含量呈逐漸降低的趨勢，而海南島南部的Cu含量卻由西向東逐漸增加。

(2)Pb調(diào)查結(jié)果顯示(圖2(b))，最高值出現(xiàn)在海南島西北近岸的8號站位，含量為38 mg/kg，最大值與最小值之比為2.1，說明Pb含量在整個研究區(qū)變化幅度較小，分布較為均勻，且分布趨勢與Cu相似。

(3)Zn調(diào)查結(jié)果顯示(圖2(c))，最高值也出現(xiàn)在海南島西北近岸的8號站位，含量為110 mg/kg，在雷州半島近岸、海南島西北部及三亞遠岸的局部地區(qū)含量較高，低值區(qū)主要集中在海南島西南部，其分布趨勢與Cu相似。

(4)As調(diào)查結(jié)果顯示(圖2(d))，最高值出現(xiàn)在20號站位，含量為15.5 mg/kg，在東方市西南近岸形成局部高值區(qū)，盡管最大值與最小值之比大于7，但整體含量不高，均低于國家Ⅰ類海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)值。

(5)Cd調(diào)查結(jié)果顯示(圖2(e))，平均含量為0.06 mg/kg，最高值出現(xiàn)在東方市近岸的46號站位，整個研究區(qū)Cd含量不高，大部分站位均低于0.04 mg/kg，僅在46號、3號以及63號站位形成局部高值區(qū)，其他區(qū)域含量比較低，分布特征與Cu相似。

(6)Hg調(diào)查結(jié)果顯示(圖2(f))，最高值出現(xiàn)在東方市北部近岸的45號站位，最大值與最小值之比為56，變異系數(shù)達到77%，分布較不均勻，在東方市西北近岸形成高值區(qū)，且由近岸到遠岸Hg含量有逐漸降低的趨勢，但在海南島南部由西向東含量逐漸增加。

從上述分析可以看出，這6種重金屬元素在雷州半島、海南島西北部以及海南島南部分布趨勢相似，在雷州半島和海南島西北部這6種重金屬元素含量由近岸到遠岸呈降低趨勢，在海南島南部，由西向東含量逐漸增加。在海南島西南部，Cu、Pb、Zn、Cd這4種重金屬元素含量由近岸到遠岸呈增加趨勢，主要原因是受對岸越南紅河三角洲的影響，該區(qū)有紅河、禁江、藍江等入海河流，每年有大量泥沙、生活污水及工業(yè)廢水入海[12-13]，As和Hg由近岸到遠岸含量呈降低趨勢。雷州半島東南部各重金屬元素含量近岸明顯高于遠岸，這主要是受雷州半島東部海灣的影響，此區(qū)部分海灣已經(jīng)成為運輸港或漁港，導(dǎo)致其近岸重金屬含量明顯高于遠岸。此外，在東方市近岸這6種重金屬元素含量均較高，特別是Hg，其含量在東方市近岸明顯高于國家Ⅰ類海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)值，表明附近海域在一定程度上受到了人類活動的影響，這與該區(qū)地處昌化江入?？诘牡乩砦恢糜休^強的相關(guān)性，昌化江作為海南島第二大河流，每年在中、下游均有大量工業(yè)廢水和生活污水排放。

3.3 重金屬元素來源分析

表4為北部灣海域表層沉積物主成分分析結(jié)果，總共有6個評價因子。

表4 主成分分析結(jié)果統(tǒng)計

第一主成分的貢獻率達到47.13%，特點是因子變量在Cu、Zn和Pb上有較高載荷，載荷分別為0.948、0.956和0.846，Cu和Zn主要來自近岸的工業(yè)及生活排污[21-22]，表5重金屬元素相關(guān)性分析結(jié)果顯示Cu、Zn和Pb具有較強的相關(guān)性，表明Pb與Cu、Zn元素的輸入具有同源性，因此，第一主成分表征了Cu、Zn和Pb主要來源于工業(yè)及生活污水排放。第二主成分的貢獻率為18.44%，重金屬元素As的載荷較高，為0.964，但元素As在自然界中含量較少，主要存在于化肥和農(nóng)藥中[21]，因此，第二主成分表征了農(nóng)藥和化肥的殘留對沉積物的影響。第三主成分的貢獻率為18.35%，重金屬元素Cd和Hg的載荷較高，由于沉積物中的有機物在降解過程中能夠釋放Hg，而Cd主要來源于工業(yè)及生活排污[21-22]，因此，第三主成分表征了有機物降解、工業(yè)及生活排污是沉積物中Hg、Cd的主要來源[22]。前3個主成分累計貢獻率達到83.92%，表明分析前3個主成分便可獲取研究區(qū)重金屬元素大部分來源信息。分析結(jié)果表明重金屬元素來源主要有3個途徑，分別是工業(yè)及生活排污、農(nóng)業(yè)(農(nóng)藥、化肥等)殘留和有機物降解。

表5 重金屬元素間相關(guān)系數(shù)

3.4 潛在生態(tài)危害評價分析

(a)潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)(Eir) (b)潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)

綜上，北部灣海域表層沉積物中重金屬元素對生態(tài)系統(tǒng)有一定的影響，As、Pb、Cu、Zn及Cd的危害程度較小，對生態(tài)系統(tǒng)危害較為顯著的是Hg，地質(zhì)環(huán)境受危害最大的區(qū)域在昌化江入?？诟浇浯?，雷州半島東部及海南島南部也受到了一定的影響，相關(guān)部門應(yīng)予以重視。

4 結(jié)論與建議

(1)Cu、Pb、Zn、As、Cd在北部灣海域受人類活動影響較??；Hg離散型較大，部分站位的含量超過國家Ⅰ類海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)值，表明Hg含量受到了人類活動的影響。

(2)Cu、Pb、Zn、As、Cd和Hg 6種重金屬元素在雷州半島、海南島西北部以及海南島南部分布趨勢相似，在雷州半島和海南島西北部由近岸到遠岸含量呈降低趨勢，在海南島南部，由西向東含量逐漸增加；6種重金屬元素高值區(qū)均出現(xiàn)在東方市附近；在海南島西南部，Cu、Pb、Zn、Cd含量由近到遠逐漸增加，As、Hg含量由近到遠逐漸降低。

(3)主成分分析結(jié)果顯示，前3個主成分貢獻率分別是47.13%、18.44%和18.35%，累計貢獻率達到83.92%，表明重金屬來源主要有3個途徑，分別是工業(yè)及生活排污、農(nóng)業(yè)(農(nóng)藥、化肥等)殘留和有機物降解。

(4)單項重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險等級評價結(jié)果顯示，研究區(qū)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險強弱次序為Hg>Cd>As>Pb>Cu>Zn，As、Pb、Cu、Zn和Cd重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險等級為輕微，而Hg對整個海域的危害程度最大，潛在生態(tài)風(fēng)險等級達到了強級。多項重金屬元素潛在生態(tài)危害評價結(jié)合分析結(jié)果顯示，北部灣海域生態(tài)風(fēng)險等級為中等，部分區(qū)域生態(tài)風(fēng)險等級達到了強級，特別是昌化江入?？诟浇刭|(zhì)環(huán)境較差，相關(guān)部門應(yīng)予以足夠重視。