北黄海表层沉积物中重金属含量及其污染评价

杜俊涛,陈洪涛＊＊,田 琳

(中国海洋大学1.海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室;2.海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)

北黄海表层沉积物中重金属含量及其污染评价

杜俊涛1,陈洪涛1＊＊,田 琳2

(中国海洋大学1.海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室;2.海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)

于2007年秋季对我国北黄海海域进行调查,采用原子吸收和原子荧光分光光度法对表层沉积物中的Cu,Pb, Zn,Cd,Hg,As进行了分析,并采用单因子指数法和Hakanson潜在生态危害指数法评价了该区域表层沉积物中重金属的污染程度和潜在生态危害。结果表明,北黄海表层沉积物Cu,Pb,Zn,Cd,Hg,As平均含量分别为(11.6±1.9),(25.2± 2.4),(52.7±5.4),(0.22±0.02),(0.07±0.01),(13.3±1.3)μg/g;单因子指数法评价结果表明调查海域表层沉积物未受Cu,Pb,Zn,Cd,Hg污染,但部分站位As已处于中度污染水平;潜在生态危害指数法评价结果表明调查区域重金属元素的潜在危害程度顺序是Hg>Cd>As>Pb>Cu>Zn,采样区域重金属的潜在生态危害轻微。

北黄海;沉积物;重金属;污染评价

重金属污染具有来源广、残留时间长、易于蓄积并且难于恢复、易于沿食物链富集等特征,对水生生物和人体健康有较大的负面影响。进入水体的重金属大部分在物理沉淀、化学吸附等作用下迅速由水相转入固相,因此沉积物成为了水体重金属的累积库[1],也是水环境重金属污染的指示剂,能够反映水系重金属污染状况[2]。而且当外界条件发生变化时,沉积物中的重金属可能会再次进入水体,成为对水质具有潜在影响的次生污染源,因此,沉积物中重金属具有重要的的环境意义[3]。

北黄海是山东半岛、辽东半岛和朝鲜半岛之间的半封闭海域,海域面积约为80 000 km2,平均水深40 m。沿岸河流如鸭绿江、大洋河、庄河、登沙河及碧流河等每年输入北黄海大量的污染物,另外黄河的入海物质经渤海海峡也可影响到北黄海[4-5]。李淑媛等曾对1987年采集的柱状样进行分析,得到Cu,Pb,Zn, Cd的环境背景值[4],但以后对北黄海表层沉积物中重金属研究较少。本文在对北黄海表层沉积物中重金属分析的基础上,运用单因子污染指数评价法和潜在生态危害指数法,对北黄海表层沉积物环境质量进行评价,以期为系统研究北黄海重金属的迁移转化过程和环境生态保护提供信息和科学依据。

1 采样和分析方法

于2007年10月14～25日,在北黄海利用箱式采泥器采集了38个表层沉积物样品,采样站位如图1所示。

图1 北黄海表层沉积物重金属调查站位图Fig.1 Sampling stations in the North Yellow Sea

将采集的样品放入干净的聚乙烯袋中,扎紧袋口, -20℃冷冻保存。回实验室后将解冻至室温的样品转移至表面皿中,在80～100℃烘箱内烘干,剔除砾石和生物残骸后碾磨,过160目筛,充分混匀。

沉积物中重金属分析参照《海洋监测规范》[6]进行,其中Cu,Pb,Zn,Cd利用原子吸收分光光度计(美国热电公司M6)测定;Hg,As利用原子荧光光谱仪(北京吉天AFS-920)测定。

沉积物粒度分析参照《SL 42-1992河流泥沙颗粒分析规程》[7],取未研磨样品加入0.5%六偏磷酸钠浸泡24h,使颗粒物充分分散,用Mastersizer 2000激光粒度分析仪(英国Malvern)进行测定。

2 结果与讨论

2.1 北黄海表层沉积物重金属含量及粒度分析

北黄海表层沉积物中Cu,Pb,Zn,Cd,Hg,As的含量范围分别为0.79～26.4,11.6～44.3,26.6～91.2, 0.11～0.38,0.03～0.10,5.2～26.4μg/g,平均含量分别为(11.6±1.9),(25.2±2.4),(52.7±5.4), (0.22±0.02),(0.07±0.01),(13.3±1.3)μg/g,沉积物中重金属含量顺序为Zn>Pb>As>Cu>Cd>Hg。

与李淑媛等[4]1987年调查的北黄海表层沉积物中重金属的平均含量相比(见表1),Pb,Cd的含量基本相当,而Cu,Zn的含量有明显的下降。说明近20 a来,输入北黄海的重金属得到了较好的控制。将北黄海表层沉积物中重金属的含量同中国近海各海域进行比较,从表中可以看出:

北黄海表层沉积物中Cd的含量与南海相当,明显高于渤海、东海;Cu含量在中国近海各海域中是最低的;Pb含量与东海、南海含量相当,明显高于渤海;Zn含量略低于渤海和东海,明显低于南海;Hg的含量与南海含量相当,明显低于东海;As的含量高于东海;但其平均含量均远低于国家一类海洋沉积物标准。

表1 北黄海表层沉积物重金属平均含量同其他海区的比较Table 1 Concentrations of heavy metals in the surface sediments of North Yellow Sea and other seas /μg·g-1

粒度分析结果表明,北黄海表层沉积物中值粒径范围为6.26～301μm,平均值为(81.80±24.51)μm。按照Wentworth的分级法[12],北黄海大部分站位属于泥质区,渤海海峡附近部分站位中值粒径大于62.5 μm,属于砂质区。

2.2 北黄海表层沉积物中重金属的分布特征

北黄海表层沉积物重金属及中值粒径的分布如图2所示。

Cu的分布大体呈现西高东低的分布格局,在北黄海西部的C508,C606,C204,B107,A401等站位浓度较高,最高值26.4μg/g出现在威海沿岸的C508站位;Pb,Zn分布趋势相似,均是在北黄海西部的中部海域以及大连沿岸、鸭绿江口等站位浓度较高,最高值44.3, 91.2μg/g分别是位于大连湾外的C501及中部海域C506站位;Cd的含量在北黄海西部的中部海域的C506,C606,大连湾外的C501,C701,渤海海峡的A103,C204以及北黄海南部的B109等站位较高,而调查海区东部含量较低;Hg,As的分布较为相似,在大连湾外、鸭绿江口及威海沿岸出现高值。总体上看,北黄海表层沉积物中重金属的含量的高值区主要出现在近岸海域。

从表2可以看出,Cu,Pb,Zn,Cd之间存在良好的正相关关系,说明它们具有一定的同源性,而且有着相似的生物地球化学行为。表3可以看出,Cu,Pb,Zn, Cd与不同的粒级相关性不同,与沉积物中大粒级有着很好的负相关性,而与沉积物中黏粒含量有着很好的正相关性,说明不同粒级沉积物对重金属的富集程度不同,砂质含量较高的沉积物重金属含量较低,而细粒沉积物重金属含量较高。这是由于随着沉积物粒度的减小,其表面积增大,有机质含量增高,对重金属的富集能力增强,沉积物中重金属的单位含量增加[13-17]。

图2 北黄海表层沉积物重金属含量(μg/g)及中值粒径(μm)分布Fig.2 Distribution patterns of heavy metals and granularity(μm)in surface sediments of the North Yellow Sea(μg/g)

表2 北黄海表层沉积物重金属之间的相关性(n=38)Table 2 Correlation coefficients between concentration of heavy metals(n=38)

表3 北黄海表层沉积物重金属与各粒级百分含量之间的相关性(n=38)Table 3 Correlation coefficients between concentration of heavy metals and percentage/μm

2.3 重金属元素的环境地球化学行为探讨

聚类分析是一种多元统计方法,在沉积物环境地球化学研究中可以更好地揭示不同站位间重金属地球化学特征的相似程度,有助于分析和判别影响重金属含量及其分布特征的主要因素[18]。本文以沉积物中6种重金属含量为变量,采用SPSS统计分析软件,对各站位进行了R型和Q型聚类分析,如图3所示。

R型分析结果表明,Cu,Pb,Zn,Cd,Hg,As 6种要素可分为3组,其中Cu,Pb,Zn,Cd被划分为1组,说明有着相似的生物地球化学行为。

Q型聚类分析将所有站位分为4个组群,按群组对所测重金属元素含量(见表4)和沉积物的各粒级组成(见表5)进行变化趋势分析,其结果为:Cu,Zn,Cd变化趋势相似,1～3组含量直线下降,到第四组升高,其变化趋势与Φ=6,7,8变化趋势相同,说明Cu,Zn, Cd主要富集于细、极细粉砂及粗黏土中。同时在Φ= 6,7,8粒级占绝对优势的第四组,Cu,Zn,Cd的含量与本地背景值[4]接近,因此细粉砂、极细粉砂及粗黏土中Cu,Zn,Cd含量可以反映该地区背景值。在Φ=2,3,4粒级占绝对优势的2,3组中,Pb含量与本地背景值(23.5μg/g)[4]接近,说明细砂、极细砂及粗粉砂中Pb含量可以反映该地区背景值。各组中As含量的变化趋势与Φ=9,10粒级变化趋势相似,说明As主要富集于中、细黏土中。在4个组群中第一组群分布在渤海海峡中部,第二组群分布在辽东半岛及山东半岛附近,其以粉砂黏土为主,受到鸭绿江冲淡水组成的辽南沿岸流及黄河冲淡水的影响,第三组群位于北黄海中部,受北黄海沿岸流影响较小,具有相对稳定的水动力环境。第四组群在大连湾附近,受大连湾附近沿岸工厂及来往船只的影响,其重金属平均含量高于其他组群。虽然C504,C405,C506 3个站位较为接近,但分属于不同的组群,体现了水动力环境的复杂性。

表4 各群组中重金属平均含量Table 4 Mean content of heavy metals in each cluster /μg·g-1

图3 北黄海表层沉积物R型聚类分析和Q型聚类分析Fig.3 Q-type cluster analysis and R-type cluster analysis of sediments of the North Yellow Sea

表5 各群组中各粒级平均含量Table 5 Mean content of grade in each cluster /%

2.4 北黄海表层沉积物中重金属污染评价

为了客观评价重金属污染及其潜在危害,采用单因子污染指数法和Hakanson[19]提出的潜在生态指数法(The Potential Ecological Risk Index)(RI)对北黄海表层沉积物中重金属进行污染评价。

2.4.1 单因子污染指数法 计算公式:pi=ci/si

式中:pi为单项污染指数,ci为重金属的实测含量, si为重金属的评价标准值或背景值,文中si采用《海洋沉积物质量》[10]一类沉积物中重金属含量限值,pi值用来表征沉积物中单个污染物的污染程度,pi<1,低污染;1≤pi<3,中污染;3≤pi<6,较高污染;pi≥6,高污染[20]。

北黄海表层沉积物重金属单因子污染指数范围及平均值如表6,Cu,Cd,Pb,Zn,Hg的污染指数在调查海区均<1,表明北黄海未受Cu,Cd,Pb,Zn,Hg的污染;As大部分站位未受污染,只有2个站位的污染指数>1,表明这些站位存在As的中度污染。

表6 北黄海重金属单因子污染指数Table 6 Single factor contamination index of heavy metals at the sampling sites

2.4.2 潜在生态危害评价 采用瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态危害指数法[19]进行重金属生态危害评价。该方法是基于元素丰度和释放能力的原则而提出的。该评价假设的前提条件:元素丰度响应,即潜在生态风险指数(RI)随沉积物重金属污染程度的加重而增加;多污染物协同效应,即沉积物的金属生态危害具有加和性,多种金属污染的潜在生态风险更大;各重金属元素的毒性响应具有差异,生物毒性强的金属对RI具有较高的权重,计算公式为:

式中:Eri为重金属i的潜在生态危害系数,Tri为重金属i的毒性响应系数,SSi为重金属i的实测含量, Cni为评价参考标准值,RI为沉积物中潜在生态危害指数。本次评价参考标准值采用工业化以前沉积物中重金属最高背景值[21],如表7。

该评价体系的评价标准为:当Eri<40或RI<150为轻微生态危害;40≤Eri<80或150≤RI<300为中等生态危害;80≤Eri<160或300≤RI<600为生态危害强;160≤Eri<320或RI≥600为生态危害很强; Eri≥320为生态危害极强。

表7 沉积物中重金属的参考值和毒性系数Table 7 Background and toxicity coefficient of heavy metals in sediment

北黄海表层沉积物中重金属潜在生态危害系数及综合危害指数结果如表8。北黄海表层沉积物中重金属潜在生态危害系数均小于40,生态危害程度较小,属于轻微生态危害。其中,潜在生态危害系数Hg>Cd> As>Pb>Cu>Zn。从重金属的综合指数RI看,所有站位的综合潜在生态危害指数值均小于150,表明采样区域重金属的潜在生态危害轻微。

表8 北黄海表层沉积物中重金属潜在生态危害系数及综合危害指数Table 8 Index of potential risk and single factor pollution parameter in the surface sediments of the North Yellow Sea

3 结论

(1)北黄海表层沉积物Cu,Pb,Zn,Cd,Hg,As平均含量分别为(11.6±1.9),(25.2±2.4),(52.7±5.4), (0.22±0.02),(0.07±0.01),(13.3±1.3)μg/g。

(2)单因子污染指数法评价结果表明北黄海表层沉积物未受Cu,Cd,Pb,Zn,Hg的污染;个别站位的As存在中度污染。

(3)潜在生态风险评价结果表明,北黄海为轻微生态危害,潜在生态危害系数Hg>Cd>As>Pb>Cu>Zn。

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Abstract: The characters of horizontal distributions and influential factors for chemical oxygen demand (COD)in the red tide high frequency Area of the East China Sea were discussed,according to the survey conducted in May,August and November 2002 and in Feburary 2003.The results showed that horizontal distributions of COD were similar in the four months,indicating that the COD value was high in the coastal waters,and decreased gradually away from the shore.The major polluted areas lay at the Changjiang Estuary and Hangzhou Bay.Salinity had significant minus correlation with COD;total suspended particles(TSP)and chlorophyll-ahad plus correlation with COD.The input from land,density of phytoplankton and suspended particles were the three main factors that influenced the distribution of COD.

Key words: the high frequency red tide area of the East China Sea;COD;horizontal distribution;influential factors

责任编辑 徐 环

Spatial Distribution and Influential Factors for COD in the High Frequency Red Tide Area of the East China Sea

FANG Qian,ZHANG Chuan-Song,WAN G Xiu-Lin
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

P714+.4

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-167-07

国家908专项(908-01-ST02,908-02-02-02)资助

2010-01-13;

2010-09-07

杜俊涛(1987-),男,硕士生,主要从事海洋生物地球化学研究。E-mail:dujuntao4924@163.com

E-mail:chenht@ouc.edu.cn