海州湾海洋牧场区表层沉积物主要理化状况及其相关性分析

狄欢,张硕,钱卫国

(上海海洋大学海洋科学学院大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室,上海201306)

海州湾海洋牧场区表层沉积物主要理化状况及其相关性分析

狄欢,张硕,钱卫国

(上海海洋大学海洋科学学院大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室,上海201306)

对2011年度海州湾海洋牧场区表层沉积物进行取样调查,并就粒径大小、沉积物类型和沉积物中重金属及总氮、总磷等含量进行了测定和分析。结果表明:海州湾海洋牧场区域表层沉积物粒度全年内变化范围较小,粒度值为φ4.44～φ6.14,类型介于粉砂与黏土性质之间,其分布特征与湾口所受北东向的风浪相关;相比2010年之前,表层沉积物中铜、锌、铅和镉的浓度呈现上升趋势,镉浓度超过沉积物第三类标准且时空变化较大,明显受到潮流输送沉积物运动的影响;表层沉积物中氮、磷的浓度总体上变化平稳,能够与年内季节变化幅度较小的重金属浓度指标之间建立较好的定量相关模型。

表层沉积物;海州湾;重金属;营养盐;海洋牧场

海州湾位于江苏省北部、山东省南部,属于浅海性开放型海湾[1]。从2003年开始在该海域实施人工鱼礁建设,并在此基础上发展海洋牧场,在项目实施过程中卢璐等[2]、 孙习武等[3]、 杨柳等[4]针对该海区的海水环境、渔业资源及浮游动植物情况等做了详细的总结和评价,但对沉积物方面的研究报道较少。海底沉积物性质的调查和研究,对于综合把握海域的各项因素具有重要意义,如在探知区域水动力、潮流浪向等方面,有学者[5]选择以沉积物的粒径组成和分布特征作为基本依据,而在区域生态环境方面,沉积物作为水环境中污染物质迁移转化的主要载体对于整体水域质量有着重要影响,一些学者[6-9]通过分析沉积物中氮磷形态或重金属形态的分布来讨论其生物有效性,特别是对一些结合区域优势藻类所作的分析研究具有重要实际意义,也有不少人以此为基础开展沉积物对于各类污染物质的吸附、释放规律和通量的研究。而袁懋等[10]指出,建立所研究水域主要调查项目的定量关系模型,可以在一定条件下有效提高环境监测效率。本研究中,作者以2011年度海洋牧场示范区中的沉积物为主要研究对象,通过对不同季节沉积物的取样调查,对表层沉积物粒径构成、类型以及沉积物中重金属、总氮、总磷等浓度变化情况进行定量分析,旨在为后续建立该区域环境的预测机制和高效监测提供参考。

1 材料与方法

1.1 站点设置和样品采集

2011年在该海域设置22个调查站点,其中鱼礁中心区域设置14个站点,礁区外围水域设8个对照站点,于5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)分别对各固定站点进行沉积物质的监测调查。用抓斗式采泥器采集海底表层0.5 m处的沉积物样品,取其中芯样两份,密封避光保存带回实验室。采样站点主要分布于 34°52.15＇～34°58.00＇N、119°21.15＇～119°34.80＇E,站点设置如图1所示。

1.2 样品的测定和数据处理

样品从密封袋取出,在阴凉通风处迅速风干,剔除砾石、贝壳等杂质颗粒。用于总氮 (TN)、总磷 (TP)及重金属含量所需的样品经过研磨后进一步过100目筛处理,测定过程严格参照《海洋监测规范》 (GB 17378.5-2007)进行,采用凯式滴定法和分光光度法分别测定TN、TP;高温消解沉积物样品后,使用原子吸收分光光度计测定四类重金属铅、铜、镉、锌。

图1 调查站点图Fig.1 Sampling sites in Haizhou Bay

粒径样品捣碎后经六偏磷酸钠预处理,使用马尔文 Mastersizer 2000激光粒度仪进行粒度分析,记录其各粒级百分含量,计算各主要粒径参数,并运用谢帕德三角图分类法[11]进行分类。粒度参数的计算采用矩法公式[12]:

式中:Xφ为平均粒径;δφ为分选系数;SKφ为偏度系数;KG为峰态值;fi为样品中各粒径组分权重;mi为各粒径范围的粒径值 (以φ制表示)。

1.3 相关性分析

根据站点对所调查的沉积物N、P含量与重金属浓度作回归分析,计算其相关曲线函数及相关系数,并按照数据统计要求进行相关系数检验和显著性检验,评估各化学元素之间是否易于建立可靠模型或者建立起有用模型需要的数据时间跨度。

2 结果与分析

2.1 沉积物粒径及主要理化状况

根据粒径计算结果,主要参数年平均值计算结果如表1所示,整个调查区域的粒度为φ4.44～φ6.14,介于黏土及粉砂之间,站点间总体差异波动较小。总体沉积物类型主要为两类,对于14个鱼礁区调查站点,鱼礁点1、2、3、5、6、8、13为黏土质粉砂,其余7个鱼礁站点为粉砂质黏土,两种类型各占近一半,粒径较小的站点主要分布于投礁区域的东南侧;对于8个两侧分布的对照区站点,对照点2、3、5、7、8为黏土质粉砂,其余3个对照点为粉砂质黏土,同样,粒径较小的3个站点分布于整个调查区域的东南侧。

表1 2011年均沉积物粒度计算结果Tab.1 The average particle sizes caculated in 2011

本研究中,按所属地理方位将22个调查站点划归为3条断面,分别为位于西北部的 (对照点7、5、3、2)断面、投礁区中部的 (鱼礁点5、6、3、4、2、10、1、11、7、12、8、13、9、14) 断面以及东南部的 (对照点8、6、4、1)断面,从粒度数值的变化趋势可以看出 (表1):在湾口附近的西北断面,粒度值呈现出由近岸向远岸变大的梯度趋势,表明该区域底质沉积物受到湾内潮流一定的带动作用;而东南断面的变化趋势正好相反,说明处在湾口顶内外的两块区域分别处于潮流往复的交汇区,各自受到不同流向潮流的影响;而中线的变化趋势较左右两侧较为平缓,但仍能看出近岸稍大于远岸的基本特征,恰能说明投礁区处在潮流往复的交汇区,可以推测出整个投礁区域是一个沉积物随海流输送的缓冲地带,而海区底部投放的人工鱼礁对沉积物的搬运起着一定的阻缓和消减作用。

2.2 4类重金属污染物的时空分布

调查的表层沉积物中,4类重金属污染物在3个季度中的等值线分布图见图2。

总铅 (Pb)监测数据显示:5月份Pb含量为19.25～68.00 mg/kg,总体基本符合 《海洋沉积物质量》[13]所设定的第一类标准;8月份Pb含量为9.75～75.00 mg/kg,10月份 Pb含量为15.40～112.75 mg/kg,夏、秋两个季节Pb含量的变化跨度较大,并且个别调查站点的Pb浓度在此期间快速上升,Pb浓度下降为第二类标准,秋季的几个鱼礁区站点表现得更为明显。

总铜 (Cu)监测数据显示:5月份Cu含量为17.25～26.25 mg/kg,8月份Cu含量为12.12～27.75 mg/kg,10月份 Cu含量为 12.40～43.50 mg/kg,3个季节中Cu的浓度范围波动不大,均符合第一类标准,除秋季出现小幅升高外,全年变化幅度保持平稳。从3个季节中Cu含量的对比可以明显看到,春季表层沉积物中Cu的迁移表现为由湾外向湾内扩散,由于有一部分被鱼礁区所阻滞,因而向湾内扩散的趋势放缓。

总镉 (Cd)监测数据显示:5月份Cd含量为19.25～179.25 mg/kg,8月份 Cd含量为8.25～179.50 mg/kg,10月份 Cd含量为4.20～145.75 mg/kg,3个季节各站点间的Cd含量差异较明显, Cd浓度基本无法达到第三类标准,属于Cd污染较严重地区,同时沉积物中的含Cd污染物在该区的迁移转化运动较为活跃。从污染区域的分布来看,鱼礁区在春季受污染的程度较重,下半年除部分积累外逐渐向湾口外方向转移,总体呈现类似于粒径的变化趋势,即从东南方向输入,在湾顶附近滞留后往东北方向输出。

总锌 (Zn)监测数据显示:5月份Zn含量为35.75～84.75 mg/kg,8月份 Zn含量为34.50～86.75 mg/kg,10月份 Zn含量为 22.50～67.25 mg/kg,3个季节Zn浓度分布较为均衡,Zn浓度值均远低于第一类标准,处于良好状态,春、夏两季的分布特征基本类似,夏季略微上升,秋季呈现出全年的低峰值,鱼礁范围区内Zn浓度总体没有较大波动。

2.3 N、P浓度的时空分布

相对于海水中的营养盐状况,沉积物中的N、P含量更能确切地反映一个时期内海区的营养物质输入情况。2011年度22个站点调查数据显示,海域沉积物中TN含量春、夏、秋季分别为0.24～0.59、0.29～0.89、0.24～0.85 g/kg,而TP含量春、夏、秋季分别为 0.31～0.68、0.31～0.43、0.34～0.60 g/kg。可以看出:TN浓度的时空差异较大,全年的变化相对活跃,与春季相比,夏、秋两季出现了TN浓度高峰值;而TP浓度除了个别站点外,全年的变化趋势较为稳定 (图2)。

2.4 相关曲线的建立

对应各站点的重金属含量,分别对3个季节表层沉积物中TN及TP监测数据采用线性回归方程建立各指标间的定量关系模型,并作相关性检验,结果见表2。污染物之间相关模型的建立对于评估某段时间内污染物的迁移转化规律和污染种类变动都有重要意义,如果海州湾海洋牧场的常规环境监测能在几年里建立有效的相关模型,则能从高效性和精准性方面提升监测的工作质量。

3 讨论

3.1 粒径对化学元素浓度分布的影响

图2 沉积物中总铅、总铜、总镉、总锌、总氮、总磷在5月、8月和10月的等值线图Fig.2 The contour map of Pb,Cu,Cd,Zn,TN,and TP levels in the sediments in May,August and October

表2 各项指标的回归方程和相关系数Tab.2 The regression equation and correlation coefficient between the index

从以往的调查结果可知,连云港近岸海域的水动力主要为波浪和潮流,水动力条件较为复杂,本次调查点所在的投礁区域正处于海州湾湾顶,湾口突窄的地形变化导致波浪向岸传播的过程中大部分能量消耗在与水下岸坡的摩擦上,形成了比较宽阔的波浪消能带,使近岸潮流作用明显,尤其是湾顶处于波腹区流速较小,利于沉积物的扩散堆积[14]。海域的沉积物粒度变化趋势一定程度上反映了该海域沉积物搬运作用的方式,根据Visher的粒径分布累积机率曲线可以对本研究中的粒度参数进行分析,总体的平均粒度值反映了海州湾鱼礁区的沉积物颗粒较细,主要搬运模式属于悬浮搬运。研究表明[15-16],沉积物的粒径大小对于重金属和其他化学元素颗粒的吸附影响较大,一般随着粒径的减小,对重金属等的理论吸附浓度逐渐增加。海州湾鱼礁建设海域的沉积物粒度总体较小,决定了其对于外界重金属污染物或N、P等营养物质具有较大的吸附容量和扩散潜力。

从已有文献可以看出,海州湾内潮流属于浅海半日潮,潮差较大,近岸水流基本为往复运动[17]。而根据东西连岛海洋站的观测资料,海区的波浪以风浪为主,主浪向为北东[14]。据此并按照粒径的变化趋势 (表1)可以发现,湾口潮流的影响造成东南断面输入流向的粒径较细,输出流向的粒径相对较粗,而处于中部的投礁调查区因其特殊的地理位置及底部鱼礁的存在,更容易滞缓沉积物及其自身所吸附化学元素的迁移运动,使一些潜在的有害物质 (如重金属等)在潮流输出向得到轻微程度的富集,而不容易向湾外其他水域快速扩散。今后对于该海域的重点污染物质 (如重金属)进行监测时,监测重点应集中在自身海区的生产作业以及对北东向波浪的源头,同时海区表层沉积物中的N、P含量由于粒径较小其对于海水中营养盐有着较强的相互影响作用,对海区中海水富营养化评价时,应当着重考虑沉积物带来的影响因素。

3.2 海州湾海洋牧场区重金属污染的状况

多年来,海州湾海洋牧场区重金属污染物的主要输入源头来自近海沿岸的渔业及工业生产。而近年来,该海区内的主要污染来源逐渐转变为渔船作业及渔业养殖过程中所排放的抛海废弃物,海水养殖环境的恶化也影响到养殖生物的生长和繁殖[18]。与卢璐等[2]对海州湾调查所得出的浓度状态相比较,本次调查中总体的污染程度有加深的趋势,并且鱼礁区的持续扩大建设对于一些重金属污染物的分布迁移起着较为明显的分散聚集效应。Pb、Cu、Cd和Zn属于海洋重金属污染物监测中常见并且分布较广的几类重金属,与贺心然等[19]对海州湾地区调查的数据相比,本次调查中这几类重金属污染物的浓度都有不同程度的上升,而在变化上有其时空规律。其中最值得注意的是Cd污染程度比较严重,这主要体现在两个方面:一是调查站点间的差异大,从个位到百位的单位数量级分布体现出吸附于表层沉积物的含Cd物质有很强的迁移转化性,与粒径的空间变化特征相符且表现得更为明显,表明在调查海域内Cd污染的潜在生态风险较大;二是季节变化明显,从等值线分布图中对比发现, Cd在春、夏、秋3个季节呈现出不同的分布特征,同样揭示了含Cd污染物质在海域中存在的不稳定性,重金属是一类典型的积累性污染物[20],而湾顶附近某一时间段内的潮流情况可能是影响Cd含量累积的决定因素。

总体分析结果表明:调查海域以Cd为代表的污染物有基于区域表层沉积物的运动规律,且在积累浓度超过沉积物附着饱和度时能发挥出自身更大的转移活跃性;反过来说,一旦某种污染物具有这种活跃性,说明其有超过所属环境承载的危险。调查海域中,重金属等污染物以附近的临洪河口的陆源输入、连云港港口30万t航道及附近临港工业生产所产生的污染物排放为主要源头。此外,海州湾水域的余流场基本为向岸方向,在E向和 ESE向风所产生余流作用下加剧了污染物的向岸堆积[2]。在降水较少的春季,湾顶淡水下泄量较少,表层沉积物中Cd向岸堆积趋势比较明显,由于鱼礁的阻流作用,鱼礁对Cd由湾外向湾内扩散有一定的阻挡作用,在一定程度上阻止了Cd向湾顶的输入;而在降水较多的夏、秋季,受河流下泄影响,由湾内向湾外的水交换能力增强,但这种阻滞效果不明显,有利于污染物向湾外输送,对降低湾内重金属含量有一定帮助。今后对海域重金属进行监测时,需要考虑沉积物随潮流的运动规律及底质的环境饱和度。

3.3 海州湾海洋牧场区营养盐类的状况

海州湾海域的入海河流较多,通过陆源输入了大量有机质和营养盐,近岸水域的富营养化比较严重,而人工鱼礁建设区域处于湾口渐宽处,根据对粒径的分析结果来看,调查站点所处区域的潮流往复运动较为明显,水体流动交换频繁,有效降低了赤潮的危害程度。但近年来鱼礁建设区内,人工养殖生产逐渐兴起,海洋牧场区域的营养盐特别是氮盐不可避免地快速累积,使沉积物中N浓度逐渐增加,与重金属污染物一样,当沉积物中N的积累量达到饱和程度时,其活跃性即与海水交换的频率逐渐增加,容易打破水中的N、P平衡,造成生态灾害。虽然历史上赤潮最终多以P元素成为限制性因子而结束[21],但对于N源的输入仍然需要加强控制和严密监测。

3.4 相关模型的可行性分析

比较各数据模型结果可以发现,达到显著或极显著性水平 (P＜0.05或P＜0.01)的一元回归方程共有7组,分别为春季的Pb-TN组、秋季的Pb-TN组、夏季的Cu-TP组、秋季的Cu-TP组、春季的Zn-TN组、夏季的Zn-TP组以及秋季的Zn-TP组。其中3个季节的数量相当,可以看出在各个季节都有建立模型的条件,而4种重金属元素中,与所建立的化学元素间变化幅度越小,建立起的回归方程有效性就越高,如夏季的Cu-TP数据组。而Cd在本次调查年度中由于其时空变化较为强烈,无法建立能通过相关性和显著性检验的数据模型。总体来说,表2反映了是否能在本海域建立沉积物化学元素间相关模型的可行性,越稳定的定量模型就需要越大的时间跨度数据支持,当前一年的数据无法满足建立一个完整、可靠的模型时,需要后续几年的数据积累才能完成。而相关性较高的几组数据从另一方面反映了其相互之间变化幅度的频率相近。

4 结论

1)海州湾海洋牧场的底质物理环境较为平稳,表层沉积物平均粒径为4.44～6.14(φ制),沉积物种类的分布相差不大,主要分为黏土质粉砂和粉砂质黏土两种。粒度大小的分布符合湾顶潮流往复流向,经度上差异较为明显。东南输入向的沉积物粒径比东北输出向略小,而人工鱼礁投礁区处于潮流运动内外缓冲区,鱼礁的存在对于沉积物运动有一定滞缓作用。

2)表层沉积物中几类重金属含量比往年有所升高,其中Cd污染较为严重,其运动转化较为活跃,一定程度上达到了沉积物吸附的饱和浓度,海流方向决定了其迁移方向。

3)表层沉积物中TN浓度的时空变化较大,总体范围波动较小,TP的年变化稳定,N源的持续输入提升了海区富营养化风险。

4)建立稳定有效的定量模型需要在本次调查的基础上扩大监测海域及监测频率,而对分布变化较大的污染物建立回归模型时,要在调查站点上囊括主要输入源区域。

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The main physical and chemical characterization and correlation of surface sediment at marine ranching area in Haizhou Bay

DI Huan,ZHANG Shuo,QIAN Wei-guo
(College of Marine Sciences,Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources,Ministry of Education,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The particle size,sediment type,concentrations of heavy metal,and total nitrogen and phosphorus levels were detected based on the survey data of surface sediment at the marine ranching area in Haizhou Bay in 2011. The results showed that the particle sizes were found to be variable from φ4.44 to φ6.14,that is,between silt and clay,which was attributed to the northeast-wind wave of the bay mouth.The concentrations of Cu,Zn,Pb and Cd were shown higher now than before 2010,especially Cu being far more higher than the third standard of sediment quality with highly temporal and spatial variation,which apparently was affected by tidal current sediment movement.The levels of N and P were changed steadily,and the quantitative relationship models among the indexes of some heavy metals with small change for each quarter a year were established.

surface sediment;Haizhou Bay;heavy metal;nutrient;marine ranching area

X834

:A

2095-1388(2013)04-0406-07

2013-03-10

上海市教委创新项目 (09YZ272);农业部转产转业项目 (技09-0065,D8006-11-0092);大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室开放基金资助项目 (KF201001)

狄欢 (1988-),男,硕士研究生。E-mail:huand@live.cn

张硕 (1976-),男,副教授。E-mail:s-zhang@shou.edu.cn