钦州湾南部表层沉积物重金属分布及生态危害评价

王恩康,孙永根*,夏 鹏,佟智成,金玉休,徐艳东,闫文文,王 晶

(

1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;2.钦州市海洋环境监测预报中心,广西钦州535000; 3.山东省海洋资源与环境研究院,山东烟台264006)

钦州湾南部表层沉积物重金属分布及生态危害评价

王恩康1,孙永根1*,夏 鹏1,佟智成2,金玉休1,徐艳东3,闫文文1,王 晶1

(

1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;2.钦州市海洋环境监测预报中心,广西钦州535000; 3.山东省海洋资源与环境研究院,山东烟台264006)

分析2013年钦州湾南部海域的表层沉积物样品,拟对其7种重金属元素质量分数的空间分布特征进行探讨。采用单因子污染指数法和潜在生态危害指数法对沉积物污染程度及其潜在生态危害进行评价,并利用主成分分析法对其重金属的潜在来源进行解析,结合2011年和2012年同区的调查数据对近3 a来重金属质量分数的变化趋势进行研究。研究发现:重金属Pb,Cr,Hg,As质量分数在研究区中南部海域较高,Cu和Zn在犀牛脚外侧海域质量分数整体较高,Cd在研究区西北侧的钦州港南部海域质量分数较高;Cd的生态危害达到中度危害水平,其他6种重金属(Cu,Pb,Zn,Cr,Hg,As)生态危害程度较轻;重金属的潜在来源主要为钦州港周边海上交通排污、港口疏浚和周边河流陆源排污;2013年调查的Zn和Hg质量分数均明显高于2011年和2012年的。

钦州湾;表层沉积物;重金属;时空分布;生态危害

沉积物是重金属污染物的“贮存库”和载体,其赋存的重金属会随沉积环境的改变而释放到水中,水中的重金属也会经过物理化学作用富集在表层沉积物中;因此,表层沉积物同时充当着重金属的“源”和“汇”。重金属是一类难以消除的富集性污染物,具有污染残留时间长、易蓄积、不易被微生物降解等特征,通过食物链在生物体内循环和富集,能破坏生物体正常的生理代谢活动,对生物体潜在威胁极大[1]。因此,沉积物中重金属的污染状况是当前重金属研究的热点和首要问题[2-3]。

钦州湾位于北部湾顶部,广西沿岸中段;由内湾和外湾构成,属半封闭型的天然海湾。该湾口门宽约29 km,纵深约39 km,海湾面积约380 km2[4]。湾内海洋经济鱼类丰富,沿岸红树林发育茂密,也是白海豚的重要栖息地。一直以来,钦州湾作为重要的环境保护区域,其环境质量的要求相对较高。但近年来钦州湾沿岸工业发展迅速,加上环境基础设施建设还不完善,2012年钦州市工业污水排放量高达1 791×104t,对近海海域的环境污染和生态破坏逐步显现。近来对钦州湾沉积物的重金属污染研究多集中于空间分布特征方面[2,5-6],不能反映其重金属质量分数的时空变化规律及其潜在来源。我们以2013年获取的钦州湾南部海域的表层沉积物为研究对象,在其单因子评价、潜在生态危害评价和源解析的基础上,结合2011和2012年的重金属数据对其时间演变规律进行探索,以期为钦州湾南部海域重金属的污染治理提供数据支撑。

(高 峻 编辑)

1 材料与方法

1.1 研究区域的站位分布

2011-11,2012-09和2013-03,我们委托广西红树林研究中心在钦州湾南部海域进行表层沉积物样品采集,站位数分别为20站、12站和19站,具体站位见图1。样品采集按照《海洋监测规范》样品的采集、贮存和运输要求[7]进行。采用重力抓斗采集浮泥以下0～2 cm表层沉积物样品密封于双层聚乙烯袋内,低温冷冻保存直至样品分析。

图1 研究区域及采样站位Fig.1 Study area and sampling sites

1.2 样品分析方法

样品分析按照《海洋监测规范》沉积物分析的方法[8]执行,采用原子荧光光谱仪和原子吸收分光光度计测试样品中7项重金属元素(As,Hg,Zn,Cr,Cu,Cd,Pb),准确度(ΔlgC)控制在0.110～0.112,精密度(RSD)控制在10%～20%。其中,As和Hg采用原子荧光光谱法(SK-2003AZ)测试,Zn,Cr,Cu,Cd,Pb采用原子吸收分光光度法(WFX-120)测试,检出限分别为0.06,0.002,6.0,2.0,2,0.04,1.0 mg/kg。

1.3 评价方法

1.3.1 单因子污染评价

基于《海洋沉积物质量》[9]中的一类沉积物质量标准,计算单一污染物的环境质量指数,其计算公式:式中:Pi为第i项污染物的环境质量指数;Ci为第i项污染物的实测质量分数;Si为第i项污染物的评价标准。

1.3.2 潜在生态危害评价

采用瑞典科学家Häkanson提出的潜在生态危害指数法[10]对重金属的单因子富集系数和潜在生态危害指数进行评价,计算公式:

表1 潜在生态危害指标及分级[3,10]Table 1 Potential ecological risk indices and classification

2 结果与讨论

2.1 重金属元素质量分数及其空间分布特征

2013-03获取的钦州湾南部海域表层沉积物中Cu的变化范围为3.78～51.96 mg/kg,均值±偏差为(13.54±10.05)mg/kg;Pb的变化范围为3.65～18.65 mg/kg,均值±偏差为(10.45±4.68)mg/kg;Zn的变化范围为8.01～496.65 mg/kg,均值±偏差为(134.62±132.41)mg/kg;Cd的变化范围为0.01～0.21 mg/ kg,均值±偏差为(0.09±0.06)mg/kg;Cr的变化范围为6.48～50.41 mg/kg,均值±偏差为(23.34±11.06) mg/kg;Hg的变化范围为0.017～0.092 mg/kg,均值±偏差为(0.054±0.020)mg/kg;As的变化范围为7.64～19.70 mg/kg,均值±偏差为(11.97±3.15)mg/kg。其中:Pb,Cr,Hg,As质量分数在研究区中南部海域较高,Cu和Zn在犀牛脚外侧海域质量分数整体较高,Cd质量分数高值区主要分布在研究区西北侧的钦州港南部海域,其空间分布特征详见图2。

2.2 重金属单因子污染指数评价

参照《海洋沉积物质量》中的沉积物质量标准[9],计算2013年每个站位各污染物的环境质量指数。结果表明:除Cu和Zn外,其他污染物均符合一类沉积物质量标准,沉积物质量状态良好。所有站位的Cu和Zn分别符合二类和三类沉积物质量标准(表2)。

图2 2013-03重金属元素(Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg,As)质量分数(mg·kg-1)的空间分布特征Fig.2 Spatial distribution of heavy metals(Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg,As)in March 2013

表2 重金属元素的单因子评价指数Table 2 Single-factor evaluation indices of heavy metals in the surface sediments

2.3 重金属潜在生态危害评价

单因子污染指数法仅将污染物的实测质量分数与《海洋沉积物质量》中规定的数值[9]进行比较,未考虑不同重金属间的毒性差异,并不能很好地反映研究海域的污染程度及其潜在生态危害。有鉴于此,利用潜在生态危害指数对2013年钦州湾南部海域表层沉积物中的重金属进行评价,以期了解其潜在生态危害程度。2.3.1 表层沉积物中重金属的富集特征

为保证我们选用的背景值能够最大程度代表钦州湾的实际背景,选择Dou等[11]在北部湾东部的研究数据,其研究范围与我们研究区基本一致,作为本次评估的背景值较为合适。Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg,As的背景值(CiR)分别为68.4,34.2,57.4,0.08,45.3,0.09,18.1 mg/kg。

将钦州湾南部海域表层沉积物中各重金属元素质量分数代入式(2),计算结果列于表3中。

表3 表层沉积物中各重金属的富集系数(Cif)Table 3 Enrichment coefficients of heavy metals(Cif)in the surface sediments

分析钦州湾南部海域表层沉积物中各种重金属的富集系数(表3)发现,沉积物中重金属Zn的富集程度最大,平均富集系数为2.35,有26%的站位属于强污染水平,位于外湾东侧、犀牛脚北侧海域的13-3和13-4站的富集系数分别达8.65和7.07;其次是重金属Cd和As,平均富集系数分别为1.15和0.66,其中,Cd有47%的站位属于中等污染水平,As仅有1个站位属于中等污染水平。Cr和Hg富集系数平均值均小于1,属于轻微污染,但重金属Cr有2个站位属于中等污染,重金属Hg有1个站位属于中等污染。富集程度较低的重金属依次为Pb和Cu,其富集系数均小于1,属于低污染水平。

2.3.2 潜在生态危害评价

重金属的毒性响应系数用于指示重金属的毒性水平以及对生物的敏感程度。Häkanson的评价模型中7种重金属元素的毒性大小依次为Hg＞Cd＞As＞Pb=Cu＞Cr＞Zn[10,12-13],Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg,As重金属元素的毒性响应系数(Tir)[14]分别为5,5,1,30,2,40,10。

分别将表3中各重金属元素的富集系数(Cif)和各重金属元素的毒性响应系数(Tir)代入式(3)和式(4),分别得到该海域表层沉积物中各重金属元素的潜在生态危害系数(Eir)和沉积物中重金属综合潜在生态危害指数(RI),将计算结果列于表4。

表4 表层沉积物中各重金属的潜在生态危害系数(Eir)和危害指数(RI)Table 4 Potential ecological risk coefficients(Eir)and risk indices(RI)of heavy metals in the surface sediments

结果表明:各重金属的所有潜在生态危害系数Eir＜80,最大值出现在13-18站的Cd元素(78.75);所有站位的综合潜在生态危害指数RI＜150,属轻微生态危害范畴。研究海域表层沉积物重金属中除Cd的综合潜在生态危害系数(40～80)达到中度危害水平外,其他6种重金属(Cu,Pb,Zn,Cr,Hg,As)的综合潜在生态危害系数＜40,属于轻微生态危害程度。

图3 表层沉积物中重金属的潜在生态危害指数空间分布特征Fig.3 Spatial distribution of potential ecological risk of heavy metals in the surface sediments

分析重金属的潜在生态危害指数的空间分布特征(图3),发现钦州港南部海域以及研究区中南部海域潜在生态危害指数较高,而研究区西侧和东侧相对较低,其分布规律与周边海洋开发活动息息相关,其中陆源污染物、港口疏浚物和海上交通排污是重要的影响因素。

2.4 重金属污染物的源解析

主成分分析法(PCA)已广泛应用于海洋沉积物中重金属污染物的源解析[15-19]。现以2013年重金属Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,Hg和As的质量分数为参数,其Bartlett球形检验统计量为58.32(P＜0.01),KMO检验值为0.67;表明数据间存在较强的相关关系,适宜做主成分分析。基于SPSS 13.0 for windows数据统计软件,在对原始矩阵数据归一化处理的基础上,按特征值≥1的标准提取主成分;共获得3个主成分PC1,PC2和PC3,进而对各主成分的方差贡献进行解析[20]。3个主成分的累计方差为77.88%,反映了沉积物中重金属潜在来源的多数信息,其特征值和方差贡献详见表5。

PC1的方差贡献为40.55%,Pb,Cr,Hg,As占的荷载较高。Pb,Cr,Hg,As质量分数具有较为一致的空间分布特征,在研究区中南部海域较高,在其他区域相对较低。已有研究表明,Pb主要受陆源排污、海上交通排污及大气沉降等影响,Cr主要为矿山开采和工业污染物等随河流输入海洋,Hg主要来源于陆源河流输入和大气沉降等[1,18,21],As在自然环境中存在极少,受农药和化肥的使用、煤渣排污的影响较大。研究区的中部和南部为港口航运区,海上交通运输频繁,海上交通排污可能为Pb,Cr,Hg,As质量分数较高的重要原因。PC2的方差贡献为18.91%,Cu和Zn占的载荷较高,两者在犀牛脚外侧海域质量分数整体较高。研究结果显示,Cu和Zn主要来源一般为工业污染、陆地岩石以及土壤风化产物[21]。犀牛脚临近海岸主要砂质海岸和基岩海岸,其Cu和Zn的背景值较高,风化产物是Cu和Zn的主要来源。PC3的方差贡献为18.42%,Cd占的荷载较高,其高值区主要分布在研究区西北侧的钦州港南部海域,港口疏浚物是影响其质量分数空间分布的重要因素[19-20]。此外研究区周边分布有多条河流,西北部有茅岭江和钦江,北部有大风江和武利江入海,陆源污染物随河流入海对研究区各元素质量分数均产生了重要影响。

表5 主成分分析(PCA)计算结果Table 5 Calculation results of principal component analysis(PCA)

2.5 重金属元素的时间变化趋势

分析钦州湾南部海域2011-11,2012-09和2013-03表层沉积物调查数据,对钦州湾南部海域表层沉积物重金属的时间变化趋势进行研究(表6)。运用潜在生态危害指数法对调查数据进行处理,分别得到研究区域潜在生态危害指数分布特征(图4)。

表6 2011-2013年重金属质量分数的时间变化特征(mg·kg-1)Table 6 Temporal characteristics of heavy metals in 2011-2013(mg·kg-1)

分析可知,1)Cu质量分数在2011-2012年增幅很大,其平均质量分数从7.68 mg/kg增加至16.52 mg/kg,增幅高达115%,但2012-2013年有小幅回落,降幅18%;2)Pb质量分数在2011-2012年增幅较大,增幅达72%,但2012-2013年也出现小幅回落,降幅约40%;3)Zn质量分数在2011-2012年出现小幅增加,增幅约27%,随后在2012-2013年出现大幅增长,增幅高达140%;4)Cd质量分数在2011-2012年出现50%的增幅,在2012-2013年又出现大幅回落,降幅达50%;5)Cr质量分数在2012年调查中未检,质量分数在这3 a增加将近7倍;6)Hg质量分数呈现出逐年增加的趋势,增幅分别为37%和15%;7) As质量分数在2011-2012年出现小幅增加,增幅为28%,但之后2 a又出现小幅降低,降幅约9%。Cu, Zn,Hg和Pb在2012年和2013年质量分数均高于2011年,主要应与钦州港持续建设以及周边海域交通运输等人类活动不断增强有关;2012年Cd和As质量分数均高于2011年和2013年,可能与钦州港的港池疏浚量年际变化有关,具体原因待进一步研究。

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

2011-2013年研究区全域的综合生态危害指数＜150,属轻微生态危害范畴,这说明研究区各年份表层沉积物潜在生态危害程度较低,但仍表现出了一定的空间分异性。2011年大风江口和研究区南部综合生态危害程度较周边区域高(图4a),2012年自犀牛脚至大风江口综合生态危害程度较周边区域高(图4b), 2013年研究区西南部综合生态危害程度较周边区域高(图4c)。三年综合生态危害指数高值区出现摆动变化,主要与研究区周边港口建设、海上交通和陆域排污有关。

3 结 论

为深入了解钦州湾南部海域重金属的污染现状、潜在来源及时间变化趋势,对该海域近2011-2013年的7种重金属元素质量分数进行分析,研究发现:

1)2013-03表层沉积物中Pb,Cr,Hg,As质量分数在研究区中南部海域较高,Cu和Zn在犀牛脚外侧海域质量分数整体较高,Cd质量分数高值区主要分布在研究区西北侧的钦州港南部海域;除Cu和Zn外,其他重金属元素均符合一类沉积物质量标准,沉积物质量状况良好。

2)由潜在生态危害评价结果可知,Cd的生态危害程度达到中度危害,其他6种重金属(Cu,Pb,Zn,Cr, Hg,As)的生态危害程度较轻;钦州港南部海域以及研究区中南部海域潜在生态危害指数较高,而研究区西侧和东侧相对较低。

3)基于主成分分析法对沉积物中重金属的潜在来源进行了解析,主要为钦州港周边海上交通排污、港口疏浚和周边河流陆源排污等不同排污途径输入。

4)2011-2013年钦州湾南部海域表层沉积物中重金属质量分数的时间变化趋势表明,2013年Zn和Hg的质量分数均明显高于2011年和2012年的;其他4种(Cu,Pb,Cd,As)重金属质量分数变化不大。

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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

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目——海岸带保护区保护范围选划方法研究(2014G16)和小尺度下的海岛景观格局变化研究(2013G14)

王恩康(1985-),男,山东即墨人,硕士,助理工程师,主要从事海洋环境工程方面研究.E-mail:wekang@fio.org.cn

*通讯作者:孙永根(1981-),男,山东青岛人,硕士,工程师,主要从事海洋环境工程方面研究.E-mail:sunyonggen@126.com