南中国海表层海水重金属含量及其潜在生态风险分析

刘慧杰,刘文君,刘继平,麦成海,郑鑫楠



南中国海表层海水重金属含量及其潜在生态风险分析

刘慧杰1*,刘文君2,刘继平1,麦成海1,郑鑫楠1

(1.广州军区环境监测站,广东广州 510507；2.清华大学环境学院,北京 100084)

为了解南中国海重金属含量现状及其潜在风险,采集南中国海16个采样点站位的表层海水样,分析重金属元素Cu、Pb、Zn、Cd含量及相关环境参数,并用Hakanson潜在生态危害指数法评价其生态风险.结果表明,Cu含量范围为0.012~0.127mg/L,Pb含量范围为0.051~1.113mg/L,Zn含量范围为0.045~0.186mg/L,Cd含量范围为0.047~0.324mg/L,重金属平均含量均超过我国海水水质三类标准.4种重金属间呈显著相关性,重金属与不同环境参数间也存在显著相关性,这可能与它们的污染来源相同有关.经重金属潜在生态风险指数分析,平均RI值为873.87,已具极强生态危害,其中Cd对生态危害贡献最大,海洋生态风险影响程度依次为Cd > Pb > Cu > Zn.提示应重点加强海洋环境生态危害较大重金属的监测.

南中国海；表层海水；重金属；生态风险

随着沿海经济的迅猛发展,各类污染物种类和数量日益增多,海洋生态环境遭受不同程度的污染,海洋环境质量也发生着较大变化.特别是近年来,重金属作为对人类及海洋环境有严重危害的污染物,具有来源广、生物蓄积性和毒性,一般不能被生物降解等特点[1]、可以通过地表径流、沿海工农业废水和城市生活污水排放等途径进入河口及沿海海域.流入海洋的重金属,易于沿食物链转移富集,对水生生物和人类健康产生潜在危胁,引起了国内外学者广泛关注.

海洋环境中的重金属来源可分为天然来源和人为来源两大类,天源来源如海底火山喷发、地壳岩石风化、大气沉降等,人为来源如矿山及海油井开采、工农业及生活污水排放等,可将重金属注入海洋,并随洋流扩散.近半个世纪以来,沿海工业快速发展,导致世界范围内的海洋环境重金属污染日益严重[2].田琳等报道了北黄海表层海水重金属分布特征,表明受沿岸人类活动影响较为明显[3].Mahalakshmi等[4]报道了印度印诺尔港海域海水与沉积物Cu、Zn、Pb、Cd重金属含量,表明沉积物含量较高,主要来源于工业及城市污水等.其他报道多数集中于沉积物[5]、海洋生物监测[6]与蓄积[7]、红树林[8]及生物指示[9]等方面研究.珠江三角洲地区是中国经济最为活跃的地区之一,也成为了陆源及河流污染物输入海洋环境的重要区域,然而对于重金属污染物的研究也只限于珠江八大河口[10]和珠江广州段,研究对象主要以沉积物[11-12]、水生生物[13]以及土壤[14-15]中的重金属为主,而对于珠江口及下游南中国海海域重金属含量研究报道较少[16-17],在为数不多的报道中,重金属污染也只局限于珠江口及近海海域.生态风险指数法是瑞典学者Hakanson于1980年提出[18],它既能反映某一特定环境中各种污染物的影响,又能反映多种污染物的综合影响,并能用定量方法划分出潜在生态风险程度[19],可以对污染状况进行科学计算、准确分析和客观评价.本文着重报道了南中国海表层海水重金属含量,填补该区域无重金属含量相关数据的空白,进一步了解其分布特征及变化趋势,探讨分析重金属可能来源及影响因素,并利用Hakanson生态风险指数法对其存在状况进行综合评价,有助于较全面了解重金属在海洋环境中迁移的海洋地球化学过程,对于我国海洋环境的生态保护提供基础资料和南中国海可持续发展提供科学依据.

1 材料和方法

1.1 采样站位

图1 各采样站位分布示意

南中国海位于中国大陆的南方,是中国南部的陆缘海,被中国大陆、菲律宾群岛、越南和马来半岛所环绕,为西太平洋的一部分.海域面积356万km2,约为中国渤海、黄海和东海总面积的3倍,是中国最大的外海,平均深度1212m,最深处5567m.通过巴士海峡、苏禄海和马六甲海峡等,与太平洋和印度洋相连,是主要的海上运输航线.

2013年2月,利用南海301船,采集南中国海16个站位的表层海水样(图1),其中14、15、16号站位为珠江口海域,7、8、9、10、11为海南岛周边海域,其他站位为外海海域.各站位区域地理位置坐标位于108°16'40.75"~115°29'21.0E", 9°53'9.74"~23°05'34.80"N.

1.2 采样方法

表层海水样品采集选用塑料容器,采样前用去离水反复冲洗,采样桶尽量远离船体采样,避免船体污染对样品产生影响.采样后样品中滴几滴浓硝酸酸化,调pH值至2以下,置于4℃冰箱密封保存,运回实验后立即分析[20].相关方法参照GB17378.3－2007,海洋监测规范第3部分:样品采集、贮存与运输以及第4部分:海水分析进行.在做好标准曲线等优化条件下,用原子吸收分光光度计测定各重金属含量,同时以2%硝酸做为空白样品,进行空白实验.

1.3 分析仪器及试剂

采用北京瑞利仪器厂生产的WFX-210型原子吸收分光光度计.各重金属标准样品均购于国家标准物质中心,其标准曲线斜率均为r>0.999,在曲线线性范围内任选择一标准样品进行测定,经测定值与标准值比较,其RSD(相对标准偏差)均小于5%,数据的准确度及精密度满足实验要求.所用其他辅助试剂均为优级纯,实验用水为超纯水.

1.4 统计分析

采用Excel2010和SPSS17.0软件进行数据处理与分析.

2 结果

2.1 各站位样品相关参数

表1 各站位表层海水重金属含量及相关参数

所选重金属采用《海水水质标准》(GB3097- 1997)进行样品分析和评价.各站位重金属含量及相关参数见表1.Cu的含量为0.0122~ 0.1267mg/L,最高的为7号站位,最低的为16号站位.Pb的含量为0.0509~1.1127mg/L,最高的为10号站位,最低的为16号站位.Zn的含量为0.0451~ 0.1536mg/L,最高的为3号站位,最低的为15号站位.Cd的含量为0.0470~0.3242mg/L,最高的为12号站位,最低的为16号站位.TOC的含量为1.48~5.39mg/L,最高的为16号站位,最低的为2号站位.根据海水水质三类和四类标准限值, Cu、Pb、Zn、Cd含量平均值超过海水水质三类标准.其中Cu含量指标中15、16号站位达到海水水质三类标准;Pb含量指标中所有站位均超过海水水质四类标准;Zn含量指标中15、16号站位达到海水水质四类标准,其余站位重金属含量均超过该标准.

2.2 各站位样品重金属元素含量的相关性

对各站位表层海水样品参数的相关性进行分析,Cu、Pb、Zn、Cd四种重金属之间互呈显著相关性(<0.05),其中Cu、Zn、Cd分别与水温、盐度、pH值呈显著正相关(<0.05),而与TOC呈显著负相关性(<0.01),Pb与水温相关性无统计学意义外,与盐度和pH值均呈显著正相关(<0.01),与TOC呈显著负相关(<0.01).

表2 各站位样品参数相关性分析

注:斜线上方为各参数间相关系数,下方为统计学检验的值.

2.3 各站位样品相关参数的聚类分析

图2 所有采样站位聚类分析

对各站位样品相关参数进行聚类分析,主要分为两类,15、16号站位分为第一大类,主要是珠江口近岸区,其余站位分为第二大类,主要为南中国海海域.在第二大类中,11、12、14号站位又归为一类,既不靠近珠江口海域,也不靠近外海站位,其余站位又归为一类,较靠近海南岛陆地站位.

2.4 重金属潜在生态风险分析

表3 重金属元素背景参考值和各重金属的毒性系数

表4 重金属生态危害程度划分标准

表5 各站位重金属生态危害系数

表6 各站位生态危害指数RI和不同重金属对其贡献率

表7 不同重金属元素危害指数总方差分析

3 讨论

3.1 海洋重金属含量

海水是海洋重金属元素存在的重要载体,其含量高低能反映海洋水环境质量状况,Cu、Pb、Zn、Cd成为国内外研究海洋环境主要的重金属污染元素之一[21].通过对16个站位重金属含量测定,除Zn达到国家海水质三级标准外,Cu、Pb、Cd均超过了海水三类水质标准.数据表明我国海洋环境部份重金属元素超标,还需要加强监测开展进一步研究.各金属元素含量高于辽宁绥中海域[22]、渤海湾[23]重金属含量,也高于墨西哥湾[24]及地中海海域[25].在珠江口海域,四种重金属含量均较其他站位偏低,这可能与珠江口沿岸区域的环境污染物排放,存在防治重金属污染的环保治理措施及人为控制重金属污染物达标排放有关.也可能受与内海环境较外海环境相比低pH值、低盐度等条件影响,重金属更倾向于呈吸附状态,与颗粒物结合后,沉积于底泥中,从而表现出珠江口表层水相中重金属含量低于外海的表层海水样品.

3.2 重金属含量与参数相关性

从各参数相关性来看,各重金属元素间均呈显著相关性,这可能与它们的来源相似有关,大部份站位离陆地较近,可能与陆源污染或人为活动有关,特别是与入海河流和排污口有关,而对于外海的其他站位,这种人为因素影响则较小,重金属的相关性可能与洋流的同步运动有关.另外,各重金属元素与水温、pH值、盐度均呈显著正相关,表明这些环境参数成为多种重金属元素分布特征控制因素[26],随着纬度降低,温度升高,重金属元素扩散增加,随着盐度和pH值增加,重金属元素更易成溶解或游离状态,表现出在外海有较高浓度.海洋环境中的天然有机质与重金属有着密切关系,并影响着重金属的地球化学行为.本研究中四种重金属Cu、Pb、Zn、Cd分别与TOC均呈负相关,这可能与重金属元素在外海高盐度、高pH值及高水温环境更容易呈溶解或游离状态,表现为重金属能更多地溶于水相而不是呈沉积状态,也不是与含碳有机物及细微颗粒的表面吸附作用而存在.

3.3 海洋重金属来源

海洋中重金属来源有陆源物质输入、大气沉降以及火山活动和岩体风化等天然源[21].从各站位聚类分析,主要分为两类,第一类站位编号有两个,分别为15和16号,它们位于珠江口内,离陆地较近,其它站位为第二类,远离珠江口,两类站位重金属含量不同,污染强度也有区别,这可能与它们来源的差异性有关.珠江口站位海水中有机物含量较高(15和16号站位TOC含量高于其他站位),这可能与珠江口沿岸生活废水、工业排污、船舶运输有关,沿海重金属来源可能与这些陆源污染物的同步排放有关.按照各采样点位置不同,可分为珠江口近海、沿海海域和外海海域三类,具体为:14、15、16号站位为珠江口海域;7、8、9、10、11、12、13号站位为近海海域,1、2、3、4、5、6号站位为外海海域.经比较与数据分析,四种重金属Cu、Pb、Zn、Cd含量的趋势均为外海海域较高,珠江口较低,可能由于受到近岸水体动力学的重新干扰分配,河口区未必就是重金属富集区[27].而外海各站位重金属测定值较高,推测可能与外海各站位重金属来源较广泛和较复杂有关,外海各站位重金属来源除陆源污染外,还有就是随洋流迁移与食物链传递[28]、海洋本身有机质降解,岩体自然风化与侵蚀而使重金属释放等原因所致的天然来源,以及大气沉降等因素有关[29].大气沉降是许多自然物质和污染物质从大陆输送到海洋的重要途径[30],降水量多的海区离子沉降通量也较高[31].今后还需要加大珠江口及注意外海表层海水采集样本量,以及增加其他可能相关因素合并考虑开展进一步研究.

3.4 不同重金属生态危害

各站位重金属具有不同程度的生态危害,经主成分分析[32],其中Cu、Zn属轻微生态危害,Pb属中等生态危害,Cd属极强生态危害.方差累积贡献及生态危害贡献最大的是Cd,这与胶州湾[33]和深圳湾近海海域[27]重金属污染评价相一致,Cd的毒性是仅次于Hg的有害重金属,易与许多配位原子(S、Se、N)有机化合物组成中等稳定络合物,特别能与含—SH基的氨基酸类配位体强烈螯合.因此,Cd类化合物具有较大的脂溶性、生物富集性和毒性,并能在水生生物体内蓄积[34],对水生物生物和人体能够造成较大的危害[35],因此提出海洋环境要重视重金属元素Cd的污染[36].其它三种重金属虽然属轻微或中等生态危害,但也要引起广泛关注.

4 结论

4.1 南中国海16个站位表层海水样品中,Cu含量范围为0.012~0.127mg/L,Pb含量范围为0.051~1.113mg/L,Zn含量范围为0.045~0.186mg/ L, Cd含量范围为0.047~0.324mg/L,重金属平均含量均超过我国海水水质三类标准限值.

4.2 四种重金属间含量呈显著相关性,且与不同环境参数间也存在显著相关性,这可能与它们的污染来源相同有关.

4.3 Cd对生态危害风险贡献最大,海洋生态风险影响程度依次为Cd>Pb>Cu>Zn,应重点加强海洋环境生态危害较大重金属的监测.

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Heavy metals concentration and its potential ecological risk assessment of surface seawater in South China Sea.

LIU Hui-jie1*, LIU Wen-jun2, LIU Ji-ping1, MAI Cheng-hai1, ZHENG Xin-nan1

(1.Environmental Monitoring Station of Guangzhou Military Area of Chinese People’s Liberation Army, Guangzhou 510507, China；2.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2017,37(10)：3891~3898

To explore the status of heavy metals pollution in South China Sea, the surface samples of sixteen stations were collected. Concentrations of heavy metals Cu, Pb, Zn, Cd as well as relevant environmental parameters, such as TOC, pH value, salinity and so on, were analyzed. The Hakanson ecological risk index was adopted to assess the potential ecological risk of South China Sea. Concentrations of Cu (0.012~0.127mg/L), Pb(0.051~0.113mg/L), Zn(0.045~0.186mg/L) and Cd (0.047~0.324mg/L) in surface seawater were pretty high and the average level of them were beyond the third class of sea water quality standard of China. There was a significant correlation between four heavy metals and some of environmental parameters, which suggested their similar origins. Based on the potential ecological risk assessment results, the average RI value was 873.87, indicating a high ecological risk level. The descending order of ecological risk of heavy metal was Cd >Pb >Cu >Zn. Consequently, more efforts should be made to monitor heavy metal pollution and protect marine ecological environment.

South China Sea；surface seawater；heavy metals；ecological risk

X52

A

1000-6923(2017)10-3891-08

刘慧杰(1974-),男,内蒙包头人,高级工程师,博士,主要从事实验室质量管理与环境监测.发表论文30余篇.

2017-02-27

国家自然科学基金资助项目(51290284)

*责任作者, 高级工程师, liuhja@126.com