江苏海岸沉积物重金属空间分布与污染性评价再分析*

2018-10-18毛龙江邓晓茜孙晨蕾朱紫容

首都师范大学学报（自然科学版） 2018年5期

沈芳毛龙江** 邓晓茜孙晨蕾朱紫容丁敏

(1.南京信息工程大学海洋科学学院,江苏南京 210044； 2.泰山学院地理与旅游学院,山东泰安 271000)

0 引言

随着经济的快速发展，城市化进程不断加快、沿海港口吞吐量不断加大，人类对海洋资源的开发利用进一步加强.人类活动所引起的海洋环境污染日趋严重，导致海岸带环境承载压力也在不断加大.海岸带污染主要来源于陆地污染物排放、海上水产养殖和大气沉降等，目前影响我国海岸带地区的主要污染物有营养盐、石油类物质和重金属[1].其中，重金属是具有潜在生态危害的污染物，沉降到沉积物里的重金属元素富集在沉积物内，最终通过食物链在人体内吸收和富集，从而对人体健康产生危害[2].

前人对江苏省海岸带区域的重金属污染已开展过相关研究，并取得了一些进展[2-6].但是，已有成果都主要集中在江苏海岸的局部区域，缺乏对江苏省海岸带重金属污染的整体认识.因此，本文收集近几年江苏海岸沉积物重金属数据，以期分析江苏海岸沉积物重金属空间分布特征，然后运用潜在生态风险指数法和地累积指数评价方法对7种重金属进行污染生态风险评估，使用多变量分析方法对沉积物重金属的可能来源进行鉴别.

1 研究区概况

江苏海岸带北起苏鲁交界的绣针河口，南至长江口，海岸线全长954 km，占全国大陆海岸线的5.3%.沿海地区包括连云港、盐城、南通3个省辖市，这3个省辖市内有海岸线的县市有14个[3-6](图1).江苏省水网密布，沿海水系发达，有临洪河、埒子河、灌河、射阳河等多条河流入海.这些河流是沿海地区重金属污染输入的重要通道.临洪河是海州湾的主要入海河流，临洪河携带大量重金属污染物入海[7]；埒子河口附近园区发展化工、造纸和制药等这些产业产生的部分污水通过入海口排放[8]；灌河流经淮安、盐城和连云港，最终汇入黄海，附近的产业园区产生的污染物部分通过河道排污[9]；射阳河是里下河地区最重要的入海通道，临港工业区和农业经济开发区产生的污染物通过射阳河排放入海[10].江苏沿海还分布了15个主要港口，承担了江苏省大量煤炭、原油、铁矿石等能源、原材料的进口,外贸进出口和货物运输.依托港口码头，临港产业迅速发展，如冶金和石化企业、电力企业以及水泥和造纸企业[11],这些产业的兴起和发展，必然对江苏海岸环境造成一定的压力.

2 数据来源

全面收集近几年已发表的江苏海岸沉积物重金属数据，对数据资料经过筛选、分析和综合，得到江苏海岸沉积物重金属含量数据(表1),地理分布见图1.基于数据完整性原则，对收集的江苏海岸沉积物重金属数据进行筛选；然后根据时间、研究方法和研究区域对筛选得到的数据进行分析，得到江苏海岸沉积物重金属含量数据.若同一区域使用相同的研究方法，则保留时间较近的数据，剔除时间久远的数据，若同一区域在相近时间使用相同的方法研究，则取它们的平均值.其中，临洪河口的重金属含量由临洪河口南侧潮滩、临洪河口北侧潮滩和近河口河道3个样点的重金属含量取平均值得到；盐城原生湿地的重金属含量由该原生湿地的芦苇滩、盐蒿滩、米草滩、泥螺光滩和青蛤光滩5个滩面的重金属含量取平均值得到；王港的重金属含量由大丰王港海岸带的农田、养殖鱼塘、米草滩和河口光滩4个样点的重金属含量取平均值得到.

图1 江苏省海岸带

3 研究方法

3.1 重金属污染评价方法

采用潜在生态风险指数法和地累积指数法评价江苏海岸沉积物重金属污染特征.以江苏沿海滨海土壤元素Cr、Zn、Pb、Cu、Cd、Hg、As的含量作为背景值.潜在生态风险指数法和地累积指数法的污染等级评价标准见表2.

3.1.1潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法(potential ecological riskindex)根据重金属的潜在毒性和环境的反应来评估沉积物中重金属的污染程度，是一种相对简便而有效的方法[23].计算公式为：

表1 江苏海岸表层沉积物中重金属含量分布

表2 污染指数和生态风险水平评价标准[23]

3.1.2地累积指数法

地累积指数(geoaccumulation index)，又称为Muller指数，考虑了人类活动和自然地质过程造成的对背景值的影响，是一种定量评价重金属污染程度的常用方法[24].计算公式为：

，

式中：Cn和Bn分别是重金属元素n的实测值和背景值；k为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数，取值为1.5；Igeo是地累积指数.

3.2 多变量分析

相关性分析、主成分分析和聚类分析相结合的多变量分析方法是识别重金属来源的有效手段[25-26].相关性分析根据重金属元素之间的相关性来判断区域沉积物中重金属的来源是否相同[27]；主成分分析能够反映各变量之间的关系，可以用来评价沉积物重金属污染的可能来源[28]；聚类分析用以分析区域沉积物中重金属元素是否具有相同的来源或地球化学过程[29-30].使用软件SPSS13.0对数据进行相关性分析、主成分分析(PCA)、聚类分析(CA)，并用KMO值(Kaiser-Meyer-Olin)和Bartlett球形检验对主成分分析进行验证.

4 结果

4.1 重金属含量空间分布

江苏海岸表层沉积物中重金属含量分布见表1.重金属元素(Cr、Zn、Pb、Cu、Cd、Hg、As)含量整体分布特征为：Cr最大值出现在长江口(91.55 mg/kg)，其次为连云港(平均值为71.60 mg/kg).Zn含量由大到小排列为：南通>连云港>长江口>盐城.南通Pb含量低于背景值，Cu含量略高于背景值，其他三地Pb含量和Cu含量均高于背景值.盐城Cd含量高于背景值，而Hg含量低于背景值.各地As含量均高于背景值，其中长江口最高.

从各个站点的7种重金属分布来看，Cr含量以海州湾沿岸的4个站点和长江口相对较高，整体表现为南北两侧较高、中部较低的空间分布趋势；Zn以贝类养殖区含量最大，为441.64 mg/kg，埒子口含量最小，为39.91 mg/kg，较大值分布在南通沿岸，包括启东港、洋口港；Pb含量以王港最高(93.64 mg/kg)，大丰港最低(14.70 mg/kg)；Cu含量最高出现在盐城原生湿地(102.40 mg/kg)，最低出现在塘芦港(9.56 mg/kg)；Cd含量最大值出现在盐城原生湿地(3.00 mg/kg)，其次为贝类养殖区、灌河口，圆陀角附近最低；Hg最大值出现在临洪河口，其值为0.13 mg/kg，其次在贝类养殖区和灌河口，最小值在滨海港、扁担河口、盐城原生湿地和琼港，总体表现为北部高、中部相对南部低的分布特征；As含量最高分布在贝类养殖区(18.17 mg/kg)，最低为滨海港(4.36 mg/kg).

4.2 重金属污染评价

4.1.1潜在生态风险指数法

江苏海岸省辖市(长江口)沉积物重金属元素潜在生态风险指数见图3，重金属Cr、Zn、Pb、Cu、As 这5种元素在连云港、盐城、南通和长江口四个地区的潜在生态风险指数均低于40，属于轻度潜在生态风险.连云港、盐城、南通和长江口均只有一种重金属元素的潜在生态风险为轻度以上，盐城为重金属Cd污染，其余是三地都为Hg重金属污染.其中，盐城Cd元素的值为41.1，存在中度潜在生态风险，而连云港Hg元素的值高达150.0，存在高度潜在生态风险，在南通和长江口重金属Hg引起中度潜在生态风险.Hg潜在生态风险指数为12.5～150.0，属于轻度-高度潜在生态风险.

图2 江苏海岸沉积物重金属元素潜在生态风险指数

图3 江苏海岸沉积物重金属元素潜在生态风险指数

江苏海岸沉积物重金属元素综合潜在生态风险指数如图4.连云港、盐城、南通和长江口的综合潜在生态风险指数ER分别为202.72、85.13、89.03和96.94，为轻度-高度，平均值为118.45，总体处于中度生态风险状况.盐城和南通两地存在轻度潜在生态风险，长江口存在中度潜在生态风险，连云港则存在高度潜在生态风险(图4).

图4 江苏海岸沉积物重金属元素综合潜在生态风险指数

4.1.2地累积指数法

江苏海岸沉积物重金属元素地累积指数结果见图5，临洪河口受Cu元素的轻度污染和Hg元素的偏中度污染；灌河口受重金属Zn、Cu和As的轻度污染以及Hg的偏中度污染；扁担河口和射阳河口分别受Cu和As的轻度污染；新洋港和斗龙港受Pb的轻度污染，而王港重金属污染为Pb偏中度污染和Cu轻度污染；贝类养殖区受重金属Zn、Hg和As的污染程度分别为中度、偏中度和轻度；洋口港受Zn的轻度污染；启东港为轻度污染，4种重金属元素为Zn、Cu、Hg和As；长江口受Cr、Cu和As轻度污染.盐城原生湿地的重金属污染程度最为严重，Cu和Cd均为中度污染.

江苏海岸沉积物重金属元素地累积指数见图6，重金属Pb和Cd在连云港、盐城、南通、长江口四个地区的地累积指数Igeo都小于0，没有引起重金属污染，Cr、Zn、Cu、Hg和As五种重金属的污染程度为轻度-偏中度.重金属元素Zn、Cu和Hg对连云港地区造成污染，其中Zn和Cu的Igeo值介于0～1之间，属于轻度污染，Hg元素的Igeo为1.32，属于偏中度污染；盐城Cu元素(Igeo值为0.34)和南通Zn元素(Igeo值为0.43)均介于0～1之间，为轻度污染；长江口重金属Cr、Cu和As元素都为轻度污染.

4.3 多变量分析

4.2.1相关性分析

江苏海岸重金属变量之间的Pearson相关矩阵见表3，江苏海岸沉积物重金属Cu和Cd的相关系数为0.908，属于显著极强正相关；Zn和Hg，Pb与Hg、As之间的相关系数都介于0.600～0.800，分别为0.639、0.657和0.721，都属于显著强相关；As与Cr、Zn、Hg之间的相关系数分别为0.490、0.498和0.590，都介于0.400～0.600之间，存在显著中等程度相关；Cr和Cu、As的相关系数是0.401和0.490，存在中等程度相关.

图5 江苏海岸沉积物重金属元素地累积指数

图6 江苏海岸沉积物重金属元素地累积指数

CrZnPbCuCdHgZn0.220Pb0.0200.146Cu0.4010.0540.235Cd0.1890.0460.0990.908**Hg0.4640.639**0.657**0.119-0.071As 0.490* 0.498*0.721**0.2890.0360.590**

注：**在P<0.01水平(双侧)上显著相关；*在P<0.05水平(双侧)上显著相关

4.2.2主成分分析

江苏海岸沉积物重金属变量的载荷矩阵见表4，KMO值和Bartlett分别为0.613(>0.5)和70.441，显著性水平为0.000，表明数据可用.第一主成分和第二主成分的特征值分别为3.728和1.752.第一主成分和第二主成分的变量解释分别为46.833%和25.024%，累加解释方差占总解释方差的71.857%.两个主成分可以反映整个数据的大部分信息.江苏海岸沉积物重金属元素主成分载荷因子见图7，第一主成分包括Cr、Zn、Pb、Hg和As五种重金属元素，第二主成分包括Cu和Cd两种重金属元素.

表4 江苏海岸沉积物重金属变量的载荷矩阵

4.2.3聚类分析

聚类分析采用最远邻元素的聚类方法，测量组建采用Pearson相关性.由图8重金属元素聚类分析树状图可见，基于重金属元素之间的相关性，将7种重金属分为两类：第一类为Cr、Zn、Pb、Hg和As五种重金属；第二类为Cu和Cd两种重金属.

图7 江苏海岸沉积物重金属元素主成分载荷因子

图8 重金属元素聚类分析树状图

5 讨论

5.1 重金属空间分布特征的的成因分析

7种重金属元素(Cr、Zn、Pb、Cu、Cd、Hg、As)在江苏海岸带分布不均.潜在生态风险指数法是考虑了不同重金属的生物毒性对重金属污染程度的影响，而地累积指数法主要反映人类活动和自然成岩作用等外源影响[25].然而，重金属富集往往是多种因素共同导致的结果.因此，进行综合潜在生态风险指数法和地累积指数评价多种方法综合分析重金属的污染程度会使结果更合理[25].

综合潜在生态风险指数和地累积指数研究结果表明：相对江苏海岸其它区域，连云港区域的重金属污染最严重，存在高度综合潜在风险.这可能是由于重金属Hg元素在临洪河口和灌河口富集造成偏中度污染，同时临洪河口的轻度Cu污染和灌河口的Zn、Cu、As轻度污染也加剧了连云港区域的重金属污染.盐城范围内的重金属污染程度属于中度-轻度污染，综合潜在生态指数最低.盐城原生湿地大量重金属元素富集是造成盐城区域重金属污染的主要原因，从污染评价结果来看，盐城原生湿地的重金属Cu和Cd均表现为中度污染.其次是由于王港的偏中度Pb污染和轻度Cu污染,以及扁担河口的轻度Cu污染和射阳河口的轻度As污染引起.南通海岸的重金属污染主要是由贝类养殖区和港口引起，贝类养殖区的污染较为严重，重金属元素Hg偏中度污染和重金属Zn中度污染，其次是启东港、新洋港和洋口港存在轻度重金属污染，这使得南通海岸的重金属污染在一定程度上加剧.长江口受到重金属Cr、Cu和As的轻度污染，但并未引起潜在生态风险.综上分析可以看出，江苏海岸重金属污染主要是由于重金属在河口区、盐城原生湿地、贝类养殖区和港口富集所造成.

5.2 重金属来源识别

从评价结果可以看出，7种重金属在江苏海岸不同地段有不同程度的污染，这也表明江苏海岸污染物有不同来源.多变量分析方法如相关性分析、主成分分析和聚类分析结果表明江苏海岸表层沉积物重金属可以分为两类：第一类包括Cr、Zn、Pb、Hg和As，第二类有Cu和Cd.

由多变量分析结果可以看出，重金属Cr、Zn、Pb、Hg和As具有相似的来源.重金属Cr元素Igeo值在长江口仅为0.018，其他区域均小于0，表明江苏海岸仅有长江口为轻度或无污染.Zn污染存在于灌河口、贝类养殖区、洋口港和启东港，其中贝类养殖区的污染最严重.Zn可用于镀锌、黄铜和青铜、制造合金和干电池等相关的化工工业.有研究表明:东沿海工业园区排污是造成贝类养殖区Zn污染的主要原因[20]，灌河沿岸化工园区的排污使得该海域以Zn等为主的重金属污染不断加重[13]；洋口港的临港工业区内有台湾中石化、中国中石化、中石油等大型化工企业；启东港附近5 km范围内就有69家化工公司，这些化工企业污染物的排放导致Zn污染.Pb的主要来源有石油工业、汽车尾气排放和蓄电池的极板等[31].另外，Pb也是燃油的主要成分，与石油燃烧有关[32].江苏海岸Pb污染只发生在三个港口如王港、新洋港和斗龙港.王港、新洋港和斗龙港作为地区性港口，海上贸易繁荣，船舶来往频繁.因此海港交通、航运是Pb污染的可能来源.金属Hg具有挥发性，主要通过大气进入海洋，其主要应用于生产工业用化学药物和电子工业[33].江苏海岸中Hg污染最严重的是临洪河口，其次是贝类养殖区和灌河口.因此，Hg污染可能来源于农业污染.金属As与其化合物被运用在农药、除草剂、杀虫剂和多种合金中.其中As是农药和化肥的主要成分，农业生产活动中使用含有元素As的农药、化肥的残留物会通过地表径流进入海洋[34].As污染出现在灌河口、射阳河口、贝类养殖区、启东港和长江口，其中贝类养殖区的污染最为严重，因为贝类养殖区在养殖过程中会使用大量化肥；灌河口的污染物主要来源于水产养殖和农业化肥[35].据统计，2014年江苏省农药制剂用量7.95万吨[36].因此，第一类重金属(Cr、Zn、Pb、Hg和As)可能来源于化工、海港交通、农业和海水养殖.

重金属Cu和Cd来源具有一致性，可能来源于工业活动.Cu是一种有色金属，主要应用于机械制造、电气、轻工、建筑工业等领域，其中在电子、电气工业中的应用最多[37].Cu污染主要集中在盐城原生湿地，临洪河口、灌河口、扁担河口、王港、启东港和长江口均为轻度污染，可能主要来自工业活动.Cd主要来源于以Cd为原料的工业[38].重金属Cd在工业上的应用主要有电镀和制造合金、充电电池、颜料、杀虫杀菌剂、油漆等[39].综上所述，第二类重金属(Cu和Cd)可能来源于汽车制造业、机械制造业等工业活动.