广东沿海沉积物重金属含量及风险评价

张起源,刘谞承,赵建刚,刘香华



广东沿海沉积物重金属含量及风险评价

张起源1,2,刘谞承2*,赵建刚1*,刘香华2

(1.暨南大学生态学系,广东 广州 510632；2.环境保护部华南环境科学研究所,广东 广州 510655)

通过收集大量监测资料,研究广东省沿海沉积物重金属污染特征及生态风险评价.基于社会、经济、自然等方面,分析广东省沿海沉积物重金属的主要影响因素.结果表明,珠江口海域沉积物中重金属含量高于粤东、粤西区域,其中Cu(106.98±70.69μg/g)、Pb含量(65.74±65.03μg/g)分别以广州、深圳最高,Zn(250.25±55.01μg/g)、Cd(1.48±0.30μg/g)、Cr(96.48±9.79μg/g)、As(17.30±14.00μg/g)含量均为中山最高. Hakanson潜在生态风险评价结果显示,广东沿海各单项指数(0.528±0.377~2.107±3.665)及综合指数(7.135±7.880)均处于“低等”水平.单因素生态风险评价结果为:Cd>Cu>Pb>Zn>As>Cr,而生态风险综合指数则表现为:珠江口(12.131)>粤东(5.488)>粤西(4.1560).沿海沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr之间均具显著正相关性(<0.05),说明各重金属污染来源相近,具有同源性;部分重金属(Cu、Pb、Zn)含量与TOC显著正相关(<0.05),而部分重金属(Cu、Cr、Cd)含量与pH值显著负相关(<0.05).

广东沿海；重金属；沉积物；生态风险评价

作为海洋生态系统的重要组成部分,沉积物是陆源污染物入海后的主要富集介质,也是水生生物的重要栖息场所,其稳定性高于水介质,可较准确地反映海洋环境质量状态和趋势.重金属是海洋环境中关注的重要污染物之一[1],主要源于地表径流、大气沉降和近海直接排污等[2],可通过悬浮颗粒物吸附沉降于沉积物中.重金属具有蓄积性、残留时间长的特点,易于底栖生物体内富集,通过食物链转移至捕食者或人体,危害水生生物及人类健康[3].海洋沉积物重金属含量与土壤背景值、区域经济发展水平和人为活动干扰程度密切相关[4].

广东省大陆海岸线总长3829.91km[5],沿海共分布14个地级市,水深低于80~90m以内范围可分为珠江口(惠州、深圳、东莞、广州、中山、珠海、江门)、粤东(潮州、汕头、揭阳、汕尾)、粤西(阳江、茂名、湛江)3个海区(图1)[6].据《2015年广东省海洋环境状况公报》,广东省2015年主要入海河流共排放重金属1.357t,重金属长年累月大量排放,对沿海环境质量造成潜在的生态风险.

目前国内在江苏、福建沿海以及渤海湾等已有较多沿海沉积物重金属含量和生态风险方面的研究[7-10],而广东沿海相关研究多集中于经济发达的珠江口地区[11-12],粤东、粤西则较少关注,且近年来未见全省范围内沿海沉积物重金属含量及生态风险的相关报道.

本研究通过收集广东沿海大量监测点位数据,以Cu、Pb、Zn、Cd、As、Cr等为重点,将整个广东省沿海纳入研究范围,分析广东沿海各市沉积物重金属含量分布的时空差异及影响因素.按照区域经济发展差异性,将广东沿海分为粤东、粤西、珠江口等3个区域研究社会、经济因素对于重金属含量的影响,并对广东沿海各市和粤东、粤西、珠江口3区域的重金属潜在生态风险水平进行评价.基于沿海各市自然环境、社会经济状况,分析影响重金属污染的关键因素,为广东沿海重金属污染防控提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 数据收集

根据国家海洋局、广东省海洋与渔业局等单位2015年以来公布的62本建设项目海洋环境影响报告书全本或简本,收集了2014~2016年,沿海13市(缺潮州市,图1)共484个监测点位的海洋沉积物环境监测数据,监测指标含Cu、Pb、Zn、Cd、As、Cr、总有机碳(TOC)、石油类、pH值共9项.

图1 广东省海洋沉积物环境监测点位分布图

1.2 生态风险评价

采用Hakanson指数法[13],基于重金属含量、数量、毒性及敏感性等条件,计算重金属潜在生态危害指数,计算公式如下:

表1 全国及广东土壤和海洋沉积物背景值(Cu、Pb、Zn、Cd、As、Cr平均值)研究 (μg/g)

表2 单类金属及其综合潜在生态风险评价

1.3 数据处理及图形制作

采用SPSS 24.0软件进行数据处理和相关性分析.采用Arcgis 10.5软件进行图形制作.图2采用插值法作图.

2 结果与分析

2.1 沉积物重金属污染特征

广东省海洋沉积物中,珠江口海域重金属含量显著高于其他区域.其中,Cu含量广州地区最高为106.98±70.69(μg/g),中山、江门、珠海、深圳、汕头、阳江较高,范围为(34.02±30.63)~(70.78±15.77)μg/g,其他区域含量较低; Pb含量深圳为65.74±65.03(μg/g)、广州为64.55±28.90(μg/g)、中山为62.90±7.47(μg/g),3地相近且较高,茂名、湛江、阳江则较低; Zn、Cd、As、Cr含量均为中山地区最高,分别为250.25±55.01 (μg/g)、1.48±0.30(μg/g)、17.30±14.00(μg/g)和96.48± 9.79(μg/g),除As含量以惠州最低为4.81±2.21(μg/g), Zn、Cd、Cr含量均以阳江最低,分别为39.77±43.56 (μg/g)、0.06±0.07(μg/g)和10.30±0.07(μg/g).

不同区域而言,珠江口海洋沉积物重金属含量显著高于粤东、粤西地区(<0.05); TOC含量珠江口>粤西>粤东,其中江门地区最高; 石油类珠江口>粤西>粤东,其中以东莞、广州最高; pH值均大于7.2,粤东>粤西>珠江口(图2).重金属高含量区集中位于珠江三角洲区域,这与珠江三角洲地区人类活动和社会经济高度发展密切相关.

图2 广东省沿海沉积物重金属(Cu、Pb、Zn、Cd、As、Cr)及其他指标含量空间分布

2.2 沉积物重金属生态风险评价

广东省沿海各市海洋沉积物中,Zn、Cd、As、Cr的生态风险指数以中山市最高,Cu、Pb分别以广州和深圳最高(表3).珠江三角洲区域6项重金属生态风险指数均大于粤东、粤西地区,除Cd为粤东最低外,其余指标均为粤西最低.广东各项重金属单因素生态风险均处于“低等”水平,平均水平为:Cd>Cu>Pb>Zn>As>Cr.重金属综合生态风险以中山、广州最高,珠江三角洲地区显著高于粤东和粤西地区,但均处于“低等”水平.

表3 广东省沿海各地海洋沉积物重金属污染生态风险评价

注: a、b、c不同字母表示2者组间在5%水平显著差异.

2.3 沉积物重金属影响因素分析

2.3.1 重金属相关性分析 广东省沿海沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd的含量彼此呈显著正相关(<0.05),表明这4种重金属可能具有相同的来源及相似的迁移路径(表4); Cr与Zn显著正相关(<0.05),与Cu、Pb、Zn极显著正相关(<0.01); As与Zn显著正相关(<0.05),与Cu、Pb、Cr、Cd无显著相关性.

2.3.2 与TOC、pH值、石油类相关性分析 6项重金属含量均与TOC正相关,其中Cu、Pb、Zn、Cr与TOC显著正相关(<0.05),有机质可以通过吸附、阳离子交换以及螯合反应与重金属产生吸附、络合和沉淀,有机碳的积累又增加了沉积物对重金属的吸附固定,增加了沉积物中重金属的稳定性,有机物的沉积利于重金属的累积[23].石油类与Cu含量显著正相关(<0.05),与其他重金属含量无显著相关性,说明其对重金属沉积影响较小.pH值与重金属含量呈负相关,其中与Cu、Cr、Cd含量显著负相关(<0.05),说明pH值越高的区域沉积物部分重金属越难以累积(表4).

表4 海洋沉积物重金属相关性分析

注:=484,*代表显著相关(<0.05); **代表极显著相关(<0.01).

表5 广东省沿海各市社会、经济、自然环境因子均值一览表(2014~2016年)

表6 广东省海洋沉积物重金属平均含量与社会、经济、自然环境因子相关性分析

注:*代表显著相关(<0.05); **代表极显著相关(<0.01).

2.3.3 与社会经济、自然环境等因子相关性分析 根据广东省统计年鉴数据,广东省沿海各市2014~2016年平均的社会因子(人口、城镇化率)、经济因子(GDP、工业总产值)、自然环境因子(废水排放量、年均温度、降雨量)等如表5所示.据SPSS分析可知(表6),除As、Cr外,各市沉积物重金属含量一般与当地的社会、经济因子正相关,与年均温度负相关,即社会经济发展水平越高, 年均温度越小,海洋沉积物中重金属含量可能越高.

各市沿海沉积物Cu、Pb、Zn含量与各市GDP和废水排放量显著正相关(<0.05),说明这三种金属受到各市的经济发展和废水排放的影响.Pb、Zn、Cd、As均与城镇化率显著正相关(<0.05),说明沉积物中这4种重金属含量受到当地城镇化发展的影响.Cu含量与工业生产总值极显著正相关(<0.01),与GDP显著正相关(<0.05),说明Cu含量主要受到当地工业废水排放的影响.

3 讨论

3.1 广东省沉积物重金属含量时间变化规律

近几十年来,珠江口沉积物环境质量状况已有不少研究,主要集中在珠江入海口和八大口门[24-25].结合珠江口部分研究结果(表7)可知,1980年以来,珠江口沉积物中Cu、Pb、Zn含量呈波动变化,2003年达到峰值,2012年较低,之后呈上升趋势,总体可分为3个阶段.

表7 广东省沿海海洋沉积物研究比较(mg/kg)

续表7

研究区域监测时间CuPbZnCdAsCr文献来源 珠江口198019.9529.4981.950.2118.9986.91[29] 粤东2014~201617.7637.0873.370.089.4840.62本文 粤东200712.8935.2563.60.011[30] 粤东200230.0543.6597.120.3838.20[31] 粤东19803.1020.0047.000.059.0074.00[7] 粤西2014~201612.3419.4854.510.118.1626.50本文 粤西20078.9416.1736.930.15[30] 粤西200430.3327.154.970.4414.0769.39[32] 粤西198013.0033.0052.000.0810.00103.00[7]

注:“本文”为62本环评监测报告2014~2016年以来对应地区的各重金属含量平均值.

3.1.1 1980~2003年 Cu、Pb、Zn含量升高,其主要原因可能在于改革开放后,珠三角经济快速发展,工业制造业飞速发展,大量工业废水排放入海洋,沉积物中重金属含量逐年增高.

3.1.2 2003~2012年 2003年《中华人民共和国环境影响评价法》等相关法规相继出台,环境保护工作力度不断加大,珠江三角洲工厂企业乱排污现象得到有效遏制; 2008年,在国际经济危机影响下,广东省提出“腾笼换鸟”的战略思路,将珠江三角洲劳动密集型产业向东西两翼、粤北山区转型.上述因素综合作用下,2003~2012年珠江三角洲环境质量总体趋于好转,珠江口海域沉积物中Cu、Pb、Zn含量亦有所降低.

3.1.3 2012~2015年 随着产业转型升级顺利开展,珠江三角洲工业产值大幅增加,工业废水排放总量逐年上升,污染物总量仍然处于较高水平,珠江口沉积物中Cu、Pb、Zn含量呈上升趋势.

粤东和粤西区域6种重金属含量在各个时期都显著低于珠江口区域,这与区域社会经济和工业的发展不平衡相关.粤东在2002年重金属含量达到最高,2002~2007年呈下降趋势,之后又有所升高;粤西在2004年重金属含量达到最高,到2007年呈下降趋势,到2015年略有升高.粤东和粤西重金属变化趋势与珠江口相似,粤东Cu、Pb、Zn、Cd、As含量现状较1980年均有所升高;与1980年相比,粤西Pb、Cr明显降低,其余各项重金属含量变化不大.珠江口、粤东和粤西海洋沉积物中Cr含量均较1980年低,说明广东省海洋沉积物中Cr本底值较高.

3.2 重金属含量影响因素分析

3.2.1 污染来源 广东沿海沉积物重金属主要来源为生活废水和工业污染的排放,不同区域研究结果存在差异.孟加拉国芬尼河口沉积物重金属主要源于地质积累[33].我国南黄海和东海北部的沉积物Cr、Cu和Zn主要源于自然地质累积,而Pb、Cd、As则受人为活动影响[34-35].莱州湾沉积物重金属Cu、Pb和Cd多为自然沉积,而As主要源于人类生产活动,Cr则受自然累积和污染排放综合影响[36].不同于国内外其他海域沉积物中Cu、Pb、Zn以自然沉积为主的状况,珠江口海域沉积物中Cu、Pb、Zn总体呈上升趋势,可能主要与人类生产生活排放污染物有关.

3.2.2 社会经济影响因素 已有研究表明,海洋重金属含量与区域人口、GDP值具有显著正相关性[37-38].广东省沿海沉积物中Cu、Pb、Zn含量与GDP、废水排放量显著正相关,Pb、Zn、Cd、Ar含量还与城镇化率显著正相关,说明沿海沉积物中重金属含量受到了来自社会经济和工业发展的影响.而Cr含量受社会经济因子影响较小,可能与本底值较高且排放量较少有关.

3.2.3 自然环境影响因素 广东省海洋沉积物重金属含量与TOC正相关,与年降雨量、pH值负相关,受温度、石油类含量影响较小.TOC对重金属沉积起到促进作用,有机质的降解会释放重金属,使沉积物重金属含量降低[39-40];pH值、年降雨量越高,则越不利于沉积物中重金属的累积.

3.2.4 其他影响因素 沉积物粒度也是影响重金属分布的重要因素[41].中国海大陆架底泥中绝大部分重金属含量随着粒度变细而升高[42],人为释放的重金属元素基本上存在于20µm以下的底泥细颗粒中[43].广东省海洋沉积物重金属含量与粒径关系值得进一步深入研究.

3.3 生态风险评价结果

广东省沉积物中6项重金属单项及综合生态风险均处于“低等”水平,Zn、Cd、As、Cr单项生态风险指数及综合指数均为中山最高,Cu、Pb生态风险指数分别为广州和深圳最高.

生态风险综合指数珠江口(12.131)>粤东(5.488)>粤西(4.156),三者皆小于40.广东省沿海沉积物6种重金属单因素生态风险结果为:Cd>Cu> Pb>Zn>As>Cr.Cd的生物毒性较高,会对呼吸道产生刺激,可经呼吸被体内吸收,积存于肝或肾脏造成危害,尤以对肾脏损害最为明显[44].Cd是潜在的生态风险因子,需加强对Cd的风险监控.

4 结论

4.1 广东沿海沉积物重金属含量珠江口大于粤东粤西区域,其中Cu(106.98±70.69μg/g)、Pb(65.74± 65.03μg/g)含量分别以广州、深圳最高, Zn(250.25± 55.01μg/g)、Cd(1.48±0.30μg/g)、Cr(96.48±9.79μg/g)、As(17.30±14.00μg/g)含量均以中山最高.

4.2 沿海沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr之间均具显著正相关性(<0.05);重金属(Cu、Pb、Zn)含量与TOC含量以及城市GDP、废水排放量、城镇化率显著正相关(<0.05),而重金属(Cu、Cr、Cd)含量与pH值显著负相关(<0.05).

4.3 广东沿海沉积物中6项重金属单项及综合生态风险均处于“低等”水平,单因素生态风险评价结果为:Cd>Cu>Pb>Zn>As>Cr,区域生态风险综合指数评价结果为:珠江口(12.131)>粤东(5.488)>粤西(4.156).

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致谢：感谢暨南大学张修峰研究员在本文润色中给予的帮助;感谢广州地理研究所肖乔丹工程师在图形制作中给予的帮助.

Contents and risk assessment of heavy metal sediments in Guangdong coastal areas.

ZHANG Qi-yuan1,2, LIU Xu-cheng2*, ZHAO Jian-gang1*, LIU Xiang-hua2

(1.Department of Ecology, Jinan University, Guangzhou 510632, China；2.South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environment Protection, Guangzhou 510655, China)., 2018,38(12)：4653~4660

The data of heavy metal content in sediments of costal area of Guangdong Province were collected and its ecological risks were assessed using the Hakanson’s potential ecological risk index. Based on social, economic and natural aspects, the major factors affecting the heavy metals content were investigated. Results showed that the contents of various heavy metals in sediments of Pearl River Estuary were significantly higher than that of the eastern or western coastal regions of Guangdong. The highest contents of Cu (106.98±70.69μg/g) and Pb (65.74±65.03μg/g) were recorded in Guangzhou and Shenzhen among all the coastal areas, whereas the highest contents of Zn (250.25±55.01μg/g), Cd (1.48±0.30μg/g), Cr (96.48±9.79μg/g) and As (17.30±14.00μg/g) were recorded in Zhongshan. Hakanson potential ecological risk assessment showed that the individual index (0.528±0.377~2.107±3.665) and the comprehensive index (7.135±7.880) of Guangdong coast were overall low. The results from single factor ecological risk assessment indicated that the order of ecological risk for the six heavy metals was Cd>Cu>Pb>Zn>As>Cr, and the order of ecological risk index was the Pearl River Estuary (12.131) >eastern coastal regions of Guangdong (5.488)>western coastal regions of Guangdong (4.1560). Significant correlations were found between the contents of Cu, Pb, Zn, Cd and Cr in the sediments (<0.05), indicating the homologous sources. The contents of Cu, Pb and Zn in sediments were positively correlated with TOC (<0.05), while the contents of Cu, Cr and Cd in sediments were negatively correlated with pH values (<0.05).

Guangdong coastal areas；heavy metals；sediments；ecological risk assessment

X55

A

1000-6923(2018)12-4653-08

张起源(1995-),男,河南省商丘市人,硕士研究生,主要从事环境生态学研究.

2018-05-16

环境保护部华南环境科学研究所公益性科研院所基本科研业务费专项资金(2006001004026);重大环保专项资金资助项目(2110203);广州市科技计划项目(201804010494,201604020029)

* 责任作者, 高级工程师, liuxucheng@scies.org;高级工程师, zhjg@jnu.edu.cn