杜俊濤,陳洪濤＊＊,田 琳

(中國海洋大學(xué)1.海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室;2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室,山東青島266100)

北黃海表層沉積物中重金屬含量及其污染評價

杜俊濤1,陳洪濤1＊＊,田 琳2

(中國海洋大學(xué)1.海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室;2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室,山東青島266100)

于2007年秋季對我國北黃海海域進行調(diào)查,采用原子吸收和原子熒光分光光度法對表層沉積物中的Cu,Pb, Zn,Cd,Hg,As進行了分析,并采用單因子指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價了該區(qū)域表層沉積物中重金屬的污染程度和潛在生態(tài)危害。結(jié)果表明,北黃海表層沉積物Cu,Pb,Zn,Cd,Hg,As平均含量分別為(11.6±1.9),(25.2± 2.4),(52.7±5.4),(0.22±0.02),(0.07±0.01),(13.3±1.3)μg/g;單因子指數(shù)法評價結(jié)果表明調(diào)查海域表層沉積物未受Cu,Pb,Zn,Cd,Hg污染,但部分站位As已處于中度污染水平;潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果表明調(diào)查區(qū)域重金屬元素的潛在危害程度順序是Hg>Cd>As>Pb>Cu>Zn,采樣區(qū)域重金屬的潛在生態(tài)危害輕微。

北黃海;沉積物;重金屬;污染評價

重金屬污染具有來源廣、殘留時間長、易于蓄積并且難于恢復(fù)、易于沿食物鏈富集等特征,對水生生物和人體健康有較大的負面影響。進入水體的重金屬大部分在物理沉淀、化學(xué)吸附等作用下迅速由水相轉(zhuǎn)入固相,因此沉積物成為了水體重金屬的累積庫[1],也是水環(huán)境重金屬污染的指示劑,能夠反映水系重金屬污染狀況[2]。而且當外界條件發(fā)生變化時,沉積物中的重金屬可能會再次進入水體,成為對水質(zhì)具有潛在影響的次生污染源,因此,沉積物中重金屬具有重要的的環(huán)境意義[3]。

北黃海是山東半島、遼東半島和朝鮮半島之間的半封閉海域,海域面積約為80 000 km2,平均水深40 m。沿岸河流如鴨綠江、大洋河、莊河、登沙河及碧流河等每年輸入北黃海大量的污染物,另外黃河的入海物質(zhì)經(jīng)渤海海峽也可影響到北黃海[4-5]。李淑媛等曾對1987年采集的柱狀樣進行分析,得到Cu,Pb,Zn, Cd的環(huán)境背景值[4],但以后對北黃海表層沉積物中重金屬研究較少。本文在對北黃海表層沉積物中重金屬分析的基礎(chǔ)上,運用單因子污染指數(shù)評價法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法,對北黃海表層沉積物環(huán)境質(zhì)量進行評價,以期為系統(tǒng)研究北黃海重金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程和環(huán)境生態(tài)保護提供信息和科學(xué)依據(jù)。

1 采樣和分析方法

于2007年10月14～25日,在北黃海利用箱式采泥器采集了38個表層沉積物樣品,采樣站位如圖1所示。

圖1 北黃海表層沉積物重金屬調(diào)查站位圖Fig.1 Sampling stations in the North Yellow Sea

將采集的樣品放入干凈的聚乙烯袋中,扎緊袋口, -20℃冷凍保存?；貙嶒炇液髮⒔鈨鲋潦覝氐臉悠忿D(zhuǎn)移至表面皿中,在80～100℃烘箱內(nèi)烘干,剔除礫石和生物殘骸后碾磨,過160目篩,充分混勻。

沉積物中重金屬分析參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[6]進行,其中Cu,Pb,Zn,Cd利用原子吸收分光光度計(美國熱電公司M6)測定;Hg,As利用原子熒光光譜儀(北京吉天AFS-920)測定。

沉積物粒度分析參照《SL 42-1992河流泥沙顆粒分析規(guī)程》[7],取未研磨樣品加入0.5%六偏磷酸鈉浸泡24h,使顆粒物充分分散,用Mastersizer 2000激光粒度分析儀(英國Malvern)進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 北黃海表層沉積物重金屬含量及粒度分析

北黃海表層沉積物中Cu,Pb,Zn,Cd,Hg,As的含量范圍分別為0.79～26.4,11.6～44.3,26.6～91.2, 0.11～0.38,0.03～0.10,5.2～26.4μg/g,平均含量分別為(11.6±1.9),(25.2±2.4),(52.7±5.4), (0.22±0.02),(0.07±0.01),(13.3±1.3)μg/g,沉積物中重金屬含量順序為Zn>Pb>As>Cu>Cd>Hg。

與李淑媛等[4]1987年調(diào)查的北黃海表層沉積物中重金屬的平均含量相比(見表1),Pb,Cd的含量基本相當,而Cu,Zn的含量有明顯的下降。說明近20 a來,輸入北黃海的重金屬得到了較好的控制。將北黃海表層沉積物中重金屬的含量同中國近海各海域進行比較,從表中可以看出:

北黃海表層沉積物中Cd的含量與南海相當,明顯高于渤海、東海;Cu含量在中國近海各海域中是最低的;Pb含量與東海、南海含量相當,明顯高于渤海;Zn含量略低于渤海和東海,明顯低于南海;Hg的含量與南海含量相當,明顯低于東海;As的含量高于東海;但其平均含量均遠低于國家一類海洋沉積物標準。

表1 北黃海表層沉積物重金屬平均含量同其他海區(qū)的比較Table 1 Concentrations of heavy metals in the surface sediments of North Yellow Sea and other seas /μg·g-1

粒度分析結(jié)果表明,北黃海表層沉積物中值粒徑范圍為6.26～301μm,平均值為(81.80±24.51)μm。按照Wentworth的分級法[12],北黃海大部分站位屬于泥質(zhì)區(qū),渤海海峽附近部分站位中值粒徑大于62.5 μm,屬于砂質(zhì)區(qū)。

2.2 北黃海表層沉積物中重金屬的分布特征

北黃海表層沉積物重金屬及中值粒徑的分布如圖2所示。

Cu的分布大體呈現(xiàn)西高東低的分布格局,在北黃海西部的C508,C606,C204,B107,A401等站位濃度較高,最高值26.4μg/g出現(xiàn)在威海沿岸的C508站位;Pb,Zn分布趨勢相似,均是在北黃海西部的中部海域以及大連沿岸、鴨綠江口等站位濃度較高,最高值44.3, 91.2μg/g分別是位于大連灣外的C501及中部海域C506站位;Cd的含量在北黃海西部的中部海域的C506,C606,大連灣外的C501,C701,渤海海峽的A103,C204以及北黃海南部的B109等站位較高,而調(diào)查海區(qū)東部含量較低;Hg,As的分布較為相似,在大連灣外、鴨綠江口及威海沿岸出現(xiàn)高值?？傮w上看,北黃海表層沉積物中重金屬的含量的高值區(qū)主要出現(xiàn)在近岸海域。

從表2可以看出,Cu,Pb,Zn,Cd之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系,說明它們具有一定的同源性,而且有著相似的生物地球化學(xué)行為。表3可以看出,Cu,Pb,Zn, Cd與不同的粒級相關(guān)性不同,與沉積物中大粒級有著很好的負相關(guān)性,而與沉積物中黏粒含量有著很好的正相關(guān)性,說明不同粒級沉積物對重金屬的富集程度不同,砂質(zhì)含量較高的沉積物重金屬含量較低,而細粒沉積物重金屬含量較高。這是由于隨著沉積物粒度的減小,其表面積增大,有機質(zhì)含量增高,對重金屬的富集能力增強,沉積物中重金屬的單位含量增加[13-17]。

圖2 北黃海表層沉積物重金屬含量(μg/g)及中值粒徑(μm)分布Fig.2 Distribution patterns of heavy metals and granularity(μm)in surface sediments of the North Yellow Sea(μg/g)

表2 北黃海表層沉積物重金屬之間的相關(guān)性(n=38)Table 2 Correlation coefficients between concentration of heavy metals(n=38)

表3 北黃海表層沉積物重金屬與各粒級百分含量之間的相關(guān)性(n=38)Table 3 Correlation coefficients between concentration of heavy metals and percentage/μm

2.3 重金屬元素的環(huán)境地球化學(xué)行為探討

聚類分析是一種多元統(tǒng)計方法,在沉積物環(huán)境地球化學(xué)研究中可以更好地揭示不同站位間重金屬地球化學(xué)特征的相似程度,有助于分析和判別影響重金屬含量及其分布特征的主要因素[18]。本文以沉積物中6種重金屬含量為變量,采用SPSS統(tǒng)計分析軟件,對各站位進行了R型和Q型聚類分析,如圖3所示。

R型分析結(jié)果表明,Cu,Pb,Zn,Cd,Hg,As 6種要素可分為3組,其中Cu,Pb,Zn,Cd被劃分為1組,說明有著相似的生物地球化學(xué)行為。

Q型聚類分析將所有站位分為4個組群,按群組對所測重金屬元素含量(見表4)和沉積物的各粒級組成(見表5)進行變化趨勢分析,其結(jié)果為:Cu,Zn,Cd變化趨勢相似,1～3組含量直線下降,到第四組升高,其變化趨勢與Φ=6,7,8變化趨勢相同,說明Cu,Zn, Cd主要富集于細、極細粉砂及粗黏土中。同時在Φ= 6,7,8粒級占絕對優(yōu)勢的第四組,Cu,Zn,Cd的含量與本地背景值[4]接近,因此細粉砂、極細粉砂及粗黏土中Cu,Zn,Cd含量可以反映該地區(qū)背景值。在Φ=2,3,4粒級占絕對優(yōu)勢的2,3組中,Pb含量與本地背景值(23.5μg/g)[4]接近,說明細砂、極細砂及粗粉砂中Pb含量可以反映該地區(qū)背景值。各組中As含量的變化趨勢與Φ=9,10粒級變化趨勢相似,說明As主要富集于中、細黏土中。在4個組群中第一組群分布在渤海海峽中部,第二組群分布在遼東半島及山東半島附近,其以粉砂黏土為主,受到鴨綠江沖淡水組成的遼南沿岸流及黃河沖淡水的影響,第三組群位于北黃海中部,受北黃海沿岸流影響較小,具有相對穩(wěn)定的水動力環(huán)境。第四組群在大連灣附近,受大連灣附近沿岸工廠及來往船只的影響,其重金屬平均含量高于其他組群。雖然C504,C405,C506 3個站位較為接近,但分屬于不同的組群,體現(xiàn)了水動力環(huán)境的復(fù)雜性。

表4 各群組中重金屬平均含量Table 4 Mean content of heavy metals in each cluster /μg·g-1

圖3 北黃海表層沉積物R型聚類分析和Q型聚類分析Fig.3 Q-type cluster analysis and R-type cluster analysis of sediments of the North Yellow Sea

表5 各群組中各粒級平均含量Table 5 Mean content of grade in each cluster /%

2.4 北黃海表層沉積物中重金屬污染評價

為了客觀評價重金屬污染及其潛在危害,采用單因子污染指數(shù)法和Hakanson[19]提出的潛在生態(tài)指數(shù)法(The Potential Ecological Risk Index)(RI)對北黃海表層沉積物中重金屬進行污染評價。

2.4.1 單因子污染指數(shù)法 計算公式:pi=ci/si

式中:pi為單項污染指數(shù),ci為重金屬的實測含量, si為重金屬的評價標準值或背景值,文中si采用《海洋沉積物質(zhì)量》[10]一類沉積物中重金屬含量限值,pi值用來表征沉積物中單個污染物的污染程度,pi<1,低污染;1≤pi<3,中污染;3≤pi<6,較高污染;pi≥6,高污染[20]。

北黃海表層沉積物重金屬單因子污染指數(shù)范圍及平均值如表6,Cu,Cd,Pb,Zn,Hg的污染指數(shù)在調(diào)查海區(qū)均<1,表明北黃海未受Cu,Cd,Pb,Zn,Hg的污染;As大部分站位未受污染,只有2個站位的污染指數(shù)>1,表明這些站位存在As的中度污染。

表6 北黃海重金屬單因子污染指數(shù)Table 6 Single factor contamination index of heavy metals at the sampling sites

2.4.2 潛在生態(tài)危害評價 采用瑞典科學(xué)家Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[19]進行重金屬生態(tài)危害評價。該方法是基于元素豐度和釋放能力的原則而提出的。該評價假設(shè)的前提條件:元素豐度響應(yīng),即潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)隨沉積物重金屬污染程度的加重而增加;多污染物協(xié)同效應(yīng),即沉積物的金屬生態(tài)危害具有加和性,多種金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險更大;各重金屬元素的毒性響應(yīng)具有差異,生物毒性強的金屬對RI具有較高的權(quán)重,計算公式為:

式中:Eri為重金屬i的潛在生態(tài)危害系數(shù),Tri為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù),SSi為重金屬i的實測含量, Cni為評價參考標準值,RI為沉積物中潛在生態(tài)危害指數(shù)。本次評價參考標準值采用工業(yè)化以前沉積物中重金屬最高背景值[21],如表7。

該評價體系的評價標準為:當Eri<40或RI<150為輕微生態(tài)危害;40≤Eri<80或150≤RI<300為中等生態(tài)危害;80≤Eri<160或300≤RI<600為生態(tài)危害強;160≤Eri<320或RI≥600為生態(tài)危害很強; Eri≥320為生態(tài)危害極強。

表7 沉積物中重金屬的參考值和毒性系數(shù)Table 7 Background and toxicity coefficient of heavy metals in sediment

北黃海表層沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)及綜合危害指數(shù)結(jié)果如表8。北黃海表層沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40,生態(tài)危害程度較小,屬于輕微生態(tài)危害。其中,潛在生態(tài)危害系數(shù)Hg>Cd> As>Pb>Cu>Zn。從重金屬的綜合指數(shù)RI看,所有站位的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)值均小于150,表明采樣區(qū)域重金屬的潛在生態(tài)危害輕微。

表8 北黃海表層沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)及綜合危害指數(shù)Table 8 Index of potential risk and single factor pollution parameter in the surface sediments of the North Yellow Sea

3 結(jié)論

(1)北黃海表層沉積物Cu,Pb,Zn,Cd,Hg,As平均含量分別為(11.6±1.9),(25.2±2.4),(52.7±5.4), (0.22±0.02),(0.07±0.01),(13.3±1.3)μg/g。

(2)單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果表明北黃海表層沉積物未受Cu,Cd,Pb,Zn,Hg的污染;個別站位的As存在中度污染。

(3)潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果表明,北黃海為輕微生態(tài)危害,潛在生態(tài)危害系數(shù)Hg>Cd>As>Pb>Cu>Zn。

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Abstract: The characters of horizontal distributions and influential factors for chemical oxygen demand (COD)in the red tide high frequency Area of the East China Sea were discussed,according to the survey conducted in May,August and November 2002 and in Feburary 2003.The results showed that horizontal distributions of COD were similar in the four months,indicating that the COD value was high in the coastal waters,and decreased gradually away from the shore.The major polluted areas lay at the Changjiang Estuary and Hangzhou Bay.Salinity had significant minus correlation with COD;total suspended particles(TSP)and chlorophyll-ahad plus correlation with COD.The input from land,density of phytoplankton and suspended particles were the three main factors that influenced the distribution of COD.

Key words: the high frequency red tide area of the East China Sea;COD;horizontal distribution;influential factors

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Spatial Distribution and Influential Factors for COD in the High Frequency Red Tide Area of the East China Sea

FANG Qian,ZHANG Chuan-Song,WAN G Xiu-Lin
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

P714+.4

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-167-07

國家908專項(908-01-ST02,908-02-02-02)資助

2010-01-13;

2010-09-07

杜俊濤(1987-),男,碩士生,主要從事海洋生物地球化學(xué)研究。E-mail:dujuntao4924@163.com

E-mail:chenht@ouc.edu.cn