萊州灣沉積物重金屬含量及污染風(fēng)險評價

萊州灣沉積物重金屬含量及污染風(fēng)險評價

萊州灣位于渤海南部，是一個半封閉性灣。灣深平坦，水交換能力低。它是三種水生生物的產(chǎn)卵場所和誘餌場所之一，豐富的水資源。黃河、小清河、廣利河等10余條河流的注入為其帶來了豐富的營養(yǎng)物質(zhì),同時也使得萊州灣的環(huán)境污染問題日益突出。重金屬是近海環(huán)境中最主要的污染物之一,進入海洋的重金屬污染物絕大部分富集在沉積物中,沉積物被認為是海洋環(huán)境中重金屬最終的蓄積地。當環(huán)境條件發(fā)生變化時,上覆水體和沉積物之間的平衡被打破,沉積物中的重金屬污染物重新進入水體;或當沉積物重金屬污染加重時,更多的重金屬通過化學(xué)和生物過程返回水體,引發(fā)二次污染。因此,海洋沉積物中重金屬的空間分布特征能從一方面反映海域的污染狀況。1998年海岸帶基礎(chǔ)調(diào)查已發(fā)現(xiàn),萊州灣沿岸地區(qū)養(yǎng)殖貝類受到嚴重的重金屬污染,其中鎘含量的超標率達到50%,這說明重金屬污染已對給區(qū)域生態(tài)造成了不同程度的危害。本文在對萊州灣表層沉積物重金屬的分布特征分析的基礎(chǔ)上,進行了重金屬污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險評價,以期為萊州灣生態(tài)環(huán)境保護提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。1材料和方法1.1調(diào)查站位和方法2008年5月對萊州灣119°00′~119°90′E和37°10′~37°70′N范圍進行走航式調(diào)查,用面積為0.05m2的曙光采泥器采集未受擾動的0~2cm的表層沉積物樣品。此次調(diào)查共布設(shè)30個站點,調(diào)查站位如圖1所示,每個站位至少采集3個平行樣。表層沉積物樣品的貯存按照GB/T12763.3-2007《海洋監(jiān)測規(guī)范》第3部分中重金屬、粒度及有機碳的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。1.2樣品分析1.2.1cu、pb、zn元素含量測定沉積物樣品經(jīng)自然風(fēng)干,除去明顯雜物,充分混合均勻后,研磨過80目尼龍篩。稱取0.2000g左右樣品,經(jīng)HNO3-HClO4消解后,采用美國熱電M6型原子吸收分光光度計火焰光譜法測定樣品中Cu、Pb、Zn元素含量;石墨爐系統(tǒng)測定樣品中的Cd的含量;經(jīng)HCl-HNO3水浴消解后采用AFS-920型冷原子吸收儀測定Hg、As含量。分析過程使用近海沉積物GBW07314作內(nèi)控樣進行質(zhì)量控制,重金屬元素的參考值、實測值和回收率見表1,重金屬含量的回收率均在90%~110%,平行樣的標準偏差均小于10%。1.2.2粒度測定稱取20g左右烘干的沉積物樣品,撿出明顯異物,加偏磷酸鈉浸泡8h后過水篩,采用比重計法測定。1.2.3微量元素的測定沉積物樣品經(jīng)陰干,除去明顯雜物,充分混合均勻后研磨過80目篩,準確稱取樣品100mg左右,加10%的鹽酸浸泡去除無機碳,105℃烘5h后,用德國EA2000元素分析儀測定,測定相對標準偏差小于2%。1.3評估方法1.3.1沉積物重金屬污染程度使用單因子污染指數(shù)Cfi(實測污染物濃度與背景值的比值)和綜合污染指數(shù)dC(各單因子污染指數(shù)Cfi之和)反映沉積物重金屬的污染程度。由于背景值選定無統(tǒng)一標準,結(jié)合區(qū)域研究現(xiàn)狀能更好地反映重金屬地球化學(xué)背景值,因此,參考萊州灣背景值研究現(xiàn)狀(見表2),選定萊州灣沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As的背景參考值為分別為24.68、17.50、79.82、0.156、0.15、15mg·kg-1。1.3.2重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)eri和單因子污染程度cfi單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Eri和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)ERI是目前國內(nèi)外沉積物質(zhì)量評價應(yīng)用最為廣泛的方法之一,該指數(shù)能反映不同環(huán)境對重金屬的敏感性差異。沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)ERI計算公式為:式中:ERI為所有重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Eri為金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù);Tri為重金屬毒性響應(yīng)系數(shù),反映重金屬的毒性水平及生物對重金屬污染的敏感程度,Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為5、5、1、30、40、10;Cfi為單因子污染指數(shù)。具體重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價等級見表3。2結(jié)果與討論2.1重金屬含量分布特征表4為萊州灣表層沉積物重金屬含量的統(tǒng)計,由表4數(shù)據(jù)可知,研究區(qū)域表層沉積物重金屬含量總體水平較低,均值均小于國家海洋沉積物質(zhì)量一類標準,最高值也均低于國家二類標準(GB18668-2002)。除了重金屬Zn、As含量的變異系數(shù)小于50%外,其余4種重金屬含量的變異系數(shù)較大,表明其含量在整個研究區(qū)分布差異性較大。對萊州灣表層沉積物重金屬含量進行克里格插值得到重金屬等值線分布圖(如圖2),從圖中可以看出研究區(qū)域表層沉積物重金屬污染具有顯著特征:Cu、Pb和Zn含量呈現(xiàn)較為相似的分布特征,在萊州灣中部均出現(xiàn)兩個高值區(qū),高值中心點分別為19號和11號站位。兩個站位Cu含量為47.24、43.69mg·kg-1,Pb含量為24.59、34.22mg·kg-1,Zn含量為70.08、81.50mg·kg-1;Cd含量的高值區(qū)一個位于萊州灣中部的7號和19號站位,其值均為0.19mg·kg-1,另一個高值區(qū)位于萊州灣西南部小清河口附近的2、5號站位,其值分別為0.29、0.25mg·kg-1;Hg含量高值區(qū)中心出現(xiàn)在萊州灣東部萊州市附近海域的18、21號站位,其值分別為0.38、0.32mg·kg-1;As含量高值區(qū)中心主要位于萊州灣中部偏西方向的11、16號站位,其含量值分別為22.51、17.15mg·kg-1。從以上分布特征可知,重金屬Cu、Pb、Zn、Cd和As在萊州灣中部地區(qū)表層沉積物中含量均較高,此外,Cd在小清河附近也出現(xiàn)高值區(qū),其余4種重金屬在沿岸含量較低;Hg在萊州灣東部區(qū)域出現(xiàn)高值區(qū)。萊州灣表層沉積物中重金屬的空間分布特點與灣內(nèi)潮流運動規(guī)律和入海河流的排污有著直接的關(guān)系。由于黃河口淡水徑流沿岸向南擴散,在萊州灣中部到黃河口有個相對低鹽度區(qū),在萊州灣中部集中了高濁度的水,灣頂水淺處懸浮物濃度卻反而低,其懸浮物分布形態(tài)與黃河懸浮泥砂入海分布關(guān)系密切,這說明了黃河口和萊州灣內(nèi)潮流運動使黃河入海的懸浮泥砂及污染物被帶入灣內(nèi),在中部沉積,使中部重金屬含量高于沿岸。Cd含量在小清河口出現(xiàn)高值,可能與小清河沿岸的化工、造紙等工業(yè)及生活污水排放有關(guān),造成萊州灣東部Hg含量較高的主要原因可能與萊州灣東岸海岸帶煤礦(龍口煤田)及金礦(三山島金礦、倉上金礦)等礦產(chǎn)資源的開發(fā)和沿岸發(fā)達的養(yǎng)殖業(yè)等人類活動關(guān)系密切。表5為萊州灣表層沉積物重金屬含量范圍、平均值與國內(nèi)外典型海灣港口的比較,對比分析發(fā)現(xiàn)萊州灣表層沉積物重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的平均含量處于相對較低的水平,除Cu和Zn含量略高于希臘Thermaikos灣外,其余重金屬含量均低于其它海灣,相對而言,萊州灣表層沉積物重金屬污染程度較輕。2.2有機碳含量與其它重金屬含量關(guān)系沉積物粒度和有機碳含量是控制沉積物重金屬分布特征最重要的兩個參數(shù)。圖3、4是萊州灣表層沉積物粒度特征和有機碳含量圖。整體來看,萊州灣表層沉積物大部分站位以粉砂為主,少數(shù)站位以砂為主,1~16號站位及19號站位粘土含量較高,這些站位主要分布于研究區(qū)域的中、西部區(qū)域,與重金屬含量的高值區(qū)域基本吻合。萊州灣表層沉積物有機碳含量范圍在0.55%~0.75%之間,由圖4沉積物有機碳分布可以看出,小清河口處(站位1號)有機碳含量最高,其次是萊州灣中部地區(qū)(7、10、11、13、19號站位),其它區(qū)域含量較低。表6是沉積物各重金屬之間以及與粘土、有機碳含量相關(guān)關(guān)系表。從表6可以看出,除了Cd、As之間正相關(guān)性不顯著外,Cu、Pb、Zn、Cd、As彼此之間顯著正相關(guān),Hg與其它重金屬均不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。Cu、Pb、Zn、As含量與粘土含量在0.01水平上顯著正相關(guān),Cd在0.05水平上顯著正相關(guān),Hg與粘土含量之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系。Cu、Pb、Zn、Cd、As與有機碳含量在0.01水平顯著正相關(guān),Hg與有機碳含量之間不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。通過以上分析說明萊州灣表層沉積物重金屬元素Cu、Pb、Zn、Cd、As可能具有相似的輸入源,且受沉積作用影響呈現(xiàn)較為相似的分布特征,而Hg的分布特征和相關(guān)分析結(jié)果表明Hg的主要來源可能與其他幾種金屬不同。2.3重金屬污染系數(shù)表7為萊州灣表層沉積物重金屬單因子污染系數(shù)和綜合污染指數(shù)。從整個萊州灣范圍來看,單個重金屬污染系數(shù)均值都小于1,屬于低污染水平,污染系數(shù)均值由大到小依次為Cd、Pb、Zn、Cu、As、Hg,因此,Cd是整個萊州灣最主要的環(huán)境污染因子。但個別站位單個重金屬污染系數(shù)大于1,主要是位于萊州灣中部的7、8、10、11、13、14、16、19號站位的Cu、Pb、Zn、Cd和As污染系數(shù)接近或大于1,小清河口附近的1、2、5號站位的Cd污染系數(shù)大于1,萊州灣東部的18、21、30號站位的Hg污染系數(shù)大于1。從綜合污染指數(shù)來看,有11個約30%的站位重金屬綜合污染指數(shù)大于5,達到中等污染水平,主要分布于萊州灣中部的7、8、10、11、13、14、16、19號站位,小清河口附近的1、2號站位,萊州灣東部的18號站位,其中以萊州灣中部地區(qū)的11、19號站位最高,分別為7.69和7.27,是均值的2.08和1.90倍。2.4潛在生態(tài)風(fēng)險通過對萊州灣表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價,得到重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)和風(fēng)險指數(shù)兩項指標,具體結(jié)果見表8。從整個萊州灣來看,除Cd在1、2、5號站位,Hg在2、18、19、21、30號站位的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)超過40外,其余重金屬在各站位的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)均小于40,均值范圍為3.03~23.08,表明各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險水平較低,潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)均值由大到小依次為Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn,其中Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)最大,在站位18號和21號潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)超過80,屬于較重潛在生態(tài)風(fēng)險水平,因此Hg是萊州灣最主要的潛在生態(tài)風(fēng)險因子。各站位重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于150,屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險水平,位于萊州灣東部的18號站位的潛在生態(tài)風(fēng)險最高,為135.99,結(jié)合重金屬含量及分布特征來看,主要是Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險較大引起。3重金屬污染空間分布(1)萊州灣表層沉積物重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的平均含量大部分小于國家海洋沉積物質(zhì)量一類標準,與國內(nèi)外典型海灣港口相比處于較低水平。重金屬含量在整個研究區(qū)分布特征顯示,Cu、Pb、Zn、Cd和As在萊州灣中部地區(qū)含量較高,在小清河口附近出現(xiàn)Cd的高值區(qū),其余4種重金屬在沿岸含量較低;Hg在萊州灣東部區(qū)域出現(xiàn)高值區(qū)。(2)Cu、Pb、Zn、Cd和As重金屬之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(除Cd和As之間),他們與沉積物粘土、有機碳含量之間也存在顯著正相關(guān)性,且具有相似的分布特征,在一定程度上反映了上述5種金屬的污染同源性。