莱州湾沉积物重金属含量及污染风险评价

莱州湾沉积物重金属含量及污染风险评价

莱州湾位于渤海南部，是一个半封闭性湾。湾深平坦，水交换能力低。它是三种水生生物的产卵场所和诱饵场所之一，丰富的水资源。黄河、小清河、广利河等10余条河流的注入为其带来了丰富的营养物质,同时也使得莱州湾的环境污染问题日益突出。重金属是近海环境中最主要的污染物之一,进入海洋的重金属污染物绝大部分富集在沉积物中,沉积物被认为是海洋环境中重金属最终的蓄积地。当环境条件发生变化时,上覆水体和沉积物之间的平衡被打破,沉积物中的重金属污染物重新进入水体;或当沉积物重金属污染加重时,更多的重金属通过化学和生物过程返回水体,引发二次污染。因此,海洋沉积物中重金属的空间分布特征能从一方面反映海域的污染状况。1998年海岸带基础调查已发现,莱州湾沿岸地区养殖贝类受到严重的重金属污染,其中镉含量的超标率达到50%,这说明重金属污染已对给区域生态造成了不同程度的危害。本文在对莱州湾表层沉积物重金属的分布特征分析的基础上,进行了重金属污染程度和潜在生态风险评价,以期为莱州湾生态环境保护提供基础数据参考。1材料和方法1.1调查站位和方法2008年5月对莱州湾119°00′~119°90′E和37°10′~37°70′N范围进行走航式调查,用面积为0.05m2的曙光采泥器采集未受扰动的0~2cm的表层沉积物样品。此次调查共布设30个站点,调查站位如图1所示,每个站位至少采集3个平行样。表层沉积物样品的贮存按照GB/T12763.3-2007《海洋监测规范》第3部分中重金属、粒度及有机碳的相关规定执行。1.2样品分析1.2.1cu、pb、zn元素含量测定沉积物样品经自然风干,除去明显杂物,充分混合均匀后,研磨过80目尼龙筛。称取0.2000g左右样品,经HNO3-HClO4消解后,采用美国热电M6型原子吸收分光光度计火焰光谱法测定样品中Cu、Pb、Zn元素含量;石墨炉系统测定样品中的Cd的含量;经HCl-HNO3水浴消解后采用AFS-920型冷原子吸收仪测定Hg、As含量。分析过程使用近海沉积物GBW07314作内控样进行质量控制,重金属元素的参考值、实测值和回收率见表1,重金属含量的回收率均在90%~110%,平行样的标准偏差均小于10%。1.2.2粒度测定称取20g左右烘干的沉积物样品,捡出明显异物,加偏磷酸钠浸泡8h后过水筛,采用比重计法测定。1.2.3微量元素的测定沉积物样品经阴干,除去明显杂物,充分混合均匀后研磨过80目筛,准确称取样品100mg左右,加10%的盐酸浸泡去除无机碳,105℃烘5h后,用德国EA2000元素分析仪测定,测定相对标准偏差小于2%。1.3评估方法1.3.1沉积物重金属污染程度使用单因子污染指数Cfi(实测污染物浓度与背景值的比值)和综合污染指数dC(各单因子污染指数Cfi之和)反映沉积物重金属的污染程度。由于背景值选定无统一标准,结合区域研究现状能更好地反映重金属地球化学背景值,因此,参考莱州湾背景值研究现状(见表2),选定莱州湾沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As的背景参考值为分别为24.68、17.50、79.82、0.156、0.15、15mg·kg-1。1.3.2重金属的潜在生态风险指数eri和单因子污染程度cfi单因子潜在生态风险指数Eri和综合潜在生态风险指数ERI是目前国内外沉积物质量评价应用最为广泛的方法之一,该指数能反映不同环境对重金属的敏感性差异。沉积物中重金属的潜在生态风险指数ERI计算公式为:式中:ERI为所有重金属的潜在生态风险指数;Eri为金属i的潜在生态风险系数;Tri为重金属毒性响应系数,反映重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度,Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As的毒性响应系数分别为5、5、1、30、40、10;Cfi为单因子污染指数。具体重金属潜在生态风险评价等级见表3。2结果与讨论2.1重金属含量分布特征表4为莱州湾表层沉积物重金属含量的统计,由表4数据可知,研究区域表层沉积物重金属含量总体水平较低,均值均小于国家海洋沉积物质量一类标准,最高值也均低于国家二类标准(GB18668-2002)。除了重金属Zn、As含量的变异系数小于50%外,其余4种重金属含量的变异系数较大,表明其含量在整个研究区分布差异性较大。对莱州湾表层沉积物重金属含量进行克里格插值得到重金属等值线分布图(如图2),从图中可以看出研究区域表层沉积物重金属污染具有显著特征:Cu、Pb和Zn含量呈现较为相似的分布特征,在莱州湾中部均出现两个高值区,高值中心点分别为19号和11号站位。两个站位Cu含量为47.24、43.69mg·kg-1,Pb含量为24.59、34.22mg·kg-1,Zn含量为70.08、81.50mg·kg-1;Cd含量的高值区一个位于莱州湾中部的7号和19号站位,其值均为0.19mg·kg-1,另一个高值区位于莱州湾西南部小清河口附近的2、5号站位,其值分别为0.29、0.25mg·kg-1;Hg含量高值区中心出现在莱州湾东部莱州市附近海域的18、21号站位,其值分别为0.38、0.32mg·kg-1;As含量高值区中心主要位于莱州湾中部偏西方向的11、16号站位,其含量值分别为22.51、17.15mg·kg-1。从以上分布特征可知,重金属Cu、Pb、Zn、Cd和As在莱州湾中部地区表层沉积物中含量均较高,此外,Cd在小清河附近也出现高值区,其余4种重金属在沿岸含量较低;Hg在莱州湾东部区域出现高值区。莱州湾表层沉积物中重金属的空间分布特点与湾内潮流运动规律和入海河流的排污有着直接的关系。由于黄河口淡水径流沿岸向南扩散,在莱州湾中部到黄河口有个相对低盐度区,在莱州湾中部集中了高浊度的水,湾顶水浅处悬浮物浓度却反而低,其悬浮物分布形态与黄河悬浮泥砂入海分布关系密切,这说明了黄河口和莱州湾内潮流运动使黄河入海的悬浮泥砂及污染物被带入湾内,在中部沉积,使中部重金属含量高于沿岸。Cd含量在小清河口出现高值,可能与小清河沿岸的化工、造纸等工业及生活污水排放有关,造成莱州湾东部Hg含量较高的主要原因可能与莱州湾东岸海岸带煤矿(龙口煤田)及金矿(三山岛金矿、仓上金矿)等矿产资源的开发和沿岸发达的养殖业等人类活动关系密切。表5为莱州湾表层沉积物重金属含量范围、平均值与国内外典型海湾港口的比较,对比分析发现莱州湾表层沉积物重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的平均含量处于相对较低的水平,除Cu和Zn含量略高于希腊Thermaikos湾外,其余重金属含量均低于其它海湾,相对而言,莱州湾表层沉积物重金属污染程度较轻。2.2有机碳含量与其它重金属含量关系沉积物粒度和有机碳含量是控制沉积物重金属分布特征最重要的两个参数。图3、4是莱州湾表层沉积物粒度特征和有机碳含量图。整体来看,莱州湾表层沉积物大部分站位以粉砂为主,少数站位以砂为主,1~16号站位及19号站位粘土含量较高,这些站位主要分布于研究区域的中、西部区域,与重金属含量的高值区域基本吻合。莱州湾表层沉积物有机碳含量范围在0.55%~0.75%之间,由图4沉积物有机碳分布可以看出,小清河口处(站位1号)有机碳含量最高,其次是莱州湾中部地区(7、10、11、13、19号站位),其它区域含量较低。表6是沉积物各重金属之间以及与粘土、有机碳含量相关关系表。从表6可以看出,除了Cd、As之间正相关性不显著外,Cu、Pb、Zn、Cd、As彼此之间显著正相关,Hg与其它重金属均不存在明显的相关关系。Cu、Pb、Zn、As含量与粘土含量在0.01水平上显著正相关,Cd在0.05水平上显著正相关,Hg与粘土含量之间不存在显著相关关系。Cu、Pb、Zn、Cd、As与有机碳含量在0.01水平显著正相关,Hg与有机碳含量之间不存在明显的相关关系。通过以上分析说明莱州湾表层沉积物重金属元素Cu、Pb、Zn、Cd、As可能具有相似的输入源,且受沉积作用影响呈现较为相似的分布特征,而Hg的分布特征和相关分析结果表明Hg的主要来源可能与其他几种金属不同。2.3重金属污染系数表7为莱州湾表层沉积物重金属单因子污染系数和综合污染指数。从整个莱州湾范围来看,单个重金属污染系数均值都小于1,属于低污染水平,污染系数均值由大到小依次为Cd、Pb、Zn、Cu、As、Hg,因此,Cd是整个莱州湾最主要的环境污染因子。但个别站位单个重金属污染系数大于1,主要是位于莱州湾中部的7、8、10、11、13、14、16、19号站位的Cu、Pb、Zn、Cd和As污染系数接近或大于1,小清河口附近的1、2、5号站位的Cd污染系数大于1,莱州湾东部的18、21、30号站位的Hg污染系数大于1。从综合污染指数来看,有11个约30%的站位重金属综合污染指数大于5,达到中等污染水平,主要分布于莱州湾中部的7、8、10、11、13、14、16、19号站位,小清河口附近的1、2号站位,莱州湾东部的18号站位,其中以莱州湾中部地区的11、19号站位最高,分别为7.69和7.27,是均值的2.08和1.90倍。2.4潜在生态风险通过对莱州湾表层沉积物重金属潜在生态风险进行评价,得到重金属潜在生态风险系数和风险指数两项指标,具体结果见表8。从整个莱州湾来看,除Cd在1、2、5号站位,Hg在2、18、19、21、30号站位的潜在生态风险系数超过40外,其余重金属在各站位的潜在生态风险系数均小于40,均值范围为3.03~23.08,表明各重金属潜在生态风险水平较低,潜在生态风险系数均值由大到小依次为Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn,其中Hg的潜在生态风险系数最大,在站位18号和21号潜在生态风险系数超过80,属于较重潜在生态风险水平,因此Hg是莱州湾最主要的潜在生态风险因子。各站位重金属综合潜在生态风险指数均小于150,属于低潜在生态风险水平,位于莱州湾东部的18号站位的潜在生态风险最高,为135.99,结合重金属含量及分布特征来看,主要是Hg的潜在生态风险较大引起。3重金属污染空间分布(1)莱州湾表层沉积物重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的平均含量大部分小于国家海洋沉积物质量一类标准,与国内外典型海湾港口相比处于较低水平。重金属含量在整个研究区分布特征显示,Cu、Pb、Zn、Cd和As在莱州湾中部地区含量较高,在小清河口附近出现Cd的高值区,其余4种重金属在沿岸含量较低;Hg在莱州湾东部区域出现高值区。(2)Cu、Pb、Zn、Cd和As重金属之间存在显著正相关关系(除Cd和As之间),他们与沉积物粘土、有机碳含量之间也存在显著正相关性,且具有相似的分布特征,在一定程度上反映了上述5种金属的污染同源性。