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围头湾表层沉积物中Hg和As污染分布特征及状况评价

陈秋明 赵蓉蓉 林杰 黄发明

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围头湾表层沉积物中Hg和As污染分布特征及状况评价

    作者简介: 陈秋明(1983-),女,福建厦门人,硕士,工程师,主要从事海洋空间规划和生态修复工作,E-mail:chenqiuming@tio.org.cn;
    通讯作者: 黄发明(1974-),男,福建南安人,硕士,正高级工程师,主要从事海洋空间规划和海域使用论证工作,E-mail:huangfaming@tio.org.cn
  • 基金项目: 自然资源部第三海洋研究所基本科研业务项目(海三科2017016)
  • 中图分类号: P736

Distribution characteristics and pollution evaluation assessment of Hg and As in surface sediments of Weitou bay

  • 摘要: 本研究采用2008年和2017年围头湾海域表层沉积物中Hg和As的含量数据,分析评价了其空间分布、污染状况和潜在生态风险。研究结果表明:近10年来,围头湾海域表层沉积物中Hg平均含量有所减少,As平均含量有所增加,变化趋势与水体、底栖生物中相应污染因子的变化一致。围头湾表层沉积物中Hg和As的地质累积指数均小于0,总体污染负荷指数小于1,污染程度为无污染;单金属潜在生态危害系数均小于40,生态风险等级为低等级;从空间分布上看,围头湾表层沉积物中Hg和As含量与区域发展格局相对应,2008年高值区主要集中在内湾,随着内湾的环境整治和海洋生态修复,2017年该海域Hg和As含量有所降低,高值区向外湾东南侧新增工业园沿岸海域转移。
  • 图 1  围头湾海域调查采样站位

    Figure 1.  Geographic location of sampling sites of Weitou bay

    图 2  围头湾表层沉积物中Hg和As的含量

    Figure 2.  Concentrations of Hg and As in surface sediment of Weitou bay

    图 3  围头湾表层沉积物中Hg含量分布

    Figure 3.  Distribution of Hg in surface sediments of Weitou bay

    图 4  围头湾表层沉积物中As含量分布

    Figure 4.  Distribution of As in surface sediments of Weitou bay

    图 5  围头湾水体、表层沉积物、生物体中Hg和As含量

    Figure 5.  Concentrations of Hg and As in seawater、surface sediment and benthos of Weitou bay

    图 6  围头湾表层沉积物中Hg和As的地质累积指数(Igeo

    Figure 6.  The geo-accumulation index of Hg and As in surface sediments of Weitou bay

    图 7  围头湾表层沉积物Hg和As的潜在生态危害系数$E_r^i$

    Figure 7.  Potential ecological risk index of Hg and As in the surface sediments of Weitou bay

    图 8  围头湾表层沉积物中Hg 和As的PLI指数分布

    Figure 8.  The distribution of pollution load index of Hg and As in surface sediments of Weitou bay

    表 1  地质累积指数、单金属潜在生态危害系数、重金属污染负荷指数对应的污染程度和生态风险等级

    Table 1.  Degrees of pollution and ecological risk corresponding to the values of Igeo$E_r^i$ and PLI

    Igeo污染程度$E_r^i$生态风险等级PLI污染负荷
    Igeo≤ 0$E_r^i$<40PLI < 1
    0<Igeo≤1轻度40≤$E_r^i$<801≤PLI<2中等
    1<Igeo≤2偏中度80≤$E_r^i$<160较高2≤PLI<3
    2<Igeo≤3中度160≤$E_r^i$<320PLI≥ 3极强
    3<Igeo≤4偏重度$E_r^i$≥ 320很高
    4<Igeo≤5重度
    Igeo >5严重
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    表 2  围头湾海域表层沉积物中Hg和As含量

    Table 2.  Concentrations of Hg and As in surface sediment in Weitou bay

    年份特征值Hg/×10−6As/×10−6
    2008年最小值0.0171.300
    最大值0.0608.500
    均值0.0334.040
    标准差0.0151.987
    变异系数0.4550.492
    2017年最小值0.0101.500
    最大值0.05410.000
    均值0.0305.140
    标准差0.0142.621
    变异系数0.4780.510
    一类标准0.220
    二类标准0.565
    背景值[12]0.068.97
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    表 3  围头湾水体、表层沉积物、生物体中Hg和As含量

    Table 3.  Concentrations of Hg and As in seawater,surface sediment and benthos of Weitou bay

    年份水体/×10−6沉积物/×10−6底栖生物/×10−6
    HgAsHgAsHgAs
    2008年0.0280.9770.0334.0400.0710.620
    2017年0.0231.4400.0305.1400.0130.780
    变化率/(%)−2247−827−8226
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-10
  • 录用日期:  2021-02-22
  • 刊出日期:  2021-10-20

围头湾表层沉积物中Hg和As污染分布特征及状况评价

    作者简介:陈秋明(1983-),女,福建厦门人,硕士,工程师,主要从事海洋空间规划和生态修复工作,E-mail:chenqiuming@tio.org.cn
    通讯作者: 黄发明(1974-),男,福建南安人,硕士,正高级工程师,主要从事海洋空间规划和海域使用论证工作,E-mail:huangfaming@tio.org.cn
  • 自然资源部第三海洋研究所,福建 厦门 361005
基金项目: 自然资源部第三海洋研究所基本科研业务项目(海三科2017016)

摘要: 本研究采用2008年和2017年围头湾海域表层沉积物中Hg和As的含量数据,分析评价了其空间分布、污染状况和潜在生态风险。研究结果表明:近10年来,围头湾海域表层沉积物中Hg平均含量有所减少,As平均含量有所增加,变化趋势与水体、底栖生物中相应污染因子的变化一致。围头湾表层沉积物中Hg和As的地质累积指数均小于0,总体污染负荷指数小于1,污染程度为无污染;单金属潜在生态危害系数均小于40,生态风险等级为低等级;从空间分布上看,围头湾表层沉积物中Hg和As含量与区域发展格局相对应,2008年高值区主要集中在内湾,随着内湾的环境整治和海洋生态修复,2017年该海域Hg和As含量有所降低,高值区向外湾东南侧新增工业园沿岸海域转移。

English Abstract

  • 沿海地区既是陆海相互作用的集中地带,又是各类污染物的汇流区,受人类活动的影响显著。重金属污染物通过大气沉降、地表径流、污水排放等方式集中汇入沿海海域。因此,工业区集中的沿海海域表层沉积物中往往存在重金属污染现象,例如,大连湾沿岸工业企业众多,导致海域重金属污染严重,其中砷污染问题最为突出[1];胶州湾海域沉积物中Hg含量存在中等以上潜在生态风险[2]。工业生产、农业活动产生的重金属废水以及煤、石油产品燃烧产生的废气是海域表层沉积物中Hg和As的可能来源[3-4]。Hg和As具有持久性、毒性、生物蓄积性和难降解性,能够快速从水中转移到悬浮物和海洋沉积物中[5]。同时,在复杂的海域水动力和物理化学条件下,沉积物中的Hg和As也能够重新释放到水体中,经生物累积和生物放大效应,通过食物链进入人体,产生致畸、致突变甚至致死效应[6],直接危害人体健康。海域表层沉积物在重金属的迁移中起着重要的作用,通常被作为监测重金属污染物累积的敏感介质[7]

    胡恭任等[8]在2008年的研究表明,围头湾内湾Cr、Zn、Cu和硫化物均已超标。熊慧等[9]在2017年的研究表明,围头湾海域表层沉积物中,Cd和Pb的含量均符合第一类海洋沉积物质量标准,Cr、Cu、Zn有部分站位超标。但目前尚未有围头湾海域表层沉积物中Hg和As污染状况的相关报道。

    本研究通过测定2008年和2017年围头湾表层沉积物中Hg和As的含量,分析其时空分布特征,采用地质累积指数、单因子潜在生态风险指数和污染负荷指数,综合评价其潜在生态风险和污染水平,研究结果可为应对区域Hg和As污染、制定综合防治措施提供科学依据。

    • 围头湾位于福建省东南部,湾口朝南,呈喇叭形,属于典型的半封闭海湾。围头湾沿岸近几十年工业发展迅速,上游分布大量的漂染厂、印染厂、制革厂和电镀厂,其内湾沿岸设有4个工业废水排放口,分别为:晋江安海片区污水处理系统临时排污口(SO1)、晋江东石电镀集控区排污口(SO2)、远东污水处理厂临时排污口(SO3)、南安电镀集控区排污口(SO4)[9]。此外,围头湾的内湾是大盈溪、下店溪和加塘溪3条溪流的入海口,外湾东部是金井溪入海口,这些河流水系汇集沿岸生活污水和工业废水,携带大量污染物排入围头湾海域。

    • 分别于2008年5月和2017年9月,在围头湾海域布设10个调查站位,站位布设见图1。样品的采集、贮存、分析均按照《海洋监测规范》[10]规定的方法进行。

      图  1  围头湾海域调查采样站位

      Figure 1.  Geographic location of sampling sites of Weitou bay

      用1.5 L玻璃采水器采集水样,水深超过10 m时分表、底层采样,水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后,装于聚乙烯瓶低温保存。沉积物表层样品采集后置于聚乙烯袋冷冻保存,湿样在105 ℃烘干后,剔除大颗粒砾石和动植物残骸,研碎后过160目尼龙网筛,称取0.2 g干样进行消化处理。底栖动物软组织洗净后,105 ℃烘干至恒重,研碎后过60目尼龙网筛,经马福炉灰化后,进行消化处理。

      As含量采用Agilent 7700x 型ICP-MS测定,Hg含量采用AFS930原子荧光光度计测定。测定过程采用平行样和近海海洋沉积物成分分析标准物质进行质量控制,平行样的相对误差<5%,标准物质回收率为95%~110%,各要素测定结果均符合质控要求。

    • 德国学者Müller在1969年提出地质累积指数法[11],该方法综合考虑了自然地质过程及人为活动对重金属污染的影响,用于研究沉积物中重金属污染程度,其计算公式如下:

      式中:I geo为地质累积指数;Ci为重金属i的含量实测值;$C_n^i $为重金属i的背景值,采用福建省浅海沉积物重金属含量平均值[12]

    • 1980年,瑞典学者Håkanson 提出应用沉积学原理定量分级划分重金属污染程度和潜在生态危害程度的方法[13],计算公式如下:

      式中:$C_f^i$为单个重金属的污染系数;Ci 为重金属 i 的含量实测值;${\boldsymbol{C}}_n^i$为重金属i的海域沉积物背景值;$E_r^i$为重金属i的潜在生态危害系数;$T_r^i$为重金属i的毒性响应系数,Hg和As的毒性响应系数分别为40和10[14]

    • Tomlinson等人在1980年提出的重金属污染负荷指数,是用于表征重金属污染程度的定量指标。重金属污染负荷指数(PLI) 计算公式如下[15]

      式中:PLI 为重金属污染负荷指数;$C_f^m $为重金属 m 的污染系数。

      地质累积指数、单金属潜在生态危害系数、污染负荷指数对应的重金属污染程度和潜在生态危害程度列于表1[16]

      Igeo污染程度$E_r^i$生态风险等级PLI污染负荷
      Igeo≤ 0$E_r^i$<40PLI < 1
      0<Igeo≤1轻度40≤$E_r^i$<801≤PLI<2中等
      1<Igeo≤2偏中度80≤$E_r^i$<160较高2≤PLI<3
      2<Igeo≤3中度160≤$E_r^i$<320PLI≥ 3极强
      3<Igeo≤4偏重度$E_r^i$≥ 320很高
      4<Igeo≤5重度
      Igeo >5严重

      表 1  地质累积指数、单金属潜在生态危害系数、重金属污染负荷指数对应的污染程度和生态风险等级

      Table 1.  Degrees of pollution and ecological risk corresponding to the values of Igeo$E_r^i$ and PLI

    • 本研究利用ArcGIS 10.5中的克里金(Kriging)插值法绘制重金属时空分布图,计算公式如下:

      式中:Z0为点(x0, y0)处的估计值;λi为权重系数;Zi为已知点实测值。利用空间上所有已知点的数据进行加权求和,以此估算未知点的值。

    • 围头湾表层沉积物中Hg和As的含量见表2图2。2008年各调查站位Hg和As含量的变异系数分别为0.455和0.492,2017年分别为0.478和0.510。总的来说,变异系数均小于0.6,表明其含量空间波动较小,离散程度较低。

      年份特征值Hg/×10−6As/×10−6
      2008年最小值0.0171.300
      最大值0.0608.500
      均值0.0334.040
      标准差0.0151.987
      变异系数0.4550.492
      2017年最小值0.0101.500
      最大值0.05410.000
      均值0.0305.140
      标准差0.0142.621
      变异系数0.4780.510
      一类标准0.220
      二类标准0.565
      背景值[12]0.068.97

      表 2  围头湾海域表层沉积物中Hg和As含量

      Table 2.  Concentrations of Hg and As in surface sediment in Weitou bay

      图  2  围头湾表层沉积物中Hg和As的含量

      Figure 2.  Concentrations of Hg and As in surface sediment of Weitou bay

      从年度变化看,与2008年相比,2017年围头湾表层沉积物中Hg的含量有所降低,均值由0.033×10−6降至0.030×10−6;As含量有所增加,均值由4.040×10−6增加至5.140×10−6

      根据《海洋沉积物质量标准》[17],2008年和2017年,各调查站位表层沉积物中Hg和As含量均符合第一类海洋沉积物质量标准。两个调查年份Hg和As的含量均低于福建省浅海沉积物中相应重金属含量的背景值[12]

    • 围头湾表层沉积物中Hg和As的空间分布情况分别见图3图4。可以看出,2008年,Hg和As含量的空间分布总体呈现从围头湾内湾到外湾递减的趋势,高值位于内湾湾顶;2017年,Hg和As含量高值位于围头湾外湾东南侧近岸海域,该海域的Hg和As含量甚至高于内湾湾顶海域。

      图  3  围头湾表层沉积物中Hg含量分布

      Figure 3.  Distribution of Hg in surface sediments of Weitou bay

      图  4  围头湾表层沉积物中As含量分布

      Figure 4.  Distribution of As in surface sediments of Weitou bay

    • 海域表层沉积物中的重金属与水体、海洋生物体之间存在着迁移和转化[18-19]。对比分析两个年份各调查站位的平均值可以看出,2008年至2017年,Hg和As在研究海域的水体、表层沉积物和底栖生物3种赋存形态中的含量变化趋势均一致。其中,Hg含量在水体中减小22%,沉积物中减小8%,底栖生物中减小82%;As含量在水体中增加47%,沉积物中增加27%,底栖生物中增加26%。Hg和As在围头湾表层沉积物、水体和生物体(牡蛎)中含量的统计结果见图5表3

      图  5  围头湾水体、表层沉积物、生物体中Hg和As含量

      Figure 5.  Concentrations of Hg and As in seawater、surface sediment and benthos of Weitou bay

      年份水体/×10−6沉积物/×10−6底栖生物/×10−6
      HgAsHgAsHgAs
      2008年0.0280.9770.0334.0400.0710.620
      2017年0.0231.4400.0305.1400.0130.780
      变化率/(%)−2247−827−8226

      表 3  围头湾水体、表层沉积物、生物体中Hg和As含量

      Table 3.  Concentrations of Hg and As in seawater,surface sediment and benthos of Weitou bay

    • 围头湾表层沉积物中Hg和As地质累积指数分析结果如图6所示。可以看出,2008年和2017年,Hg和As的Igeo均为负值,参照Müller提出的污染程度评价等级划分方法,围头湾表层沉积物中Hg和As未受自然地质过程及人为活动的影响,污染程度为无污染。

      图  6  围头湾表层沉积物中Hg和As的地质累积指数(Igeo

      Figure 6.  The geo-accumulation index of Hg and As in surface sediments of Weitou bay

      围头湾表层沉积物Hg和As潜在生态危害指数法的分析结果见图7。2008年和2017年,围头湾内、外湾表层沉积物中Hg和As的$E_r^i$值均小于40,根据生态危害等级划分,属于轻微生态危害程度。

      图  7  围头湾表层沉积物Hg和As的潜在生态危害系数$E_r^i$

      Figure 7.  Potential ecological risk index of Hg and As in the surface sediments of Weitou bay

      围头湾表层沉积物中Hg和As污染负荷分析结果如图8所示。可以看出,2008年和2017年,Hg和As污染负荷指数均小于1,根据污染负荷等级划分,研究区域未受Hg和As污染,但2017年,外湾东南侧局部海域PLI指数明显增大。

      图  8  围头湾表层沉积物中Hg 和As的PLI指数分布

      Figure 8.  The distribution of pollution load index of Hg and As in surface sediments of Weitou bay

      总体而言,从空间分布特征上看,围头湾表层沉积物中Hg和As含量高值区主要集中在内湾湾顶及外湾近岸海域。围头湾内湾重金属含量较高的原因主要有以下两点:(1)湾顶3条溪流及沿岸4个排污口的污染源汇入;(2)内湾淤积严重,水动力条件差,污染物不易迁移扩散,导致重金属在表层沉积物中累积。围头湾外湾东南侧近岸海域重金属含量偏高,可能与后方工业集中区的陆源输入有关。围头湾中部存在深槽,平均水深12 m,流速相对较大,水动力条件较好,有利于污染物的稀释,因此外湾中部重金属含量相对较低。

      从时间变化上看,2008年,Hg和As含量高值区由内湾向外湾东南侧沿岸海域转移。原因主要有以下两点:(1)2009年,围头湾内湾进行大规模清淤,受重金属污染的淤泥被清理后,内湾表层沉积物中Hg和As含量有所下降;(2)2008年后,围头湾外湾东南沿岸的锦兴工业园区陆续有企业入驻,涉及建材、化纤等行业,工业废水通过金井溪水系排入外湾东南侧海域,导致该海域表层沉积物中Hg和As含量增加。以上分析表明,围头湾表层沉积物中Hg和As含量空间分布特征与该地区产业发展格局相对应,工业密集区沿岸以及溪流入海口海域的重金属污染物含量较高。

      总体而言,2008年至2017年,围头湾海域表层沉积物中Hg和As的含量未有明显恶化,这归功于过去10年来,在围头湾海域及其沿岸开展的一系列环境保护和生态修复措施,包括污水处理系统的建设,工业污染源的削减,畜禽养殖业的污染控制,河道、海域清淤疏浚工程等。虽然目前围头湾表层沉积物中Hg和As的潜在生态危害和污染负荷总体为低水平,但内湾湾顶和外湾东南侧近岸海域重金属污染负荷已接近中等水平(PLI接近1),应在该海域开展重金属的长期动态监测,并采取相应的治理措施,例如:(1)实行雨污分流及截污纳管措施,提升污水处理能力,从源头上控制重金属污染物排放;(2)充分利用海洋自净能力,推行污水离岸深海排放,以减轻潜在的生态风险并保护海洋生态系统健康。

    • (1)2008年至2017年,围头湾海域的Hg和As在水体、表层沉积物和底栖生物中的含量变化趋势一致,3种赋存形态中,Hg含量均有所减小,As含量均有所增加。

      (2)2008年,Hg和As含量高值区主要集中在围头湾内湾溪流入海口及排污口附近,2017年,高值区主要集中在围头湾外湾东南侧沿岸海域,污染物空间分布变化与区域的发展格局相对应。

      (3)总体而言,目前围头湾海域Hg和As的污染水平相对较低,其生态危害较小。但近10年来,围头湾海域水体和沉积物中的As含量均有所升高,在底栖生物中出现明显的累积效应,应对其进行长期动态监测,采取相应的治理措施,以减轻潜在的生态风险并保护海洋生态系统健康。

参考文献 (19)

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