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海州湾连岛周边海域沉积物重金属污染评价

卢霞 范礼强 包诗玉 卢高丽 费鲜芸

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海州湾连岛周边海域沉积物重金属污染评价

    作者简介: 卢 霞(1976-),女,江苏泰兴人,教授,博士,主要从事近海海洋环境立体监测与评价研究,E-mail:luxia1210@163.com;
  • 中图分类号: P76

Assessment of heavy metal pollution in sediments of the sea area around the Liandao island of Haizhou bay

  • CLC number: P76

  • 摘要: 本文测定了海州湾连岛周边海域21个表层沉积物中重金属元素(Cd、Cr、Cu、Pb和Hg)和类金属(As)的含量,通过克里金插值法得到重金属含量的空间分布,采用地累积指数法和潜在生态风险指数法评价了重金属污染程度和风险等级。结果表明:仅Cu的平均含量超过GB 18668-2002《海洋沉积物质量》中规定的1类标准;Cu和Pb的空间变异系数为114.66%和108.44%,空间离散度较强。重金属污染程度从大到小依次为Cd>Pb>Cu>As>Hg>Cr,其中Cd、Cu和Pb为偏中度污染,As和Hg为轻度污染,Cr无污染;整体潜在生态风险等级已达中等级风险,其中连岛南部海域港口附近重金属污染为高等级风险,表层沉积物的生态风险主要由Cd元素引起。
  • 图 1  研究区内调查样本的空间分布

    Figure 1.  Spatial distribution of survey samples in the study area

    图 2  连岛周边海域重金属含量空间分布

    Figure 2.  Spatial distribution of heavy metals in the sea area around Liandao island

    表 1  沉积物重金属含量

    Table 1.  Heavy metal contents in the surface sediments

    统计值AsCdCrCuPbHg
    平均值/×10−613.18510.160551.929957.172243.62410.0433
    最小值/×10−66.76500.080032.255525.306721.98770.0160
    最大值/×10−620.66130.260079.4493329.8498245.96410.0810
    变异系数/(%)23.9934.0421.58114.66108.4449.61
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    表 2  连岛周边海域沉积物中各重金属含量与背景值对比

    Table 2.  Comparison of heavy metals contents and background values in sediments

    统计值AsCdCrCuPbHg
    本研究中各重金属元素含量平均值/×10−613.1850.16151.93057.17243.6240.043
    江苏省海域土壤背景值/×10−67.3800.04260.11015.02011.4000.023
    中国浅海土壤背景值/×10−67.7000.06561.00015.00020.0000.025
    一类标准/×10−6200.58035600.2
    二类标准/×10−6651.51501001300.5
    三类标准/×10−69352702002501
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    表 3  海州湾连岛周边海域沉积物重金属地累积指数法评价结果

    Table 3.  Pollution degree evaluation results of heavy metals based on ground accumulation index

    ${I_{\rm geo}}$级数污染程度所占比例/(%)
    AsCdCrCuPbHg
    ≤00无污染23.801000038.1
    0~11轻度污染81.033.3066.766.747.6
    1~22偏中度污染061.9023.828.614.3
    2~33中度污染04.804.800
    3~44偏重污染0004.84.80
    4~55重污染000000
    ≥56严重污染000000
    最大值0.902.05−0.183.873.851.23
    最小值−0.170.34−1.480.170.36−1.11
    平均值0.211.26−0.831.001.070.13
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    表 4  海州湾连岛周边海域沉积物重金属潜在生态风险指数综合评价结果

    Table 4.  Comprehensive potential ecological risk assessment results of heavy metals

    RI潜在生态风险程度所占比例/(%)站点编号
    RI<850
    85≤RI<165中等23.811、12、13、15、17
    165≤RI<33061.91、3、4、5、8、9、10、14、16、18、19、20、21
    RI≥330很强14.32、6、7
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    表 5  海州湾连岛周边海域沉积物各元素潜在风险指数评价结果

    Table 5.  Potential ecological risk evaluation results of each heavy metal and As

    $E_r^i$潜在生态风险程度所占比例/(%)
    AsCdCrCuPbHg
    $E_r^i$<40100010095.295.228.6
    40≤$E_r^i$<80中等028.600023.8
    80≤$E_r^i$<160057.104.84.847.6
    160≤$E_r^i$<320很强014.30000
    $E_r^i$≥320极强000000
    最大值28.00185.712.64109.80107.88140.87
    最小值9.1757.141.078.429.6427.83
    平均值17.87114.631.7319.0319.1375.28
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-11
  • 录用日期:  2019-04-12
  • 网络出版日期:  2019-06-04

海州湾连岛周边海域沉积物重金属污染评价

    作者简介:卢 霞(1976-),女,江苏泰兴人,教授,博士,主要从事近海海洋环境立体监测与评价研究,E-mail:luxia1210@163.com
  • 1. 淮海工学院 测绘与海洋信息学院,江苏 连云港 222005
  • 2. 上海海洋大学 海洋生态与环境学院,上海 201306

摘要: 本文测定了海州湾连岛周边海域21个表层沉积物中重金属元素(Cd、Cr、Cu、Pb和Hg)和类金属(As)的含量,通过克里金插值法得到重金属含量的空间分布,采用地累积指数法和潜在生态风险指数法评价了重金属污染程度和风险等级。结果表明:仅Cu的平均含量超过GB 18668-2002《海洋沉积物质量》中规定的1类标准;Cu和Pb的空间变异系数为114.66%和108.44%,空间离散度较强。重金属污染程度从大到小依次为Cd>Pb>Cu>As>Hg>Cr,其中Cd、Cu和Pb为偏中度污染,As和Hg为轻度污染,Cr无污染;整体潜在生态风险等级已达中等级风险,其中连岛南部海域港口附近重金属污染为高等级风险,表层沉积物的生态风险主要由Cd元素引起。

English Abstract

  • 近年来,海岛经济的快速发展,排入海岛周边海域的污染物对生态环境产生严重危害[1]。重金属绝大部分通过生物、化学、物理作用,由水相转入固相,富集在沉积物中,对底栖生物产生直接的毒害作用,并通过食物链富集和传递,最终对人类健康造成影响[2-4]。因此,正确评价沉积物中重金属污染状况对保护海洋生态环境和人类健康都有重要意义。

    目前,近海河口和海湾的沉积物中重金属含量、主要来源、空间分布特征和生态风险等方面都有了深入研究[5-8],而对于海岛周边海域沉积物中重金属的研究却鲜有报道[9]。因此,本文通过在海州湾连岛周边海域采集表层沉积物样品,测定了As、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg 6种元素的含量,与所在海域背景值进行对比分析。利用克里金插值法分析重金属的空间分布特征,通过地累积指数法确定重金属的污染程度,采用潜在生态风险指数法评估重金属的生态风险。海洋底质中重金属含量是海洋环境可持续发展的重要依据[10],进行重金属分析和评价能较好的反映环境重金属污染状况,为优化海岛周边海域沉积物重金属监测网络、控制重金属污染提供支持,并为海岛生态系统的修复、保护和管理提供参考[11-12]

    • 连岛位于连云港市海州湾连云区以北的海区,总面积达7.57 km2,海岛岸线长为17.6 km。连岛北部拥有江苏省最大的海滨浴场,西部修建了西大堤,南部与陆地港口相连,海水养殖业分布在连岛周边海域[13],对连云港及江苏省的海洋经济发展有着重要的推动作用。

    • 围绕连岛周围设计了21个采样点,采样点具体位置如图1所示。根据海洋监测规范对表层沉积物进行采集、运输和保存[14]。在实验室将所采集的21份样品进行冷冻干燥,去除样品中的砂石以及动植物残体后,用玛瑙研体将沉积物碾磨,用100目的尼龙筛子,筛下约20 g样品装于密封袋中置于干燥处以供测定。

      图  1  研究区内调查样本的空间分布

      Figure 1.  Spatial distribution of survey samples in the study area

      本次实验采用分析天平称取处理好的沉积物样品0.1 g,并将称取好的样品放于聚四氟乙烯烧杯中,并通过浓硝酸一氢氟酸一高氯酸混合液进行消解,定容至100 mL待测。最终样品重金属元素Cu、Pb、Cr和Cd含量采用Multiwave 3000微波消解仪进行消解,利用全谱直读等离子体发射光谱(ICP-OES)进行测定,As、Hg采用原子荧光光谱法(AFS)测定,实验中选用的试剂为优级纯试剂,实验用水为超纯水。

    • 克里金(Kriging)插值法是一种最优内插法,是非常有用的地质统计格网化方法[15]。本文采用普通克里金插值法,计算公式为:

      式中:${\hat z_0}$是点$\left( {{x_0},{y_0}} \right)$处的估计值,即${z_0} = z\left( {{x_0},{y_0}} \right)$${\lambda _i}$是权重系数,利用空间上所有已知点的数据加权求和来估计未知点的值。

    • 地积累指数的计算公式为:

      式中:${I_{{\rm{geo}}}}$为地积累污染指数;${C_n}$为重金属元素n的实测浓度(mg/kg);${B_n}$为沉积岩中重金属元素n的地球化学背景值(mg/kg),考虑到成岩作用可能会引起背景值的变动,设定常数k为1.5[16]

    • 采用潜在生态风险指数法对沉积物重金属的生态风险进行评价,综合考虑重金属毒性、江苏省海域土壤背景值等因素,定量划分潜在生态风险等级[17]

      式中:$T_r^i$为第i种重金属的毒性系数,体现重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度;$C_f^i$为第i种重金属的污染指数;${C^i}$为重金属元素i的实际测量含量(mg/kg);$C_n^i$为重金属元素i的背景值(mg/kg);$E_r^i$为单个重金属的潜在生态危害指数;$RI$为多种重金属潜在生态危害指数的综合。

    • 表1可知:As、Cd、Hg和Cr的变异系数介于10%~100%,属于中等变异;Cu和Pb的空间变异系数均大于100%,属于强变异,Cu和Pb的空间离散度较大。

      统计值AsCdCrCuPbHg
      平均值/×10−613.18510.160551.929957.172243.62410.0433
      最小值/×10−66.76500.080032.255525.306721.98770.0160
      最大值/×10−620.66130.260079.4493329.8498245.96410.0810
      变异系数/(%)23.9934.0421.58114.66108.4449.61

      表 1  沉积物重金属含量

      Table 1.  Heavy metal contents in the surface sediments

      表2可看出:As、Cd、Hg、Pb、Cr的平均含量均优于GB 18668-2002《海洋沉积物质量》中规定的1类标准;Cu的平均值高于1类标准,符合II和III类标准,符合滨海旅游区、海洋港口开发作业对沉积物质量的要求。但是As、Cd、Hg、Pb、Cu的平均含量均高于江苏省海域土壤背景值和中国浅海土壤背景值,海洋环境存在一定程度的污染。

      统计值AsCdCrCuPbHg
      本研究中各重金属元素含量平均值/×10−613.1850.16151.93057.17243.6240.043
      江苏省海域土壤背景值/×10−67.3800.04260.11015.02011.4000.023
      中国浅海土壤背景值/×10−67.7000.06561.00015.00020.0000.025
      一类标准/×10−6200.58035600.2
      二类标准/×10−6651.51501001300.5
      三类标准/×10−69352702002501

      表 2  连岛周边海域沉积物中各重金属含量与背景值对比

      Table 2.  Comparison of heavy metals contents and background values in sediments

    • 运用ArcGIS地统计分析模块,采用普通克里金插值法进行空间插值得到重金属和As含量空间分布(图2),通过自然间断点分级法确定10个分级标准[18]

      图  2  连岛周边海域重金属含量空间分布

      Figure 2.  Spatial distribution of heavy metals in the sea area around Liandao island

      重金属和As的空间分布特征:As含量的变化范围(6.77~20.66)×10–6,最小值位于连岛东部海域的21号站点,最大值位于港口附近的2号站点;整体表现为南部高于北部的空间分布趋势。Cd含量的变化范围(0.08~0.26)×10–6,最小值位于西大堤附近的17号站点,最大值位于港口附近的2号站点;整体表现为以连岛为中心向四周递增的空间分布趋势;港口附近为高值区。Cr含量的变化范围为(32.26~79.45)×10–6,最小值位于连岛东部海域的21号站点,最大值位于港口附近2号站点;整体表现为西南部海域向外递增,北部海域向外递减的空间分布趋势;高值区较为集中,位于2号站点附近。Cu含量的变化范围为(25.31~329.85)×10–6,最小值位于东部海域的21号站点,最大值位于港口附近的2号站点;整体表现为南高北低的空间分布趋势;在21和11号站点出现明显低值区。Hg含量的变化范围为(0.016~0.081)×10–6,最小值位于北部海域的13号站点,最大值位于港口附近7号站点;整体表现为西南部海域向北部海域阶梯式递减的空间分布趋势;高值区位于东南部海域。Pb含量的变化范围为(21.99~245.96)×10–6,最小值位于连岛东部海域的21号站点,最大值位于南部海域的2号站点;整体表现为东北部向外递减,其余海域向外递增的空间分布趋势;高值区不明显。

      海州湾连岛周边海域重金属空间分布特点为连岛南部海域即港口附近海域的含量偏高,西北部海域偏低,且随着离岸距离的增加浓度逐渐递减。因西大堤和港口码头的建设,减弱了水动力条件,导致水体自净能力下降,加上海上交通及化工厂排污等因素,使得连岛南部海域沉积物重金属含量高于北部。

    • 利用地累积指数法开展重金属污染程度评价,如表3所示:从平均情况来看,研究区Cr地累积指数分级为0级,污染程度为无污染级别;As和Hg地累积指数分级为1级,污染程度为无-轻度污染级别;Cd、Pb和Cu的地累积指数分级为2级,污染程度为偏中度污染级别;从受污染程度来看,Cr受污染程度最轻,Cd受污染程度最重,污染程度从大到小依次为Cd>Pb>Cu>As>Hg>Cr。

      ${I_{\rm geo}}$级数污染程度所占比例/(%)
      AsCdCrCuPbHg
      ≤00无污染23.801000038.1
      0~11轻度污染81.033.3066.766.747.6
      1~22偏中度污染061.9023.828.614.3
      2~33中度污染04.804.800
      3~44偏重污染0004.84.80
      4~55重污染000000
      ≥56严重污染000000
      最大值0.902.05−0.183.873.851.23
      最小值−0.170.34−1.480.170.36−1.11
      平均值0.211.26−0.831.001.070.13

      表 3  海州湾连岛周边海域沉积物重金属地累积指数法评价结果

      Table 3.  Pollution degree evaluation results of heavy metals based on ground accumulation index

      就单个采样点而言,Cr元素无污染;其它元素都存在局部污染情况。其中Cd元素的污染最为严重,约有66.7%的采样点达到偏中度污染以上污染;Cu、Pb约有33.3%的采样点达到偏中度污染及以上,部分采样点达到偏重污染;As几乎处于无污染到轻度污染的程度。

    • 沉积物中重金属含量越高,对生态环境的潜在危害性就越大[19]。根据公式(3)、(4),并结合毒性响应系数和江苏海域背景值计算重金属元素潜在危害污染指数$E_r^i$和综合指数RI

      表4可知,研究区全部采样点的生态风险指数均高于85,为中等级及以上范围。其中76.2%的采样点为强生态风险以上等级,研究区整体的潜在生态风险为强风险等级,生态风险情况较为严重。从各站点来看,位于连岛北部海域11、12、13、15、17号5个站点达到了中等潜在生态风险水平。13个站点达到了强等级生态风险水平,其中10、14、16、18、19号站点在北部海域,其余属于南部海域。位于连岛南部海域的2、6、7号这3个站点达到了达到很强等级,其中2号站点的生态风险水平最高($E_r^i$=185.71)。潜在生态风险指数总体表现为南部海域大于北部海域。南部海域靠近连云港港口,随着港口经济的发展,人类工农业和船舶排放污染物显著增加,这可能导致海州湾连岛周边海域沉积物重金属污染加重。

      RI潜在生态风险程度所占比例/(%)站点编号
      RI<850
      85≤RI<165中等23.811、12、13、15、17
      165≤RI<33061.91、3、4、5、8、9、10、14、16、18、19、20、21
      RI≥330很强14.32、6、7

      表 4  海州湾连岛周边海域沉积物重金属潜在生态风险指数综合评价结果

      Table 4.  Comprehensive potential ecological risk assessment results of heavy metals

      表5中可知:单项重金属潜在生态风险程度由强到弱依次为Cd>Hg>Pb>Cu>As>Cr。Cd元素在全部采样点都达到中风险以上等级,其中71.4%的采样点为强风险以上等级;Hg元素则在71.4%的采样点达到中风险以上等级;其它4种元素的风险程度整体为低风险。虽然6种元素中Cd和Hg的含量较低,但因为Cd和Hg的生物毒性极强,对潜在生态风险的影响较大。因此,海洋相关管理部门在今后的海洋环境保护工作中应重视Cd和Hg的污染治理。

      $E_r^i$潜在生态风险程度所占比例/(%)
      AsCdCrCuPbHg
      $E_r^i$<40100010095.295.228.6
      40≤$E_r^i$<80中等028.600023.8
      80≤$E_r^i$<160057.104.84.847.6
      160≤$E_r^i$<320很强014.30000
      $E_r^i$≥320极强000000
      最大值28.00185.712.64109.80107.88140.87
      最小值9.1757.141.078.429.6427.83
      平均值17.87114.631.7319.0319.1375.28

      表 5  海州湾连岛周边海域沉积物各元素潜在风险指数评价结果

      Table 5.  Potential ecological risk evaluation results of each heavy metal and As

    • (1)研究区表层沉积物中5种重金属和As的平均含量从大到小依次为Cu>Cr>Pb>As>Cd>Hg,其中As,Cd,Hg和Cr的变异系数小于50%,空间分布较均匀;而Cu和Pb的变异系数都大于1,变异程度较大;南部海域重金属含量高于北部海域,南部海域的2号站点重金属含量最高。

      (2)研究区整体污染情况为轻度污染,港口附近的2号站点污染最严重;Cd、Cu和Pb达中度污染,As和Hg为轻度到偏中度污染之间,Cr在所有站点都为无污染。

      (3)5种重金属和As的生态风险等级由强到弱依次为Cd>Hg>Pb>Cu>As>Cr,其中Cd已达到了强等级的潜在生态风险水平,Hg达到中等级的潜在生态风险水平,Pb、Cu、As和Cr均为轻微的潜在生态风险水平。

参考文献 (19)

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