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雷州半岛近海表层沉积物重金属污染评价

夏嘉 高苑 王思波 王遥平

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雷州半岛近海表层沉积物重金属污染评价

    作者简介: 夏 嘉(1989-),男,江西九江人,讲师,博士,主要从事有机地球化学及元素地球化学研究,E-mail:xiaj@gdou.edu.cn;
    通讯作者: 高 苑(1987-),女,河北石家庄人,讲师,博士,主要从事海洋有机地球化学研究,E-mail:gaoy@gdou.edu.cn
  • 基金项目: 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)项目(ZJW-2019-08);国家自然科学基金项目(41802150);广东海洋大学“创新强校”资助项目(Q18301);广东海洋大学“冲一流”项目(231419029);广东海洋大学博士科研启动项目(R20033)
  • 中图分类号: P736;X142

Assessment of the heavy metal pollution in the offshore surface sediments of the Leizhou peninsula

  • 摘要: 本文测定了雷州半岛近海43个表层沉积物中重金属元素(Hg、Cu、Zn、Cd、Pb和Cr)和类金属元素(As)的含量,并分析其空间分布特征,采用潜在生态风险指数法对重金属的污染风险等级进行评价。结果表明:各站位中Hg、Cu、Zn、Cd、Pb、Cr和As的平均含量分别为0.037×10−6、15.62×10−6、66.33×10−6、0.13×10−6、26.71×10−6、59.54×10−6和11.20×10−6,均超过南海北部陆架区沉积物背景值;研究区综合潜在生态风险指数RI平均值为130,属于低生态风险,但雷州半岛东侧鉴江入海口海域和西侧流沙湾近海海域达到中等生态风险程度,Hg是主要的污染因子;与前人2010年结果比较,雷州半岛近海沉积物中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、As含量呈现逐渐增加的趋势,反映了人类活动对该海域的影响。
  • 图 1  研究区域及采样站位

    Figure 1.  Map of the study area and sampling locations

    图 2  雷州半岛近海表层沉积物重金属含量空间分布

    Figure 2.  Spatial distributions of heavy metals in the offshore surface sediments of the Leizhou Peninsula

    表 1  沉积物中各重金属含量及环境背景值

    Table 1.  Contents of heavy metals in sediments and their environmental background values

    统计值HgCuZnCdPbCrAs
    平均值/×10−60.03715.6266.330.1326.7159.5411.20
    最大值/×10−60.0741.63108.010.8641.7193.0530.1
    最小值/×10−60.00733.7614.610.017.1510.522.65
    变异系数/ (%)43.844.634.393.029.734.643.6
    南海北部陆架沉积物背景值/×10−60.0207.4354.400.1815.6039.309.71
    雷州半岛砖红壤背景值/×10−60.0308.0021.000.0323.4036.145.40
    沉积物I类标准/×10−60.2351500.5608020
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    表 2  重金属及平均粒径的Pearson相关性分析

    Table 2.  Pearson correlation analysis of heavy metals and mean particle size

    HgCuZnCdPbCrAs平均粒径/φ
    Hg1
    Cu0.661*1
    Zn0.676*0.925*1
    Cd0.2490.2660.3461
    Pb0.636*0.857*0.934*0.493*1
    Cr0.592*0.908*0.969*0.2910.898*1
    As0.516*0.710*0.725*0.1490.758*0.791*1
    平均粒径/φ0.477*0.615*0.596*0.2760.600*0.583*0.457*1
    注:*在0.01水平(双侧)上显著相关,n=43
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    表 3  雷州半岛近海海域沉积物各元素潜在风险指数单项评价

    Table 3.  Individual evaluation of potential risk index of each heavy metal and As in the Leizhou peninsula offshore sediments

    HgCuZnCdPbCrAs
    所占比例/(%)低风险($ {E}_{r}^{i} $<40)18.610010097.7100100100
    中等风险(40≤$ {E}_{r}^{i} $<80)39.5
    强风险(80≤$ {E}_{r}^{i} $<160)41.92.3
    很强风险(160≤$ {E}_{r}^{i} $<320)
    极强风险($ {E}_{r}^{i} $≥320)
    潜在风险指数/$ {E}_{r}^{i} $最大值147.1922.721.99142.9913.374.7431.00
    最小值14.661.090.272.22.290.542.72
    平均值73.5110.511.2221.688.563.0311.53
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    表 4  雷州半岛近海海域沉积物重金属潜在生态风险指数综合评价

    Table 4.  Comprehensive evaluation of potential ecological risk index of heavy metals in the Leizhou peninsula offshore sediments

    RI潜在生态风险所占比例/(%)站点编号
    RI<15058.14、10、13、15、18、19、21、22、23、26、28、29、30、31、32、33、34、43、47、48、51、52、54、56、57
    150≤RI<300中等41.91、2、3、5、6、7、9、27、35、36、37、38、39、40、41、42、44、45
    300≤RI<6000
    RI≥600极强0
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    表 5  雷州半岛近海沉积物重金属平均含量对比(×10−6

    Table 5.  Comparison of the average heavy metal content in the Leizhou peninsula offshore sediments

    HgCuZnCdPbCrAs调查时间数据来源
    0.037 15.62 66.33 0.13 26.71 59.54 11.20 2017-09 本研究
    12.0 44.6 0.081 21.2 45.0 6.4 2010-07 环雷州半岛近海[20]
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-14
  • 录用日期:  2021-02-20
  • 刊出日期:  2022-04-20

雷州半岛近海表层沉积物重金属污染评价

    作者简介:夏 嘉(1989-),男,江西九江人,讲师,博士,主要从事有机地球化学及元素地球化学研究,E-mail:xiaj@gdou.edu.cn
    通讯作者: 高 苑(1987-),女,河北石家庄人,讲师,博士,主要从事海洋有机地球化学研究,E-mail:gaoy@gdou.edu.cn
  • 1. 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江),广东 湛江 524013
  • 2. 广东海洋大学 化学与环境学院,广东 湛江 524088
  • 3. 广东海洋大学 深圳研究院,广东 深圳 518120
基金项目: 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)项目(ZJW-2019-08);国家自然科学基金项目(41802150);广东海洋大学“创新强校”资助项目(Q18301);广东海洋大学“冲一流”项目(231419029);广东海洋大学博士科研启动项目(R20033)

摘要: 本文测定了雷州半岛近海43个表层沉积物中重金属元素(Hg、Cu、Zn、Cd、Pb和Cr)和类金属元素(As)的含量,并分析其空间分布特征,采用潜在生态风险指数法对重金属的污染风险等级进行评价。结果表明:各站位中Hg、Cu、Zn、Cd、Pb、Cr和As的平均含量分别为0.037×10−6、15.62×10−6、66.33×10−6、0.13×10−6、26.71×10−6、59.54×10−6和11.20×10−6,均超过南海北部陆架区沉积物背景值;研究区综合潜在生态风险指数RI平均值为130,属于低生态风险,但雷州半岛东侧鉴江入海口海域和西侧流沙湾近海海域达到中等生态风险程度,Hg是主要的污染因子;与前人2010年结果比较,雷州半岛近海沉积物中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、As含量呈现逐渐增加的趋势,反映了人类活动对该海域的影响。

English Abstract

  • 环境中的重金属一部分来自自然环境,另一部分来源于人类的生产和生活等活动,它们可以通过地表径流、大气沉降、废水排放、垃圾焚烧等方式进入海洋中[1-3]。海洋环境中常见的重金属如锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)、锡(Sn)、钴(Co)等一般具有一定毒性,而汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)及类金属砷(As)等元素的生物毒害作用显著[4-5]。重金属由于具有潜在毒性、不可逆性、普遍性以及生物累积放大作用而引起人们的关注,普遍认为其会对海洋生态系统产生严重威胁[6-7]。海洋环境与沉积物的地球化学特征存在密切的关系,重金属经排放入海后会在吸附、络合、沉淀等作用下存储在沉积物中,当水文动力、环境条件(如pH、盐度、氧化还原电位)等因素改变时,这部分元素会重新释放到上覆水体中,对水体造成“二次污染”。因此,海洋沉积物重金属污染问题一直都是国内外研究的重点[8-9]

    海湾、港口等近海海域的养殖业发达、海上运输繁忙,受人类生产、生活影响较大,同时水体交换能力也较差,其水体污染日趋严重,对海洋生态环境和养殖业的发展造成很大威胁。雷州半岛位于中国大陆的最南端,其海岸线曲折,港湾与岛屿众多,且其近海海域是东亚低纬度海洋性季风影响的重要海陆连接带。同时,雷州半岛人口稠密,人类生活、生产活动频繁,对半岛周围的海洋环境具有潜在威胁。本文对这一海域沉积物中重金属污染进行了研究,旨在了解研究海域沉积物中重金属的沉积变化趋势,为近海海洋污染防治、生态系统修复保护提供参考。

    • 本研究于2017年秋季(9月29日-10月7日)广东海洋大学环雷州半岛海洋环境与生态综合科学考察公共航次期间搭载“天龙”号调查船,通过重力箱式采样器采集海底表层沉积物样品。使用塑料铲将表层0~5 cm的沉积物装入洁净的聚乙烯样品袋中,放入冰箱中冷冻保存,直至实验室分析。在预先设定的57个采样站位中共获取43个表层沉积物(图1),未获得沉积物样品的站位主要是砂质海底。获取样品的站位水深范围为8~50 m,平均水深15.5 m。

      图  1  研究区域及采样站位

      Figure 1.  Map of the study area and sampling locations

    • 沉积物样品经冷冻干燥后,使用玛瑙研钵研磨过200目网筛,混合均匀后装入洁净样品袋并置于干燥器内备用。取0.1 g沉积物粉末放于聚乙烯烧杯中,采用浓硝酸-高氯酸-氢氟酸混合液进行消解,使用安捷伦7500Cx电感耦合等离子体质谱仪测定样品中的Cr、Cu、Cd、Pb、Zn 5种重金属和As的含量。Hg的测定采用美国Labtech MAX-L测汞仪。实验中选用的试剂为优级纯,实验用水为超纯水,使用国家标准物质(近海沉积物标准物质GBW07314)进行质量控制以确保数据的可靠性。

    • 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、重金属背景值等因素,定量划分潜在生态风险等级,其计算公式如下:

      式中:$ {T}_{r}^{i} $为第i种重金属的毒性系数,体现重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度,Hg、Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、As 的毒性系数分别为40、5、1、30、5、2、10[10]$ {C}_{f}^{i} $为第i种重金属的污染指数;$ {C}^{i} $为重金属元素i的实际测量含量(×10−6);$ {C}_{n}^{i} $为重金属元素i的背景值(×10−6),分别选取雷州半岛典型砖红壤重金属背景值[11]及中国南海北部陆架区表层沉积物重金属环境背景值[12]$ {E}_{r}^{i} $为单个重金属的潜在生态危害指数;RI为各项重金属的综合潜在生态危害指数。

    • 雷州半岛近海表层沉积物中Cr、Cu、Cd、Pb、Zn、Hg 和As的含量如表1所示。研究海域内各重金属平均含量表现为Zn>Cr>Pb>Cu>As>Cd>Hg的特征。其中,Cr的含量为(10.52~93.05)×10−6,平均值为59.54×10−6;Zn的含量为(14.61~108.01)×10−6,平均值为66.33×10−6;Pb的含量为(7.15~41.71)×10−6,平均值为26.71×10−6;Cu的含量为(1.63~33.76)×10−6,平均值为15.62×10−6;As的含量为(2.65~30.1)×10−6,平均值为11.20×10−6;Cd的含量为(0.01~0.86)×10−6,平均值为0.13×10−6;Hg的含量为(0.007~0.074)×10−6,平均值为0.037×10−6

      统计值HgCuZnCdPbCrAs
      平均值/×10−60.03715.6266.330.1326.7159.5411.20
      最大值/×10−60.0741.63108.010.8641.7193.0530.1
      最小值/×10−60.00733.7614.610.017.1510.522.65
      变异系数/ (%)43.844.634.393.029.734.643.6
      南海北部陆架沉积物背景值/×10−60.0207.4354.400.1815.6039.309.71
      雷州半岛砖红壤背景值/×10−60.0308.0021.000.0323.4036.145.40
      沉积物I类标准/×10−60.2351500.5608020

      表 1  沉积物中各重金属含量及环境背景值

      Table 1.  Contents of heavy metals in sediments and their environmental background values

      表1可以看出,Cr、Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As的平均含量均优于《海洋沉积物质量》(GB 18668-2002)规定的沉积物I类标准。与雷州半岛典型砖红壤重金属背景值相比[11],Cr、Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As平均含量依次超过该背景值的1.2、2.0、3.2、3.8、1.1、1.6和2.1倍。与南海陆架区表层沉积物重金属环境背景值相比[12],Cr、Cu、Pb、Zn、Hg、As平均含量依次是该背景值的1.8、2.1、1.2、1.7、1.5和1.2倍,Cd平均含量未超过其背景值。与上述两种背景值相比,本文结果显示研究海域存在一定程度的重金属污染。此外,不同采样站位之间的变异系数可以反映某一重金属在一定区域内的分布和污染程度的差异性[13]。本研究海域表层沉积物中Cd的变异系数为93%,说明其含量空间分布差异大,受外界环境影响严重,可能存在一定的人为污染。其余元素的变异系数为29.7%~44.6%,属于中等变异水平,说明受人为干扰相对较小。

      利用Suffer软件对本研究区各重金属含量的空间变化特征进行绘制(图2),该方法可利用采样站位的已知数据通过克里金插值来估计未知点的值。如图2所示,本研究区重金属的空间分布具有明显的区域性。在雷州半岛东侧海域,Hg、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As的高值区较为一致,均位于鉴江入海口附近海域,显示了鉴江输入对沉积物重金属的贡献。其中,Pb含量在靠近鉴江入海口较高,而其他元素则在离岸较远处含量较高。这表明该区域沉积物中Pb可能主要来自鉴江输入,而其他6种元素除鉴江河流输入外可能还存在其他来源。柯东胜[14]指出,珠江水系携带的污染物会随粤西沿岸流进入雷州半岛东部海域,由于水动力减弱,同时在南海暖流及上升流的共同控制下,粤西沿岸流携带的物质大多沿岸输运并最终沉积在近岸区域[15-16]。在琼州海峡海域,Zn、Pb、Cr含量相对较高,Hg、Cu、Cd、As含量较低,整体呈现出西高东低的趋势。在雷州半岛西侧海域,重金属含量分布呈现出北低南高的特征,Hg、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd均在流沙湾附近海域出现高值区。流沙湾是著名的海水珍珠养殖生产基地,人类生产活动会造成重金属在该海区沉积物中累积[17]。水产养殖饵料中通常富含Cu和Zn两种微量元素,饵料的投放会引起水体中这两种元素浓度的增加,因此,水产养殖的内源性重金属污染通常以Cu、Zn为主[18],这可能是造成本文中流沙湾附近海域沉积物中Cu和Zn含量较高的重要原因(图2)。此外,琼州海峡潮流冲刷物出海峡西口后,在北部湾环流的作用下向北输运并沉积[19],也可成为该海域重金属的重要来源。

      图  2  雷州半岛近海表层沉积物重金属含量空间分布

      Figure 2.  Spatial distributions of heavy metals in the offshore surface sediments of the Leizhou Peninsula

    • 雷州半岛近海表层沉积物中的重金属含量及平均粒径的Pearson相关性分析结果(表2)显示,Cu、Zn、Pb、Cr具有较好的相关性(r>0.85),Zn与Cr相关系数最高。较高的相关性说明这几种重金属具有同源性,其迁移路径、迁移过程以及沉积行为具有相似性。Cd与其他元素相关程度较低(r≤0.493),表明Cd的沉积行为与其他元素差异较大。Cu和Pb与沉积物平均粒径的相关性最高(r≥0.6),说明它们易被细粒物质吸附;Zn、Cr、Hg、As与平均粒径相关性次之,Cd与平均粒径的相关性最低。

      HgCuZnCdPbCrAs平均粒径/φ
      Hg1
      Cu0.661*1
      Zn0.676*0.925*1
      Cd0.2490.2660.3461
      Pb0.636*0.857*0.934*0.493*1
      Cr0.592*0.908*0.969*0.2910.898*1
      As0.516*0.710*0.725*0.1490.758*0.791*1
      平均粒径/φ0.477*0.615*0.596*0.2760.600*0.583*0.457*1
      注:*在0.01水平(双侧)上显著相关,n=43

      表 2  重金属及平均粒径的Pearson相关性分析

      Table 2.  Pearson correlation analysis of heavy metals and mean particle size

    • 表3可知,单项重金属潜在生态风险程度依次为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn。Hg在81.4%的采样站位达到中风险以上等级,其他6种元素除Cd存在一个采样站位为强风险外,整体均为低潜在生态风险。虽然7种元素中Hg的含量最低,但由于其具有极强的生物毒性,因此潜在生态风险最高。从综合潜在生态风险指数来看(表4),研究区内RI均值为130,整体属于低生态风险程度。从各站位来看,41.9%的采样站位为中等生态风险,主要位于雷州半岛东部鉴江入海口海域的7个站位以及雷州半岛西部流沙湾近海海域的10个站位,这可能反映了鉴江河流输入以及海湾养殖产业对沉积物重金属含量的影响。

      HgCuZnCdPbCrAs
      所占比例/(%)低风险($ {E}_{r}^{i} $<40)18.610010097.7100100100
      中等风险(40≤$ {E}_{r}^{i} $<80)39.5
      强风险(80≤$ {E}_{r}^{i} $<160)41.92.3
      很强风险(160≤$ {E}_{r}^{i} $<320)
      极强风险($ {E}_{r}^{i} $≥320)
      潜在风险指数/$ {E}_{r}^{i} $最大值147.1922.721.99142.9913.374.7431.00
      最小值14.661.090.272.22.290.542.72
      平均值73.5110.511.2221.688.563.0311.53

      表 3  雷州半岛近海海域沉积物各元素潜在风险指数单项评价

      Table 3.  Individual evaluation of potential risk index of each heavy metal and As in the Leizhou peninsula offshore sediments

      RI潜在生态风险所占比例/(%)站点编号
      RI<15058.14、10、13、15、18、19、21、22、23、26、28、29、30、31、32、33、34、43、47、48、51、52、54、56、57
      150≤RI<300中等41.91、2、3、5、6、7、9、27、35、36、37、38、39、40、41、42、44、45
      300≤RI<6000
      RI≥600极强0

      表 4  雷州半岛近海海域沉积物重金属潜在生态风险指数综合评价

      Table 4.  Comprehensive evaluation of potential ecological risk index of heavy metals in the Leizhou peninsula offshore sediments

      虽然雷州半岛近海沉积物中重金属污染程度相对较低,但与历史监测记录相比(表5),沉积物中重金属含量均呈现增加的趋势[20]。庄宇君[20]在2010年10月利用与本文相同的站位设计采集了38个表层沉积物,与其研究结果进行对比,在约7年时间内,雷州半岛近海表层沉积物中重金属含量均有所增加,其中,As增加了0.75倍,变化最大;Cu、Zn、Cd、Pb、Cr分别增加了0.3、0.49、0.61、0.26和0.32倍。结果说明,近年来雷州半岛近海表层沉积物中重金属污染呈逐渐加重的趋势。

      河流输入及沿海人为活动产生的生活污水和工业废水是海洋中重金属的重要来源。根据《2017年广东省海洋环境状况公报》[21],广东省2017年主要入海河流共排放重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Hg)和As约0.35万吨。人类活动导致的重金属排放量增加对沿海环境质量构成潜在的生态威胁。雷州半岛重要海湾如湛江湾受纳了湛江市的大部分生活、工业和港口航运污水[22-23],流沙湾内存在大规模的海水珍珠贝苗培育和生产[24-25]。这些受人类活动影响较为强烈的区域重金属含量通常较高,进而影响邻近海域的重金属污染水平,因此,相关部门需采取一定措施减轻雷州半岛近海重金属污染加剧的趋势。

      HgCuZnCdPbCrAs调查时间数据来源
      0.037 15.62 66.33 0.13 26.71 59.54 11.20 2017-09 本研究
      12.0 44.6 0.081 21.2 45.0 6.4 2010-07 环雷州半岛近海[20]

      表 5  雷州半岛近海沉积物重金属平均含量对比(×10−6

      Table 5.  Comparison of the average heavy metal content in the Leizhou peninsula offshore sediments

    • (1)研究区表层沉积物中6种重金属和As的平均含量为Zn>Cr>Pb>Cu>As>Cd>Hg。除Cd外,其他重金属和As的平均含量均超过南海北部陆架区表层沉积物中重金属背景值。Cu、Zn、Pb、Cr具有较好的相关性(r>0.85),显示它们具有同源性及相似的沉积行为。

      (2)潜在生态风险指数均值为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn,其中,Hg呈现中等以上风险。RI分析显示,雷州半岛东侧鉴江入海口海域和西侧流沙湾近海海域属于中等生态风险程度。与前人2010年监测结果相比,6种重金属和As含量均呈现增加的趋势。

参考文献 (25)

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