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辽东湾西北部海域表层沉积物重金属含量的空间分布特征与污染状况评价

梁淼 李德鹏 路波 孙钦帮 鞠茂伟 孙丽艳 陈兆林

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辽东湾西北部海域表层沉积物重金属含量的空间分布特征与污染状况评价

    作者简介: 梁淼(1981-), 女, 辽宁锦州人, 博士, 从事海洋工程生态环境影响评价, E-mail:mliang@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 路波(1982-), 男, 江苏沛县人, 博士, 从事海洋地质研究工作, E-mail:blu@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室开放基金(201817)
  • 中图分类号: P736.21;X82

Distribution characteristics and pollution evaluation of heavy metals in surface sediments in the Northwest of Liaodong Bay

  • 摘要: 对2013年秋季和2014年春季两季辽东湾西北部海域共26个采样站位7种重金属含量的分布特征进行了研究。结果表明:该海域表层沉积物中Hg、Zn和Cd含量的平均值均高于渤海工业化前沉积物重金属背景值。单因子污染指数和重金属地质累积指数评价结果显示,Cd属于"轻度"污染,Hg、Cu、Pb、Zn、As和Cr属于无污染程度。重金属潜在生态风险评价结果表明,研究区的综合潜在生态风险"较低"。单金属潜在危害系数程度较高的是Cd、Hg。表层沉积物中重金属和TOC相关性分析表明:TOC含量与重金属Hg、Cu、Cd、Cr和As含量具有一定的正相关性。进一步通过主成分分析表明该海域沉积物重金属有3个来源,即有机质降解;工业废水、城市排污及养殖自身污染;岩石的自然风化和侵蚀过程。本研究结果揭示了辽东湾西北部海域沉积物中重金属的分布特征,初步推断了重金属污染来源,可为辽东湾海洋生态环境保护、修复提供依据。
  • 图 1  辽东湾西北部海域沉积物调查站位

    Figure 1.  Location map showing the sediment sample sites in the northwest of Liaodong Bay

    图 2  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属含量分布

    Figure 2.  Distribution of heavy metals content in surface sediments in the northwest of Liaodong Bay

    图 3  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属RI指数分布

    Figure 3.  The distribution of potential ecological risk index of heavy metals in surface sedimentsin the northwest of Liaodong Bay

    表 1  沉积物重金属污染程度划分

    Table 1.  Description of sediment quality of Igeo classification

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    表 2  沉积物中重金属的背景值和毒性系数

    Table 2.  Background reference values and toxicity coefficients of heavy metals in the sediments

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    表 3  潜在生态风险分类表

    Table 3.  Risk grades indexes and grades of potential ecological risk of heavy metal pollution

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    表 4  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属含量统计表(mg/kg)

    Table 4.  Concentrations of heavy metals (mg/kg dry weight for all elements) in the sediment of coastal regions in the northwest of Liaodong Bay

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    表 5  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属单因子污染指数统计表

    Table 5.  Single factor pollution index of heavy metals in surface sediments in the northwest of Liaodong Bay

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    表 6  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属地质累积指数评价结果

    Table 6.  The geo-accumulation index of heavy metals in surface sediments in the northwest of Liaodong Bay

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    表 7  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属潜在生态风险评价参数

    Table 7.  The parameters of potential ecological risk of heavy metals in surface sediments in the northwest of Liaodong Bay

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    表 8  辽东湾西北部海域表层沉积物各重金属元素和TOC含量间的相关系数(2013年秋季)

    Table 8.  Pearson's correlation matrix for the heavy metals and TOC content of surface sediments in the northwest of Liaodong Bay (autumn 2013)

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    表 9  辽东湾西北部海域表层沉积物各重金属元素和TOC含量间的相关系数(2014年春季)

    Table 9.  Pearson's correlation matrix for the heavy metals and TOC content of surface sediments in the northwest of Liaodong Bay (spring 2014)

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    表 10  主成分分析的载荷和得分关系(2013年秋季)

    Table 10.  Total variance explained and rotated component matrix of principal components analysis (PCA) (autumn 2013)

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    表 11  主成分分析的载荷和得分关系(2014年春季)

    Table 11.  Total variance explained and rotated component matrix of principal components analysis (PCA) (spring 2014)

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  • [1] 徐艳东, 魏潇, 杨建敏, 等.山东近岸海域表层沉积物7种重金属污染特征和生态风险评估研究[J].海洋与湖沼, 2015, 46(3):651-658.
    [2] 李磊, 袁骐, 平仙隐, 等.舟山附近海域表层沉积物中重金属污染及其潜在生态风险评价[J].海洋环境科学, 2011, 30(5):677-680. doi: 10.3969/j.issn.1007-6336.2011.05.016
    [3] 秦延文, 苏一兵, 郑丙辉, 等.渤海湾表层沉积物重金属与污染评价[J].海洋科学, 2007, 31(12):28-33. doi: 10.3969/j.issn.1000-3096.2007.12.008
    [4] 张乃星, 曹丛华, 任荣珠, 等.胶州湾外海洋倾倒区表层沉积物中的重金属及其潜在生态风险[J].环境科学, 2011, 32(5):1315-1320.
    [5] 秦延文, 郑丙辉, 李小宝, 等.渤海湾海岸带开发对近岸沉积物重金属的影响[J].环境科学, 2012, 33(7):2359-2367.
    [6] 张现荣, 张勇, 叶青, 等.辽东湾北部海域沉积物重金属环境质量和污染演化[J].海洋地质与第四纪地质, 2012, 32(2):21-29.
    [7] 曹柳燕, 张捷, 胡颢琰, 等.浙江南部近岸海域表层沉积物中重金属污染评价[J].环境污染与防治, 2016, 38(7):61-65.
    [8] 孙钦帮, 张冲, 乌立国, 等.广东红海湾表层沉积物重金属含量的空间分布特征与污染状况评价[J].生态环境学报, 2017, 26(5):843-849.
    [9] 冯慕华, 龙江平, 喻龙, 等.辽东湾东部浅水区沉积物中重金属潜在生态评价[J].海洋科学, 2003, 27(3):52-56. doi: 10.3969/j.issn.1000-3096.2003.03.012
    [10] 周秀艳, 王恩德, 刘秀云, 等.辽东湾河口底质重金属环境地球化学[J].地球化学, 2004, 33(3):286-290. doi: 10.3321/j.issn:0379-1726.2004.03.008
    [11] 孙钦帮, 陈燕珍, 孙丽艳, 等.辽东湾西部海域表层沉积物重金属的含量分布与污染评价[J].应用海洋学学报, 2015, 34(1):73-79. doi: 10.3969/J.ISSN.2095-4972.2015.01.010
    [12] GB 17378.3-2007, 海洋监测规范第3部分: 样品采集、贮存与运输[S].
    [13] GB 17378.5-2007, 海洋监测规范第5部分: 沉积物分析[S].
    [14] 罗芳, 伍国荣, 王冲, 等.内梅罗污染指数法和单因子评价法在水质评价中的应用[J].环境与可持续发展, 2016, 41(5):87-89. doi: 10.3969/j.issn.1673-288X.2016.05.023
    [15] MÜLLER G.Index ofgeoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geo Journal, 1969, 2(3):108-118.
    [16] 赵庆令, 李清彩, 谢江坤, 等.应用富集系数法和地累积指数法研究济宁南部区域土壤重金属污染特征及生态风险评价[J].岩矿测试, 2015, 34(1):129-137.
    [17] HÄKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollutioncontrol.a sedimentological approach[J].Water Research, 1980, 14(8):975-1001. doi: 10.1016/0043-1354(80)90143-8
    [18] 马德毅, 王菊英.中国主要河口沉积物污染及潜在生态风险评价[J].中国环境科学, 2003, 23(5):521-525. doi: 10.3321/j.issn:1000-6923.2003.05.016
    [19] 周笑白, 梅鹏蔚, 彭露露, 等.渤海湾表层沉积物重金属含量及潜在生态风险评价[J].生态环境学报, 2015, 24(3):452-456.
    [20] BORG H, JONSSON P.Large-scale metal distribution in Baltic Seasediments[J].Marine Pollution Bulletin, 1996, 32(1):8-21. doi: 10.1016/0025-326X(95)00103-T
    [21] 许艳, 王秋璐, 李潇, 等.环渤海典型海湾沉积物重金属环境特征与污染评价[J].海洋科学进展, 2017, 35(3):428-438. doi: 10.3969/j.issn.1671-6647.2017.03.012
    [22] 周斌, 刘伟, 刘有刚, 等.渤海湾南部典型生态区表层沉积物重金属潜在生态风险分析[J].海洋环境科学, 2013, 32(4):533-537.
    [23] QIU Y W, ZHU L S, LI M Q.Distribution characteristics of heavy metals and grain size of sediments from Hailing Bay, China[J].Marine Science Bulletin, 2005, 7(1):69-76.
    [24] REUTER J H, PERDUE E M.Importance of heavy metal-organic matter interactions in natural waters[J].Geochimica et Cosmochimica Acta, 1977, 41(2):325-334. doi: 10.1016/0016-7037(77)90240-X
    [25] 李玉, 俞志明, 宋秀贤.运用主成分分析(PCA)评价海洋沉积物中重金属污染来源[J].环境科学, 2006, 27(1):137-141.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-05
  • 录用日期:  2018-07-05
  • 刊出日期:  2019-12-20

辽东湾西北部海域表层沉积物重金属含量的空间分布特征与污染状况评价

    作者简介:梁淼(1981-), 女, 辽宁锦州人, 博士, 从事海洋工程生态环境影响评价, E-mail:mliang@nmemc.org.cn
    通讯作者: 路波(1982-), 男, 江苏沛县人, 博士, 从事海洋地质研究工作, E-mail:blu@nmemc.org.cn
  • 国家海洋环境监测中心, 国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室, 辽宁 大连 116023
基金项目: 国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室开放基金(201817)

摘要: 对2013年秋季和2014年春季两季辽东湾西北部海域共26个采样站位7种重金属含量的分布特征进行了研究。结果表明:该海域表层沉积物中Hg、Zn和Cd含量的平均值均高于渤海工业化前沉积物重金属背景值。单因子污染指数和重金属地质累积指数评价结果显示,Cd属于"轻度"污染,Hg、Cu、Pb、Zn、As和Cr属于无污染程度。重金属潜在生态风险评价结果表明,研究区的综合潜在生态风险"较低"。单金属潜在危害系数程度较高的是Cd、Hg。表层沉积物中重金属和TOC相关性分析表明:TOC含量与重金属Hg、Cu、Cd、Cr和As含量具有一定的正相关性。进一步通过主成分分析表明该海域沉积物重金属有3个来源,即有机质降解;工业废水、城市排污及养殖自身污染;岩石的自然风化和侵蚀过程。本研究结果揭示了辽东湾西北部海域沉积物中重金属的分布特征,初步推断了重金属污染来源,可为辽东湾海洋生态环境保护、修复提供依据。

English Abstract

  • 重金属作为典型的累积性污染物,其难降解、毒性强、易于生物富集絮凝等特点,给海洋生态环境带来严重影响[1]。重金属污染的水平和状态是对海洋生态环境危害层次的直接反馈[2]。海洋沉积物作为重金属污染物的储存器,比水体稳定,研究海洋沉积物中的重金属空间分布特征和污染状况能间接反映海域的生态环境现状[3]。随着沉积环境的改变,经过长期累积的重金属会从沉积物中再次释放出来,进入水体,导致水体二次污染和海洋生态环境的再度恶化[4-5]。因此,重金属污染已经成为海洋生态环境污染评价的重要内容[6-8]

    研究海域位于辽东湾西北部海域,锦州市西南海滨,主要海洋环境保护目标为水质、沉积物和生态。近年来,随着该区域内的填海造陆、港口开发、工业区建设、养殖等一系列活动的进行,大量工业、养殖废水废物排放,大量重金属也随着污水的排放进入海域,水体中的重金属经过降解和沉降最终进入沉积物,导致该海域海洋生态环境受到较大污染[6, 9-11]。为了了解该海域的海洋生态环境恶化程度及重金属的污染来源,于2013年秋季和2014年春季对辽东湾西北部近岸海域表层沉积物进行了采样,并对沉积物重金属元素的含量进行测定与分析,对重金属污染程度及潜在生态风险进行了评价,对沉积物重金属主要污染因子的污染来源进行了探讨,旨为该海域重金属污染评价和海洋生态环境保护、恢复工作提供理论基础。

    • 2013年9月和2014年5月,在辽东湾西北部近岸海域布设了26个沉积物调查站位(见图 1),使用0.05 m2抓斗式采泥器进行表层沉积物取样。现场采集样品用聚乙烯袋和密封的磨口广口瓶装好后冷冻保存,运回实验室进行样品分析侧定。样品采集和贮存和运输按照《海洋监测规范》(GB17378.5-2007)第3部分:样品采集、贮存和运输[12]的方法执行。

      图  1  辽东湾西北部海域沉积物调查站位

      Figure 1.  Location map showing the sediment sample sites in the northwest of Liaodong Bay

    • 沉积物分析样品的制备、消化按《海洋监测规范》(GB 17378.5-2007)第5部分:沉积物分析的方法[13]执行。沉积物样品冷冻干燥后用玛瑙研钵碾碎后过筛(测定Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As样品过筛孔径为160目,测定TOC样品过筛孔径为80目),四分法缩分分取10~20 g制备好的样品,放入样品袋以备分析测定。

      沉积物样品的测定按《海洋监测规范》(GB 17378.5-2007)第5部分:沉积物分析的方法[13]执行。样品中Cu、Pb、Zn、Cd和Cr采用原子吸收分光光度法(AA800原子吸收分光光度计)测定;Hg采用热分解冷原子吸收光度法(PF6非色散原子荧光光度计)进行测定;利用日立650-60荧光仪对样品中的As含量进行测定;TOC含量采用重铬酸钾氧化—还原容量法测定,其原理为浓硫酸介质中加入一定量的标准重铬酸钾,在加热条件下将样品中有机碳氧化成二氧化碳,剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁标准溶液回滴,按重铬酸钾的消耗量,计算样品中有机碳的含量。

    • 单因子污染指数法计算公式为[14]

      式中:Ii为第i项因子的污染指数;Ci为第i项因子的实测浓度;Si为第i项因子的评价标准。

    • 德国学者Müller在1969年提出的地质累积指数法[15],是研究沉积物中重金属污染程度的定量指标[16],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[11]。其计算公式为:

      式中:Igeo为地质累积指数;为第i种重金属含量实测值(mg/kg);Cbi为重金属背景值(mg/kg);k为常系数(一般取k=1.5)。沉积物中重金属污染程度评价等级见表 1

      表 1  沉积物重金属污染程度划分

      Table 1.  Description of sediment quality of Igeo classification

    • 对重金属生态风险评价采用瑞典学者Häkanson于1980年提出的潜在生态风险指数法(PERI)[17],用于综合反映沉积物中重金属的毒性水平及其对生态环境的影响潜力[18]。其计算公式为:

      式中:Cfi为第i种重金属元素的污染系数;Eri为第i种重金属元素的潜在生态风险指数;Tri为毒性系数;Cdi为重金属含量的实测值(mg/kg);Cdi为重金属背景值(mg/kg);RI为重金属综合潜在生态风险指数。

      渤海湾工业化前背景值[19]和重金属元素的毒性响应参数选取见表 2[20],Häkanson潜在生态风险分级标准划分见表 3[8]

      表 2  沉积物中重金属的背景值和毒性系数

      Table 2.  Background reference values and toxicity coefficients of heavy metals in the sediments

      表 3  潜在生态风险分类表

      Table 3.  Risk grades indexes and grades of potential ecological risk of heavy metal pollution

    • 利用数理统计软件SPSS 15.0对沉积物重金属元素Hg、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和As含量和TOC含量进行皮尔森(Pearson)相关性分析和主成分分析[8],统计显著性水平P<0.05,极显著水平P<0.01。运用Surfer 9软件对采样站位地图和空间分布图进行绘制。

    • 表 4可知,2013年秋季和2014年春季辽东湾西北部海域表层沉积物中Hg、Zn和Cd含量的平均值均高于背景值,且秋季和春季相比变化不大;Cu、Pb、Cr和As的含量平均值均低于背景值,其中Pb、Cr和As的含量春、秋两季整体上相差不大,Cu的含量春季比秋季高。春、秋两季Hg的平均值是背景值的1.22倍,春季最高值位于21号站位(0.099 mg/kg),秋季最高值位于23号站位(0.102 mg/kg);Zn的平均值是背景值的1.12倍,春季、秋季最高值(106 mg/kg、108 mg/kg)均位于60号站位;Cd的平均值是背景值的2.13倍,春季最高值位于23号站位(0.504 mg/kg),秋季最高值位于21号站位(0.49 mg/kg)。

      表 4  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属含量统计表(mg/kg)

      Table 4.  Concentrations of heavy metals (mg/kg dry weight for all elements) in the sediment of coastal regions in the northwest of Liaodong Bay

      图 2可以看出,辽东湾西北部海域表层沉积物Hg含量春、秋季分布相似,呈现南高北低分布;Cu含量春、秋季呈现中部海域高、外侧海域低分布;Pb含量春、秋季均呈现锦州湾湾口向湾外海域逐渐升高趋势,且秋季在调查海域西南侧及西侧中部海域含量最高;Zn含量春秋季的分布不一致,其中春季呈现西南高、东北低的分布;Cr含量春秋季的分布不一致,其中春季呈现西高、东低分布,而秋季却呈现外侧海域低、中间海域高分布;As含量春季靠近锦州湾湾口海域先降低后升高趋势,然后在西北侧海域出现一个小幅度下降,最后往东侧海域升高并维持在此水平分布,秋季与春季有所不同,靠近湾内海域含量低,向湾外海域逐渐升高。研究区域北部大凌河、小凌河等河流陆源污染物入海、西侧锦州湾海域开发强度较大以及锦州港作业影响是造成近岸海域表层沉积物中重金属含量差异分布的主要影响因素。

      图  2  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属含量分布

      Figure 2.  Distribution of heavy metals content in surface sediments in the northwest of Liaodong Bay

    • 表 5可知,2013年秋季和2014年春季辽东湾西北部海域表层沉积物7种重金属平均含量均满足海洋沉积物质量一类标准。秋季单因子污染指数大小排序为:Cd>Zn>Hg>As>Cu>Cr>Pb;春季单因子污染指数大小排序为:Cd>Zn>Cu>Hg>Cr>As>Pb。

      表 5  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属单因子污染指数统计表

      Table 5.  Single factor pollution index of heavy metals in surface sediments in the northwest of Liaodong Bay

    • 表 6可知,辽东湾西北部海域表层沉积物重金属Hg、Cu、Pb、Zn和Cr Igeo值变化趋势为春季略高于秋季,且重金属Igeo值的平均值小于0,属于“无”污染;沉积物重金属Cd和As的Igeo值变化趋势为秋季高于春季,其中Cd元素Igeo值的平均值略高于0,但小于1,属于“轻度”污染,但个别站位春季23号站位、秋季21、39号站位Cd Igeo值超过1而小于2,达到“偏中度”污染。但As Igeo值平均值小于0,属于“无”污染。总体而言,辽东湾西北部海域表层沉积物7种重金属元素污染影响程度依次为:春季Cd>Cu>Pb>Cr>As>Hg>Zn,秋季Cd>Pb>As>Cu>Cr>Hg>Zn,春、秋季污染影响程度最高为Cd。

      表 6  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属地质累积指数评价结果

      Table 6.  The geo-accumulation index of heavy metals in surface sediments in the northwest of Liaodong Bay

      结合单因子污染指数和地质累积指数的分析结果得出,调查海域春秋季重金属Cd的单因子污染指数最高,Igeo值的平均值略高于0,但小于1,属于“轻度”污染;其他重金属元素单因子污染指数相对较低,Igeo值的平均值均小于0,属于“无”污染。

    • 表 7可知,Cd、Hg的潜在生态风险指数值大于40但小于80,生态风险等级已达到“中等”;Cu、Pb、Zn、Cr和As的潜在生态风险指数值小于40,生态风险等级为“较低”。7种重金属元素潜在生态危害影响依次为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Zn>Cr。综合潜在生态风险指数(RI,122.92)小于150,该海域重金属元素综合潜在生态风险等级“较低”,各站位RI值中Cd、Hg的贡献率最大,主要原因是表层沉积物中Cd、Hg的含量高于背景值,且Cd、Hg的污染程度较高,因此,对辽东湾西北部海域表层沉积物中的Cd、Hg应予以重视。孙钦帮等[11]研究得出辽东湾西部海域表层沉积物Cd的风险等级已经达到“中等”,近岸及河口站位的Cd风险等级“较高”;秦延文等[5]研究渤海湾海岸带开发对近岸沉积物重金属的影响,研究结果也表明Cd为渤海湾海域主要的污染元素,具有极强的迁移性与生态危害,应予重视。许艳等[21]研究表明渤海辽东湾沉积物重金属Hg、Cd超标严重,是辽东湾生态危害风险最大的重金属元素。本研究结果与其结果是一致的。

      表 7  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属潜在生态风险评价参数

      Table 7.  The parameters of potential ecological risk of heavy metals in surface sediments in the northwest of Liaodong Bay

      图 3可以看出,辽东湾西北部海域春秋季的综合潜在生态风险指数空间分布特征均呈现由东北部向西南逐渐升高的趋势。锦州湾湾口外海域表层沉积物生态风险指数相对较高,这可能是由于湾内与沿岸工业活动增多导致陆源污染排放的增加,也可能与近岸养殖自身污染排放有关。总体来看,该海域潜在生态风险指数相差不大。

      图  3  辽东湾西北部海域表层沉积物重金属RI指数分布

      Figure 3.  The distribution of potential ecological risk index of heavy metals in surface sedimentsin the northwest of Liaodong Bay

    • 通过对重金属元素含量之间的相关分析,可以初步判断重金属元素之间的同源性[22]。本次研究加入TOC组分,因为TOC代表沉积物中有机质的含量,有机质通过吸附、络合等作用对重金属有着较高的富集性,进而可以初步判断重金属污染分布,为后期重金属污染来源分析提供基础数据[23]

      表 8表 9可见,2013年秋季和2014年春季辽东湾西北部海域表层沉积物重金属Hg、Cd、Cr和As含量之间呈现显著地正相关性(P<0.05),且Hg和As含量呈现极显著的正相关性(P<0.01);2013年秋季重金属Zn与Cr呈现显著正相关性(P<0.05),2014年春季二者之间呈现正相关性,但差异不显著(P﹥0.05)。由此表明Hg、Cd、Zn、Cr和As具有同源性。2013年秋季和2014年春季两季TOC含量与Hg、Cu、Cd、Cr和As具有一定的正相关性,且与Hg和Cd呈现显著地正相关性(P<0.05)。这可能与海水中的重金属元素易与TOC表面吸附而发生螯合反应,进而生成金属有机络合物从水体中移出,并吸附于表层沉积物的颗粒中[24]有关。因此,TOC对研究区沉积物重金属Hg、Cu、Cd、Cr和As污染分布具有一定影响,尤其对于Cd和Hg影响显著。

      表 8  辽东湾西北部海域表层沉积物各重金属元素和TOC含量间的相关系数(2013年秋季)

      Table 8.  Pearson's correlation matrix for the heavy metals and TOC content of surface sediments in the northwest of Liaodong Bay (autumn 2013)

      表 9  辽东湾西北部海域表层沉积物各重金属元素和TOC含量间的相关系数(2014年春季)

      Table 9.  Pearson's correlation matrix for the heavy metals and TOC content of surface sediments in the northwest of Liaodong Bay (spring 2014)

    • 根据重金属元素之间及TOC与重金属元素的相关性分析结果,进一步对其进行主成分分析,判断研究区域重金属污染来源。李玉等研究指出,重金属既可能来源于岩石的自然风化和侵蚀,也可能来源许多分散的污染源如灰尘、降雨或水质交换过程,同时也可能来源于受污染的河流、居民生活废水和工农业污水排放口等[25]。本研究主成分分析结果见表 10表 11。通过主成分分析计算,春、秋季沉积物中7种污染物(7个变量)的全部信息可由3个主成分反映,其中秋季可解释变量的66.56%,春季可解释变量的60.04%,即这三个主成分能够反映全部数据的大部分信息。

      表 10  主成分分析的载荷和得分关系(2013年秋季)

      Table 10.  Total variance explained and rotated component matrix of principal components analysis (PCA) (autumn 2013)

      表 11  主成分分析的载荷和得分关系(2014年春季)

      Table 11.  Total variance explained and rotated component matrix of principal components analysis (PCA) (spring 2014)

      表 10可知,2013年秋季第一主成分的贡献率为32.401%,因子变量在Hg、Cd、Cu的浓度上有较高的正载荷,第一主成分在TOC上的载荷分别为0.616,在TOC上的较高载荷说明有机质作为金属离子结合物具有重要性。表 8显示,TOC含量与Hg、Cu、Cd具有一定的正相关性,由此推断有机质的降解而伴随的金属离子的释放是沉积物重金属元素的来源之一。从表 8可以看出第一主成分在Hg、Cd、Cu浓度的载荷情况,其中以Hg(0.821)和Cd(0.740)最高,且TOC含量与Hg和Cd呈现显著地正相关性(P<0.05),充分说明辽东湾西北部海域有机质是Hg和Cd在沉积物中的主要结合物,其含量和成分的变化是决定Hg和Cd分布的主要控制因子,第一主成分还部分支配着Cu的来源。第二主成分的贡献率为20.707,在Cr、Pb、Zn的浓度上有较高的正载荷,通过研究海域环境现状及文献记载,研究区域入海河流较多主要有大凌河、小凌河等,同时周边工业、养殖活动较丰富。根据公报显示,每年从陆地经河口进入海洋的物质约为210亿t,含有大约50%的一些重金属(Cr、Pb、Zn等)随污水排放入海,并通过悬浮物形式沉降到沉积物中[18]。许艳等[21]也提出了由于渤海三面环陆导致水动力交换较弱的特点,加上大量工业废水排放对沉积物重金属影响较大,其中辽东湾沉积物重金属污染较为严重。从Cr、Pb、Zn对第二主成分的贡献可以理解第二主成分所代表的实际意义,即反映工业废水、城市排污及养殖自身污染对海洋沉积物的污染影响。第三主成分的主要特征在As的浓度上有着较高的载荷,为0.749,As是海洋沉积物的主要成分,所以第三主成分主要表征了地球化学成分的变化对沉积物中污染物的影响,即沉积物中As的来源主要受此主成分的支配,因此,第三主成分实际代表着岩石的自然风化和侵蚀、自然的灰尘、降雨或水质交换过程等天然来源。

      表 11可知,2014年春季第一主成分的贡献率为30.459%,因子变量在Hg、Cd、Zn、Cr的浓度上有较高的正载荷,第一主成分在TOC上的载荷分别为0.559;同时表 9显示,TOC含量与Hg、Cu、Cd、Cr和As具有一定的正相关性,且与Hg和Cd呈现显著地正相关性(P<0.05)。由此说明春季和秋季的第一主成分表征的重金属污染来源一致,均为有机质的降解而伴随着金属离子的释放,且春季第一主成分也主要支配着Hg、Cd,部分支配着Zn、Cr的来源。第二主成分的贡献率为15.684,在Cu、Pb的浓度上有较高的正载荷,说明春季工业废水、城市排污及养殖自身污染是海洋沉积物重金属Cu、Pb的主要来源。春季,因子As在第三主成分中占有较高的负载,其来源与秋季分析结果一致。

      综上所述,辽东湾西北部海域沉积物重金属有3个来源,即有机质降解;工业废水、城市排污及养殖自身污染;岩石的自然风化和侵蚀过程。其中,重金属Hg、Cd主要来源于有机质降解,Pb主要来源于工业废水、城市排污及养殖自身污染,As主要来源于岩石的自然风化和侵蚀等自然来源。另外,重金属因子Cr、Cu和Zn在研究海域既受到工业废水、城市排污及养殖自身污染,又受到有机质的降解影响。

    • (1) 2013年秋季和2014年春季辽东湾西北部海域表层沉积物中Hg、Zn和Cd含量的平均值均高于背景值,Cu、Pb、Cr和As的含量平均值均低于背景值;Hg、Cu、Pb、Zn、As和Cr属于“无污染”,Cd属于“轻度”污染,个别区域存在Cd元素偏“中度”污染;Cd、Hg的潜在生态风险等级达到“中等”;Cu、Pb、Zn、Cr和As的潜在生态风险等级为“较低”,综合潜在生态风险等级“较低”。因此,从重金属污染程度和潜在生态风险综合分析得出,辽东湾西北部海域主要污染因子为Cd和Hg。

      (2) 通过相关性分析和主成分分析表明,辽东湾西北部海域表层沉积物重金属Hg、Cd、Zn、Cr和As具有同源性,该海域沉积物重金属有3个来源,即有机质降解;工业废水、城市排污及养殖自身污染;岩石的自然风化和侵蚀过程。重金属Hg、Cd主要来源于有机质降解,Pb主要来源于工业废水、城市排污及养殖自身污染,As主要来源于岩石的自然风化和侵蚀等自然来源。另外,重金属因子Cr、Cu和Zn在研究海域既受到工业废水、城市排污及养殖自身污染,又受到有机质的降解影响。

参考文献 (25)

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