威海灣沉積物重金屬含量分布及其潛在生態(tài)危害評價

楊立平, 張學超, 李曉敏, 聶新華

(1. 威海市海洋環(huán)境監(jiān)測中心, 山東 威海 264209; 2. 東莞市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站, 廣東 東莞 523939)

威海灣沉積物重金屬含量分布及其潛在生態(tài)危害評價

楊立平1,2, 張學超1, 李曉敏1, 聶新華1

(1. 威海市海洋環(huán)境監(jiān)測中心, 山東 威海 264209; 2. 東莞市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站, 廣東 東莞 523939)

對威海灣表層沉積物中重金屬(Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, As)的含量分布及富集狀況進行了調查分析,并采用Hakanson的潛在生態(tài)危害指數法評價了該灣沉積物中重金屬污染的程度及其潛在的生態(tài)危害。結果表明, 威海灣表層沉積物中Cu, Zn, Pb, Hg 4種重金屬的含量分布特征表現為由西北向東南遞減的趨勢; Cd在灣西部含量較高, 呈由西向東遞減的趨勢; As整體分布較均勻, 在灣內近岸處較高, 灣口處較低。潛在生態(tài)危害評價結果表明, 威海灣表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害輕微; 污染程度順序為Cd＞As＞Hg＞Pb＞Cu＞Zn; 對威海灣生態(tài)環(huán)境具有潛在影響的重金屬主要是Cd。

沉積物; 重金屬; 潛在生態(tài)危害; 威海灣

近海沉積物中重金屬的污染來源主要是大氣沉降、地表徑流和近海排污三個方面。在受納水體中,重金屬污染物不易降解, 能迅速由水相轉入固相(懸浮物和沉積物), 而結合了重金屬的懸浮物在水體搬運過程中, 當其負荷量超過搬運能力時, 便最終進入沉積物中蓄積, 使沉積物成為重金屬等化學物質的主要存儲庫。沉積物中長期累積的重金屬成為對水質具有潛在影響的次生污染源, 在一定條件下,沉積物中長期累積的重金屬釋放到水體中, 造成重金屬二次污染。由于沉積物既是重金屬污染物的宿體, 又是水體中重金屬污染物的來源, 而與水體相比, 沉積物中重金屬具有豐度高、易于準確檢測等特點, 因此, 沉積物在重金屬污染評價中具有重要意義[1]。

威海灣位于山東半島北岸, 威海市區(qū)東部, 介于 37°26′～37°32′N, 122°07′～ 122°14′E 之間。威海灣為一耳型海灣, 南北長, 東西窄, 東南—西北長約 9 km, 東西最寬處約7 km, 東面為灣口, 北、西、南三面被陸地環(huán)繞, 灣口被劉公島一分為二, 北口寬約 2 km, 南口約4 km。由于劉公島的良好掩護作用, 威海灣北部早已成為集港口、旅游觀光、商貿、臨海工業(yè)為一體的綜合性區(qū)域。同時, 威海灣又是重要的增養(yǎng)殖區(qū)。程波[2]對威海灣沉積物地球化學特征 (包括Cu, Zn, Pb, Cd)進行了研究, 但關于威海灣沉積物中重金屬的研究及其生態(tài)危害的評價尚未見報道。本研究以威海灣表層沉積物為研究對象, 采用瑞典科學家Hakanson的潛在生態(tài)風險指數法, 對沉積物中的Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, As的含量分布規(guī)律及其污染特征進行了研究, 以期了解威海灣沉積環(huán)境中重金屬的污染現狀, 為威海灣的生態(tài)環(huán)境保護、水產養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

2008年1月在威海灣布設14個站位采集表層沉積物樣品(圖 1)。表層沉積物用抓斗式采泥器采集,取表層0～5 cm泥樣封存于雙層聚乙烯袋內, 置于裝有冰塊的泡沫箱中, 帶回實驗室后冷凍保存。在實驗室中將樣品解凍混勻后,于60℃烘箱內烘48 h, 用瑪瑙研缽研碎后過80目篩, 封存于雙層聚乙烯袋中置于干燥器中備用。Cu, Zn, Pb, Cd采用火焰原子吸收分光光度法, As, Hg采用原子熒光法, 具體操作參照《海洋監(jiān)測規(guī)范 第5部分： 沉積物分析》[3]。

1.2 評價方法

評價沉積物中重金屬污染的方法很多[4], 目前常用的方法主要有地質累積指數法、污染負荷指數法、潛在生態(tài)危害指數法等[5]。而重金屬潛在生態(tài)風險指數體現了生物有效性和相對貢獻比例及地理空間差異等特點, 綜合反映了重金屬對生態(tài)環(huán)境影響的指標, 廣泛地應用于沉積物重金屬的潛在生態(tài)影響評價[6～10]。

圖1 威海灣沉積物重金屬采樣站位Fig. 1 Sampling sites for sediments of the Weihai Bay

采用瑞典科學家Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(RI)法進行評價。根據這一方法, 某一區(qū)域沉積物中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數()及沉積物中多種重金屬的潛在危害指數(RI)可分別表示為：

式中：Cif為單個重金屬污染系數(=/);為表層沉積物重金屬i濃度的實測值,為計算所用的背景值, 采用工業(yè)化以前沉積物中重金屬的背景值(表 1)[7];為重金屬i的毒性系數, 它主要反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度, 揭示了重金屬對人體的危害和對水生生態(tài)系統的危害。Hakanson的模型中金屬的主要危害途徑是水-沉積物-生物-魚-人體, 他提出的金屬元素的毒性水平順序為 Hg＞Cd＞As＞Pb=Cu＞ Zn。對毒性系數作規(guī)范化處理后,定值見表1。

潛在生態(tài)危害系數()、潛在生態(tài)危害指數(RI)與污染程度的關系見表2。

表1 重金屬的背景值()和毒性系數()Tab. 1 Reference values () and toxicity coefficients() of heavy metals

表1 重金屬的背景值()和毒性系數()Tab. 1 Reference values () and toxicity coefficients() of heavy metals

參數 Cu Zn Pb Cd Hg As C(×10-6) 30 80 25 0.50 0.25 15 in T 5 1 5 30 40 10 ir

表2 , RI與污染程度的關系Tab. 2 Relationship between , RI and pollution level

表2 , RI與污染程度的關系Tab. 2 Relationship between , RI and pollution level

生態(tài)危害系數 Ei 和綜合指數RI 污染程度r E＜40 , RI＜150 輕微的生態(tài)危害ir 40≤ iE＜80 , 150≤RI＜300 中等的生態(tài)危害80≤ i r r E＜160, 300≤RI＜600 強的生態(tài)危害160≤ i r E＜320, RI≥600 很強的生態(tài)危害E≥320 極強的生態(tài)危害ir

2 結果與討論

2.1 沉積物中重金屬含量分布

威海灣表層沉積物中重金屬的含量范圍見表3。從表 3可以看出, Cu的含量為(13.2～40.4)×10-6, Zn的 含 量 為 (23.7～107.6)×10-6, Pb 的 含 量 為 (13.1～35.4)×10-6, Cd 的含量為(0.21～0.49)×10-6, Hg的含量為(0.015～0.077)×10-6, As的含量為(7.1～17.6)×10-6。

威海灣表層沉積物中重金屬的含量分布情況見圖2。Cu, Zn, Pb, Hg 4種重金屬的分布特征較為相似,總體特征是灣西北角含量最高, 水平梯度較大, 等值線較為密集, 灣口和南部較低, 南口最低, 并分別呈由西北向東南遞減的趨勢; Cd在灣西部含量較高, 最高值出現在灣的西南部, 水平梯度較大, 向東逐漸降低, 在兩個灣口附近分布較為均勻, 總體呈由西向東遞減的趨勢; As的整體分布相對來說較為均勻, 僅在灣的西北部和南部出現 2個＞15×10-6的高值區(qū), 總體分布特征為灣內近岸處含量較高, 灣口處較低。

表3 威海灣表層重金屬含量Tab. 3 The ranges of heavy metal contents in the surface sediments of the Weihai Bay

2.2 潛在生態(tài)危害評價

威海灣表層沉積物的單項潛在生態(tài)危害系數和綜合指數的評價結果見表4。

圖2 威海灣重金屬含量平面分布(單位： ×10-6)Fig. 2 Horizontal distributions of heavy metals in the surface sediment of the Weihai Bay(unit： ×10-6)

表4 威海灣沉積物中重金屬的單項潛在生態(tài)危害系數()和綜合指數(RI)Tab. 4 Potential ecological risk factors ( ) and risk indices (RI) of heavy metals in the surface sediments of the Weihai Bay

表4 威海灣沉積物中重金屬的單項潛在生態(tài)危害系數()和綜合指數(RI)Tab. 4 Potential ecological risk factors ( ) and risk indices (RI) of heavy metals in the surface sediments of the Weihai Bay

站位Eir Cu Pb Zn Cd Hg As RI 1 7.07 7.08 1.35 20.40 12.32 9.53 57.75 2 3.72 2.62 0.78 14.40 5.10 8.40 35.02 3 6.58 4.84 1.15 15.60 10.27 10.47 48.91 4 3.92 3.82 0.84 12.60 5.28 6.47 32.93 5 4.62 4.26 0.57 17.40 6.98 9.73 43.56 6 2.98 3.40 0.44 13.80 4.16 7.60 32.39 7 5.20 4.84 0.67 24.60 8.64 8.93 52.88 8 2.62 3.50 0.49 13.20 5.76 8.60 34.16 9 2.20 3.22 0.30 13.80 2.72 9.27 31.50 10 4.97 5.90 1.12 29.40 9.12 11.73 62.24 11 4.23 3.92 0.61 17.40 6.56 9.60 42.32 12 3.58 4.56 0.38 15.00 6.24 11.20 40.96 13 2.85 4.54 0.39 12.60 4.00 10.67 35.05 14 2.45 4.94 0.54 13.20 6.72 4.73 32.58平均 4.07 4.39 0.69 16.67 6.71 9.07 41.59

從表4中可以看出, Cd的值大于其他重金屬的值, 順序由大到小依次為Cd, As, Hg, Pb, Cu,Zn, 其中As的值比Cd小, 約是Cd的1/2, Hg的值約是Cd的1/2.5, Pb、Cu的值約是Cd的1/4,Zn的值約是Cd的1/24, 表明Cd對值的影響最大。6 種重金屬的值最大出現在 10號站, 為29.40, 各站的值均小于其輕微生態(tài)危害的劃分標準值, 表明威海灣表層沉積物重金屬潛在生態(tài)危害輕微。由多個重金屬的潛在生態(tài)危害指數看, 各站的RI值均小于150, 屬于輕微的生態(tài)危害。

從上述分析分析結果可知, 無論從單種重金屬的潛在生態(tài)危害系數()來評價, 還是從多個重金屬的綜合指數(RI)來評價, 威海灣表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害輕微, 重金屬污染程度的順序為 Cd＞As＞Hg＞Pb＞Cu＞Zn, 對威海灣生態(tài)環(huán)境具有潛在影響的重金屬主要是Cd。

3 結論

(1) 威海灣表層沉積物中重金屬的分布特征表現為： Cu, Zn, Pb, Hg 4種重金屬的分布特征表現為由西北向東南遞減的趨勢; Cd在灣西部含量較高,向東逐漸降低, 在兩個灣口附近分布較為均勻; As整體分布較均勻, 在灣內近岸處較高, 灣口處較低。表明陸源污染是威海灣重金屬的主要來源。陸源排污對威海灣沉積物中重金屬的影響規(guī)律應進一步探討。

(2) 根據單項潛在生態(tài)危害系數, 表層沉積物中重金屬的污染程度大小順序依次為 Cd＞As＞Hg＞Pb＞Cu＞Zn。

(3) 單項潛在生態(tài)危害系數和綜合指數的評價結果表明, 威海灣表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害輕微, 對威海灣生態(tài)環(huán)境具有潛在影響的重金屬元素主要是Cd。

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Distribution features and evaluation on potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of Weihai Bay

YANG Li-ping1,2, ZHANG Xue-chao1, LI Xiao-min1, NIE Xin-hua1
(1. Weihai Marine Environment Monitoring Center, Weihai 264209, China; 2. Dongguan Marine and Fishery Environment Monitoring Station, Dongguan 523939, China)

Sep., 11, 2009

sediments; heavy metals; potential ecological risk; the Weihai Bay

This paper reported the distributions and enrichment of heavy metals (Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, As[CY1]) in the surface sediments of the Weihai Bay. In addition, the method of potential ecological risk index devised by Lars Hakanson was used to assess the ecological risks of these elements. The results showed that the contents of Cu, Zn,Pb, and Hg gradually decreased from the northwest to the southeast; Cd appeared higher in the west of the Bay and decreased from the west to the east; and As distributed uniformly, and appeared higher at nearshore of the inner bay but lower at the bay mouth. The risk levels for these heavy elements in this area were light. The pollution degree of these heavy elements in the surface sediments of the Weihai Bay was in the order of Cd＞As＞Hg＞Pb＞Cu＞Zn, with Cd being the potential impact element for the ecological environment of the Weihai Bay.

X55

A

1000-3096(2010)06-0039-05

2009-09-11;

2009-12-10

楊立平(1978-), 男, 工程師, 主要從事海洋與漁業(yè)環(huán)境科學調查研究, E-mail： ylp@dg.cn, 電話： 13600280622; 通信作者, 張學超(1970-), 男, 高級工程師。E-mail：whzxc@126.com, 電話： 13573713606

(本文編輯： 張培新)