海南島近岸海域表層沉積物中重金屬元素含量狀況及生態(tài)風(fēng)險分析

夏 南，薛桂澄，傅楊榮，楊 奕，柳長柱，馬榮林

(1.海南省地質(zhì)調(diào)查院，海南?？?570206;2.中國地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074)

海南島近岸海域表層沉積物中重金屬元素含量狀況及生態(tài)風(fēng)險分析

夏 南1，2，薛桂澄1，傅楊榮1，2，楊 奕1，柳長柱1，馬榮林1

(1.海南省地質(zhì)調(diào)查院，海南海口 570206;2.中國地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074)

利用ICP/AES和冷原子吸收測汞儀等儀器對海南島近岸海域表層沉積物中七種重金屬元素進行測試，結(jié)果表明，樣品中重金屬元素均有不同程度的檢出，該地區(qū)重金屬元素分布較為分散，體現(xiàn)了不同海域重金屬元素的輸入輸出差距;用Hakanson法評價表明，除受人類活動明顯的較大港灣外，海南島近岸海域表層沉積物中重金屬元素富集系數(shù)較小，危害程度為輕微污染，總體表明海南島近岸海域表層沉積物中重金屬元素生態(tài)風(fēng)險處于中低水平。

海南島;近岸海域;重金屬;生態(tài)風(fēng)險

0 引言

重金屬(包括非金屬元素砷)在海洋中的積累不僅影響水生動植物的生長和繁殖，而且可以沿著食物鏈逐級遷移和富集，威脅人類健康和發(fā)展。世界上典型的重金屬中毒事件有甲基汞引起的“水俁病”和鎘引起的“骨痛病”等。沉積物也是水生生物特別是底棲動物重金屬攝入的重要來源。水體、沉積物與生物體中重金屬相互影響、相互轉(zhuǎn)化。重金屬元素環(huán)境污染一直以來都是國內(nèi)外環(huán)境化學(xué)研究的熱點［1，2］。

海南島是一個四周瀕臨海洋的海島，含有豐富的各類資源。有關(guān)其環(huán)島近岸海域沉積物中重金屬元素的系統(tǒng)研究至今未見報道［3－5］。本文立足于此，利用海南省地質(zhì)調(diào)查院承擔(dān)的省部合作項目《海南島生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查》的數(shù)據(jù)，對近岸海域表層沉積物中重金屬元素的含量及其潛在生態(tài)風(fēng)險進行研究，為海南國際旅游島的建設(shè)提供基礎(chǔ)的環(huán)境地球化學(xué)資料。

1 樣品采集與測試

1.1 樣品采集

2006年6月利用工程調(diào)查船于海南島環(huán)島進行近岸海域表層沉積物樣品采集，采樣工具為不銹鋼圓弧抓斗，配重50 kg，采樣容量0.02 m3。導(dǎo)航定位采用GPS72型手持式導(dǎo)航儀，共采集140件近岸海域表層沉積物樣品。

在樣品采集過程中，除去粗大雜物、礫石、貝殼等雜質(zhì);樣品采集后，經(jīng)過風(fēng)干、研磨、過篩(100目)、混勻后置于棕色玻璃瓶中，采樣器及玻璃瓶均用硝酸溶液浸泡，在冰箱內(nèi)(4℃)保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 樣品分析測試

稱取0.120 0 ～0.130 0 g樣品，置于30 mL 聚四氟乙烯(PTFE)燒杯中，加少量水潤濕，加入5 mL鹽酸，蓋上PTFE蓋，中溫加熱30 min左右，加入2.5 mL硝酸，繼續(xù)微沸加熱至硝酸分解完畢，加入7 mL氫氟酸，0.5 mL高氯酸，蓋好并加熱，待溶液基本澄清后加至高溫，使高氯酸完全揮發(fā)。冷卻后加入約1.7 mL鹽酸和少許水，再加熱至全溶后，定容至25 mL，用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP－AES)測定Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As等元素的質(zhì)量濃度。稱取樣品 0.500 0 g，加入2.5 mL濃硫酸和25 mL2.5%的高錳酸鉀溶液，60～70℃條件下加熱1 h，冷卻后用10%鹽酸羥胺溶液脫色，定容至50 mL，用冷原子吸收測汞儀測定重金屬Hg的質(zhì)量濃度。兩個測試過程都進行了重復(fù)樣和標(biāo)樣分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物中重金屬元素含量狀況

將測試結(jié)果進行統(tǒng)計，海南島近岸海域表層沉積物中七種重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn)的空間分布不均勻(見表1)，其中，Hg、Pb、Zn、Cu 空間分布上較為一致，As、Cr和Cd的分布與其他重金屬元素各有不同。Hg、Pb、Cu、Zn的高含量區(qū)分布于北部海域，低值則分布于東北部和東南部海域;As的高含量區(qū)主要分布于西南近岸海域的較大港灣;Cd的高含量區(qū)主要分布于北部和東部近岸海域;Cr的高含量區(qū)分布于海南島北部和部分東部近岸海域。重金屬的分布不僅與沉積物的來源、沉積物的類型有關(guān)，人類活動對重金屬元素的分布有一定影響。海南島近岸海域沉積物中重金屬元素含量高值集中在較大海灣如?？跒?、鋪前灣、小海、八所灣等處，標(biāo)志著人類活動對近岸海域介質(zhì)環(huán)境中重金屬的輸入。

表1 海南島近岸海域表層沉積物中重金屬元素含量(mg/kg)Table.1 Concentration of heavy metals in surface sediment in Hainan Island’s Inshore

與國內(nèi)外海灣相比較(見表2)，海南島近岸海域沉積物中As的含量低于廣東大亞灣，高于廣西近岸海域沉積物中含量值;Cd、Hg和 Cu的含量低于美國Nangansett灣、加拿大James灣、廣西近岸海域和廣東大亞灣沉積物中含量值;Cr的含量低于美國Nangansett灣和廣東大亞灣，高于加拿大James灣和廣西近岸海域沉積物中含量值;Pb的含量高于廣西近岸海域沉積物中的含量值，低于美國Nangansett灣、加拿大James灣和廣東大亞灣沉積物中含量值;Zn的含量低于美國Nangansett灣、加拿大James灣和廣東大亞灣沉積物中含量值。總體來說，海南島近岸海域沉積物中重金屬元素含量在國內(nèi)外處于較低含量水平。

表2 國內(nèi)外海域沉積物中重金屬元素含量對比(單位：mg/kg)Table.2 Comparison of heavy metals in surface sediment from different areas

2.2 表層沉積物中重金屬元素潛在生態(tài)危害評價

本文選用Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行評價［11］，該方法代表了國際上有關(guān)沉積物重金屬研究的先進方法，它不僅反映了某一特定環(huán)境中的各種污染物的影響，而且也反映了多種污染物的綜合影響，并且用定量的方法劃分出潛在生態(tài)危害的程度。根據(jù)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(shù)Er及沉積物中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI可分別表示為：

其中Cf為重金屬的富集系數(shù)(Cf=Cs/Cn);Cs為表層沉積物重金屬i濃度的實測值;Cn為計算所需的參照值，參照值采用工業(yè)化以前的沉積物中重金屬的背景值，本文采用海南島近岸海域深層沉積物中重金屬的含量值(見表3);Tr為重金屬i的毒性系數(shù)，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。Hakanson主要從“元素豐度原則”和“元素釋放度”角度考慮并處理此問題。同時根據(jù)Er和RI值的范圍定義了重金屬四個級別的生態(tài)危害程度。表3和表4分別給出了有關(guān)重金屬的毒性系數(shù)及生態(tài)危害程度的劃分標(biāo)準。

表3 沉積物中相關(guān)重金屬的參照值和毒性系數(shù)［11］Table.3 Reference values and toxic coefficient of heavy metals in surface sediments

表4 沉積物相關(guān)重金屬生態(tài)危害程度劃分標(biāo)準［11］Table.4 The standard of ecology risk of heavy metals in sediments

根據(jù)Hakanson評價公式計算結(jié)果，海南島近岸海域表層沉積物中七種重金屬元素的富集系數(shù)大部分＜1(見表5);個別較大港灣沉積物中重金屬富集系數(shù)超過了1，表明海南島近岸海域表層沉積物中重金屬元素富集能力總體較弱，但局部海域已受到工業(yè)化進程的影響，出現(xiàn)重金屬元素富集較強的現(xiàn)象，也顯示出沉積物中重金屬的輸入大于輸出。七種重金屬的富集系數(shù)均值大小順序為：As＞Hg＞Pb＞Cd＞Cu＞Zn＞Cr，其中Pb富集是工業(yè)化進程交通運輸業(yè)發(fā)展迅速的明顯標(biāo)志，主要受交通污染后大氣沉降和陸源水體的輸入。

表5 海南島近岸海域表層沉積物中重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)Table.5 Coefficient of ecology risk for heavy metals in surface sediments of Hainan island’s inshore

從潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害程度上看，海南島近岸海域表層沉積物中重金屬RI范圍和均值以及潛在生態(tài)危害系數(shù)均較小，七種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)順序為Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cr＞Cu＞Zn。綜合 Er和RI值的范圍標(biāo)準，海南島近岸海域表層沉積物中重金屬元素危害程度屬于輕微污染。但部分點位Hg、Cd已屬于強和中等污染。這些污染的點位處于較大港灣處，標(biāo)志著頻繁人類活動對周圍海域沉積物影響程度已達到不可忽視的水平。通過分析和評價表明，海南島近岸海域沉積物中重金屬元素含量狀況處于中低生態(tài)風(fēng)險水平。

海南國際旅游島建設(shè)對近岸海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提出了高要求，表層沉積物是近岸海域生態(tài)環(huán)境的重要組成介質(zhì)，也是指示環(huán)境質(zhì)量主要指標(biāo)之一。根據(jù)評價結(jié)果分析，海南島近岸海域表層沉積物中重金屬總體處于較低的生態(tài)風(fēng)險水平，不會對近岸的生態(tài)環(huán)境造成影響，但局部海域也對頻繁的人類活動發(fā)出了警告，過度開發(fā)和破壞海洋資源，將會對近岸海域生態(tài)環(huán)境造成威脅，進而威脅到人類自身。

3 結(jié)論

(1)海南島近岸海域沉積物中七種重金屬元素分布較為分散，其中在個別港灣表層沉積物出現(xiàn)元素含量較高值;與國內(nèi)外一些港灣沉積物中重金屬元素含量相比，海南島近岸海域沉積物中重金屬元素含量總體處于較低水平狀況。

(2)海南島近岸海域表層沉積物中重金屬富集能力總體較弱，局部海域由于受人類活動影響較大，沉積物中重金屬的含量出現(xiàn)較強富集。七種重金屬元素富集系數(shù)均值大小順序為：As＞Hg＞Pb＞Cd＞Cu＞Zn＞Cr。

(3)根據(jù)單個重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)和多個重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)所得到的評價結(jié)果表明：海南島近岸海域表層沉積物重金屬潛在生態(tài)危害程度為輕微，處于較低的生態(tài)風(fēng)險水平，個別較大港灣處出現(xiàn)強和中等污染水平;污染程度順序為Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cr＞Cu＞Zn。

(4)海南島近岸海域沉積物中重金屬總體上不會對近岸海域生態(tài)環(huán)境造成影響，有利于國際旅游島的建設(shè)。

［1］Wang W X，Stupakoff I，F(xiàn)isher N S.Bioavailability of dissolved and sediment－ bound metals to a marine deposit feeding polychaete［J］.Marine Ecology Progress Series，1999，178：281 －293.

［2］徐曉白.化學(xué)(物質(zhì))污染與可持續(xù)發(fā)展［J］.中國科學(xué)院院刊，1996(5)：361 －364.

［3］張宇峰，武正華，王寧，等.海南南岸港灣海水和沉積物重金屬污染研究［J］.南京大學(xué)學(xué)報，2002，39(1)：81 －90.

［4］甘居利，賈曉平，李純厚，等.南海北部陸架區(qū)表層沉積物中重金屬分布和污染狀況［J］.熱帶海洋學(xué)報，2003，22(1)：36 －42.

［5］陳志強，張海生，劉小涯.三亞灣和榆林灣海水溶解態(tài)Cu、Pb、Zn、Cd、Cr的分布［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，1999，18(2)：31 －37.

［6］Goldberg E D，Gamble E，Griffin J Jetal.Pollution history of Narragansett Bay asrecorded in its sediments［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，1977，5：549 －561.

［7］Glooschenko W A， Capocianco J， Coburn Jetal.Geochemical distribution of trace metals and organochlorine contaminants of a Lake Ontario shore line marsh［J］.Water，Air and Soil Pollution，1981，15：197 －213.

［8］徐恒振，周傳光，馬永安，等.中國近海近岸海域沉積物環(huán)境質(zhì)量［J］.交通環(huán)保，2000，21(3)：16－18.

［9］廉雪瓊.廣西近岸海域沉積物中重金屬污染評價［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2002，21(3)：39 －42.

［10］丘耀文，顏文，王肇鼎，等.大亞灣海水、沉積物和生物體中重金屬分布及其生態(tài)危害［J］.熱帶海洋學(xué)報，2005，24(5)：69－76.

［11］Hakanson L..An ecological risk index for aquatic pollution control：a sediment to logical approach［J］.Water Res，1980，14(8)：975 －1 001.

Analysis of Ecological Risk and the Content Situation of Heavy Metals in Surface Sediments of Hainan Island’s Inshore

XIA Nan1，2，XUE Guicheng1，F(xiàn)U Yangrong1，2，YANG Yi1，LIU Changzhu1，MA Ronglin1
(1.Hainan Geological Survey，Haikou，Hainan570206;2.China University of Geosciences，Wuhan，Hubei430081)

The seven kinds of heavy metals in surface sediments of Hainan Island＇s Inshore are analyzed by ICP/AES and cold atomic absorption mercury meter.The heavy metals have been detected with different extent，the dispersion distribution of heavy metals mean different input and output in different bay of this seas.Hakanson law appraisal shows that the coefficient of heavy metals enrichment is very small and the harm degree is the slight pollution in surface sediments of Hainan Island＇s Inshore except some large bays，where Human activity is frequent.The overall indicates that ecology risk of the heavy metals are in the lower level.

Hainan Island;inshore;heavy metals;ecology risk

P736.4+1

A

1671－1211(2011)03－0244－04

2011－03－21;改回日期：2011－03－30

國土資源部、海南省政府合作項目“海南島生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查”(200414200010)。

夏南 (1984－)，男，工程師，在讀研究生，水文與水資源工程專業(yè)，從事水工環(huán)地質(zhì)、環(huán)境地球化學(xué)方面的工作。E－mail：nmgxianan@163.com

于繼紅)