九龍江河口沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

林 彩 , 林 輝, 陳金民 陳維芬 林力斌 暨衛(wèi)東

(1. 國(guó)家海洋局 第三海洋研究所, 福建 廈門(mén) 361005; 2. 廈門(mén)大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院, 福建 廈門(mén) 361005)

九龍江河口沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

林 彩1,2, 林 輝1,2, 陳金民1, 陳維芬1, 林力斌1, 暨衛(wèi)東1

(1. 國(guó)家海洋局 第三海洋研究所, 福建 廈門(mén) 361005; 2. 廈門(mén)大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院, 福建 廈門(mén) 361005)

選擇九龍江河口水域的沉積物為對(duì)象, 以地質(zhì)累計(jì)指數(shù)法、生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)該水域沉積物重金屬的污染程度及潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià), 并利用主成分分析法分析其可能的來(lái)源。地質(zhì)累積指數(shù)結(jié)果表明, 九龍江河口水域沉積物中Zn、Cr均屬無(wú)污染, 大部分站位的Cu、Pb、Hg、As為無(wú)污染或輕度污染, 大部分站位的Cd則為輕度或中度污染; 生態(tài)危害指數(shù)結(jié)果表明, 九龍江河口水域沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害順序?yàn)?Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn; 總體上九龍江河口水域的沉積物重金屬污染屬于中等生態(tài)危害; 該水域重金屬可能來(lái)源于有機(jī)質(zhì)的降解以及工業(yè)排污和生活污水對(duì)沉積物的污染,其中前者為主要的可能來(lái)源。

九龍江河口水域; 沉積物; 重金屬; 污染評(píng)價(jià); 污染來(lái)源

九龍江是福建省僅次于閩江的第二大河流, 流域面積達(dá)14 741 km2, 流經(jīng)龍巖、漳州、廈門(mén)等13個(gè)市縣, 不僅是龍巖、漳州、廈門(mén)三市的飲用水源,也是重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水源, 是支撐福建省閩西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)性資源, 其水環(huán)境安全對(duì)于福建省乃至海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的影響重大。然而, 近年來(lái)隨著沿江城區(qū)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展, 該流域的水質(zhì)污染、生態(tài)破壞等日漸突出。而海洋沉積物作為持久污染物的存儲(chǔ)器, 其質(zhì)量狀況是評(píng)價(jià)水環(huán)境健康與否的一個(gè)重要指標(biāo)。沉積物中不斷積累的有毒物質(zhì)和不斷增加的有機(jī)質(zhì)最終會(huì)被交換到水環(huán)境和底棲生物活動(dòng)區(qū), 并進(jìn)入食物鏈, 對(duì)水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和人體健康都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。眾多污染物當(dāng)中, 重金屬由于其毒性和持久性而成為影響沉積物質(zhì)量較嚴(yán)重的一類。因此, 九龍江河口水域沉積物的環(huán)境質(zhì)量如何, 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性怎么樣, 將直接關(guān)系該流域的生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展。

本研究以九龍江為例, 對(duì)九龍江河口水域沉積物的環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性以及可能的來(lái)源進(jìn)行初步探討, 為改善和恢復(fù)該水域的生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 站點(diǎn)布設(shè)

本次調(diào)查于2009年5月21日進(jìn)行, 布設(shè)的表層沉積物監(jiān)測(cè)站如圖 1所示。樣品的采集見(jiàn)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第 5部分——沉積物分析》(GB17378.5-2007)[1]。

1.2 分析項(xiàng)目

所采集的表層沉積物進(jìn)行有機(jī)碳、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As共8個(gè)參數(shù)的測(cè)定, 沉積物的消解及測(cè)定方法見(jiàn)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第5部分——沉積物分析》(GB17378.5-2007)。有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-還原容量法; Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法;Pb、Cd、Cr采用無(wú)火焰原子吸收分光光度法; Hg、As采用原子熒光法。

測(cè)定過(guò)程中同時(shí)測(cè)定國(guó)家近海沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07314), 以檢驗(yàn)準(zhǔn)確度, 分析結(jié)果符合要求。分析過(guò)程隨機(jī)地測(cè)定試劑空白和平行樣品,結(jié)果表明分析過(guò)程沒(méi)有受到污染, 平行樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均<10%。

2 結(jié)果與討論

2.1 九龍江河口水域表層沉積物重金屬的分布規(guī)律

本次調(diào)查結(jié)果(圖 2)表明, 九龍江河口水域表層沉積物中 Cu、Pb、Zn、Cd在海門(mén)島以北至北溪入海端之間存在高值; Cr在雞嶼以北近岸區(qū)域出現(xiàn)高值; Hg高值出現(xiàn)在海門(mén)島西側(cè)與紫泥鎮(zhèn)南側(cè)的中間水域; As高值出現(xiàn)在各溪流入海端及海門(mén)島與雞嶼的中間水域。除個(gè)別站位外, 各重金屬含量基本上符合國(guó)家一類海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 采樣站點(diǎn)布設(shè)圖Fig. 1 Sampling stations

2.2 九龍江河口水域表層沉積物重金屬的污染評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.1 地質(zhì)累積指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用地質(zhì)累積指數(shù)法, 對(duì)此次九龍江河口水域表層沉積物重金屬的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。地質(zhì)累積指數(shù)法(Igeo), 是利用重金屬總濃度與背景值的關(guān)系來(lái)確定重金屬污染程度的參數(shù), 是20世紀(jì)60年代晚期在歐洲發(fā)展起來(lái)的廣泛用于研究沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo), 其表達(dá)式為:

式中:Cn是元素n在沉積物中的含量;Bn是沉積物中該元素的地球化學(xué)背景值;k為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)(一般取值為1.5),用來(lái)表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響[2]。本文中采用福建省的土壤背景值作為各元素的地球化學(xué)背景值[3]。該指數(shù)的污染分級(jí)為無(wú)污染(Igeo<0), 輕度污染(0≤Igeo＜1), 偏中污染(1≤Igeo＜2), 中度污染(2≤Igeo＜3), 偏重污染(3≤Igeo＜4), 重污染(4≤Igeo＜5),嚴(yán)重污染(5≤Igeo＜6)[2]。

評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表(表 1)及餅圖(圖 3)表明: (1)在布設(shè)的21個(gè)站中, 表層沉積物的Zn、Cr的Igeo全部小于0, 均屬無(wú)污染; (2) Cu、As的污染程度較小,大部分站位為無(wú)污染; Pb、Hg的污染程度略高些, 輕度污染的比例分別達(dá)到 33.3%及 47.8%, 站位 15的Hg更是達(dá)到了中度污染。具體的污染站位及污染程度如圖3所示, 值得注意的是, 站位16的Cu、Pb、Hg、As均為輕度污染, 應(yīng)加以關(guān)注; (3) Cd的污染程度較為嚴(yán)重, 大部分站位為輕度及中度污染, 位于海門(mén)島北側(cè)的站位8及北溪入海端的站位13更是達(dá)到了偏重污染, 具體的污染站位及污染程度如圖 3所示; (4)就地質(zhì)累積指數(shù)的平均值而言, 僅有Cd(1.38)為偏中污染, 其余各重金屬均為無(wú)污染, 因此該水域總體上為Cd污染, 且污染程度較高。

2.2.2 生態(tài)危害指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)此次九龍江河口水域的表層沉積物重金屬的生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)。其潛在生態(tài)危害指數(shù)(R I)方法的計(jì)算公式為:

圖2 各要素的平面分布圖Fig. 2 Horizontal distributions of various metals

表1 地質(zhì)累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 Statistics of Geoaccumulation Index

該方法中所需的參照值與地質(zhì)累積指數(shù)法中的參照值一致[3]。該指數(shù)的生態(tài)危害程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為輕微生態(tài)危害(Er<40或RI<150), 中等生態(tài)危害(40≤Er＜80 或 150≤RI＜300), 強(qiáng)生態(tài)危害(80≤Er＜160 或300≤RI＜600), 很強(qiáng)生態(tài)危害(160≤Er＜320或 600≤RI＜1200), 極強(qiáng)生態(tài)危害(Er≥320或RI≥1200)[4]。

評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表(表 2)及餅圖(圖 4)表明, (1)在布設(shè)的 21個(gè)站中, 表層沉積物的 Cu、Pb、Zn、Cr、As的Er全部<40, 均屬輕微生態(tài)危害; (2) Hg具有不同程度的生態(tài)危害, 大部分站位(71.4%)為輕微和中等生態(tài)危害, 但也有23.8%為強(qiáng)生態(tài)危害, 站位15更是達(dá)到了極強(qiáng)生態(tài)危害, 具體的污染站位及比例見(jiàn)圖4; (3) Cd的生態(tài)危害更為嚴(yán)重些, 大部分站位(57.1%)為強(qiáng)和很強(qiáng)生態(tài)危害, 站位 8、13更是達(dá)到了極強(qiáng)生態(tài)危害, 具體的污染站位及比例見(jiàn)圖 4;(4)以多種重金屬的生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(RI)而言, 強(qiáng)生態(tài)危害的比例最大, 達(dá)到 38.1%, 輕微及中等生態(tài)危害的比例均為 28.6%, 具體的污染站位及比例見(jiàn)圖4; (5)九龍江河口水域表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)依次為 Cd(170.5)>Hg(77.1)>As(12.5)>Pb(7.1)>Cu(4.9)>Cr(0.8)>Zn(0.08)。多種重金屬的生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)為 272.9, 表明九龍江表層沉積物重金屬污染屬于中等生態(tài)危害。

圖3 地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果圖(餅圖中數(shù)字為站位號(hào))Fig. 3 Geoaccumulation Index assessment (the numbers in the figure indicate various sampling stations)

表2 生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表Tab. 2 Statistics of Potential Ecological Risk Indexes

由于參照值選取的不同及選擇的重金屬參數(shù)不同都會(huì)極大地影響評(píng)價(jià)結(jié)果, 因此在與文獻(xiàn)比較時(shí)應(yīng)以相同的參照值及重金屬參數(shù)進(jìn)行比較。該水域表層沉積物Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高, 潛在生態(tài)危害最大, 這與陳伯揚(yáng)的結(jié)果相同[5]; 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的順序與王偉力等[6]的結(jié)果相同。柳浩然等[7]的研究結(jié)果認(rèn)為, 該水域的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為輕微, 但其研究中選取的重金屬為Cu、Pb、Zn、Cr、Mn、Co、Ni及V, 均是毒性系數(shù)較小的重金屬, 沒(méi)有選取毒性系數(shù)大的Cd與Hg, 本文中若沒(méi)有選取Cd及Hg, 評(píng)價(jià)結(jié)果亦為輕微生態(tài)危害(多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)僅為 25.4)。由此可見(jiàn), 參照值及重金屬參數(shù)選擇的重要性。

地質(zhì)累積指數(shù)不考慮重金屬污染對(duì)生物的危害性有多大, 是一種污染現(xiàn)狀的評(píng)價(jià); 而生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)重金屬對(duì)生物潛在風(fēng)險(xiǎn), 體現(xiàn)了重金屬其生物毒性和相對(duì)貢獻(xiàn)比例, 重金屬對(duì)生物毒性越大,其權(quán)值越大。這兩種方法分別考慮到重金屬在土壤中的地球化學(xué)行為及環(huán)境毒性差異等因素, 因而二者的評(píng)價(jià)結(jié)果可能存在不同, 本文中九龍江表層沉積物地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果存在污染的Cu、Pb、As的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)卻并不大, 這是因?yàn)镃u、Pb、As的生物毒性要比 Cd小得多, 潛在風(fēng)險(xiǎn)也就小, 因此應(yīng)結(jié)合應(yīng)用這兩種評(píng)價(jià)方法, 如此才能更為合理全面地對(duì)重金屬污染狀況進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

2.3 九龍江河口水域沉積物重金屬的可能來(lái)源

運(yùn)用主成分分析法(PCA)對(duì)九龍江河口水域沉積物重金屬的可能來(lái)源進(jìn)行分析。主成分分析是一種掌握主要矛盾的統(tǒng)計(jì)分析方法, 能夠通過(guò)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)(即用較少的綜合指標(biāo)代替原來(lái)具有一定相關(guān)性的較多的指標(biāo))來(lái)反映原來(lái)多變量的大部分信息。Loska[8]、DelValls[9]、李玉[10]等運(yùn)用此法分別評(píng)價(jià)了Rybnik水庫(kù)、Códiz灣、膠州灣表層沉積物中重金屬的可能來(lái)源。

首先對(duì)九龍江河口水域沉積物中的各種污染物進(jìn)行因子分析, 得出其各種相關(guān)指標(biāo), 發(fā)現(xiàn)各污染物之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性, 且KMO統(tǒng)計(jì)量為0.655,大于0.5; Bartlett球型檢驗(yàn)相伴概率為0.000, 小于顯著性水平 0.05, 因此兩種檢驗(yàn)方法均表明本研究中的數(shù)據(jù)適合于作因子分析。從表3可以看出, 通過(guò)主成分分析計(jì)算, 沉積物中8種污染物(8個(gè)變量)的全部信息可由2個(gè)主成分(特征值: 4.147 +1.609= 5.756個(gè)變量)反映71.96 %, 即對(duì)前2個(gè)主成分進(jìn)行分析已經(jīng)能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息。

表3 本研究中主成分分析的計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Results of PCA

第一主成分的貢獻(xiàn)率是51.84 %, 在有機(jī)碳上的載荷為0.880。在有機(jī)碳上的高載荷說(shuō)明有機(jī)質(zhì)作為金屬離子結(jié)合物的重要性。從表4可以看出除Hg外,其他 6個(gè)重金屬元素與有機(jī)碳均呈顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)從 0.462(有機(jī)碳-Zn)到 0.890(有機(jī)碳-Cu),由此可以推斷有機(jī)碳是影響沉積物中重金屬分布的重要因素, 隨著有機(jī)質(zhì)的降解, 重金屬的轉(zhuǎn)換及遷移過(guò)程將受到極大影響, 結(jié)合到有機(jī)質(zhì)上的重金屬將可能被釋放出來(lái), 而成為沉積物中重金屬元素的一個(gè)來(lái)源, 因此第一主成分主要表征了有機(jī)質(zhì)對(duì)沉積物中重金屬來(lái)源的貢獻(xiàn)。這也與李玉等[10]的結(jié)果相同。

第二主成分的貢獻(xiàn)率為 20.12%, 特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在 Cr、As的濃度上有較高的正載荷。2007年由九龍江攜帶入海的重金屬污染物總量達(dá)到 105 t[11], 并由該年入河污染物構(gòu)成可知, 該區(qū)域內(nèi)排放廢水工業(yè)企業(yè)主要集中在一些礦業(yè)、化工、電力等行業(yè), 且生活和工業(yè)廢水在入河污染物中占到93.4%, 因此可以理解第二主成分所代表的實(shí)際意義是反映了工業(yè)排污和生活污水對(duì)沉積物的污染。

綜上所述, 九龍江河口水域沉積物中的重金屬主要來(lái)源于有機(jī)質(zhì)的降解以及工業(yè)、生活污水的排放, 其中前者為主要來(lái)源。

表4 各污染物之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Tab. 4 Pearson correlation coefficients of different pollutants

3 結(jié) 論

采用2009年5月對(duì)九龍江河口水域表層沉積物質(zhì)量狀況調(diào)查的結(jié)果, 對(duì)該水域表層沉積物重金屬的污染程度、潛在生態(tài)危害以及可能的來(lái)源進(jìn)行分析評(píng)價(jià), 得到如下結(jié)論:

(1)地質(zhì)累計(jì)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明該水域表層沉積物中Zn、Cr均屬無(wú)污染, 大部分站位的Cu、Pb、As、Hg為無(wú)污染或輕度污染, Cd污染較為嚴(yán)重, 大部分站位為輕度及中度污染。

(2)生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明該水域沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害順序?yàn)镃d>Hg >As>Pb>Cu >Cr>Zn; 多種重金屬的生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果則表明該水域表層沉積物中重金屬總體上屬于中等生態(tài)危害。地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示存在污染的Cu、Pb、As的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不大。

(3)兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果均表明該水域表層沉積物中Cd污染較為嚴(yán)重。

(4)主成分分析法結(jié)果表明該水域表層沉積物中重金屬可能來(lái)源于兩個(gè)方面, 分別是有機(jī)質(zhì)的降解以及工業(yè)排污和生活污水對(duì)沉積物的污染, 其中前者為主要的可能來(lái)源。

[1]國(guó)家海洋局.GB 17378.5-2007 海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第 5部分: 沉積物分析[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[2]Muller G. Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River. Geojournal, 1969, 2(3):108-118.

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Pollution assessment of heavy metals in the sediment of Jiulong River Estuary

LIN Cai1,2, LI Hui1,2, CHEN Jin-min1, CHEN Wei-fen1, LIN Li-bin1, JI Wei-dong1
(1. Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China; 2. College of Oceanography and Environmental Science of Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Jun., 04, 2010

Jiulong River Estuary; sediment; heavy metals; pollution assessment; pollution sources

By the Index of Geoaccumulation and the Potential Ecological Risk Index, a pollution assessment of seven heavy metals (Hg, Pb, Cr, Zn, Cu, Cd, and As) was made of the sediment in Jiulong River Estuary.The results of pollution assessment by Index of Geoaccumulation revealed Zn and Cr in this area belonged to none pollutants while Cu, Pb, Hg, and As in most stations were non or light pollutants. However, Cd in most stations was assessed as light or moderate pollutant. The assessment result of ecological risk revealed this area belonged to moderate potential ecological risk. The order of ecological risk was as the following, Cd>Hg>As>Pb>Cu >Cr>Zn. Principal component analysis was applied to estimate the possible sources of heavy metal pollution in this area. Results showed that degradation of organic matter and industrial wastewater were the main sources of heavy metal contamination, but the former was more important than the latter.

P734

A

1000-3096(2011)08-0011-07

2010-06-04;

2010-07-19

國(guó)家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(海三科2009023); 國(guó)家海洋局公益性項(xiàng)目(200805064)

林彩(1979-), 女, 福建福州人, 博士研究生, 主要從事海洋化學(xué)研究, 電話: 0592-2195219, E-mail: caicolour@163.com; 暨衛(wèi)東, 通信作者, Email: hyssjwd@163.com

康亦兼)