長江口及鄰近海域沉積物中石油烴污染特征

李 磊,蔣 玫,王云龍,袁 騏,徐國棟,沈新強

(中國水產科學研究院東海水產研究所,上海 200090)

長江口及鄰近海域沉積物中石油烴污染特征

李 磊,蔣 玫,王云龍,袁 騏,徐國棟,沈新強*

(中國水產科學研究院東海水產研究所,上海 200090)

根據 2004～2009年豐水期對長江口及鄰近海域的調查監測資料,研究了沉積物中石油烴的時空分布特征及污染情況,分析了其影響機理.結果表明,石油烴平均含量為176.25mg/kg,沉積物無石油烴污染;沉積物中石油烴空間分布格局整體上呈由近岸向遠岸遞減的趨勢,陸源輸送、水動力條件、細顆粒物質的吸附以及絮凝作用是控制石油烴分布的主要因素;調查海域空間分布尺度上可以劃分為4個海域,MDS排序分析以及 ANOSIM 檢驗均支持了劃分結果;沉積物中石油烴含量為近岸最大渾濁帶最高,其次為近岸區和泥質區,在遠岸區則常年存在一個石油烴含量的低值區.

長江口；沉積物；石油烴；分布特征

石油烴是由烷烴、烯烴、芳烴、雜環芳烴等多組分復雜分子結構組成的均質混合物,開采、煉制、貯存運輸和使用等人類活動過程是其進入海洋環境中的主要途徑[1].各種途徑來源的石油烴進入海洋后,顯著特征是在海面形成一層厚度不等的薄膜,干擾海氣界面間正常的氣體、能量和水分交換,影響限制光合作用[2],并對海洋生物產生毒害[3-7].結果不僅破壞海洋生態系統的物質循環與能量流動的基礎,而且最終可能會破壞食物鏈平衡,降低海洋生物多樣性指數,引起海洋生物資源的衰退、弱化海洋生態系統[8].同時,通過生物富集、食物鏈放大,石油污染物最終可能會影響人類健康.盡管在經過蒸發、光化學作用、微生物分解等一系列物理、化學、生物過程后,部分石油烴進入大氣,但大部分石油烴最終以溶解組分或相應的降解組分存在于海洋中,并且有相當部分通過吸附、絮凝和沉淀作用進入沉積物,成為石油烴的“匯”[9].進入沉積物的石油烴,盡管也會被底泥中的微生物降解,但由于海底低溫、缺氧等不利條件,底質中石油烴降解緩慢,不僅對活動能力較差的各種底棲生物造成短期或者長期毒性危害,在某些特定環境條件下,還能夠成為水體二次污染的主要“源”[10].

河口是海陸交替的過渡帶之一,是淡水和海洋之間的生態交錯區,其物質和能量的轉換遠比其他地域迅速,對流域自然環境變化和人類活動的響應敏感,屬于相對脆弱的生態系統[11].近海沉積物作為環境演變的產物之一,蘊含著許多的環境信息,能夠顯示某海域的底質環境污染狀況并作為地球化學研究和進行環境評價的基礎[12].因此,研究沉積物中石油烴含量、分布等特征不僅可以了解該海區的污染狀況、遷移和沉積機制,對探討石油烴對底棲生物的影響也有著重要的意義.本文以2004～2009年5月、8月豐水期對長江口及鄰近海域的監測為基礎,研究了沉積物中石油烴在時間、空間尺度上的連續分布特征及污染水平,同時探討分析了其影響機制,以期為長江口及鄰近海域沉積物中石油烴污染有效控制和進一步研究提供支持.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

2004～2009年5月、8月豐水期在長江口及鄰近海域設置了20個監測站位(圖1),采用蚌式采泥器采集表層 0～10cm沉積物樣品,樣品的采集、貯存和運輸方法均按照《海洋調查規范》[13]的有關要求進行.沉積物樣品經自然風干,挑除石塊、殘根等雜物,充分混勻磨碎后過80目(180μm)篩,使用正己烷作萃取劑,用 Na2SO4洗滌萃取液,棄去水相,使用三科(上海三科儀器有限公司) 752N型紫外分光光度計測定沉積物中石油烴的含量[14].采用國家海洋環境監測中心提供的標準油(濃度1.0g/L)繪制標準曲線(R=0.999).

1.2 數據處理與評價方法

1.2.1 評價方法 為了定量反映各站位、年際之間石油烴的空間波動程度的大小差異,選用變異系數來表示它們變化程度的大小,變異系數計算公式如下[16]∶

式中∶CV為變異系數;S2為各站位、年際之間石油烴的空間、時間序列的標準偏差為各站位、年際之間石油烴空間、時間序列的平均值.

圖1 監測站位分布(底圖據文獻[15])Fig.1 Location of sampling stations(Base map after reference[15])

使用單因子指數質量模型對沉積物中石油烴質量進行評價,其計算公式為[17]∶

式中∶Pi,Ci和Si分別為石油烴評價結果、實測數據和評價標準,當Pi>1,表明沉積物已經受到污染,當 Pi≤1,表明沉積物未受到污染,Pi越大,表明沉積物受污染程度越高.本研究采用《海洋沉積物質量》Ⅰ類標準[18].

1.2.2 數據分析 沉積物中石油烴的平面分布使用Surfer 8.0軟件(Golden Software, USA)繪制,使用克里格法(Ordinary Kriging)網格化數據.

應用 Primer5.0 軟件(Plymouth MarineLaboratory, UK)進行聚類分析(CA)和多維定標分析(MDS)進行聚類劃分,MDS結果用脅強系數(Stress)檢驗,Stress<0.20時,可用MDS二維散點圖來表示,圖形有一定可信度,Stress<0.10時,是一個好的排序,Stress<0.05,具有很好的代表性[19].利用相似性分析(ANOSIM)檢驗聚類分析結果的差異性,該分析給出一個統計量 R,其大小一般介于0～1,值越大表明差異越大.

各站位、年際之間沉積物中石油烴實測數據的差異顯著性采用SPSS 17.0軟件進行處理分析,利用 Kruskal-Wallis非參數檢驗進行統計比較,當P<0.05時,差異顯著.

2 結果與討論

2.1 表層沉積物中石油烴的含量及年際變化

2004～2009年調查海域表層沉積物中石油烴含量范圍為 50.05～428.50mg/kg,平均含量為176.25mg/kg,各年際間石油烴含量無顯著性差異(P>0.05);2004～2009年際間石油烴含量均符合《海洋沉積物質量》[18]Ⅰ類標準(≤500mg/kg),其Pi值均≤1,表明沉積物未受到石油烴污染; 2004～2009年際間石油烴含量的順序依次為 2008年 >2006年>2007年>2009>2005年>2004年,各年際間石油烴含量波動微弱,但總體上略微增長;2004～2009年際間石油烴含量變異系數的順序依次為2005年>2006年>2008年>2004> 2007年>2009年,平均變異水平為46%,屬于中等變異水平[20],表明各年際間石油烴含量在調查海域的具有一定的空間離散度(圖2).

圖2 2004～2009年表層沉積物中石油烴含量年際變化Fig.2 Annual changes of petroleum contents in surface sediments from 2004 to 2009

2.2 表層沉積物中石油烴空間聚類和排序分析

圖3 各站位表層沉積物中石油烴的聚類分析Fig.3 Cluster of petroleum in surface sediments

對2004～2009年的調查海域20個監測站位沉積物中石油烴進行空間聚類分析,聚類結果如圖3所示,可以比較明顯的分為4組,第1組包括1、2、3、4號站位;第2組包括17、18、19、20號站位,第3組包括5、6、13、14、15、16號站位,第4組包括7、8、9、10、11、12號站位.為了驗證聚類效果,應用Bray-Curtis相似性指數計算各聚類分組的相似性水平,圖4是以Bray-Curits相似性為基礎的20個監測站位組成的相似MDS圖,該圖分析的stress值為0.03<0.05,說明該圖具有非常好的說服力,依據 MDS排序分析結果,2004～2009年的20個監測站位沉積物中石油烴可以比較明顯的分為4組,與聚類分析結果一致(圖3),可以很好地解釋各站位沉積物中石油烴分布的相似關系.同時,應用Primer5.0對上述聚類和排序分析結果做ANOSIM分析,對各聚類組(1、3組,1、4組,1、2組,3、4組,3、2組,4、2組)的差異進行顯著性檢驗,結果為總體R=0.99,P (level%)=0.1%,表明各聚類組兩兩之間均具有顯著性差異(表 1),故可以把所有站位分為 4個類別組.

圖4 各站位表層沉積物中石油烴MDS排序分析Fig.4 MDS ordination of petroleum in surface sediments

2.3 表層沉積物中石油烴的空間分布

如圖5所示,6年間沉積物中石油烴的分布趨勢總體一致,局部存在差異,主體呈現出近岸高、外海低,沿岸到離岸方向呈逐漸降低的分布趨勢,空間差異與變異水平一致.在調查海域西部近岸海域、東北偏東部海域有2個顯著的高值區,最高值分別出現在2006年的8號站位、2008年的1號站位,分別為311.70,428.50mg/kg.同時分別以2個高值區為基礎形成了2個呈西北-東南、西-東走向的2個舌狀凸出等值線,其值在向外延展的過程中逐漸遞減.在調查海域的東南方向海域則常年存在一個石油烴含量的低值區,最低值出現在2005年的20號站位,為50.05mg/kg.調查海域沉積物中石油烴的空間分布與長江河口水下三角洲的走向相吻合,這是受其來源、水動力條件以及沉積機理制約的結果.石油烴污染物主要來源于人類活動輸入[1],長江口作為世界第3大河的入?？?海域緊鄰工農業發達的長江三角洲地區,是流域物質流的匯集之地,陸源輸送的石油烴污染物入海量巨大[21],進入長江口的石油烴受陸源輸送及水動力條件控制,隨長江沖淡水呈扇形向外海擴展,在強烈的物理、化學和生物過程作用下,石油烴被懸浮顆粒物吸附、絮凝并沉淀,并在潮水作用下向沉積物深處遷移,使其殘留于沉積物的一定深度內長期滯留[22].此后隨著長江沖淡水控制力的逐漸減弱,海水稀釋作用占據主導地位,沉積物中石油烴含量由近岸向遠岸海域遞減,等值線也由與河口趨向于平行延展逐漸轉變為趨向于與河口垂直的帶狀分布.

表1 聚類結果的ANOSIM分析Table 1 ANOSIM test of CA

對照監測站位空間分布(圖 1),并參照孟翊等[23]、王麗萍等[24]對長江口海域沉積物地球化學分區的研究,圖3中聚類分析所分類的4組監測站位基本上分別對應近岸最大渾濁帶區、遠岸區、泥質區和近岸區.第1組監測站位位于近岸最大渾濁帶區,陸源輸送、排污口排污污染負荷較重,同時此區沉積物以泥質粉砂和粉砂質泥為主(圖 1),沉積物粒度較細,擁有大比表面積,絮凝作用強烈,吸附污染物的能力相對于較大顆粒物要大很多,對石油烴具有“過濾”作用[25],地理位置和沉積物粒徑特性的疊加作用是第1組高于并區別于其他組的原因(圖6).第2組監測站位位于較遠海域,遠離陸源污染,且開放性海域也有利于污染物的擴散,石油烴含量也最低(圖6).第3組監測站位位于泥質區(圖 1),沉積物粒度相比較最大渾濁帶更細(中值粒徑 6.9Φ),比表面積也更大[15],但由于海水的稀釋作用,輸送到此海域的石油烴量已經減少,其值也低于近岸最大渾濁帶,具有區別于其余監測站位的空間相似性(圖6).第4組監測站位位于近岸區,陸源輸送、排污口排污對這些監測站位影響最為強烈,盡管其底質類型與第1組一致,但其值低于吸附作用強烈的近岸最大渾濁帶(圖6).

圖5 表層沉積物中石油烴的平面分布(mg/kg)Fig.5 The distribution of petroleum in surface sediments(mg/kg)

圖6 各聚類分組石油烴含量Fig.6 Petroleum contents of different groups

3 結論

3.1 沉積物中石油烴含量范圍為 50.05～428.50mg/kg,平均含量為 176.25mg/kg,各年際間含量無顯著性差異(P>0.05),污染輕微.

3.2 沉積物中石油烴在空間尺度上可以劃分為4組,MDS排序分析支持劃分結果,ANOSIM分析表明各聚類組兩兩之間均具有顯著性差異.

3.3 沉積物中石油烴的分布趨勢總體一致,局部存在差異,主體呈現沿岸到離岸方向呈逐漸降低的分布趨勢,石油烴分布為近岸最大渾濁帶最高,其次為近岸區和泥質區,在遠岸區常年存在一個石油烴含量的低值區.

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Characteristics of petroleum hydrocarbon pollution in surface sediments from the Changjiang Estuary and its adjacent areas.

LI Lei, JIANG Mei, WANG Yun-long, YUAN Qi, XU Guo-dong, SHEN Xin-qiang*
(East China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200090, China). China Environmental Science, 2014,34(3)：752～757

In order to investigate the characteristics of the distribution and pollution level of the petroleum hydrocarbon in surface sediments. Based on data obtained from the Changjiang Estuary and its adjacent areas in the rainy season from year 2004to 2009, the distribution characteristics and pollution level of the petroleum hydrocarbon in surface sediments analyzed, and their influencing mechanisms was further analyzed. The average content of the petroleum hydrocarbon was 176.25mg/kg and there was almost no pollution in the investigation area. The distribution pattern of the petroleum hydrocarbon was decreased from the alongshore to the open sea and hydrographic dynamics, adsorption and flocculation played important roles in the distribution of the petroleum. According to the spatial analysis results, the petroleum hydrocarbon in surface sediments was classified into four areas and the results were supported by multidimensional analysis and ANOSIM test. The investigation area could classify into inshore turbidity maximum areas, inshore areas, muddy areas, and there was a perennial low value area in the offshore area located in the southeast.

the Changjiang Estuary；surface sediments；petroleum hydrocarlon；spatial distribution

X171

：A

：1000-6923(2014)03-0752-06

李 磊(1985-),男,安徽亳州人,助理研究員,碩士,研究方向為海洋生態.發表論文25篇.

2013-06-23

國家“973”項目(2010CB429005);農業部應對溢油關鍵技術專項(2012-2014)

* 責任作者, 研究員, xinqiang_shen@hotmail.com