渤海灣表層沉積物重金屬污染狀況及年際變化分析

許 艷,王秋璐,曾 容,張玉佳,王曉莉

渤海灣表層沉積物重金屬污染狀況及年際變化分析

許 艷,王秋璐*,曾 容,張玉佳,王曉莉

(國家海洋信息中心,天津 300171)

根據2014～2018年渤海灣海洋生態環境沉積物質量業務化監測數據,對沉積物中Hg、Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As等7種重金屬元素的含量及年際變化趨勢進行了分析.通過單因子污染指數法、地累積指數法和潛在生態風險指數法,評價了研究區近岸海域沉積物重金屬污染狀況和潛在生態風險程度.結果顯示,符合一類標準的站位達92%以上,主要超標因子為Cd和Hg,這兩種重金屬含量的高值區一般分布在渤海灣南北兩側近岸地區,包括北側天津港、黃驊港附近,南側濱州、東營近岸.Hg、Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As等單個重金屬含量年際變化有所不同,年平均單因子污染指數均不大于1,年平均地累積指數均小于0,表明研究海域沉積物質量狀況良好,其中Cu單因子污染指數較大,近5年的平均值達到0.653;Cd地累積指數相對較大,對其監測工作值得重點關注.2014～2018年研究區域沉積物重金屬的總潛在生態危害程度為輕微等級,僅Hg和Cd部分站位出現強和中等的生態危害程度,各類重金屬元素對渤海灣海域生態構成潛在危害風險順序為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn;RI基本表現為先升高后降低、然后略微上升的年際變化趨勢,生態風險較高的區域主要位于渤海灣中部天津港附近和東北部曹妃甸附近海域.

渤海灣；表層沉積物；重金屬；年際變化

渤海灣以天津為區位中心,開展綜合性港口和高新技術開發區建設,冶金工業、化學工業、海水養殖等行業發展迅速,近些年來,環渤海區的海水污染呈現日趨嚴重的現象,海洋生態環境急劇惡化[1-2].

海灣形態特征導致其水動力環境較為封閉,使得陸源污染物進入海灣后,攜帶的重金屬污染物吸附在沉積物表面,通過不斷的絡合和吸附解吸過程,可向海水中再度釋放,產生二次污染,同時,污染物也會在海底沉積物中不斷累積沉淀,當含量超過一定閾值,就會對生存在附近的底棲生物產生毒害作用,影響海水水質和底棲生物的群落結構和組成,進而通過食物鏈影響人類[3].海洋底質中重金屬的含量可作為沉積物受污染程度判斷的主要依據,關于渤海灣地區沉積物重金屬特征前人已開展較多研究,其中,周笑白等[4]基于2013年沉積物數據,認為渤海灣表層沉積物重金屬含量超一類標準點位的主要超標因子是砷和鉛,屬于輕微生態風險等級;徐勇等[5]基于2013年沉積物數據,采用污染指數法和潛在生態風險評價法對渤海灣中部表層沉積物重金屬污染狀況進行評價,結果顯示渤海灣中部海域表層沉積物重金屬含量較低,符合海洋沉積物質量一類標準的要求;Qin等[6]基于2003年沉積物數據,認為渤海灣潮間帶沉積物重金屬主要污染物為鉛、鋅和鎘,其來源于污水排放、大氣污染和工業排放;徐亞巖等[7]基于2008年沉積物數據,認為自然來源是控制渤海灣中部泥質富集區中銅、鉛和鎘分布的主要因素,而鋅和鉻易受環境變化或人為輸入等影響.

綜上,前人研究結果大多僅限于渤海灣某一年的沉積物重金屬分布特征,且研究時間較早,尚未開展反映時間序列的沉積物重金屬污染特征分析,對于渤海灣沉積物重金屬時空變化規律研究尚不充分.因此.本文根據2014～2018年渤海灣海洋沉積物監測數據,對渤海灣表層沉積物重金屬近5年來的污染狀況及年際變化趨勢進行分析評價,為掌握渤海灣海域沉積物重金屬污染狀況變化特征,有效開展渤海灣海洋環境質量監測,綜合治理渤海環境污染、保護渤海海洋生態環境提供科學參考.

1 材料與方法

1.1 采樣方法

數據來源為2014～2018年原國家海洋局和自然資源部海洋生態環境監測工作中獲取的海洋沉積物質量監測數據,沉積物站位分布見圖1.涉及的各監測指標樣品采集、分析方法(包括采樣工作和實驗室分析),均按照《海洋監測規范》第3部分[8]和第5部分[9]所規定的方法和標準執行,數據處理和分析質量控制按照《海洋監測規范》第2部分[10]所規定的方法和標準執行.

圖1 研究區域站位分布示意

沉積物樣品采集時間和頻率為每年8月開展一次,本研究數據主要為表層沉積物樣品的實驗室分析結果.樣品采集深度不小于5cm,表層樣品取上部0～1cm,砂礫層取0～3cm層內的混合樣.樣品采集后,用非金屬器具進行接樣和分樣,放入樣品袋/瓶中.沉積物中重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr含量測量采用原子吸收分光光度法測定;Hg和As含量采用原子熒光法測定,沉積物重金屬含量分析精確度和準確度參照《海洋監測規范》.

1.2 單因子污染指數法

根據《海洋沉積物質量》(GB18668-2002)[11],利用單因子污染指數法評價不同點位的重金屬污染物超標情況.公式為:

式中:PI是沉積物重金屬的污染指數;C是沉積物重金屬的實測含量,mg/kg;S是沉積物重金屬的評價標準含量(采用第一類沉積物質量標準含量值),mg/kg.

1.3 地累積指數法

地累積指數作為研究水環境沉積物重金屬污染的定量指標,可進行時間和空間上的比較.將沉積物中重金屬污染狀況劃分為7個等級(表1).計算公式如下:

式中:C是沉積物重金屬在沉積物中的含量, mg/kg;B是沉積物中該元素的背景值,mg/kg,采用渤海灣工業化前背景值[4](表2),取值1.5用于校正區域背景差異[12].

表1 地累積指數(Igeo)與重金屬污染級別

表2 渤海沉積物中重金屬元素背景值[4](mg/kg)

1.4 潛在生態風險指數法

1980年,瑞典學者Hakanson提出了潛在生態風險指數法,目前在國內外廣泛應用于沉積物質量評價[13-15],其適用于近海流域、生態區域各站位不同源沉積物之間進行比較.該方法通過測定沉積物樣品中的重金屬污染含量,將其與區域背景值進行比較,消除區域間的差異影響,綜合考慮了水體對重金屬的敏感性,以及沉積物中重金屬的含量、毒性差異及遷移轉化規律,體現了生物有效性和相對貢獻比例,反映了多種重金屬污染物的綜合效應[16].公式如下:

表3 Eri和RI值對應的污染程度及潛在生態風險程度

1.5 數據處理方法

采用ArcGIS軟件地統計方法中的經驗貝葉斯克里金空間插值分析沉積物中各類重金屬在渤海灣內的空間分布規律.

2 結果與討論

2.1 渤海灣沉積物重金屬的含量分析

如表4所示,渤海灣海域表層沉積物重金屬Hg、Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As的含量變化范圍分別為(0.002～0.890)×10-6、(1.920～39.800)×10-6、(3.550～ 42.900)× 10-6、(0.024～9.980)×10-6、(0.069～88.600)× 10-6、(11.650～107.000)×10-6和(0.460～23.100)×10-6.根據《海洋沉積物質量》(GB 18668-2002)中沉積物質量第一類、第二類標準值,2014年和2018年存在少數超一類標準的站位,與徐勇等[5]研究結果基本一致,超標因子分別為Hg、Cu和Cr;2015年存在少數超一類標準的站位,超標因子為As、Hg、Cu、Cd和Cr,其中超二類標準站位的超標因子為Hg和Cd,超三類標準站位的超標因子為Cd.2014～2018年,渤海灣每年各類沉積物重金屬符合一類標準的站位達92%以上,適用于海洋漁業水域、海洋自然保護區、珍稀與瀕危生物自然保護區、海水養殖區、海水浴場等多種用海需求.與中國海域沉積物重金屬均值相比,渤海灣Hg、Cu、Cd、As年均值大于中國海域的平均值.

結合渤海灣超二類、三類標準的超標因子分析,本研究選取Hg和Cd為例,分析沉積物重金屬含量空間分布的年際變化特征.同種重金屬不同年份的平面分布趨勢略有差異.從Hg的空間平面分布來看(圖2),總體表現為高值區一般出現在近岸,并向海一側逐漸降低,高值區呈現由北部向南部移動,又回歸北部的變化,具體表現為2014年,渤海灣Hg高值區主要集中在天津近岸永定新河河口,向南擴展至南港工業區;2015年,Hg高值區集中分布在渤海灣南部濱州無棣縣和東營河口區,同時渤海灣中部海河河口外和北部曹妃甸近岸分別存在一相對高值區;2016年,Hg高值區分布在河北黃驊近岸,鄰近子牙新河河口;2017年和2018年,Hg高值區均位于天津近岸永定新河河口外.Hg分布特征與渤海地區經濟發展水平和環境污染相關[18-19],相對于其他區域,天津近岸永定新河河口附近存在北塘入海口和泰達市政排污口等多個排污口,根據2014～2016年天津市海洋環境質量公報[20-22],排污口在監測期間達標次數較少;且相較于2013年,2015年天津近岸沉積物重金屬Hg含量呈現上升趨勢,因此該處Hg含量一直較高.重金屬分布區主要受物源和沉積物粒度環境影響[23],河口附近咸淡水交匯,有利于懸浮物沉降和重金屬富集,容易出現高值區[24],近5年來,渤海灣Hg高值區通常分布在永定新河、海河、漳衛新河和馬頰河等河口近岸,沉積物粒度較細,水動力較強,并且受人類活動污染排放影響較大,其中2015～2016年黃驊港附近的Hg高值區,可能與黃驊港吞吐量增長有關,據滄州渤海新區管委會,黃驊港2016年完成吞吐量2.45億t,增速達到了全國首位.2016年以后,國家重視渤海地區生態環境保護,重點推進渤海環境治理和生態修復,天津通過開展大沽河綜合整治工程,山東通過東營市“藍色海灣”生態保護修復項目,使渤海灣近海海洋沉積環境得到進一步改善,Hg高值區范圍分布有所減少.

表4 2014～2018年研究海域表層沉積物重金屬的含量(′10-6)

渤海灣沉積物重金屬Cd的空間平面分布的總體特征(圖3)同樣表現為高值區一般出現在近岸,并向海一側逐漸降低,高值區呈現由南向北移動的趨勢,具體表現為2014～2016年,渤海灣Cd高值區主要集中在濱州無棣縣和東營河口區之間,存在由近岸向海一側移動的趨勢;2017年,Cd高值區向北移至天津永定新河和海河入海口附近,渤海灣南部高值區范圍變小;2018年,Cd高值區主要分布在天津港附近和曹妃甸近岸地區.與Hg分布特征相似,Cd高值區同樣分布在河口近岸地區,主要受人類活動和經濟發展影響,Cd的富集與養殖廢水排放有關,渤海灣內山東濱州和東營近岸圍海養殖和開放式養殖用海面積較大,約為天津和河北黃驊等地區的10倍.2014～2015年Cd高值區主要位于山東濱州-東營近岸,因可開展近岸圍海養殖的范圍有限,開放式養殖面積逐漸增多,表現為Cd高值區有向渤海中部移動的趨勢;2017年以來,國家和地方對渤海污染綜合治理的日漸重視,Cd高值區數值逐漸變小,但隨著天津港、黃驊港等綜合性港口建設和發展,由此產生的近岸水體和沉積物污染成為海洋生態環境健康的主要威脅因素[5,25],陸源污染排放成為Cd累積的重要原因,其高值區開始逐漸向北部天津-黃驊近岸移動.

圖2 2014～2018年渤海灣表層沉積物重金屬Hg空間分布

圖3 2014～2018年渤海灣表層沉積物重金屬Cd空間分布

2.2 渤海灣沉積物重金屬年際變化分析

如圖4所示,Hg變化比較平穩,最高值出現在2015年;Cd最高值出現在2015年,2016年下降,隨后保持平穩;As變化較為穩定,呈輕微下降的變化趨勢;Cu和Pb相對穩定,呈略微下降后上升的趨勢;Zn和Cr變化較大,Zn呈現先下降,2016年和2017年較為平穩,2018年轉為上升,Cr呈現先上升后下降,在2016年達到最低值,隨后呈上升趨勢.

總體來看,2014～2018年渤海灣沉積物重金屬Hg、As、Cu和Pb變化趨勢較為平穩,與沉積物重金屬的蓄積存在一定的時滯有關.Cd、Zn在2015年有較大波動,Cr在2016年有較大波動,此與國家政策和地方發展方向有一定關系,2015年國家發改委印發了《環渤海地區合作發展綱要》,為加快渤海發展指明了方向,同年環渤海地區海洋生產總值占全國的比重為36.2%,高速的區域發展勢必會對環境產生影響.研究表明,沉積物重金屬Zn和Cr主要受工業廢水和生活污水影響,Cd主要受養殖業的發展影響[26],綜合來看,渤海灣這3種沉積物重金屬含量的相對波動受渤海經濟發展帶來的污染影響可能性較大.

圖4 研究區域表層沉積物中重金屬平均含量的年際變化

2.3 渤海灣沉積物重金屬單因子污染指數法評價

表5 2014～2018年研究區域表層沉積物重金屬年平均單因子污染指數

如表5所示,7種重金屬元素年均單因子污染指數均小于1,表明渤海灣表層沉積物質量狀況良好.各類重金屬年均單因子污染指數排序為Cu>Cr> Cd>As>Zn>Pb>Hg,其中Cu近5年的平均值達到0.653,其次為Cr,其余重金屬均小于0.4.鑒于Cu的單因子污染指數較高,應對其引起足夠的重視,并強化此類沉積物重金屬元素的監測.

2.4 渤海灣沉積物重金屬地累積指數法評價

如表6所示,近5年來,渤海灣各種金屬geo均小于0,屬于清潔等級,單個重金屬geo年均值從大到小為Cd>Pb>Cu>Zn>Cr>Hg>As,其中,Cd地累積指數geo為-0.57,在渤海灣海洋環境監測工作中需要重點關注.

表6 2014～2018年研究區表層沉積物重金屬Igeo和污染級別

注:“/”前為geo,后為污染級別.

2.5 渤海灣沉積物重金屬潛在生態風險指數法評價

渤海灣沉積物中重金屬的總潛在生態危害程度為輕微等級,渤海灣海域各類重金屬元素生態危害風險順序為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn.由表7可知,僅Hg和Cd部分站位出現強和中等的生態危害程度,與文獻[2,4,24]結果一致,其余重金屬生態危害程度均為輕微.Hg生態危害程度較高主要受沿岸工業活動和陸源污染排放影響;Cd生態危害程度較高主要與近年來養殖廢水的沉積物累積速度有關,其具有較強的生物毒性和生物累積性,對海洋動植物和人類健康都存在較大威脅[4,27],因此應著重加強對渤海灣近岸海域沉積物重金屬Hg和Cd的監測,預防其可能產生的污染影響.

表7 研究區域表層沉積物重金屬的潛在生態風險系數和潛在生態風險危害指數

圖5 2014～2018年渤海灣表層沉積物重金屬生態風險分布

如圖5所示,渤海灣相對生態風險危害較高的區域主要位于渤海灣西北近岸地區和東北近岸地區,并逐漸向西南部和中部地區擴散,至2018年,渤海灣生態風險相對較高區域分布在天津港、曹妃甸近岸和黃驊港南部近岸等地區,均為近岸重要的工業區,沿岸分布有入海排污口、碼頭、工業園和污水處理廠等人工設施,人類活動頻繁,沉積物重金屬污染來源豐富,累積速度相對較快,因此,強化綠色發展理念,調整近海產業發展模式,合理規劃產業空間布局,嚴格控制入海污染物排放,對降低重金屬所帶來的生態風險十分關鍵.

3 結論

3.1 2014～2018年渤海灣近岸海域表層沉積物重金屬Hg、Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As含量符合一類標準的站位達92%以上,主要超標因子為Cd和Hg,高值區一般分布在渤海灣南北兩側近岸地區,包括北側天津港、黃驊港附近,南側濱州、東營近岸地區.

3.2 近5年來,渤海灣沉積物7種重金屬元素的單因子污染指數均不超過1,表明研究海域表層沉積物質量狀況良好.年均單因子污染指數排序為Cu>Cr> Cd>As>Zn>Pb>Hg,其中Cu近5年的平均值達到0.653,應引起重視并加強日常監測.

3.3 渤海灣沉積物7種重金屬元素年平均地累積指數值均小于0,表明研究海域表層沉積物質量狀況較好,單個重金屬地累積指數年均值排序為Cd>Pb>Cu>Zn>Cr>Hg>As,其中Cd值相對較大,值得重點關注.

3.4 2014～2018年研究區域各類沉積物重金屬的總潛在生態危害程度為輕微等級,生態風險較低,潛在生態危害風險系數排序為Cd>Hg>As>Pb>Cu> Cr>Zn.單個重金屬的潛在生態風險系數年均值統計結果顯示,僅Hg和Cd部分站位出現強和中等的生態危害程度;近5年,潛在生態風險危害指數RI基本表現為先升高后降低、然后略微上升的年際變化趨勢;生態風險較高的區域主要位于天津港附近和曹妃甸近岸海域.

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XU Yan, WANG Qiu-lu*, ZENG Rong, ZHANGYu-jia, WANG Xiao-li

(National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China)., 2022,42(9)：4255～4263

The pollution concentration of sediment heavy metals Hg, Cu, Pb, Cd, Cr, Zn and As and their annual variations in Bohai Bay were analysized basing on the monitoring data of the surface sediment samples collected from Bohai Bay during the period from 2014 to 2018. The pollution status and potential ecoloical risk of sediment heavy metals in Bohai Bay was evaluated by the methods of single factor standard index(PI), geoaccumulation index(geo) and potential ecological risk index(RI). The results show that above 92% of the sampling sites measure up to the first standard of the national marine sedimentary evaluation criterion. The main exceeded standard heavy metals were Cd and Hg,and the distribution area of their higher concentration were in the north and southends in the bay, especially including Tianjin Port coastal areas, Huanghua Port coastal areas, Binzhou coastal areas and Dongying coastal areas. The sediment quality status of Bohai Bay was well, and the single factor standard index(PI) and geoaccumulation index(geo) of all heavy metals annual average were less than 1 and 0, respectively. The annual variations of the seven heavy metals were different from each other, Cu the standard index (PI) value was higher than the others,the recent five years average standard index(PI) of which reached 0.653. Cd the geoaccumulation index(geo) was higher than the others, which should be worthy of attention. The potential ecological risk assessment of sediment heavy metals was generally slight in the period from 2014 to 2018. Metals Hg and Cd showed strong and medium ecological risk in the small proportion of stations. The potential ecological risk(RI) order of heavy metals for Bohai Bay was Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn. An increase-decrease-slightly increase type of RI annual variation was found. The areas of higher ecological risk(RI) were mainly near the coastal areas of Tianjin Port which was in the central part of Bohai Bay, and the Caofeidian coastal areas which was in the northeast of Bohai Bay.

Bohai bay；surface sediments；heavy metals；annual variation

X171,P76

A

1000-6923(2022)09-4255-09

2022-02-08

國家重點研發計劃(2017YFA0603200)

*責任作者, 高級工程師, 87675694@qq.com

許 艷(1988-),女,山東菏澤人,工程師,碩士,主要從事海洋生態環境保護與評價研究.發表論文20余篇.