莆田市平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物重金屬生態(tài)危害程度和水環(huán)境問題分析

季興財

(福建省197地質(zhì)大隊,福建 泉州 362011)

我國海水養(yǎng)殖業(yè)不斷發(fā)展,已成為重要的海洋支柱產(chǎn)業(yè)之一,對沿海經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和海產(chǎn)品保供等具有重要意義,然而,海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展過程中,漁業(yè)水域環(huán)境惡化、養(yǎng)殖自身污染加劇、養(yǎng)殖品種種質(zhì)退化等問題日益突出[1],特別是以重金屬污染為代表的海洋環(huán)境污染成為研究熱點之一。

重金屬是一類密度在4.5g/m3以上的金屬元素,砷和硒兩種金屬和重金屬的性質(zhì)相似,因此也被歸為重金屬。當(dāng)超人體承受劑量的重金屬進(jìn)入人體后,會干擾正常生理功能,危害健康。常見危害人體的重金屬的有:鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、砷(As)、銅(Cu)等[2]。

鎘侵入人體將對肺、腎、肝、免疫系統(tǒng)和生殖器官等產(chǎn)生一系列損傷。一是毒害腎臟,腎臟是鎘慢性毒作用的最重要的蓄積部位和靶器官,損害具有不可逆性,從而引發(fā)尿路結(jié)石、腎結(jié)石等病變;二是毒害骨骼,導(dǎo)致骨質(zhì)疏松、軟化,引起疼痛病(十大公害病之一);三是毒害肺,鎘侵入人體后,人們會出現(xiàn)呼吸道刺激癥狀,甚至出現(xiàn)支氣管肺炎、肺水腫;四是損害心腦血管。此外,鎘還可干擾銅、鈷、鋅等微量元素的代謝,阻礙腸道吸收鐵,抑制血紅蛋白的合成[3]。

食物鏈對汞有極強(qiáng)的富集能力,在食物鏈的作用下,水生生物對汞大量富集,汞含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水體中的汞含量,有些海洋生物對汞的富集能力達(dá)到20萬倍[4]。汞的毒性有機(jī)汞以短鏈烷基汞為主,是通過食用水產(chǎn)品的途徑來進(jìn)入人體內(nèi)的。有機(jī)汞易于在人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟和腎臟中積累。當(dāng)發(fā)生急性汞中毒時,人會出現(xiàn)頭暈發(fā)熱、意識混亂、痙攣、全身或部分器官麻痹等癥狀,急性發(fā)作,大多數(shù)人會迅速被剝奪生命,在短時間內(nèi)被人體吸收的有機(jī)汞的量比較少的時候,會出現(xiàn)亞急性中毒,此時人體的末梢神經(jīng)會出現(xiàn)障礙,出現(xiàn)聽力下降、語言能力衰退、運動能力降低等癥狀[5]。

近年來,水中有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的污染對人體健康影響引起了全世界的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)水中有機(jī)化學(xué)污染物共有2221種[6]。水源受有機(jī)物污染的影響,水源的誘變性會降低,對飲用水進(jìn)行加氯消毒時,飲用水的誘變活性會增大,產(chǎn)生許多誘變物,這些物質(zhì)很容易引起動物遺傳毒性[7]。

2015年國家海洋局發(fā)布的《中國海洋發(fā)展報告》顯示,我國80%的近海生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康和不健康狀態(tài),污染海域主要分布在遼東灣、渤海灣、萊州灣、江蘇沿岸、長江口、杭州灣、浙江沿岸、珠江口等。重金屬不能被微生物降解,而且能夠沿著食物鏈向高營養(yǎng)水平的生物傳遞,直至輸送到人體,危害人體健康。

莆田市平海灣有機(jī)污染較輕,興化灣較重,無機(jī)氮和活性磷酸鹽均嚴(yán)重超標(biāo),西側(cè)近岸水域高,往灣口方向遞減;莆田市所有養(yǎng)殖海域均高DO、低COD,南日島、興化灣尤其突出[8]。平海灣地區(qū)地下水類型以Ⅱ類水和V類水為主,地下水綜合質(zhì)量等級以較差級別為主[9];因此,分析水中有機(jī)物污染對人體健康的危害,并采取有效的防治措施,對提升海洋生態(tài)環(huán)境,保障海產(chǎn)品質(zhì)量、保護(hù)人類身體健康具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)域概況

平海灣位于福建省莆田市秀嶼區(qū)境內(nèi),在興化灣之南、埭頭與忠門兩半島之間,北起石城,南至文甲,處于興化灣與湄洲灣之間,是莆田三灣之一,屬亞熱帶海洋性氣候,氣候宜人,自然條件優(yōu)越,本課題研究的范圍為莆田市平海鎮(zhèn)、東嶠鎮(zhèn)、忠門鎮(zhèn)、月塘鄉(xiāng)、山亭鎮(zhèn)的近海海域及部分沿海圍墾區(qū)。

根據(jù)《莆田市總體規(guī)劃(2008-2030)》,莆田市平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)主要分為灘涂貝類底播養(yǎng)殖區(qū)、淺海貝類延繩式養(yǎng)殖區(qū)、淺海藻類延繩式養(yǎng)殖區(qū)和淺海鮑參筏式和網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)四大類,其中灘涂貝類底播養(yǎng)殖區(qū)主要規(guī)劃于平海灣最內(nèi)側(cè)海灣處,多位于東嶠鎮(zhèn)南側(cè)、月塘鎮(zhèn)東南側(cè)及忠門鎮(zhèn)東側(cè)灘涂上;淺海貝類延繩式養(yǎng)殖區(qū)多規(guī)劃在平海灣外口處平海鎮(zhèn)南側(cè)和山亭鎮(zhèn)東側(cè)一帶海域;淺海藻類延繩式養(yǎng)殖區(qū)主要規(guī)劃于平海灣中部平海—東嶠連線偏南側(cè)海域;淺海鮑參筏式和網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)規(guī)劃區(qū)域較小,主要在平海灣海域中部零星分布,詳見圖1。

圖1 平海灣海水養(yǎng)殖水域規(guī)劃示意圖

2 材料與方法

2.1 采樣時間、點位和試驗方法

2017年8月-9月,有關(guān)單位開展了平海灣生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查,在海水養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行了取樣和實驗分析,筆者利用這些數(shù)據(jù)依據(jù)漁業(yè)養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?所評論的區(qū)域基本覆蓋了平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)。

采樣點重點結(jié)合污染源、含水層分布、地下水流向、污染源的擴(kuò)散形式并按照一定網(wǎng)度呈散點狀均勻布設(shè)于平海灣海域海水養(yǎng)殖區(qū)。在研究區(qū)共采集海洋表層沉積物樣16件,進(jìn)行重金屬污染物檢測,主要檢測項目包括Hg(汞)、Cd(鎘)、As(砷)、Pb(鉛)、Cu(銅)、Cr(鉻)、Zn(鋅)共7種元素;采集海水樣6件,對水樣中化學(xué)需氧量、溶解性無機(jī)氮、溶解態(tài)無機(jī)磷、氰化物、溶解氧、砷、鎘、汞、鉛、總鉻、六價鉻、硒、銅、鋅、鎳共15種因子進(jìn)行指標(biāo)測試。

采樣、運輸、檢測及質(zhì)量控制均依據(jù)GB17378-2007海洋監(jiān)測規(guī)范進(jìn)行。

2.2 表層沉積物重金屬污染評價

本次沉積物重金屬污染生態(tài)危害評價采用瑞典科學(xué)家Hakanson提出的生態(tài)危害指數(shù)法來評價重金屬污染狀況及其生態(tài)危害,參與評價的重金屬包括Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn 共7 種。具體的評價公式如下:

式中:Cd—沉積物重金屬總體污染程度;

Ci—重金屬i的實測濃度;

評價區(qū)內(nèi)沉積物重金屬的生態(tài)危害評價基于該沉積物重金屬的污染狀況評價,即首先計算單個重金屬的生態(tài)危害系數(shù),然后通過對所有參與評價的重金屬的生態(tài)危害系數(shù)求和得到沉積物中多種重金屬的危害指數(shù)ERI。

參數(shù)的確定:

(1) 重金屬Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn 的毒性系數(shù)分別為40、30、10、5、5、2、1;

(2) 重金屬的參比值應(yīng)采用評價區(qū)沉積物中的背景值,在無法獲得背景值的情況下可采用工業(yè)化之前全球沉積物中的最高背景值。本次評價重金屬Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn 采用工業(yè)化之前全球沉積物中的最高背景值,分別為0.25、1、15、70、50、90 和175μg/g。

重金屬污染評價指標(biāo)及其與污染程度和生態(tài)風(fēng)險程度的關(guān)系如表1所示。

表1 重金屬污染評價指標(biāo)及其與污染程度和生態(tài)風(fēng)險程度的關(guān)系

2.3 海水水質(zhì)評價

根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997),海水水質(zhì)按照海域的不同使用功能和保護(hù)目標(biāo),將海水水質(zhì)分為四類:

第一類:適用于海洋漁業(yè)水域,海水自然保護(hù)區(qū)和珍稀瀕危海洋生物保護(hù)區(qū);

第二類:適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū),海水浴場,人體直接接觸海水的海水運動或娛樂區(qū),以及與人類食用直接有關(guān)的工業(yè)用水區(qū);

第三類:適用于一般工業(yè)用水區(qū),濱海旅游風(fēng)景區(qū);

第四類:適用于海洋港口水域,海洋開發(fā)作業(yè)區(qū)。

莆田市平海灣海域主要規(guī)劃為海水養(yǎng)殖區(qū),養(yǎng)殖灘涂貝類、灘涂藻類、及淺海貝類等海產(chǎn)品,故本次海水水質(zhì)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)值采用第二類海水水質(zhì)單因子標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3.1 單因子評價

根據(jù)《海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查規(guī)范(1∶100000)》(DD2012-06),本次海水單因子評價采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法,主要評價海水水質(zhì)單項因子對環(huán)境產(chǎn)生的等效影響程度。因子污染指數(shù)1.0作為該因子是否對環(huán)境產(chǎn)生污染的基本分界線,小于0.5為水域未受該因子污染;介于0.5～1.0之間為水域受到該因子污染;大于1.0表明水域已受到該因子嚴(yán)重污染。水質(zhì)單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計算公式為:

式中:Pi—第i種污染因子的污染指數(shù),即單因子污染指數(shù);

Ci—第i種污染因子的實測濃度;

Ci0—第i種污染因子的評價標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 海水水質(zhì)綜合評價

根據(jù)《海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查規(guī)范(1∶100000)》(DD2012-06),本次海水水質(zhì)綜合評價采用綜合指數(shù)法,計算公式為:

式中:PI—水質(zhì)綜合評價指數(shù);

Pi—第i種污染因子的污染指數(shù);

n—參加評價的水質(zhì)參數(shù)的數(shù)目。

PI值越大,水質(zhì)越差。水質(zhì)綜合評價指數(shù)PI>1則該海域水質(zhì)不符合選用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),PI<1則該海域水質(zhì)符合選用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.3 海水有機(jī)污染評價

根據(jù)《海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查規(guī)范(1∶100000)》(DD2012-06),本次海水有機(jī)污染評價采用有機(jī)污染指數(shù)法,計算公式為:

式中:A—水體有機(jī)污染指數(shù);

COD —水體中化學(xué)需氧量的實測濃度;

DIN —水體中溶解態(tài)無機(jī)氮的實測濃度;

DIP —水體中溶解態(tài)活性磷酸鹽的實測濃度;

DO —水體中溶解氧的實測濃度。

COD0、DIN0、DIP0、DO0分別為水體的上述各項指標(biāo)選用的評價標(biāo)準(zhǔn)。水體有機(jī)污染評價按表2分級。

表2 水體有機(jī)污染評價分級表

2.3.4 海水富營養(yǎng)化評價

根據(jù)《海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查規(guī)范(1∶100000)》(DD2012-06),本次海水富營養(yǎng)化評價方法采用富營養(yǎng)化指數(shù)法,計算公式為:

式中:E—水體富營養(yǎng)化指數(shù);

COD—水體中的化學(xué)需氧量,mg/L;

DIN—水體中的無機(jī)氮含量,mg/L;

DIP—水體中的磷酸鹽含量,mg/L。

當(dāng)E >1時,表明水體呈富營養(yǎng)化,E值越高,說明水體富營養(yǎng)化程度越嚴(yán)重。

3 結(jié)果與討論

3.1 海底表層沉積物重金屬污染分析

3.1.1 重金屬污染程度分析

實驗數(shù)據(jù)顯示,Hg的平均含量為0.19ω(B)/10-6,Cd的平均含量為1.93ω(B)/10-6,As的平均含量為8.17ω(B)/10-6,Pb的平均含量為22.40ω(B)/10-6,Cu的平均含量為15.46ω(B)/10-6,Cr的平均含量為63.90ω(B)/10-6,Zn的平均含量為83.11ω(B)/10-6。

根據(jù)分析,Hg的污染程度為0.78,Cd的污染程度為1.93,As的污染程度為0.54,Pb的污染程度為0.32,Cu的污染程度為0.31,Cr的污染程度為0.71,Zn的污染程度為0.47,重金屬總體污染程度為5.08。經(jīng)比對,平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物單個重金屬污染程度屬較低級別,僅有38%的區(qū)域Cd單個元素污染程度達(dá)到中等級別,重金屬總體污染程度<8,屬于低級別,Cd元素污染程度見圖2,重金屬總體污染程度見圖3。

圖2 Cd元素污染程度餅圖

3.1.2 重金屬危害程度分析

通過重金屬生態(tài)危害系數(shù)計算,平海灣海域表層沉積物中Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn的生態(tài)危害程度分別為31.37、58.01、5.45、1.60、1.55、1.72、0.47,重金屬總體生態(tài)危害程度為99.87。

經(jīng)比對分析,Hg、As、Pb、Cu、Cr、Zn等6種元素單個重金屬生態(tài)危害程度屬低級別。88%樣品中Cd元素生態(tài)危害系數(shù)超標(biāo),Cd元素生態(tài)危害程度達(dá)到中等級別。PHH03樣品中Hg元素達(dá)到中等級別。重金屬總體危害指數(shù)均<150,重金屬總體生態(tài)危害程度屬于低級別。Cd元素生態(tài)危害程度見圖4,重金屬總體生態(tài)危害程度見圖5。

圖4 Cd元素生態(tài)危害程度餅圖

圖5 重金屬總體生態(tài)危害程度錐形圖

3.2 海水水質(zhì)評價

3.2.1 單因子評價

實驗數(shù)據(jù)顯示,溶解性無機(jī)氮、溶解態(tài)無機(jī)磷、溶解氧、氰化物、砷、總鉻、六價鉻、硒等8種元素平均含量均小于0.5 mg/L,海水水質(zhì)未受到以上因子污染;COD平均含量為0.91 mg/L,汞平均含量為0.50 mg/L,海水水質(zhì)受到該因子污染;鎘平均含量為60.33 mg/L,鉛平均含量為243.00 mg/L,銅平均含量為11.83 mg/L,鎳平均含量為102.50 mg/L,以上元素含量均大于1.0 mg/L,養(yǎng)殖區(qū)海水水質(zhì)受到鎘、鉛、銅、鋅、鎳5種因子的嚴(yán)重污染,其中鉛和鎳因子超標(biāo)達(dá)百余倍以上,嚴(yán)重污染了研究區(qū)的海水水質(zhì)質(zhì)量,各因子評價指標(biāo)見表3和圖6。

表3 海水水質(zhì)單因子評價污染指數(shù)統(tǒng)計表

圖6 海水水質(zhì)單因子評價柱狀圖

3.2.2 海水水質(zhì)綜合評價

根據(jù)綜合指數(shù)法對研究區(qū)海水水質(zhì)進(jìn)行綜合評價,平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)海水水質(zhì)總體較差,各水質(zhì)綜合評價指數(shù)均>1,海水水質(zhì)綜合評價指數(shù)平均值達(dá)28.20,見表4,故該海域海水水質(zhì)不滿足規(guī)范《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)中第二類海水水質(zhì)要求,不適于水產(chǎn)養(yǎng)殖、海水浴場開發(fā)、人體直接接觸海水的海水運動或娛樂區(qū)開發(fā),不可作為人類食用直接有關(guān)的工業(yè)用水。

表4 平海灣海域海水水質(zhì)綜合評價成果表

3.2.3 海水有機(jī)污染評價

根據(jù)海水有機(jī)污染指數(shù)法對海水有機(jī)污染進(jìn)行評價,平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)海水有機(jī)污染指數(shù)A值均處于1～2的范圍內(nèi),有機(jī)污染指數(shù)平均值為1.52,總體水質(zhì)有機(jī)污染程度等級為2級,處于開始受到污染狀態(tài),見表5。

3.2.4 海水富營養(yǎng)化評價

采用富營養(yǎng)化指數(shù)法對研究區(qū)水樣進(jìn)行海水富營養(yǎng)化評價,測試結(jié)果及水體富營養(yǎng)化指數(shù)見表6。通過計算平海灣海域水樣水體富營養(yǎng)化指數(shù),所有樣品水體富營養(yǎng)化指數(shù)均遠(yuǎn)小于1,故根據(jù)本次取樣結(jié)果莆田市平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)未發(fā)現(xiàn)海水富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

表6 海水養(yǎng)殖區(qū)海水富營養(yǎng)化評價表

由于本項目海水樣品采集季節(jié)為夏季,測試及分析成果不能代表平海灣全年海水富營養(yǎng)化狀況,根據(jù)《莆田市海洋環(huán)境狀況公報》,莆田市平海灣近海海域海水呈富營養(yǎng)化狀態(tài)面積在夏季最小,平海灣近海海域在夏季無富營養(yǎng)化區(qū)域面積達(dá)90%以上,僅小部分范圍出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化;通過對比全年監(jiān)測數(shù)據(jù),平海灣近海海域在秋季和冬季海水富營養(yǎng)化面積較大,但均以輕度富營養(yǎng)化為主,僅在冬季出現(xiàn)小范圍中度富營養(yǎng)化狀態(tài),見圖7。

圖7 平海灣海域海水富營養(yǎng)化分布圖

3.3 污染物產(chǎn)生原因及危害分析

Cd、Hg等重金屬污染產(chǎn)生的主要原因與人類工程活動有關(guān),工業(yè)污水、養(yǎng)殖污水、生活污水和農(nóng)業(yè)污水的排放,是海水污染的主要來源。工業(yè)污水、養(yǎng)殖污水和生活污水的排放主要是通過管道排放至周邊河流和排污溝渠中,進(jìn)而排放至海水中,農(nóng)業(yè)污水通過田地水流匯入周邊河谷河流,進(jìn)而排放至海水中,污染養(yǎng)殖區(qū)海水[9]。

重金屬能夠直接或間接作用于海洋生物體DNA,易引起海洋生物的遺傳物質(zhì)發(fā)生突變,導(dǎo)致生物發(fā)育異常,降低胚胎、幼體及成體的存活率,從而使生物物種和群落發(fā)生改變,影響生物多樣性,降低生物資源的利用價值,從而對整個海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。平海灣海域表層沉積物中的重金屬元素一般通過人工養(yǎng)殖的海帶、紫菜及貝類等海產(chǎn)品遷移至人體,影響人類身體健康[10]。

4 結(jié)論與建議

(1)平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)表層沉積物重金屬總體污染程度和重金屬總體危害程度屬于低級別,但Cd元素污染程度和生態(tài)危害程度屬于中等級別,可能會通過海產(chǎn)品遷移至人體,對人類造成危害。

(2)平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)海水綜合水質(zhì)不滿足第二類水質(zhì)要求,其中受到鎘、鉛、銅、鋅、鎳5種元素的嚴(yán)重污染,海水水質(zhì)不適于水產(chǎn)養(yǎng)殖,不可作為人類食用直接有關(guān)的工業(yè)用水。

(3)平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)海水總體水質(zhì)有機(jī)污染程度等級為2級,處于開始受到污染狀態(tài),在夏季無海水富營養(yǎng)化現(xiàn)象,但秋冬季的海水富營養(yǎng)化現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究。

(4)建議莆田市海域管理有關(guān)部門加強(qiáng)對平海灣海水養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物和海水重金屬污染源頭的管控,并開展對重金屬污染的治理工作。